CN102427248A - 基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制方法 - Google Patents

基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制方法。本发明以并网变换器中电容电压与电感电流为系统控制变量，根据并网变换器的电路结构并基于局部平均值的概念，应用基尔霍夫定律分别建立其数学模型，再以电网电压信号作为并网控制系统的参考输入，通过对该参考输入进行相关变换以确定电容电压的参考值，在此基础上对电容电压构建基于PID控制的控制闭环可使其按确定的参考值变化，在并网变换器输出端获得与电网电压基本一致的输出电压。本发明具有原理简单、控制精度高、动态性能好的优点，可大大提高基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制系统的可靠性。

Description

基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制方法。
背景技术
[0002] 直驱型风力发电目前已成为风力发电系统发展的主流，而作为其中连接风力发电机与电网的并网变换器更是成为研究的重点。目前在直驱型风力发电系统中应用较多的并网变换器有“背靠背双PWM变流器”及“不可控整流+Boost升压+PWM逆变”等方案，它们虽各具有不同的特点，但同时也都存在体积大、成本高、控制复杂的问题。发明内容
为了解决现有基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱型风力发电系统控制存在的问题，本发明提供一种基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱型风力发电系统并网控制方法。通过本发明可实现并网变换器输出电压与电网电压基本保持一致，从而达到并网控制的要求。
本发明的技术方案包括以下步骤：
采集电网电压信号，取电网电压信号幅值的1.5倍作为直流偏置，再与电网电压信号进行叠加得到电容电压的参考值                                                
Figure 960054DEST_PATH_IMAGE001
；
将该参考值
Figure 445565DEST_PATH_IMAGE001
与采集的电容电压实际值
Figure 89036DEST_PATH_IMAGE002
进行比较得到电容电压的偏差；
将电容电压的偏差作为PID控制器的输入，进行PID运算得到电容电流的参考值
Figure 361886DEST_PATH_IMAGE003
；
检测并网变换器直流侧电压
Figure 90807DEST_PATH_IMAGE004
、变换器输出电流
Figure 356572DEST_PATH_IMAGE005
，计算电感电流的参考值
Figure 854550DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 563880DEST_PATH_IMAGE007
；
将电感电流的参考值
Figure 514518DEST_PATH_IMAGE006
与电感电流的实际值
Figure 583974DEST_PATH_IMAGE008
进行比较得到电感电流的偏差；
将电感电流的偏差作为PID控制器的输入，进行PID运算得到电感电压的参考值；
根据公式
Figure 816690DEST_PATH_IMAGE010
计算得到占空比
Figure 254624DEST_PATH_IMAGE011
，控制器根据占空比
Figure 862192DEST_PATH_IMAGE012
及相应的开关周期输出控制信号控制Buck-Boost DC-DC变换器中对应功率开关的开通时间，从而调节电容电压使其按确定的参考值变化，在并网变换器输出端获得所需的输出电压。
本发明的技术效果在于：本发明以并网变换器中电容电压与电感电流为系统控制变量，根据并网变换器的电路结构并基于局部平均值的概念，应用基尔霍夫定律分别建立其数学模型，再以电网电压信号作为并网控制系统的参考输入，通过对该参考输入进行相关变换以确定电容电压的参考值，在此基础上对电容电压构建基于PID控制的控制闭环可使其按确定的参考值变化，在并网变换器输出端获得与电网电压基本一致的输出电压。本发明具有原理简单、控制精度高、动态性能好的优点，可大大提高基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制系统的可靠性。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1 为本发明中的三相-三相Buck-Boost矩阵变换器拓扑结构。
图2 为本发明以Buck-Boost矩阵变换器作为直驱型风力发电并网变换器的系统原理框图。
图3 为本发明中的电容电压控制外环原理框图。
图4 为本发明中的电感电流控制内环原理框图。
具体实施方式
参见图1，图1为本发明中的三相-三相Buck-Boost矩阵变换器拓扑结构。针对并网变换器中电容电压与电感电流两个控制变量，分别建立其数学模型，下面以第一相为例建立其数学模型（另两相相同）。
对于电容，以电容电流为中间变量，其数学模型为：
       
