新型控制策略在离网小型风力发电系统中应用研究

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1、第37卷第4★期★★：》★★★★石油工程建设13黄帆，万光芬2(1．中石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通2264002．中国石油大学(北京)信息学院，北京102249)摘要：采用三相PWM整流器取代传统小型风力发电系统中的二极管不控整流和Boost升压斩波电路。基于整流器的无源性，采用阻尼注入方法设计无源控制器，该无源控制器使整流器实现电流解耦控制．具有更好的动静态性能。特别是在负载扰动的情况下．保持快速响应、优质电流波形和直流输出电压稳定。采用高性能数字信号处理器作为控制核心产生PWM调制信号．最后应用Matlab／Simulink对系统进行了建模和仿真分析．验证了方案的可

2、行性和优越性。关键词：风力发电；三相PWM整流器；数字信号处理器；仿真中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1001—2206(2011)04—0013—05O引言考虑到PWM整流器的非线性特性，研究新能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展型非线性控制策略在PWM整流器中的应用，进步的动力。然而，作为世界能源主要支柱的石将对风力发电系统中整流装置的性能，以及推油、煤炭、天然气等不可再生资源的储量非常有动电力电子技术的发展有着积极的作用。本文限。近年来可再生能源的开发利用越发受到重视，采用无源控制实现PWM整流器的直流侧电压风能就是这样一种廉价丰富的绿色能源，其中离稳定、

3、发电机侧高功率因数和良好电流波形。网小型风力发电系统具有经济、方便、实用等特利用高性能数字处理器TMS320F2812对系统实点．可为海岛、农牧场等边远地区以及海上石油现集中控制。系统结构如图1所示。本文着重作业平台等提供电能，成为新能源发电中的一个研究非线性控制方法在离网风力发电系统整流羊￥￥￥￥羊重要发展方向。器中的应用，运用Matlab／Simulink对系统进行但是风力发电系统受环境影响很大，风速和风建模和仿真分析。向波动都会使发电机输出特性发生很大变化。为了满足用户负载对电压和频率的要求，必须对电能加以控制『1。目前，现有系统大都采用二极管不控整流和Boost变换器结

4、构，电路虽然简单、可靠，但是采用不控整流会使系统输入电流严重畸变，谐波含量大，使发电机功率因数降低，容易引发发电机转矩振荡，能源利用率不高。PWM整流器可以实现稳定的直流电压输出，且交流侧电流波形良好，图1离网小型风力发电系统框图功率因数可调，具备宝贵的四象限运行能力。随着电力电子技术特别是开关器件制造技术的发展，1PWM整流器数学模型的建立PWM整流器的成本大大降低，因此，采用PWM1．1整流器基本数学模型整流器取代传统的二极管不控整流器作为离网小型三相PWM整流器主电路拓扑结构如图2所风力发电系统的整流器是合理的做法。示。14石油工程建设S、——分别为开关函数的d，q轴分量

5、；S，S——分别为整流器交流侧输出电压的d、q轴分量；C——电感：i——等效负载电流。采用恒幅值坐标变换，将同步坐标系下的d轴准确定向于风力发电机所发电压矢量方向上，有约注：E，，为三相风力发电机所发相电压；i，i，分束条件：E=，E=0，其中为发电机所发棚别为交流侧PWM整流器的三相输入电流；i为通过直流侧的负载电压峰值。．R。的电流；为直流侧电压值；L为每相进线电抗器的电感；R1．2整流器的欧拉一拉格朗日(EL)模型为包括电抗器电阻在内的每相电路的电阻。将式(2)转换成如下形式【1：图2三相电压型PWM整流电路拓扑结构die建立数学模型有如下假设：，J000，JS／'d(1

6、)发电机产生的电压为三相平衡正弦电压。00d。●+0S，’(2)滤波电感为线性，且不考虑饱和。00c一Sa—S，0Ljl＼一d(3)开关管为理想开关，无损耗。(4)尺．为逆变部分以及所带负载的等效负载。尺00定义5、S、5分别为三相桥臂的开关函数。Ed0尺0S1(k=0，b，c)表示相应桥臂上管导通，下+E(3)，)管关断；开关管VT4关断；S0表示相应桥臂0003RL下管导通，上管关断。由此可得出三相静止坐标系式(3)可以写成EL的形式：下PWM整流器数学模型『2：M．／+．Ix+Rx=(4)等=E—Ri。一(式中一正定对角阵；dib。，_反对称矩阵，J=一JT反映了系统内=

7、Eb-Rib-(m部的互连结构：㈩=R——对称正定矩阵，反映了系统的耗散特E—Ri。一()性：c5zf——系统与外部能量的交换。2整流器无源性控制器设计对式(1)通过等量旋转坐标变换可得同步旋2．1无源性理论转d、q坐标系下的三相PWM整流器模型：无源控制的本质是能量控制，即按系统的控制，J等=一Ri+。要求确定系统的能量分布。无源性是网络理论中的重要概念，它的深刻物理意义与Lyapunov函数有L=Eq-Ri一+s(2)着密切关系，成为非线性控制系统的稳定性分析和c=3(s+5q设计的新途