基于PI參數優(yōu)化的風(fēng)電系統變流器的研究

　直驅型風(fēng)力發(fā)電系統是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統，它采用風(fēng)輪直接驅動(dòng)多極低速永磁同步發(fā)電機發(fā)電， 通過(guò)功率變換電路將電能轉換后并入電網(wǎng)，省去了傳統雙饋式風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)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(fā)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(wǎng)側都采用雙閉環(huán)的控制策略，并對內環(huán)和外環(huán)的PI控制器進(jìn)行設計，通過(guò)ITAE尋找最優(yōu)的比例系數和積分系數，使得系統達到很好的解耦效果，實(shí)現了高功率因數傳遞。
1 直驅風(fēng)力發(fā)電系統電壓源型基本結構
電壓源型的永磁電機直驅風(fēng)力發(fā)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(chǎng)效應晶體管兩者特點(diǎn)的復合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，又兼有大功率晶體管的電流大，導通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。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(huán)節并聯(lián)大電容，可維持電壓恒定。電網(wǎng)側串聯(lián)電感可用于濾波。通過(guò)系統的控制，將永磁電機發(fā)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(fēng)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(yōu)控制器設計程序來(lái)選擇控制器參數。該程序可以用OCD同時(shí)設計串級控制器的內環(huán)和外環(huán)，在Simulink中建立仿真模型，在該模型中定義內環(huán)的兩個(gè)參數和外環(huán)的兩個(gè)參數，并定義了誤差的ITAE指標。啟動(dòng)OCD，在編輯框中寫(xiě)入四個(gè)參數，在時(shí)間欄寫(xiě)入終止時(shí)間2，然后生成目標函數Matlab文件，點(diǎn)擊優(yōu)化按鈕，則可以得出ITAE最優(yōu)化設計參數：機側的內環(huán)ITAE最優(yōu)設計參數為Kp=1.007 9，Ki=3.962 7，外環(huán)為Kp=0.863 52，Ki=0.471 6。網(wǎng)側的內環(huán)ITAE最優(yōu)設計參數為Kp=10.848 9，Ki=0.959 1。外環(huán)為Kp=0.363 6，Ki=0.004 2，這樣即使是控制大時(shí)間延遲系統，也可以得到較好的效果。
3 機側和網(wǎng)側的控制策略
　風(fēng)力發(fā)電系統采用雙PWM變流器形式的控制器，它由網(wǎng)側變流器和機側變流器組成[6]。機側采用速度外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制策略；而網(wǎng)側采用直流電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)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(guò)轉子磁場(chǎng)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(shí)現發(fā)電機的有效控制。其中速度外環(huán)的參考轉速ω*由最大功率追蹤算法(MPPT)給出，根據發(fā)電機實(shí)際轉速和輸出有功功率變化得出一個(gè)最優(yōu)ω*，與實(shí)際電機轉速相比較，經(jīng)過(guò)比例積分調節器得到有功電流的參考值i*q，無(wú)功參考電流i*d設為零，發(fā)電機的電磁轉矩Te為：