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基于解析计算的CSC-PMSG-WGS控制器PI参数设计

更新时间：2019-12-30 09:56:07 大小：4M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：永磁同步风力发电系统电流源型变换器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

在基于电流源型变换器的永磁同步风力发电系统(CSC-PMSG-WGS)控制中,比例积分(PI)控制依然是广泛采用的基本控制方法.传统PI参数设计方法由于采用诸多近似计算而使得设计结果不准确,或是由于采用智能优化算法进行参数自动寻优导致PI参数的设计方法不通用.为了综合考虑系统中控制器PI参数设计的准确性和简便性,提出一种基于解析计算的设计方法.该方法首先在分析考虑工程实际情况的控制系统传递函数基础上,推导出控制器PI参数解析计算表达式;然后按照系统性能要求及系统参数确定计算式中的关键待定参数进而得到PI参数的值;最后,针对10kW CSC-PMSG-WGS系统实例,分析采用该方法的PI参数详细设计过程.仿真和实验结果证明了采用所提控制器参数设计方法能够有效减少控制器参数设计工作量,并且取得良好的动态和稳态控制性能.

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2017 年 10 月  
第 32 卷第 20 期  
电 工 技 术 学 报  
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY  
Vol.32 No. 20  
Oct. 2017  
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160169  
基于解析计算的  
CSC-PMSG-WGS 控制器 PI 参数设计  
茆美琴 张中洋 丁 勇 张榴晨  
（教育部光伏系统工程研究中心（合肥工业大学） 合肥 230009）  
摘要 在基于电流源型变换器的永磁同步风力发电系统（CSC-PMSG-WGS）控制中，比例积  
分（PI）控制依然是广泛采用的基本控制方法。传统 PI 参数设计方法由于采用诸多近似计算而使  
得设计结果不准确，或是由于采用智能优化算法进行参数自动寻优导致 PI 参数的设计方法不通  
用。为了综合考虑系统中控制器 PI 参数设计的准确性和简便性，提出一种基于解析计算的设计方  
法。该方法首先在分析考虑工程实际情况的控制系统传递函数基础上，推导出控制器 PI 参数解析  
计算表达式；然后按照系统性能要求及系统参数确定计算式中的关键待定参数进而得到 PI 参数的  
值；最后，针对 10kW CSC-PMSG-WGS 系统实例，分析采用该方法的 PI 参数详细设计过程。仿  
真和实验结果证明了采用所提控制器参数设计方法能够有效减少控制器参数设计工作量，并且取  
得良好的动态和稳态控制性能。  
关键词：电流源型变换器 永磁同步发电机 直驱风力发电系统 比例积分参数设计  
中图分类号：TM614  
Analytical-Method-Based Design of PI Parameters of  
Controller Used in CSC-PMSG-WGS  
Mao Meiqin  
Zhang Zhongyang Ding Yong Chang Liuchen  
（Research Center for Photovoltaic System Engineering MOE  
Hefei University of Technology Hefei 230009 China）  
Abstract  
The proportional-integral (PI) control is widely used in permanent magnet  
synchronous generator wind generation system based on current source converter (CSC-PMSG-WGS).  
The traditional PI parameter design methods have issues such as low accuracy caused by approximate  
calculation or low generality caused by intelligent optimization algorithms for searching optimal PI  
parameters. To design proper PI parameters for the system with comprehensive considerations of  
reliability and simplicity, a general method based on the analytical method is proposed in this paper.  
Firstly, the transfer functions of system are analyzed considering the practical system specifications and  
the analytical formulas of PI parameters are derived from the transfer functions. Secondly, according to  
the control performance requirements and parameters of the CSC-PMSG-WGS, the key parameters in  
the formulas are determined, thus the final PI parameters are acquired. Finally, a 10 kW system is taken  
