风力发电系统变流器的直接功率控制策略

风能作为资源丰富的清洁能源使风力发电占据了重要地位，由于减少齿轮箱结构能够提高系统的可靠性，目前风电领域普遍选用永磁直驱型同步风力发电系统。为使机侧整流器和网侧逆变器能够独立控制，从而实现更多的功能和增强通用性，采用双PWM“背靠背”变流拓扑结构。风力发电系统的变流器主要指机侧的整流器和网侧的逆变器，通过对机侧整流器的控制来提高风能利用率，并且使输出的直流电压保持在恒定值;通过对网侧逆变器的控制来实现单位功率因数并网，输出稳定的高质量电能，从而提高电网的稳定性。为满足风电并网要求和提高整机的工作效率，其控制技术和策略成为主要研究方向。

随着电力电子技术的不断发展，新型的控制策略得以不断涌现，其中的直接功率控制技术(DPC)将交流侧瞬时有功、无功功率作为被控制量直接进行功率的闭环控制，相比矢量控制技术，无需复杂的坐标变换，算法和系统结构简单，并且可实现单位功率因数并网，具有良好的动态性能，发展潜力大。

1 变流器的拓扑结构和数学模型

双PWM“背靠背”全功率变流结构如图1所示，系统采用两个PWM变流器，该系统虽然结构复杂且需要的IGBT数量多，但具有较强的通用性，并且机侧整流器和网侧逆变器的控制方法、电路设计相似。由于机侧整流器和网侧逆变器由中间电容链接，彼此的控制是分离、独立的，所以中间环节可以被认为是一个稳定的直流电压源。通过对机侧整流器和网侧逆变器的控制使风电系统产生的电能高质量地并入电网中。

风电系统的变流器主要指机侧的整流器和网侧的逆变器，实质上，整流器和逆变器在电路结构和原理上是相同的，它既可以运行于整流模式，也可运行于有源逆变模式，当运行于整流模式时，是将永磁同步发电机产生的交流电变为直流电，当网侧逆变器运行于逆变模式时将电能向电网侧输送。三相电压型PWM变流器的主电路结构如图2所示。

为简化分析，通常假设电网电动势是正弦波且三相平稳，网侧滤波电感线性各相的数值都相等，开关管为无导通损耗的理想开关。电网三相电动势记作ea、eb、ec;电网三相输出电流记作ia、ib、ic，L为滤波电感;等效电阻的总值记为R;C是直流侧的电容;udc是直流侧的电压值。为方便分析开关状态，用Sa、Sb、Sc分别表示逆变器的3个桥臂;上桥臂导通下桥臂关断用“1”表示，反之用“0”表示。在两相静止αβ坐标系中，网侧电动势表示为eα、eβ;交流电流值表示为iα、iβ;开关函数表示为Sα、Sβ。

两相静止αβ坐标系下的三相电压型PWM变流器数学模型的方程可描述为

2 直接功率控制策略

为更好地提高风能利用率，优化并网的性能，机侧整流器和网侧逆变器都采用了直接功率控制策略。直接功率控制(DPC)通过实时对电网电压和电流检测，并将瞬时有功、无功功率值计算出来，然后通过与给定的有功功率和无功功率值比较，从而达到将瞬时功率控制在允许的范围内，进而实现把瞬时有功、无功电流控制在允许范围内。

2.1 直接功率控制策略原理

电压定向直接功率控制系统通过查找开关表来控制变流器，双环控制系统里的功率内环是用于对有功、无功功率进行直接控制，而直流电压外环的作用是为了稳定直流侧的电压，具体原理如图3所示。

(1)使用交流电压、电流传感器测得相电压ea、eb、ec和相电流ia、ib、ic，通过计算得出瞬时有功、无功功率p和q，同时将相电压转化成两相静止坐标系中的eα、eβ计算出扇区信号θn。

(2)直流侧通过电压闭环控制使直流母线电压跟踪指令值，并将直流母线电压误差经PI调节的输出与直流母线电压的乘积作为瞬时有功功率的给定值pref无功功率给定值qref设定为0。

(3)将p与pref进行做差比较得到的差值送入有功功率滞环比较器，再将q和qref的差值送入无功功率滞环比较器中，滞环比较器的输出就是状态信号Sp、Sq的值。

(4)根据Sp、Sq、θn进行矢量开关表的查找来选择所需的Sa、bS、Sc，用于驱动主电路的开关管。

2.2 直接功率控制策略实现过程

(1)瞬时功率计算。采用两相静止αβ坐标系下的数学模型，将检测到的三相电压ea、eb、ec和电流ia、ib、ic，经过C3s/2s矩阵变换得到eα、eβ和iα、iβ，计算出瞬时有功、无功功率。

(2)交流电压矢量扇区划分。为了确定电压矢量位于哪个扇区内，需要对扇区进行划分，这里采用将αβ平面扇区均匀地分为12个相等的部分，依次是θ1～θ12具体位置如图4所示，相角范围θn可以由式(2)确定