离网型小型风力发电系统逆变器的控制
张 兴1,陈 玲1,杨淑英1,谢 震1,曹仁贤2
(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽省合肥市230009;2.合肥阳光电源有限公司,安徽省合肥市230088)
摘要:离网型小型风力发电系统中负载特性对逆变器提出了特殊的要求。文中采用三相四桥臂逆
变器拓扑结构,在对称分量法的基础上建立了逆变器的控制模型,并推导了在双同步旋转d 2q 坐标系下的表达式。构建了基于前馈解耦的多环控制系统,实现了对正序、负序和零序分量的独立控制。实验结果证明该方案对不平衡负载有较强的抑制作用,能够为负载提供优质电能。关键词:三相四桥臂逆变器;小型风力发电;对称分量法;不平衡负载中图分类号:TM464;TM614
收稿日期:2008207203;修回日期:2008209211。“十一五”国家科技支撑计划课题(2006BAA01A20)。
0 引言
目前,小型风力发电以经济、方便、实用的特点成为新能源发电中的一个重要应用方向。它无需并网发电,系统输出随着负载的变化而变化,因此,必须选择合适的接入逆变器。现在普遍采用的接入逆变器是单相H 桥逆变器[1]和三相三桥臂逆变器[2]。单相H 桥逆变器不能为用户的三相负载供电,而三相三桥臂逆变器不具有带三相不平衡负载的能力。三相四桥臂逆变器通过增加一个桥臂为中线电流提供通路从而具有带不平衡负载的能力[324],并且输出的三相电压相互独立,可以为单相、三相负载供电。与三相四线逆变器其他拓扑结构相比,三相四桥臂逆变器具有电路形式简单、体积小、电压利用率高等突出优点[5]。
针对系统控制要求和电路工作特点,本文对三相四桥逆变器采用基于双同步旋转d 2q 坐标系的前馈解耦控制策略,与传统的基于正序同步坐标系的前馈解耦控制策略[6]相比,不仅可以实现对正序分量的无静差控制,而且可以对负序和零序分量实现无静差控制,使得负载处于不平衡情况下也能输出三相对称电压。最后,搭建了20kW 离网型风力发电系统实验平台,以验证上述方案的正确性和有效性。
1 系统组成
1.1 三相四桥臂逆变器的控制模型
如图1所示,本系统的主电路包括:三相永磁同步发电机、二极管整流桥、Boo st 斩波器、蓄电池、三
相四桥臂逆变器和负载。由于风力机的输出是三相交流电,因此采用交—直—交电能变换器实现本系统
的功能。风力永磁同步发电机的输出经过二极管整
流得到直流电压E d ,再通过Boo st 斩波器得到蓄电池和三相四桥臂逆变器要求的直流母线电压U d 。本系统的控制电路主要包括:Boost 斩波器的最大功率点跟踪控制和三相四桥臂逆变器的控制。对于风力永磁同步发电机,其输出功率与风速3次方成正比,在不同的叶尖速比下总有一个最佳转速对应于最大输出功率。由于蓄电池两端的电压U d 保持不变,因此通过调节Boost 斩波器的占空比m ,使输出电流I d 最大,就能使风力机达到最大功率控制的目的[7]。本文主要讨论三相四桥臂逆变器的控制。
三相四桥臂逆变器的稳态平均等效模型[8]如图2所示。当负载不平衡时,输出电压和电流将同时含有正序、负序和零序分量[9]。根据KVL ,KCL 定理得出正序、负序和零序分量的回路方程为:
L d i Lk ,p d t
=v k f ,p -v KG ,p
C f d v KG ,p d t =i Lk ,p -i k ,p
(1)
L d i Lk ,n d t
=v k f ,n -v KG,n
C f d v KG ,n d t
=i Lk ,n -i k ,n
(2)
L d i Lk ,0d t +3L f d i k ,0d t
=v k f ,0-v KG ,0
C f d v KG ,0d t
=i Lk ,0-i k ,0
(3)
式中:k =a
,b ,c ;K =A ,B ,C ;v k f 为第k 桥臂相对于第4桥臂的输出电压;i Lk ,v KG ,i k 分别为第k 相电感电流、K 相负载电压、k 相负载电流;下标p ,n ,0分别表示正序、负序和零序分量。
从式(1)～式(3)可以看出,3组分量的作用是相互独立的。若能够对3组分量分别进行控制,即将正序分量控制为三相负载额定电压,将负序和零
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5
9—第32卷 第23期2008年12月10日Vol.32 No.23Dec.10,2008
图1 离网型小型风力发电系统主电路及控制结构
Fig.1 Circuit and control conf iguration of a sm all scale wind pow er generation
system
图2 三相四桥臂逆变器的稳态平均等效模型
Fig.2 Average model of a four 2leg inverter
序分量控制为0,则可实现三相四桥臂逆变器带不平衡负载的控制。
为了实现对三相电压、电流的无静差控制,一般采用同步坐标变换将时变的交流量变换成时不变的直流量,这样使用简单的比例积分(PI )调节器就可实现无静差控制,避免了采用直接交流量反馈控制所带来的相移问题。
在负载不平衡的情况下,单纯使用正序旋转坐标变换T 1,旋转坐标系中d ,q ,0分量将不仅含有直流量,还可能含有由负序和零序分量经旋转变换而形成的交流量。为此,同时采用负序旋转坐标变换[10],将负序和零序分量经过负序旋转坐标变换也变换为直流量。其中需将零序分量中的某一相分别延时120°和240°,这样3个同幅值、同相位的零序分量也将变换为三相对称的负序分量[11]。具体分析过程参见附录A 。经过以上分析,可以建立正序、负序双同步坐标
系三相四桥臂逆变器模型如下:
v I d
,p v I q,p v I d ,n v I q,n
v I d ,0
v I q,0
=L d d t i L d ,p i Lq ,p i L d ,n i Lq ,n i L d ,0i Lq ,0
+3L f d d t 00
0i d ,0i q,0
+
ωL
-i q,p i d ,p i q,
n -i d ,n
+
v d ,p v q,p v d ,n v q,n v d ,0v q,0(4)
i L d ,p i Lq ,p i L d ,n i Lq ,n i L d ,0i Lq ,0
=C f
d d t v d ,p v q,p
v d ,n
v q,n
v d ,0v q,0
+ωC f
-v q,p v d ,p v q,n
-v d ,n
v
q,0
-v d ,0
+i d ,p i q,p i d ,n i q,n i d ,0i q,0
(5)
式中:v I K,k ,v K,k ,i L K ,k ,i K,k (K =d ,
