摘要：以双馈异步风力发电机为背景，在风速不断变化前提下，分析变流器的内部控制策略。以模糊PI控制策略为基础，引入Smith预估分析模型，采用PI调节，并对变流器控制策略进行优化，增强系统的稳定程度。通过PSCAD工具开展分析，当风速出现波动时，基于Smith预估模型自适应模糊PI策略能够提升变流器的运行特性，增强系统鲁棒性。
关键词：变流器；滑模控制；模糊自适应；PSCAD
引言
随着双馈风力发电技术的日益成熟，单机并网功率越来越大，对风力发电系统运行的稳定性提出了挑战。大功率负载的突投突切，引起电网电压的波动和三相不平衡；非线性负载的投入，会向电网注入大量谐波，从而导致并网电流谐波问题，造成设备寿命缩短甚至损坏。有的学者提出了延迟计算方法和加强PLL算法，当三相电压不平衡时，效果良好。还有的学者提出将网侧变流器作为有源滤波器使用，通过注入谐波电流，使并网电流的总谐波畸变率（THD）大大改善。通过分离正负序分量，并采用常规PI控制对特定谐波进行抑制的策略被广泛使用.对传统锁相方法进行改进，应对网压变化对锁相结果的影响；同时基于定子磁链定向控制策略，采用谐振控制方法，分别对机侧和网侧并网谐波电流进行抑制。最后通过仿真和实验，对控制策略的有效性进行验证。
1双馈风力发电系统谐波来源分析
双馈风力发电系统的结构组成，采用两个背靠背的PWM变变流器通过直流环节连接进行交流励磁。对变流器进行有效控制，可以在一定范围内实现变速恒频控制和最大风能追踪。
双馈风力发电系统谐波来源主要有异步电机电机本身谐波及变流器调制谐波，另外电网侧存在背景谐波时也会对因为变流器控制参数不合适从而造成双馈风力发电系统输出谐波含量超标。异步电机本身由于气隙不均匀产生的齿槽谐波可以通过合理设计电机结构抑制或消除。本文主要考虑变流器PWM调制谐波及电网背景谐波，通过建立其谐波等效模型研究双馈风力发电系统谐波输出特性。
2变流器的控制策略
2.1机侧变流器的数学模型
双馈风力发电机稳定运行，其定子的电压对应的频率稳定为50Hz。电网的电压频率不发生变化，并网后定子的电动势为恒值，只有定子电流可控，因此，并网条件下发电机功率就能转化为对定子电流的控制。对机侧变流器开展研究，需要考虑发电机等效模型，忽略定子电阻影响，可得发电机定子瞬时功率。双馈电机并网后，只有定子内部的电流大小可受控制，转换定子和转子电流，通过影响转子的电流能够实现控制发电机输出功率。结合双馈电机模型，就能得到转子电压、电流把上诉原理与模糊PI策略相结合，把功率误差及其变化作为系统输入量，功率增量作为输出量。
2.2网侧控制
网侧变流器的拓扑结构通常是一个三相全桥变流器，电网与变流器之间有电感连接，可由基尔霍夫电压定律得回路方程。网侧变流器的主要功能是稳定中间直流母线电压和交流侧单位功率因数运行，同时实现能量双向流动，采用电压外环电流内环的双环控制策略。
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2.3考虑电网阻抗双馈风力发电系统谐波模型
双馈风力发电系统电网侧侧变流器谐波等效模型和转子侧变流器及异步电机谐波等效模型，可以得到双馈风力系统整体谐波等效模型。得到双馈风力发电系统输向电网的电流。
因此，考虑存在电网阻抗时仍可以通过适当调节控制器参数抑制电网侧背景谐波。
3仿真验证分析
为了验证上述分析，通过搭建双馈风力发电网侧变流器控制模型，对2MW全功率网侧变流器在电网谐波畸变时的并网运行工况进行仿真研究。其中网侧变流器输出的电压有效值为690V，电网频率为50Hz，直流母线电压为1080V，桥臂侧电感为0.075mH，电网侧电感为0.035mH，滤波电容为55.7μF，功率器件的开关频率为2.5kHz。
在Matlab中搭建双馈风力发电网侧变流器的数学模型，首先对控制策略在电网无扰动情况下进行模拟仿真。得到理想条件下PIR控制策略和PIR加滑模控制策略下。
通过理想条件,网侧变流器输出电压输出波形可以看出，单纯PIR控制策略在系统启动过程中，系统响应速度较改进控制策略的速度慢，稳定之后通过Matlab中Powergui工具计算两个电压输出的谐波畸变率（THD）值分别为3.4%和2.3%。根据并网要求并网电压的谐波畸变率不能大于4%，两种控制策略均可实现并网要求。基于比例积分谐振和滑模变结构控制策略在稳态时输出更加稳定。
电网故障主要分为单相、两相、三相短路故障，当电网发生不平衡故障时，单相短路故障次数较多。本文仿真采用电网发生单相接地故障，对两种算法进行模拟仿真实验。
PIR控制在A相短路故障时输出的电压波形图，当发生单行短路故障时，C相电压发生畸变，幅值增大加据系统对输出的影响。PIR控制与滑模变结构控制共同作用的电压波形，当A相发生短路故障时，B、C两相之间可以做到解耦控制，避免了因单相故障造成的二次危害。
结语
采用基于SOW的PLL，能够在电网谐波较大和三相不平衡时稳定准确地输出频率结果。提出基于定子电压磁链定向，采用谐振控制抑制并网电流谐波，仿真和实验结果表明，控制策略能够较好地改善输出电流谐波，特别是低功率工况下的谐波含量。重点针对5,7次电网电压谐波的工况进行实验，对于其他谐波成分具有通用性，对于提高风电系统可靠性和安全性具有工程借鉴意义。
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论文作者:焦日东
论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/22
标签：变流器论文; 谐波论文; 电网论文; 电压论文; 策略论文; 定子论文; 电流论文; 《电力设备》2020年第1期论文;