直驱风力发电机网侧DSC锁相环应用

直驱风力发电机网侧DSC锁相环应用

吴奕杉张丹红单文

武汉理工大学自动化学院430070

摘要：文中采用一种基于前馈解耦算法的矢量控制策略对机侧PWM变流器进行控制，设计一种基于DSC算法的锁相环系统，以实现变流器系统对三相不对称电网信号的分离以及信息提取。同时为了保证网侧变流器能够在不平衡电网条件下能够正常工作，采用基于DSC算法的不平衡电网下的控制策略，对正、负序电流分别进行控制。以10kW直驱风力发电机为研究对象、MATLAB为仿真工具进行仿真，仿真结果验证了永磁发电机矢量控制策略具有较好的动、静态性能，锁相环系统能够为控制系统提供准确的信息，且频率波动更小，同时验证了基于DSC锁相环的PI控制具有良好的动态性能。

关键词：不平衡电网；永磁直驱式风力发电；双PWM变流器；DSC锁相环

0引言

随着风力发电变流技术的进步，直驱式风电系统已经成为风力发电发展的主要趋势，风力发电并网难的问题随有所改善但并没有得到完全解决，且大功率变流器的控制方法还有待进一步研究。在电网电压不平衡的条件下，电网本身也会对并入电网的风力发电机组造成损伤，这些现象都将影响风力发电的经济性。因此，研究永磁直驱风力发电系统在不平衡电网条件下的并网运行，改进系统变流器控制策略，对提升系统的并网稳定性和抗扰动性具有重要意义。

1PWM变流器机侧控制方法

直驱式永磁同步发电机具有转动惯量大，转速变化平缓的特点，因此，本文采用一种基于前馈解耦算法的矢量控制策略。

（1）零d轴电流控制

（1-2）

当输入信号存在测量误差、直流偏移以及初始值等问题时，纯积分器输出信号会产生较大直流分量甚至引起积分饱和。为了解决纯积分器直流偏移和积分饱和等问题，一般用一个截止频率较低的低通滤波器来代替纯积分器。但是，低通滤波器的引入不可避免地带来了幅值和相位误差。

（2）带饱和反馈积分器

可见，直流误差不会积累。当L正好是理论纯积分器输出值时，该积分器正在抑制积分饱和与直流偏移的同时，补偿了低通滤波器的幅值和相位误差。

为了避免在输入信号有直流偏移的情况下，限幅值存在误差时，输出幅值进入了限幅区域而引起波形畸变，可以通过极坐标系到直角坐标系的变换进行抑制，由于反馈信号仍然是正弦信号，从而保证了输出波形的正弦度好，失真较小。

（3）永磁同步发电机前馈解耦算法矢量控制系统

基于上述分析，本文采用的基于前馈解耦算法矢量控制系统控制框图如图1所示。

图1前馈解耦矢量控制框图

2基于DSC的软件锁相环

一类基于延时信号消除（DSC）的软件锁相环被学者所提出。该方法利用了正弦信号的半波对称特性，实时提取出旋转坐标系下的正序和负序分量。对于待分离的三相交流电量，在正序旋转坐标系下，其正序分量为直流，负序分量为二倍频基频的交流量；而在负序旋转坐标系中，情况刚好相反。一般采用增加低通滤波的方法来消除这种二次分量。但滤波环节的加入，不仅会降低系统的动静态性能，还会影响系统的稳定性。为了避免滤波环节带来的不利影响，可以借鉴前述DSC延时信号消除的思路——将DSC中旋转坐标系下的正序或负序分量的直流量变换至静止坐标系中，此时DSC正负序分解表达式为：

（2-1）

其中T为基波周期。

基于DSC算法的软件锁相环的设计如图2所示。

图2基于DSC算法的软件锁相环

3仿真分析

（b）永磁发电机输出功率的变化曲线

（b）电压正序分量的变化曲线

（c）电压负序分量的变化曲线

（d）电网相角的变化曲线

图4基于DSC算法的锁相环系统的仿真结果

从图4反映出来的结果显示，当电网出现不平衡时，锁相环的输出相位比较稳定，能够快速的检测出电网的相位信息，同时三相电压基波的正序、负序分量也能快速检测出来，正、负序分量波动非常小。因此，文中提出的基于DSC算法的锁相环系统具有快速的动态性能，能够迅速准确的检测出电网信息。

4结论

本文以直驱永磁同步风力发电系统为研究对象，针对电网出现不平衡电压的情况，提出基于DSC算法的锁相环系统对电网的相位信息、三相电压基波的正序、负序分量进行检测和提取，经过仿真验证可以看出，当电网出现不平衡时，锁相环的输出相位比较稳定，能够快速的检测出电网的相位信息，同时三相电压基波的正序、负序分量也能快速检测出来，当处于电网不平衡时正、负序分量波动非常小，说明该算法具有快速的动态性能，能够迅速准确的检测出电网信息。对于电网电压从平衡状态突变为不平衡状态的情况，机侧和网侧分别采用了基于前馈解耦算法的矢量控制和传统PI控制控制，通过对这种控制策略的仿真，验证了其可行性和有效性。

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