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        雙饋風(fēng)力發(fā)電機網(wǎng)側(cè)變換器的非線性控制策略研究

        2022-11-10 04:30:24裴澤偉朱佳兵吳文超劉玉帥
        微電機 2022年10期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        裴澤偉,朱佳兵,吳文超,劉玉帥

        (1.國家能源集團東臺海上風(fēng)電有限責(zé)任公司,江蘇 東臺 224200;2.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司,杭州 310014)

        0 引 言

        由于具備可靠性和經(jīng)濟性兩大優(yōu)勢,雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator,DFIG) 在市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位[1-2]。DFIG系統(tǒng)是一類集同步發(fā)電特性和異步發(fā)電特性于一體,可通過定子和轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)實現(xiàn)雙向饋電的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[3]。一般地,DFIG系統(tǒng)主要由風(fēng)機部分、雙饋發(fā)電機(DFIG)和“背靠背”變換器等部分構(gòu)成[4-5]。其中,按照與電網(wǎng)的連接方式來區(qū)分,“背靠背”變換器可以劃分為網(wǎng)側(cè)變換器 (GSC)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(RSC)兩個部分。由于網(wǎng)側(cè)變換器直接與電網(wǎng)相連,將直流側(cè)從轉(zhuǎn)子側(cè)吸收的有功功率傳遞至電網(wǎng)。因此,網(wǎng)側(cè)變換器的控制器性能將直接影響網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)性能。

        為了提升DFIG系統(tǒng)電網(wǎng)電流的動態(tài)性能,許多學(xué)者提出了網(wǎng)側(cè)變換器的非線性控制策略來解決這一問題。網(wǎng)側(cè)變換器的非線性控制方案主要可以分為以下幾類:模型預(yù)測控制方案[6-9]、狀態(tài)反饋線性化控制方案[10-12]、滑模控制方案[13-16]、反步控制方案[17-18]等等。

        其中,有限集模型預(yù)測控制方案以其易于執(zhí)行和便于處理約束的優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動和過程控制等領(lǐng)域。這一類控制方案的主要思想是在每一個采樣周期內(nèi)求解有限時域內(nèi)的開環(huán)最優(yōu)問題。從基本原理上看,這一類控制方案具備較強的魯棒性且建模方便[6-7]。然而,不足之處在于這一類控制方案的性能對系統(tǒng)參數(shù)具有很強的依賴性;此外,有限集模型預(yù)測控制方案下的系統(tǒng)開關(guān)頻率不固定,這也將對的網(wǎng)側(cè)變換器系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響[8-9]。

        狀態(tài)反饋精確線性化是一類線性化控制方案。該方案通過狀態(tài)坐標的非線性變換和非線性狀態(tài)反饋將原始非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成線性的可控可觀系統(tǒng),然后通過線性控制方法(極點配置法或二次型調(diào)節(jié)器)設(shè)計控制器。相比于傳統(tǒng)的近似線性化方法,這一類控制方案可以使得原始非線性系統(tǒng)在更廣的范圍實現(xiàn)穩(wěn)定[10-12]。同樣的,該方案同樣十分依賴于系統(tǒng)參數(shù),當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)未知或變化時,該控制器的性能將會受到一定的影響。

        進一步地,為了提升DFIG網(wǎng)側(cè)變換器系統(tǒng)的干擾抑制能力,許多研究學(xué)者提出了滑模控制方案。盡管傳統(tǒng)的滑??刂品桨笇ο到y(tǒng)參數(shù)和外部干擾具備很好的魯棒性,但是控制器很容易遭受抖顫的影響[13-16]。這是傳統(tǒng)滑??刂破鞯淖畲笕秉c之一。

        基于此,本文設(shè)計了一種網(wǎng)側(cè)變換器直流電壓的二階滑??刂品桨?。該控制方案不僅對直流側(cè)電容參數(shù)擾動和風(fēng)機發(fā)電功率變化具有極強的魯棒性,還可以有效地抑制開關(guān)函數(shù)引起的抖顫。最后仿真實驗證實了所設(shè)計的二階滑模非線性控制器的魯棒性。

        1 DFIG網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型

        1.1 DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        如圖1所示,DFIG發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)機部分、雙饋發(fā)電機(DFIG)和“背靠背”變換器等部分組成。風(fēng)機部分由槳葉、輪轂、齒輪箱增速機構(gòu)、塔架等部分組成。其中,DFIG的定子通過接觸器直接與電網(wǎng)相連,而其轉(zhuǎn)子則通過“背靠背”變換器接入電網(wǎng)?!氨晨勘场弊儞Q器主要由機側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器及中間直流電容器構(gòu)成。機側(cè)變換器用于控制風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速,完成風(fēng)能到電能的變換,而網(wǎng)側(cè)變換器用于完成電能從風(fēng)電系統(tǒng)至電力系統(tǒng)的輸送工作。

