带有滤波电容电流补偿的风电并网逆变器控制

1、带有滤波电容电流补偿的风电并网逆变器控制曹凯 姜建国 赵剑飞(电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学电气工程系) 上海200240)摘要 分析了并网逆变器的控制策略，采用电网电压矢量定向和d, q轴电流闭环控制实现有功功率和无功功率的解耦控制。重点对输出滤波电容对并网电流相位的影响进行了分析，并对此提出了一种采用滤波电容电流补偿的方法。对比仿真结果表明，该补偿方法很好地消除了电网电压和并网电流的相位差。理论分析与仿真结果表明，带有滤波电容电流补偿的并网逆变器能够快速实现功率解耦控制，具有良好的动静态性能。关键词：风力发电 并网逆变器 电网电压矢量定向 d，q电流闭环控制 电容电流

2、补偿中图分类号：Control of Grid-connected Wind Power Inverter with Current Compensation in Filter CapacitorCao Kai Jiang Jian-guo Zhao Jian-fei(Key lab of Control of Power Transmission and Transformation, Ministry of Education, (Dept.of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University), Shanghai 200240

3、, China)Abstract The active power and reactive power decoupling control is achieved by using vector control oriented by grid voltage and close-loop control of d, q axis current as control strategy of the grid-connected inverter. This paper puts an emphasis on analyzing the impact of filter capacitor

4、 on the phase of the grid current and proposing a method of compensation in filter capacitor. The results of comparative simulations show that this method could eliminate the phase errors between grid voltage and current effectively. Finally, the simulation shows that the gird connected inverter wit

5、h current compensation in filter capacitor has a good dynamic and static performance in achieving power decoupling control .Key words: Wind power, grid connected inverter, grid voltage vector oriented, d,q- axis current close-loop control, compensation in filter capacitor1 引言随着传统能源的日益紧缺和生活环境的严重污染，风力

6、发电在未来的能源开发中将会起到越来并网逆变器作为风力发电系统与越重要的作用1。电网的连接设备，其控制技术成为研究的一大热点1-8,10滤波电容会对并网电流相位产生影响，但在要为此，求不高的场合中往往会忽略掉滤波电容2-5。本文对该影响进行了分析，并提出了相应的补偿方法。理论分析和仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。 。本文采用电网电压矢量定向和d, q轴电流2 风电并网逆变器控制原理2.1 并网逆变器的数学模型 闭环控制，实现有功功率和无功功率的解耦控制。图1为并网逆变器主电路原理图，ea，eb，ec为三相电网电压。将电网电压矢量定向在d轴上， 则电网电压在q轴上投影为0。并网逆变器在d-q

7、坐标系下的数学模型公式参考文献4可得：和直流电压Udc，经电压空间矢量调制得到逆变器PWM驱动信号。dildUsd=Rg*ild+L*g*L*ilq+egddt (1) Usq=Rg*ilq+L*dilqdt+g*L*ild式中，Rg和L为网侧逆变器进线电抗器电阻和电感；iLd，iLq分别为电抗器电流的d，q轴分量；Usd，Usq为别为逆变器的d，q轴电压分量；g为电网同步电角速度，egd为电网电压的d轴分量。图1 并网逆变器主电路原理图 Fig.1 The schematic diagram of inverter2.2 并网逆变器的控制策略图2为并网逆变器控制系统原理图。该系统由直流电压外

8、环和电流控制内环组成。电压外环作用是稳定直流侧电压，经过PI调节器得到网侧d轴电流给定值igd*，电流内环作用是跟踪电压外环输出的有功电流给定值igd*以及设定的无功电流给定值igq*，从而实现电流的快速控制。有功功率和无功功率的计算公式由式（2）给出6。由于电网电压定向于d轴，所以egq=0，可以发现，控制d，q轴电流分量即可达到对有功功率和无功功率的解耦控制。Pg=egd*igd+egq*igq=egd*igdQg=egd*igqegq*igd=egd*igq （2）由式（1）可知，d，q轴电流受耦合电压-gLilq，gLild和egd的影响，因此需要加入交叉耦合电压补偿项cmp1，cmp

9、2，才可得到最终的d，q轴控制电压分量Usd，Usq，结合电网电压矢量相位角g图2 并网逆变器控制系统原理图Fig.2 The schematic diagram of grid connected invertercontrol system3 滤波电容电流补偿3.1 滤波电容对并网电流的影响通常在要求不高的场合中，一般会忽略掉滤波电容，直接按照单电感滤波的方式去控制5，即认为并网电流ig与电感电流il相等。但由于滤波电容的存在，其上的电容电流ic会导致il与ig不再保持相等的关系9。以电网电压为基准，可做出这三个电流的向量图，如图3所示：cgg图3 并网输出电流向量图 Fig.3 The

