基于PI參數(shù)優(yōu)化的風(fēng)電系統(tǒng)變流器的研究

　直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，它采用風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)多極低速永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電， 通過功率變換電路將電能轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪箱，系統(tǒng)效率大為提高，有效抑制了噪聲干擾[1]。
　目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用不控整流或二電平PWM整流電路，導(dǎo)致交流側(cè)電壓電流波形較差，功率因數(shù)不高，尤其對(duì)于交流側(cè)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定正常運(yùn)行極為不利。因此，本文介紹了采用雙PWM控制，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)都采用雙閉環(huán)的控制策略，并對(duì)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的PI控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過ITAE尋找最優(yōu)的比例系數(shù)和積分系數(shù)，使得系統(tǒng)達(dá)到很好的解耦效果，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)傳遞。
1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓源型基本結(jié)構(gòu)
電壓源型的永磁電機(jī)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]，采用大功率的電力電子器件絕緣雙極型晶體管(IGBT)，是一種結(jié)合大功率晶體管及功率場效應(yīng)晶體管兩者特點(diǎn)的復(fù)合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，又兼有大功率晶體管的電流大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。因此在系統(tǒng)中采用基于IGBT的整流器和逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為普通的三相橋式結(jié)構(gòu)。直流環(huán)節(jié)并聯(lián)大電容，可維持電壓恒定。電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)電感可用于濾波。通過系統(tǒng)的控制，將永磁電機(jī)發(fā)出的變頻變幅值電壓轉(zhuǎn)化為可用的恒頻電壓，達(dá)到了俘獲最大風(fēng)能的目的。

從式(5)可以看出kP、Ki的確定非常重要。因此PI控制器的參數(shù)采用最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)程序來選擇控制器參數(shù)。該程序可以用OCD同時(shí)設(shè)計(jì)串級(jí)控制器的內(nèi)環(huán)和外環(huán)，在Simulink中建立仿真模型，在該模型中定義內(nèi)環(huán)的兩個(gè)參數(shù)和外環(huán)的兩個(gè)參數(shù)，并定義了誤差的ITAE指標(biāo)。啟動(dòng)OCD，在編輯框中寫入四個(gè)參數(shù)，在時(shí)間欄寫入終止時(shí)間2，然后生成目標(biāo)函數(shù)Matlab文件，點(diǎn)擊優(yōu)化按鈕，則可以得出ITAE最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)：機(jī)側(cè)的內(nèi)環(huán)ITAE最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為Kp=1.007 9，Ki=3.962 7，外環(huán)為Kp=0.863 52，Ki=0.471 6。網(wǎng)側(cè)的內(nèi)環(huán)ITAE最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為Kp=10.848 9，Ki=0.959 1。外環(huán)為Kp=0.363 6，Ki=0.004 2，這樣即使是控制大時(shí)間延遲系統(tǒng)，也可以得到較好的效果。
3 機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的控制策略
　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用雙PWM變流器形式的控制器，它由網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器組成[6]。機(jī)側(cè)采用速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略；而網(wǎng)側(cè)采用直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。
3.1 機(jī)側(cè)PWM的控制策略
　根據(jù)永磁電機(jī)的矢量控制原理，通過轉(zhuǎn)子磁場定向控制，將定子電流的合成矢量定向在永磁同步電機(jī)dq坐標(biāo)系下的q軸上，使得id=0，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有效控制。其中速度外環(huán)的參考轉(zhuǎn)速ω*由最大功率追蹤算法(MPPT)給出，根據(jù)發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和輸出有功功率變化得出一個(gè)最優(yōu)ω*，與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器得到有功電流的參考值i*q，無功參考電流i*d設(shè)為零，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te為：