        圖1 DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例圖

        1.2 DFIG網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型

        依據(jù)圖1,DFIG網(wǎng)側(cè)變換器的單相等效電路圖如圖2所示。

        圖2 DFIG網(wǎng)側(cè)變換器單相等效電路

        依據(jù)圖2,DFIG網(wǎng)側(cè)變換器在dq坐標系下的數(shù)學(xué)模型可以寫為

        (1)

        式中,ishd和ishq代表網(wǎng)側(cè)變換器的輸出電流的d軸和q軸坐標系下的分量,uod和uoq為網(wǎng)側(cè)變換器的輸出交流電壓的d軸和q軸坐標系下的分量,usd和usq為DFIG定子側(cè)電壓的d軸和q軸坐標系下的分量。Lsh和Rsh代表網(wǎng)側(cè)變換器的濾波器的濾波電感和等效電阻值。

        進一步的,依據(jù)圖1,DFIG網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)電壓的動態(tài)可以寫為

        (2)

        式中,Psh=1.5usdishd;Pse=udidse;idse代表轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的直流側(cè)電流;d代表直流側(cè)電容器的電容值。

        2 DFIG網(wǎng)側(cè)變換器二階滑??刂品桨?/h2>

        DFIG網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標為:將DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的功率穩(wěn)定地傳輸至電網(wǎng)和維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。本文通過采用二階滑??刂品桨竵硖嵘绷麟妷涵h(huán)的動態(tài)性能,電流內(nèi)環(huán)采用PI控制方案。DFIG網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖如圖3所示。

        圖3 DFIG網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖

        2.1 積分滑模面設(shè)計

        根據(jù)式(2),DFIG直流側(cè)電壓的動態(tài)可以重新寫為

        (3)

        依據(jù)式(3),設(shè)計直流電壓的積分滑模面為,

        (4)

        2.2 控制率設(shè)計

        由于具備可以抑制抖震和可以在有限時間內(nèi)收斂的優(yōu)點,STA(Super-twisting algorithm, STA)算法已廣泛應(yīng)用于相對階為1的系統(tǒng)。

        (5)

        其中等效控制項可通過求解以下方程來獲取,

        (6)

        將式(3)和式(4)代入式(6),可以求得等效控制項的表達式為

        (7)

        STA項可以設(shè)計為

        (8)

        其中,

        (9)

        式中,ε1d,ε2d代表正常數(shù)。sgn(·) 則代表符號函數(shù)。

        將式(7)和式(8)代入式(5)中,可以求得網(wǎng)側(cè)變換器的輸出電流的d軸參考量的表達式為

        (10)

        2.3 不確定性與魯棒性

        考慮直流母線電容器的電容值誤差、變換器的功率損耗及外部擾動,式(3)可重新寫為

        (11)

        其中,

        (12)

        因此,式(11)可進一步寫為

        (13)

        其中,

        (14)

        考慮到系統(tǒng)在實際實施過程中的物理約束,可以假定擾動是有界的,也即

        |d|<ε

        (15)

        式中,ε為已知的正常數(shù)。

        2.4 穩(wěn)定性

        將式(13)代入式(4), 積分滑膜面sd的一階微分可以重新寫為

        (16)

        因此,將式(10)代入式(16),閉環(huán)系統(tǒng)可以描述為

        (17)

        為了驗證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,設(shè)計Lyapunov函數(shù)[14]為如下形式,

        (18)

        其中,

        Lyapunov函數(shù)V的微分可以得:

        (19)

        其中,

        由于擾動是有界的,依據(jù)參考文獻[25],式(19)可以進一步寫為

        (20)

        其中,

        (21)

        2.5 滑模系數(shù)的選取

        本文中所設(shè)計的直流電壓二階滑??刂破髦饕齻€滑模系數(shù):λ、ε1d和ε2d。由公式(4)可以看出,系數(shù)λ直接影響閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),參數(shù)λ越大,系統(tǒng)的收斂時間越短,但是容易引起超調(diào);參數(shù)λ越小,系統(tǒng)的收斂時間變長,因此參數(shù)λ必須合適的選取。選取參數(shù)λ的原理可見參考文獻[12]。此外,為了保證所設(shè)計的控制器的穩(wěn)定性,參數(shù)ε1d和ε2d的選取需遵循式(21)。

        3 仿真結(jié)果

        為了驗證上述所設(shè)計的DFIG系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器的直流電壓的二階滑??刂品桨傅挠行耘c合理性,本小節(jié)對DFIG系統(tǒng)進行Matlab/Simulink仿真驗證。其中,仿真中DFIG系統(tǒng)所采用的參數(shù)如表1所示。此外,DFIG網(wǎng)側(cè)變換器所采用的濾波器的濾波電感Lsh=6 mH以及阻尼電阻Rsh=0.5 Ω,直流電容電壓為1.2 kV,額定直流電容為10000 F。仿真中所用到的滑??刂破鲄?shù)如表2所示。為了便于對比分析,本文采用傳統(tǒng)PI控制策略與所提的二階滑??刂品桨高M行對比分析,兩種不同方案下系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4~圖8所示。

