基于LCL濾波器的風力發(fā)電變流器設計

引言

　　風力發(fā)電系統(tǒng)中變流器作為電機連接電網(wǎng)的核心裝置獲得廣泛應用。由于風力發(fā)電用并網(wǎng)變流器功率容量較大， 直流母線兩端的電壓較高，為降低功率器件應力PWM信號開關頻率受到限制，頻率范圍通常在1~3k（Hz）之間，開關頻率的降低導致變流器網(wǎng)側輸出電流中的諧波分量增加。采用常規(guī)的LC濾波需要較大的電感量，電感量的增加提高了成本，增加了裝置的體積，不利于變流器控制。[1-3]在變流器設計中引入LCL型濾波器。采用變流器電流間接控制結合電網(wǎng)電壓前饋補償?shù)目刂撇呗?，可以使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

　　1 風力發(fā)電變流器的數(shù)學模型

基于LCL濾波器的風力發(fā)電用變流器結構如圖1所示。其中 為三相電網(wǎng)電動勢，[7]假定電網(wǎng)電動勢為三相平穩(wěn)的純正弦波，不考慮并網(wǎng)變流器直流母線兩端電壓波動，濾波電感是線性的，且不考慮飽和，主電路開關元器件為理想開關元件，根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律和并網(wǎng)變流器工作原理，可得到并網(wǎng)變流器數(shù)學模型為：

Fig.1 System structure of direct drives for wind turbine

　?。╧ = a,b,c）， -直流側電壓； 、 -網(wǎng)側電感、寄生電阻， 、 -橋臂側電感、寄生電阻， -濾波器電容； 、 、 -網(wǎng)側電流、電容器電流、橋臂側電流； -直流側電流，ek-電網(wǎng)電動勢，R-開關管等效電阻，uNO-直流側負母線對交流中性點電壓，iL-負載電流。由變流器的數(shù)學模型可知，同典型L型并網(wǎng)變流器相比采用LCL濾波的并網(wǎng)變流器，數(shù)學模型中變量數(shù)目較多，增加了系統(tǒng)的復雜性。

　　三相坐標系下的數(shù)學模型具有物理意義清晰，直觀等特點，但是在該數(shù)學模型中，三相交流側電壓回路方程均以時變信號出現(xiàn)，不利于控制系統(tǒng)設計。為此，可將三相靜止坐標系下的正弦量通過坐標變換變換成dq坐標系下的直流量，從而簡化了控制系統(tǒng)設計。并網(wǎng)變流器在dq坐標系下的數(shù)學模型為：

　　其中

　　ucq-q軸電容電壓，ucq-d軸電容電壓，

　　iq-q軸橋臂電流，id-d軸橋臂電流，i2q-q軸網(wǎng)側電流，i2d-d軸網(wǎng)側電流，ed-d軸電網(wǎng)電動勢，eq-q軸電網(wǎng)電動勢，

　　2 基于LCL的變流器控制策略

　　2.1基于dq坐標系的變流器解耦控制

　　由于電能的雙向傳輸，當PWM變流器從電網(wǎng)吸收電能時其運行于整流工作狀態(tài)；當PWM變流器向電網(wǎng)回饋電能時其運行于逆變工作狀態(tài)，因此PWM變流器實現(xiàn)了綠色電能變換。網(wǎng)側電流與電網(wǎng)電壓同相，變流器網(wǎng)側呈正電阻特性，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，負載從電網(wǎng)吸收有功功率，變流器運行在逆變狀態(tài)，網(wǎng)側電流與電網(wǎng)電壓反相，變流器網(wǎng)側呈負電阻特性，實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變控制，負載向電網(wǎng)發(fā)送有功功率。

　　根據(jù)并網(wǎng)變流器數(shù)學模型可知，與獨立逆變控制輸出電壓不同，并網(wǎng)變流器控制電網(wǎng)的電流i2k（k=a,b,c），而i2k由加在輸出濾波器兩端的電壓uk和usk決定，考慮到uk是不可控量，輸出電流i2k由變流器橋臂的輸出電壓決定，因此并網(wǎng)變流器的控制策略就是選擇合適的變量控制橋臂輸出電壓，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，控制輸出電流i2k滿足系統(tǒng)要求。本文采用變流器直接輸出電流i1k間接控制并網(wǎng)輸出電流i2k與電網(wǎng)電壓前饋相結合的控制策略，為提高控制精度和動態(tài)響應速度在電流環(huán)中引入電網(wǎng)電壓前饋，其目的是克服電網(wǎng)擾動對LCL濾波器的影響，很大程度上減少系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器增益的依賴，加快系統(tǒng)的響應。有利于電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的設計，即使采用簡單的比例調(diào)節(jié)也可以獲得較好的電流跟蹤特性和魯棒性，擴大了調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇范圍。

PWM變流器電網(wǎng)電壓定向矢量控制將（d,q）同步旋轉(zhuǎn)坐標系的q軸按電網(wǎng)電壓矢量E定向。此時，電網(wǎng)電壓的d軸分量為零Ed=0,PWM變流器交流側電流矢量的q軸分量iq為有功電流，d軸分量id為無功電流。電網(wǎng)電壓定向矢量控制可以方便地實現(xiàn)網(wǎng)側有功功率和無功功率的解耦控制。為了實現(xiàn)PWM變流器單位功率因數(shù)運行，通常無功電流分量id的給定值設為零。