as an example, and the design process of PI parameters by the proposed method is presented in detail.  
The proposed method is verified by simulation in Matlab/Simulink and experimental results, which  
国家自然科学基金项目（51577047）、安徽省对外科技合作项目（1604b0602015）和高等学校博士学科点专项科研基金项目（201301111110005）  
和广东省引进创新团队项目（2011N015）资助。  
收稿日期 2016-01-29 改稿日期 2016-05-09  
万方数据  
206  
电 工 技 术 学 报  
2017 年 10 月  
shows that the design of PI parameters for the controller of CSC-PMSG-WGS could be significantly  
simplified with expected transient and steady state control performances.  
Keywords：Current source converter, permanent magnet synchronous generator, direct drive wind  
generation system, proportional-integral (PI) parameter design  
[15]中给出的考虑了实际系统非线性特性和期望的  
0
引言  
幅值、相位裕度直接计算得到控制器 PI 参数。上述  
方法主要是针对电压源型 PMSG-WGS 的控制器设  
计，考虑到电压源型变换器和电流源型变换器系统  
在结构和控制上的不同，基于电流源型的永磁同步  
风力发电系统（Permanent Magnet Synchronous  
Generator Wind Generation System based on Current  
Source Converter, CSC-PMSG-WGS）的控制器参数  
设计方法也有不同。  
基于背靠背全功率变流器的直驱永磁同步风力  
发电系统（Direct Permanent Magnet Synchronous  
Generator Wind Generation System, D-PMSG-WGS）  
具有效率高、抗电网故障能力强等优点[1]，正逐渐  
成为研究热点。背靠背变流器按照直流环节储能元  
件的不同分为电压源型变流器（Voltage Source  
Converter, VSC）和电流源型变流器（Current Source  
Converters, CSC）[2]。一般背靠背变流器的控制分  
为机侧控制和网侧控制，且控制器主要采用 PI 控制  
这种经典且实用的控制结构[3-5]。  
本文提出一种基于解析计算的 CSC-PMSG-  
WGS 控制器参数设计方法。该方法在推导考虑工程  
实际情况的控制系统传递函数基础上，得出 PI 参数  
解析计算式，进而按照系统性能要求和系统参数确  
定计算式中的关键参数从而计算 PI 参数值。简便起  
见，本文以 CSC-PMSG-WGS 系统机侧控制器为例  
对所提出的方法进行详细阐述，并给出一个 10kW  
机侧系统的控制器设计过程，对设计结果进行了仿  
真和实验验证。  
为了获得最优的控制系统闭环性能，现有文献  
大都是根据系统的传递函数幅频特性来设计控制器  
参数[6-8]。在工程应用中的经典方法是在忽略延时、  
采样滤波等环节后将系统传递函数近似为一阶或二  
阶系统再采用零极点对消的方法进行比例积分  
（Proportional-Integral, PI）参数的简单设计[6-8]，但  
这些处理导致计算结果不够准确，从而使得控制效  
果不好，往往需要对计算得到的控制器参数进行再  
调节。近年来随着智能算法研究的深入，部分文献  
在控制器参数设计中引入了一些复杂的 PI 参数智能  
优化算法，如自适应全局最优和声搜寻（Self- adaptive  
Global Best Harmony Search, SGHS）算法[9]、改进  
粒子群（Particle Swarm Optimization, PSO）算法[10]、  
1
CSC-PMSG-WGS 系统组成和机侧控制  
基于电流源型变换器的 PMSG-WGS 系统结构  
如图 1 所示。图中，Crabc 为机侧滤波电容，Ciabc、  
Liabc 分别为网侧滤波电容和滤波电感，Ldc 为直流母  
线电感。  
[11]  
神经元算法（Neuron Algorithm, NA） 和混合遗传  
[12]  
算法（Hybrid Genetic Algorithm, HGA） 等。这些  
算法虽然准确有效，但是由于其复杂的计算过程而  
不具有通用性，如采用 PSO 算法和 HGA 等都需要  
针对特定系统构造需要的目标函数，这意味着当系  
统结构、功率等级、控制目标等发生变化时，需要  
投入额外工作量以重新配置智能算法计算所需参  
数。由此可见，PI 参数设计方法应当全面考虑准确  
性和通用性。文献[13]中提出一种基于主导极点和  
幅值裕度的方法，但在传递函数建模中，未考虑实  
际应用中的死区延时和系统的阻尼特性。传递函数  
建模应当如文献[14]中所示，考虑到实际系统的死  
区延时和滤波延时等影响因素。设计者可参照文献  
图 1 CSC-PMSG-WGS 系统结构图  
Fig.1 The system structure of CSC-PMSG-WGS  
基于转子磁场定向控制（Rotor Field Oriented  
Control, RFOC）的机侧系统控制框图如图 2 所示。  
其控制结构为转速外环和电流内环的双闭环 PI 控  
制：在 dq 坐标系下，转速环输出为 q 轴电流给定，  
万方数据  

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