基于PI参数优化的风电系统变流器的研究

　直驱型风力发电系统是一种新型的风力发电系统，它采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电， 通过功率变换电路将电能转换后并入电网，省去了传统双馈式风力发电系统中的齿轮箱，系统效率大为提高，有效抑制了噪声干扰[1]。
　目前风力发电系统通常采用不控整流或二电平PWM整流电路，导致交流侧电压电流波形较差，功率因数不高，尤其对于交流侧发电机的稳定正常运行极为不利。因此，本文介绍了采用双PWM控制，机侧和网侧都采用双闭环的控制策略，并对内环和外环的PI控制器进行设计，通过ITAE寻找最优的比例系数和积分系数，使得系统达到很好的解耦效果，实现了高功率因数传递。
1 直驱风力发电系统电压源型基本结构
电压源型的永磁电机直驱风力发电系统的电路拓扑结构[2]，采用大功率的电力电子器件绝缘双极型晶体管(IGBT)，是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流大，导通压降低的优点。因此在系统中采用基于IGBT的整流器和逆变器，其拓扑结构为普通的三相桥式结构。直流环节并联大电容，可维持电压恒定。电网侧串联电感可用于滤波。通过系统的控制，将永磁电机发出的变频变幅值电压转化为可用的恒频电压，达到了俘获最大风能的目的。

从式(5)可以看出kP、Ki的确定非常重要。因此PI控制器的参数采用最优控制器设计程序来选择控制器参数。该程序可以用OCD同时设计串级控制器的内环和外环，在Simulink中建立仿真模型，在该模型中定义内环的两个参数和外环的两个参数，并定义了误差的ITAE指标。启动OCD，在编辑框中写入四个参数，在时间栏写入终止时间2，然后生成目标函数Matlab文件，点击优化按钮，则可以得出ITAE最优化设计参数：机侧的内环ITAE最优设计参数为Kp=1.007 9，Ki=3.962 7，外环为Kp=0.863 52，Ki=0.471 6。网侧的内环ITAE最优设计参数为Kp=10.848 9，Ki=0.959 1。外环为Kp=0.363 6，Ki=0.004 2，这样即使是控制大时间延迟系统，也可以得到较好的效果。
3 机侧和网侧的控制策略
　风力发电系统采用双PWM变流器形式的控制器，它由网侧变流器和机侧变流器组成[6]。机侧采用速度外环和电流内环的双闭环控制策略；而网侧采用直流电压外环和电流内环的双闭环控制策略。
3.1 机侧PWM的控制策略
　根据永磁电机的矢量控制原理，通过转子磁场定向控制，将定子电流的合成矢量定向在永磁同步电机dq坐标系下的q轴上，使得id=0，从而实现发电机的有效控制。其中速度外环的参考转速ω*由最大功率追踪算法(MPPT)给出，根据发电机实际转速和输出有功功率变化得出一个最优ω*，与实际电机转速相比较，经过比例积分调节器得到有功电流的参考值i*q，无功参考电流i*d设为零，发电机的电磁转矩Te为：