基于LCL濾波器的風(fēng)力發(fā)電變流器設計

　　由式（5）可以看出d、q軸電流不獨立，存在交叉耦合關(guān)系，變流器電路雖是靜止電路，但變換至旋轉坐標系中，經(jīng)電感作用會(huì )使d、q軸之間產(chǎn)生耦合，控制系統只有通過(guò)解耦才能單獨控制id、iq,式中d-q軸電流除受控制量VdcSq、VdcSd的影響外，還受到交叉耦合電壓 、 擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)。因此單純的d、q軸電流負反饋不能實(shí)現解耦。引入電流狀態(tài)反饋解耦以及電網(wǎng)電壓作為前饋補償，即可實(shí)現由ud、uq分別獨立控制。應用傳統的PI控制器，控制效果不好，為此采用前饋解耦控制策略，三相同步旋轉坐標系下電流控制時(shí)的電壓指令為：

　　圖2為變流器控制原理圖，給定指令電壓udc*與實(shí)際直流側電壓udc比較后經(jīng)PI調節器得到電流有功分量指令iq,id、iq 與交流側實(shí)際電流比較后經(jīng)PI環(huán)得到指令電壓Ud、Uq,經(jīng)過(guò)電網(wǎng)電壓、電感電壓交叉分量的前饋補償后， 將所得電壓指令送入PWM合成器， 作為控制PWM開(kāi)關(guān)的指令電壓。為了提高變流器的動(dòng)態(tài)性能，采用了直流電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，內環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。電壓環(huán)的主要作用是控制直流母線(xiàn)電壓，電流環(huán)根據電壓環(huán)給出的電流指令對交流側輸入電流進(jìn)行控制，控制算法考慮了d、q軸之間電流解耦；為了提高系統對負載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓波動(dòng)的抗干擾能力，減少由此產(chǎn)生的波動(dòng)，引入了電網(wǎng)電壓的前饋控制。實(shí)現了網(wǎng)側并網(wǎng)變流器的有功、無(wú)功的解耦控制。

　　2.2 濾波器設計

　　由于控制系統與T型濾波器本身的參數有關(guān)，因此在進(jìn)行變流器控制系統設計前必須先確定濾波器的參數。對于典型并網(wǎng)逆變器，在不考慮電網(wǎng)諧波影響條件下，必須通過(guò)濾波電感衰減其輸出電流中的開(kāi)關(guān)頻率諧波分量，其中開(kāi)關(guān)頻率的諧波電流計算式為：

　　式中fs為PWM信號的開(kāi)關(guān)頻率，fout為輸出電流基波頻率取50hz,L為濾波電感。同樣在設計T型濾波器時(shí)首先參照典型并網(wǎng)逆變器電感設計方法，根據方程（12）和期望諧波電流幅值來(lái)確定T型濾波器中所需總電感量上限值，然后選取合適的電感量就可以獲得對稱(chēng)的L1與L2參數。設計電容c2時(shí)要考慮所選擇的電容參數既要對開(kāi)關(guān)頻率諧波電流有很好的分流作用，又要確保系統具有一定工作頻帶。電容c2的參數選擇依據為：

　　其中p為諧波電流相對于額定輸出電流的衰減系數，方程（7）（8）給出了針對開(kāi)關(guān)頻率諧波電流設計T型濾波器參數的基本原則。T型濾波器具有自身的諧振效應，為避免諧振的影響，該諧振頻率應該限制在10倍的工作頻率與1/2的開(kāi)關(guān)頻率之間，以免由于諧振問(wèn)題在輸出電流中產(chǎn)生較大的諧波，污染電能質(zhì)量。

　　3 實(shí)驗結果分析

　　為驗證上述控制策略的實(shí)用性，在實(shí)驗室構建了15KW的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的模擬平臺，網(wǎng)側變流器的額定功率為15KW,直流母線(xiàn)電壓400V,直流側平波電容6600uf,額定電流35A,L1=0.5mH,R1=R2=0.001Ω，L2=0.5mH, C2=100uF,開(kāi)關(guān)頻率設為2kHz.圖3為采用LCL型濾波器的并網(wǎng)變流器輸出的電壓電流波形。并網(wǎng)變流器采用LCL型濾波器，可以有效衰減輸出電流中的諧波分量，滿(mǎn)足系統設計要求的同時(shí)降低濾波器電感取值，且不影響系統以負單位功率因數穩定運行。圖4與圖5分別為進(jìn)行正負階躍擾動(dòng)實(shí)驗時(shí)的電流響應波形，曲線(xiàn)i1為采用電感濾波的變流器電流波形，曲線(xiàn)i2為采用LCL型濾波器的變流器電流波形，從中可以看出與典型并網(wǎng)變流器相比，采用LCL型濾波器的并網(wǎng)變流器動(dòng)態(tài)響應很快，100A-20A和20A-100A階躍響應只需一個(gè)正弦波周期就可以進(jìn)入穩態(tài)。

　　4 結束語(yǔ)

　　詳細分析了采用LCL型濾波器的風(fēng)力發(fā)電變流器在dq坐標系下的數學(xué)模型，針對采用LCL型濾波器對并網(wǎng)變流器系統帶來(lái)的不穩定性，采用并網(wǎng)變流器電流。