q;k =p ,n ,0)分别表示桥臂电压、负载电压、电感电流和负载电流。1.2 基于对称分量法和双同步旋转坐标系的前馈解耦控制策略
为了能够利用双同步旋转坐标系的控制模型,需要将负载不平衡情况下不对称的负载电压和电感
—
6
9—2008,32(23)
电流分别进行对称分量法分解,即分解成3组对称
的正序、负序和零序分量。以负载电压的正序分量为例,需要进行如下计算:
v A
G,p v B G,p v C G,p =131αα
2
α2
1α
αα2
1v A G v B G v C G =
12v A G -12
v A G,0-123j
(v B G -v C G )
-(v A G,p +v C G,p )12v C G -12v A G,0-123j (v A G -v B G )
(6)式中:α=e j 2
π
3。
根据式(6)可以构造正序分量的分序模块如图3所示。
图3 正序分量的分序模块
Fig.3 Model of the positive 2sequence components
本文采用一阶全通滤波器[12]实现90°延时,从而有效地克服了常规积分延时所造成的零点漂移。一阶全通滤波器的函数表达式如下:
H (s )=
-s +ωs +ω
(7)式中:ω是基波分量旋转角频率。
对电感电流亦可采用相同方法进行对称分量法分解。有关负序、零序分量的分序模块参见附录B 。
综上所述,可以建立基于对称分量法和双同步旋转坐标系的前馈解耦控制框图。以正序分量为例,引入前馈解耦的系统控制模型如图4所示。对负序和零序分量可采用相同的方法进行控制,这里不再赘述。
图4 正序分量系统控制框图
Fig.4 B lock diagram of the positive 2sequence
components
2 控制系统设计
2.1 电流内环设计
以正序分量的d 轴为例。考虑电流内环信号
采样的延时和PWM 控制的小惯性特性,已解耦的i L d ,p 电流内环结构如图5所示。
图5 正序电流内环控制结构
Fig.5 B lock diagram of the internal positive
current loop
理论上,电流内环要求有快速的跟随性能,一般将其校正为典型Ⅰ型系统[13]。即令τi =L/R ,以PI 调节器零点抵消电流控制对象传递函数的极点。校正后,电流内环的开环传递函数为:
W o i (s )=
K i I K PWM
sR (115T i s +1)
(8)
为了整定调节器参数,可采用根轨迹和阶跃响应相结合的方法进行设计。已知系统开关频率为10k Hz ,根据电流环的控制目标,即具有快速的跟随性能,一般将电流环的频带控制在开关频率的1/10～1/5之间,于是可将电流内环的频带控制在1k Hz 左右。系统设计为欠阻尼系统,初始选定系统的阻尼比ξ=01707。另外,为了保证电流环跟踪的快速性,设计电流环的动态特性指标如下:调整时间t s <2ms ,最大超调量σi <20%,上升时间t s <013ms 。
根据上述性能要求,随着电流调节器参数的调整以及不同阶跃响应的整定,最后选定调节器的参
数为K i P =01095,τi =010625。此时系统的增益裕
量无穷大,相位裕量为6516°。根据稳定裕量特性,系统参数满足要求。系统根轨迹图、单位阶跃响应图和开环波特图参见附录C 。2.2 电压外环的设计
根据文献[13],已校正的三相四桥臂电流内环可以等效成一阶惯性环节。在工程上,电压外环要求有强抗扰性能,因此一般将电压外环控制系统校正为典型Ⅱ型系统。同样,采用PI 调节器将电压外环校正为典型Ⅱ型系统,校正后的电压外环的控制结构如图6所示。
开环传递函数为:
W o v (s )=K v I (τv s +1)
s 2
C f (T e s +1)(3T i s +1)
(9)式中:τv =K v P /K v I ,K v P 和K v I 分别为调节器的比例
—
7
9—?绿色电力自动化? 张 兴,等 离网型小型风力发电系统逆变器的控制
和积分系数;T e 为电压环采样小惯性时间常数
。
图6 正序电压外环控制结构
Fig.6 B lock diagram of the external positive
current loop
电压外环的具体校正方法同上,这里不再赘述。
3 实验及结论
为了验证方案设计的正确性,制作了20kW 采用三相四桥臂逆变器的离网型小型风力发电系统实验装置。三相四桥臂逆变器前3桥臂采用模块,第4桥臂采用2个IG B T 单管,开关频率为10k Hz 。电路参数如:L a =2m H ,C d =50μF ,L =5m H ,L f =215m H ,C f =5μF 。负载三相额定相电压有效值为220V 。其中a 相带515kW 的阻性负载,b 相带6kW 的阻性负载,c 相带815kW 的阻性负载。有关永磁同步发电机的参数参见附录D 。
实验波形如图7所示
。
图7 带不平衡负载实验
Fig.7 Experiments of the control under unb alanced loads
从图7可以看出,负载输出电压是对称的,且经过一个短时的暂态过程之后可以重新达到稳态。由此可以看出,所设计的系统克服负载不平衡的能力和抗扰性能都较好。上述结果表明:基于双同步前馈解耦的三相四桥臂逆变器控制策略,可以在负载不平衡的情况下输出对称的三相正弦波电压。控制系统中的各个分量都实现了解耦,有效地抑制了不平衡负载扰动对输出电压的影响,为三相四桥臂逆变器在离网型小型风力发电系统中的应用和推广打下了基础。
附录见本刊网络版(http ://www.aep s https://www.doczj.com/doc/9c3109937.html,/aep s/ch/index.asp x )。
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张 兴(1963—
),男,通信作者,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:风力发电变流器、轻型直流输电及大型光伏并网发电。E 2mail :honglf @https://www.doczj.com/doc/9c3109937.html,
陈 玲(1983—
),女,硕士研究生,主要研究方向:电力电子变换技术。
杨淑英(1980—
),男,博士,讲师,主要研究方向:大功率风力发电用并网变流器及逆变器并联运行。
Inverter Control of an Isolated Sm all Scale Wind Pow er G eneration System
