引言

　　風力發電系統中變流器作為電機連接電網的核心裝置獲得廣泛應用。由于風力發電用并網變流器功率容量較大， 直流母線兩端的電壓較高，為降低功率器件應力PWM信號開關頻率受到限制，頻率范圍通常在1~3k（Hz）之間，開關頻率的降低導致變流器網側輸出電流中的諧波分量增加。采用常規的LC濾波需要較大的電感量，電感量的增加提高了成本，增加了裝置的體積，不利于變流器控制。[1-3]在變流器設計中引入LCL型濾波器。采用變流器電流間接控制結合電網電壓前饋補償的控制策略，可以使系統具有較好的穩定性和動態性能。

　　1 風力發電變流器的數學模型

基于LCL濾波器的風力發電用變流器結構如圖1所示。其中 為三相電網電動勢，[7]假定電網電動勢為三相平穩的純正弦波，不考慮并網變流器直流母線兩端電壓波動，濾波電感是線性的，且不考慮飽和，主電路開關元器件為理想開關元件，根據基爾霍夫電壓電流定律和并網變流器工作原理，可得到并網變流器數學模型為：

Fig.1 System structure of direct drives for wind turbine

　?。╧ = a,b,c）， -直流側電壓； 、 -網側電感、寄生電阻， 、 -橋臂側電感、寄生電阻， -濾波器電容； 、 、 -網側電流、電容器電流、橋臂側電流； -直流側電流，ek-電網電動勢，R-開關管等效電阻，uNO-直流側負母線對交流中性點電壓，iL-負載電流。由變流器的數學模型可知，同典型L型并網變流器相比采用LCL濾波的并網變流器，數學模型中變量數目較多，增加了系統的復雜性。

　　三相坐標系下的數學模型具有物理意義清晰，直觀等特點，但是在該數學模型中，三相交流側電壓回路方程均以時變信號出現，不利于控制系統設計。為此，可將三相靜止坐標系下的正弦量通過坐標變換變換成dq坐標系下的直流量，從而簡化了控制系統設計。并網變流器在dq坐標系下的數學模型為：

　　其中

　　ucq-q軸電容電壓，ucq-d軸電容電壓，

　　iq-q軸橋臂電流，id-d軸橋臂電流，i2q-q軸網側電流，i2d-d軸網側電流，ed-d軸電網電動勢，eq-q軸電網電動勢，

　　2 基于LCL的變流器控制策略

　　2.1基于dq坐標系的變流器解耦控制

　　由于電能的雙向傳輸，當PWM變流器從電網吸收電能時其運行于整流工作狀態；當PWM變流器向電網回饋電能時其運行于逆變工作狀態，因此PWM變流器實現了綠色電能變換。網側電流與電網電壓同相，變流器網側呈正電阻特性，實現單位功率因數運行，負載從電網吸收有功功率，變流器運行在逆變狀態，網側電流與電網電壓反相，變流器網側呈負電阻特性，實現單位功率因數逆變控制，負載向電網發送有功功率。

　　根據并網變流器數學模型可知，與獨立逆變控制輸出電壓不同，并網變流器控制電網的電流i2k（k=a,b,c），而i2k由加在輸出濾波器兩端的電壓uk和usk決定，考慮到uk是不可控量，輸出電流i2k由變流器橋臂的輸出電壓決定，因此并網變流器的控制策略就是選擇合適的變量控制橋臂輸出電壓，在保證系統穩定運行的同時，控制輸出電流i2k滿足系統要求。本文采用變流器直接輸出電流i1k間接控制并網輸出電流i2k與電網電壓前饋相結合的控制策略，為提高控制精度和動態響應速度在電流環中引入電網電壓前饋，其目的是克服電網擾動對LCL濾波器的影響，很大程度上減少系統對調節器增益的依賴，加快系統的響應。有利于電流內環調節器的設計，即使采用簡單的比例調節也可以獲得較好的電流跟蹤特性和魯棒性，擴大了調節器參數的選擇范圍。

PWM變流器電網電壓定向矢量控制將（d,q）同步旋轉坐標系的q軸按電網電壓矢量E定向。此時，電網電壓的d軸分量為零Ed=0,PWM變流器交流側電流矢量的q軸分量iq為有功電流，d軸分量id為無功電流。電網電壓定向矢量控制可以方便地實現網側有功功率和無功功率的解耦控制。為了實現PWM變流器單位功率因數運行，通常無功電流分量id的給定值設為零。