基于PI參數優化的風電系統變流器的研究

　直驅型風力發電系統是一種新型的風力發電系統，它采用風輪直接驅動多極低速永磁同步發電機發電， 通過功率變換電路將電能轉換后并入電網，省去了傳統雙饋式風力發電系統中的齒輪箱，系統效率大為提高，有效抑制了噪聲干擾[1]。
　目前風力發電系統通常采用不控整流或二電平PWM整流電路，導致交流側電壓電流波形較差，功率因數不高，尤其對于交流側發電機的穩定正常運行極為不利。因此，本文介紹了采用雙PWM控制，機側和網側都采用雙閉環的控制策略，并對內環和外環的PI控制器進行設計，通過ITAE尋找最優的比例系數和積分系數，使得系統達到很好的解耦效果，實現了高功率因數傳遞。
1 直驅風力發電系統電壓源型基本結構
電壓源型的永磁電機直驅風力發電系統的電路拓撲結構[2]，采用大功率的電力電子器件絕緣雙極型晶體管(IGBT)，是一種結合大功率晶體管及功率場效應晶體管兩者特點的復合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅動功率小的優點，又兼有大功率晶體管的電流大，導通壓降低的優點。因此在系統中采用基于IGBT的整流器和逆變器，其拓撲結構為普通的三相橋式結構。直流環節并聯大電容，可維持電壓恒定。電網側串聯電感可用于濾波。通過系統的控制，將永磁電機發出的變頻變幅值電壓轉化為可用的恒頻電壓，達到了俘獲最大風能的目的。

從式(5)可以看出kP、Ki的確定非常重要。因此PI控制器的參數采用最優控制器設計程序來選擇控制器參數。該程序可以用OCD同時設計串級控制器的內環和外環，在Simulink中建立仿真模型，在該模型中定義內環的兩個參數和外環的兩個參數，并定義了誤差的ITAE指標。啟動OCD，在編輯框中寫入四個參數，在時間欄寫入終止時間2，然后生成目標函數Matlab文件，點擊優化按鈕，則可以得出ITAE最優化設計參數：機側的內環ITAE最優設計參數為Kp=1.007 9，Ki=3.962 7，外環為Kp=0.863 52，Ki=0.471 6。網側的內環ITAE最優設計參數為Kp=10.848 9，Ki=0.959 1。外環為Kp=0.363 6，Ki=0.004 2，這樣即使是控制大時間延遲系統，也可以得到較好的效果。
3 機側和網側的控制策略
　風力發電系統采用雙PWM變流器形式的控制器，它由網側變流器和機側變流器組成[6]。機側采用速度外環和電流內環的雙閉環控制策略；而網側采用直流電壓外環和電流內環的雙閉環控制策略。
3.1 機側PWM的控制策略
　根據永磁電機的矢量控制原理，通過轉子磁場定向控制，將定子電流的合成矢量定向在永磁同步電機dq坐標系下的q軸上，使得id=0，從而實現發電機的有效控制。其中速度外環的參考轉速ω*由最大功率追蹤算法(MPPT)給出，根據發電機實際轉速和輸出有功功率變化得出一個最優ω*，與實際電機轉速相比較，經過比例積分調節器得到有功電流的參考值i*q，無功參考電流i*d設為零，發電機的電磁轉矩Te為：