Z HA N G X ing 1,C H EN L ing 1,YA N G S huying 1,X I E Zhen 1,CA O Renx ian 2
(1.Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China ;2.Hefei Sungrow Power Supply Co.Ltd.,Hefei 230088,China )Abstract :In the isolated small scale wind power generation systems ,the load characteristics have special requirements on the inverter.In this paper ,the three 2phase four 2leg topological structure is used.The control model of the inverter based on the symmetrical components is presented ,and the expression is deduced in the bisynchronous d 2q coordinates.A multi 2loop control system based on the feed 2forward decoupling control strategy is established ,and the independent control among the positive 2sequence ,negative 2sequence and zero 2sequence components is realized.Experimental results demonstrate that this control strategy can mitigate disturbances quickly under unbalanced loads and obtain high quality output waveform.
This work is supported by the National Projects of Science Research for the 11th Five 2year Plan (No.2006BAA01A20).K ey w ords :three 2phase four 2leg inverter ;small scale wind power generation ;symmetrical component method ;unbalanced load
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Application of Q 2learning Approach with Prior K now ledge to Non 2linear AG C System
L I Hongmei ,YA N Zheng
(1.Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240,China )
Abstract :Conventional A GC systems are based on classical linear control theory.Most load f requency controls are primarily composed of an integral controller.Because of the inherent non 2linearity and variable structure of the system ,integrator gain is very difficult to set.This often results in generator overshoot or insufficient regulation.In this paper ,the effect of non 2linearity ,such as dead 2band of speed governor ,transmission delay ,generation rate control (GRC )and unit ramp control (U RC )for A GC is considered comprehensively.A GC system is discretized as a Markov chain ,and Q 2learning algorithm as controller replaces PI controller.Area control error as state variable of the system is learned by Q 2learning ,one of reinforcement learning method.Furthermore ,to improve study efficiency ,the information of A GC environment using fuzzy integrated decision 2making is translated into prior knowledge of Q 2learning.Simulation result of this A GC system shows the improved Q 2learning method has a higher learning efficiency and convergence speed.In order to test feasibility of this method ,the results of simulation are calculated to test if it meets the CPS standard.The result is satisfactory in this regard.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.90612018).
K ey w ords :automatic generation control (A GC );integral gain ;Q 2learning ;prior knowledge ;f uzzy integrated decision 2making
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