10、vector diagram of grid current由图可知，il与ig 在幅值和相位上存在明显的偏差。且由式（1）可知，在实际的电流内环控制中的被控量为电感电流il，若仍然按照单电感方式内环被控量为并网电流ig来进行控制，必然会产生误差。3.2 滤波电容电流补偿图4 滤波电容电流补偿Fig.4 Current compensation in filter capacitor由图（2）可知，电压外环得到的电流为并网电流ig，因此结合图（3）可知，需要在并网电流的基础上叠加电容电流ic，从而得到内环真正所需的被控量il，如图（4）所示。4 仿真结果与分析4.1 滤波电容电流补偿的仿真为了

11、验证所提补偿方法的正确性，在Matlab /Simulink环境下进行了仿真。设定无功电流给定值igq*为0A，使逆变器工作在单位功率因数状态。作为对比，分别对未加滤波电容电流补偿和带有补偿的并网电压和并网电流进行了仿真。图5为仿真结果：VA/ aaEI(a) 未加补偿的并网电压电流(a) Grid voltage and current without compensation(b) 带补偿的并网电压电流(b) Grid voltage and current with compensation 图5 对比仿真结果Fig.5 Results of comparative simulation

12、s由图5(a)知，未加滤波电容电流补偿的并网电压与电流相位不重合，说明按照单电感方式内环被控量为并网电流ig来进行控制会产生误差。而图5(b)带滤波电容电流补偿的并网电压电流相位重合，运行在单位功率因数状态。可见，该补偿方法正确有效。 4.2 系统仿真为了验证带有滤波电容电流补偿的并网逆变器对d，q轴电流分量控制的有效性，在Matlab/Simulink环境下进行了仿真。仿真参数为：电网相电压有效值 220 V，频率50Hz，并网逆变器滤波电感2.3mH，滤波电容 15F，直流侧参考电压750V。（1）设定无功电流给定值igq*=10A，观察d，q轴电流分量和电网电压电流。仿真结果如图6所示。

13、(a) d，q轴电流分量 (a) d, q- axis current5-5t / s(b) 电网电压电流 (b) Grid voltage and current 图6 igq*=10A系统仿真波形Fig.6 System simulation when igq*=10A（2）设定无功电流给定值igq*=0A，观察d，q轴电流分量和电网电压电流。仿真结果如图7所示。(a) d，q轴电流分量 (a) d, q- axis current(b) 电网电压电流 (b) Grid voltage and current 图7 igq*=0A系统仿真波形 Fig.7 System simulation

14、 when igq*=0A由图6，图7可见，带有滤波电容电流补偿的并网逆变器对d，q轴电流分量解耦控制快速有效，gridJ. IEEE Trans on Energy Conversion, 2006, 21(1):132d轴电流控制逆变器的有功功率，q轴电流控制逆变器的无功功率，实现了功率因数任意可调。5 结语本文采用电网电压矢量定向和d, q轴电流闭环控制实现有功功率和无功功率的解耦控制，重点对滤波电容对并网电流的影响进行了分析，并提出了相应的补偿方法。仿真结果表明，该方法正确有效，系统能够快速实现有功功率和无功功率的解耦控制，可以工作在任意功率因数状态。参考文献1 叶航冶. 风力发电机组

15、控制技术M.北京.机械工业出版社,20022 Derong Luo,Yanzhao Sun,Shoudao Huang. Controlof direct-drive permanent-magnet wind power system connected to gridJ. IEEE international conference on Electrical Machines and Systems,2008:2461 3 赵仁德,王永军,张加胜. 直驱永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制J.中国电机工程学报,2009,29(27):1094 Chinchilla M, Arnaltes

16、S, Burgos J C. Control ofpermanent magnet generators applied tovariable-speed wind-energy systems connected to the5 杨勇,阮毅,任志斌等. 直驱式风力发电系统中的并网逆变器J.电网技术,2009,33(17):158-159 6 姚骏,廖勇,翟兴鸿等. 直驱永磁同步风力发电机的最佳风能跟踪控制J.电网技术,2008,32(10):13 7 杨勇,阮毅,汤燕燕等. 风力发电系统中并网逆变器并联运行环流分析J.高电压技术,2009,35(8):2013 8 Chen Z,Spooner E. Grid power quality with variablespeed wind turbinesJ. IEEE Trans on Energy