        表1 仿真所用DFIG參數(shù)

        表2 仿真所用的控制參數(shù)

        圖4為所設(shè)計的二階滑模控制方案下DFIG系統(tǒng)在風(fēng)機功率突增時的仿真波形圖。仿真波形主要包括:定子電壓us、直流側(cè)電壓ud以及電網(wǎng)電流is。由圖可知,當(dāng)風(fēng)機的發(fā)電功率突增時,中間直流側(cè)電壓將會波動,并在0.03 ms后穩(wěn)定。由于發(fā)電功率突增,電網(wǎng)電電流幅值也將增大。圖5為傳統(tǒng)PI控制方案下DFIG系統(tǒng)在風(fēng)機功率突增時的仿真波形圖。由圖可知,當(dāng)風(fēng)機的發(fā)電功率突增時,中間直流側(cè)電壓將會波動,并在0.04 ms后穩(wěn)定。由于發(fā)電功率突增,電網(wǎng)電電流幅值也將增大。因此,當(dāng)風(fēng)機發(fā)電功率變化時,與傳統(tǒng)PI控制相比,所設(shè)計的二階滑??刂频臅簯B(tài)響應(yīng)時間更短,動態(tài)性能更好。

        圖4 發(fā)電功率增加時雙饋電機采用二階滑模控制的仿真波形

        圖5 發(fā)電功率增加時雙饋電機采用傳統(tǒng)PI控制的仿真波形

        圖6~圖7為兩種不同控制方案下DFIG系統(tǒng)在風(fēng)機功率突增時的仿真波形圖。當(dāng)風(fēng)機的發(fā)電功率突減時,中間直流側(cè)電壓將會波動,并在0.025 ms后穩(wěn)定(二階滑模控制)。由于發(fā)電功率突減,電網(wǎng)電電流幅值也將減小。PI控制方案下當(dāng)風(fēng)機的發(fā)電功率突增時,中間直流側(cè)電壓也會波動,并在0.04 ms后穩(wěn)定。由于發(fā)電功率突減,電網(wǎng)電電流幅值也將減小。因此,當(dāng)風(fēng)機發(fā)電功率變化時,與傳統(tǒng)PI控制相比,所設(shè)計的二階滑??刂频臅簯B(tài)響應(yīng)時間更短,動態(tài)性能更好。

        圖6 發(fā)電功率減少時雙饋電機采用二階滑??刂频姆抡娌ㄐ?/p>

        圖7 發(fā)電功率減少時雙饋電機采用傳統(tǒng)PI控制的仿真波形

        圖8為所設(shè)計的二階滑??刂品桨赶翫FIG系統(tǒng)在直流電容值減少30%的仿真波形圖。由圖可知,當(dāng)風(fēng)機的發(fā)電功率突增時,中間直流側(cè)電壓將會波動,并在0.035 ms后穩(wěn)定。由于發(fā)電功率突增,電網(wǎng)電電流幅值也將增大。圖9為傳統(tǒng)PI控制方案下DFIG系統(tǒng)在直流電容值減少30%的仿真波形圖。由圖可知,當(dāng)風(fēng)機的發(fā)電功率突增時,中間直流側(cè)電壓將會波動,并在0.05 ms后穩(wěn)定。由于發(fā)電功率突增,電網(wǎng)電電流幅值也將增大。因此,當(dāng)直流電容擾動時,與傳統(tǒng)PI控制相比,所設(shè)計的二階滑??刂频臅簯B(tài)響應(yīng)時間更短,動態(tài)性能更好。

        圖8 直流電容減小時雙饋電機采用二階滑??刂频姆抡娌ㄐ?/p>

        圖9 直流電容減小時雙饋電機采用傳統(tǒng)PI控制的仿真波形

        4 結(jié) 論

        為了提升雙饋感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)網(wǎng)側(cè)變換器的動態(tài)性能,提出了一種二階滑模非線性控制方案,可有效地提升DFIG的直流側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)。傳統(tǒng)的DFIG的網(wǎng)側(cè)變換器的通常采用雙閉環(huán)控制方案,直流電壓外環(huán)和網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)均采用比例積分控制方案。而在實際工況中,直流側(cè)電容器電容可能會隨環(huán)境改變而改變,并且DFIG系統(tǒng)的輸出功率也和風(fēng)速息息相關(guān)。因此,為了提升網(wǎng)側(cè)變換器的魯棒性,本研究針對DFIG的網(wǎng)側(cè)變換器的直流電壓環(huán)設(shè)計了一種二階滑模非線性控制方案來替代傳統(tǒng)的PI控制。最后,Matlab/Simulink仿真結(jié)果驗證了所提的二階滑模非線性控制在風(fēng)機功率變化及直流側(cè)電容擾動時的魯棒性。

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