Figure 334762DEST_PATH_IMAGE013
                                                   (1)
Figure 385894DEST_PATH_IMAGE014
                                                (2)
而对于电感，则以电感电压为中间变量，其数学模型为：
                                                    (3)
Figure 722383DEST_PATH_IMAGE016
                                                (4)
上述表达式中，
Figure 783880DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 5914DEST_PATH_IMAGE018
分别为第一相电容
Figure 418441DEST_PATH_IMAGE019
的电压和电流，和
Figure 814973DEST_PATH_IMAGE021
分别为第一相电感
Figure 942329DEST_PATH_IMAGE022
的电压和电流，
Figure 842152DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 595213DEST_PATH_IMAGE024
分别为电感
Figure 896882DEST_PATH_IMAGE022
和电容
Figure 195139DEST_PATH_IMAGE019
的等效电阻，
Figure 582258DEST_PATH_IMAGE025
为直流输入电压，
Figure 139010DEST_PATH_IMAGE005
为第一相变换器输出电流，为占空比。
确定并网控制系统的参考输入及相关控制变量的参考值。
① 确定并网控制系统的参考输入，本系统以电网电压信号作为并网控制系统的参考输入，即通过采集电网电压传感器的输出信号并根据相应的电压变比来确定，在实际使用时还需针对传感器信号存在的误差以及并网变换器实际输出电压与其参考输入之间存在的偏差对该参考输入进行必要的修正。
② 确定系统控制变量的参考值，如上所述，以并网变换器中电容电压与电感电流作为系统控制变量，其中电容电压的参考值是以电网电压信号幅值的1.5倍作为直流偏置电压，再与电网电压信号进行叠加后得到；具体地，控制器将针对采集的电网电压信号进行幅值检测，将得到的幅值乘以1.5倍，之后再与电网电压信号进行叠加即得到电容电压的参考值；电感电流的参考值则由电容电压控制闭环确定。
鉴于该并网变换器是由三个结构相同的Buck-Boost DC/DC变换器构成，因而该并网控制系统将针对每相Buck-Boost DC/DC变换器构建一个单独的控制单元，每个控制单元又包括分别针对电容电压与电感电流的两个控制闭环。鉴于其中电容电压因与并网变换器输出电压直接相关联（电容电压的交流分量即为并网变换器要求输出的交流电压），对其进行有效的控制可使并网变换器输出电压实现对电网电压的准确跟踪，因而将其作为控制外环；而电感在并网变换器中起中间能量传输作用，对其电流进行直接控制可有效提高系统的可靠性及动态性能，故将其作为控制内环；然而这两个控制闭环的控制对象都是Buck-Boost DC/DC变换器，只是对其中的两个状态变量分别进行闭环控制而已，且对这两个状态变量的控制都是通过改变变换器中功率开关的占空比（即导通时间）来实现；其控制关系在于，通过电容电压控制外环来确定电感电流的参考值，再通过电感电流控制内环改变占空比，从而达到使电容电压与电感电流均按其参考值变化，实现这两个状态变量对其参考值的准确跟踪。
参见图3、4，本发明的具体实施过程为：
控制系统首先采集电网电压传感器的信号，通过对该信号进行检测以确定其幅值，取该幅值的1.5倍作为直流偏置，再与电网电压信号进行叠加得到电容电压的参考值
Figure 764344DEST_PATH_IMAGE001
，将该参考值
Figure 373179DEST_PATH_IMAGE001
与采集的电容电压实际值
Figure 733623DEST_PATH_IMAGE002
进行比较，其偏差作为PID控制器的输入，通过对该偏差进行PID运算得到电容电流的参考值
Figure 744304DEST_PATH_IMAGE003
，再通过检测并网变换器直流侧电压
Figure 649943DEST_PATH_IMAGE004
、变换器输出电流
Figure 746075DEST_PATH_IMAGE005
以及已经采集的电容电压
Figure 644630DEST_PATH_IMAGE002
，由公式：
Figure 509818DEST_PATH_IMAGE007
即可计算得到电感电流的参考值，将该参考值限幅后即成为电感电流控制内环的控制参考值（限幅的目的在于避免电感电流出现异常值）；控制内环则将电感电流参考值与其实际值
Figure 606452DEST_PATH_IMAGE008
进行比较，其偏差经PID运算即得到电感电压的参考值
Figure 591726DEST_PATH_IMAGE009
，再由公式即可计算得到占空比
Figure 909892DEST_PATH_IMAGE011
，控制器根据该占空比及相应的开关周期输出相应脉冲宽度的控制信号，以控制Buck-Boost DC-DC变换器中对应功率开关的开通时间，从而调节电容电压使其按确定的参考值变化，由此可在并网变换器输出端获得所需的输出电压。图中对占空比进行限幅的目的也在于避免电感电流出现异常值。

Claims (1)

1.一种基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电并网控制方法，包括以下步骤：
采集电网电压信号，取电网电压信号幅值的1.5倍作为直流偏置，再与电网电压信号进行叠加得到电容电压的参考值                                                
Figure 122539DEST_PATH_IMAGE001
；
将电容电压的参考值与采集的电容电压实际值
Figure 380662DEST_PATH_IMAGE002
进行比较得到电容电压的偏差；
将电容电压的偏差作为PID控制器的输入，进行PID运算得到电容电流的参考值
Figure 673103DEST_PATH_IMAGE003
；
检测并网变换器直流侧电压
Figure 717152DEST_PATH_IMAGE004
、变换器输出电流
Figure 411438DEST_PATH_IMAGE005
，计算电感电流的参考值
Figure 682DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 45999DEST_PATH_IMAGE007
；
将电感电流的参考值
Figure 628159DEST_PATH_IMAGE006
与电感电流的实际值
Figure 176952DEST_PATH_IMAGE008
进行比较得到电感电流的偏差；
将电感电流的偏差作为PID控制器的输入，进行PID运算得到电感电压的参考值
Figure 202677DEST_PATH_IMAGE009
；
根据公式计算得到占空比
Figure 855561DEST_PATH_IMAGE011
，控制器根据占空比
Figure 258860DEST_PATH_IMAGE012
及相应的开关周期输出控制信号控制Buck-Boost DC-DC变换器中对应功率开关的开通时间，从而调节电容电压使其按确定的参考值变化，在并网变换器输出端获得所需的输出电压。
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