PMSG-Based PI-Type滑模控制器设计的风力涡轮机

文摘

因为PMSG(永磁同步发电机)的wec(风能转换系统)有一些不确定性,传统的控制策略鲁棒性较差是有时很难满足控制的性能要求。为了确保效率和系统的稳定性,提出了一种新颖的π(比例积分)类型SMC(滑模控制)战略PMSG-based wec不确定性和提出了详细的分析和设计过程。与传统的控制方法相比,PI-type SMC提出不仅能使闭环系统全局稳定,但也有更好的鲁棒性和略减少电流脉动和扭曲。最后,仿真结果验证该算法的正确性和有效性。

1。介绍

环境空气污染和全球变暖等问题造成的化石燃料引起了全世界的关注,探索和利用可再生能源,近年来(1- - - - - -5]。目前,风力发电是发展最快的可再生能源,在沿海地区最为普遍的温带和寒带气候(6- - - - - -8]。有巨大的潜力在中国风电发展,美国、丹麦,以及其他国家,由于其高平均风速度(9]。因此,对风力发电技术的研究具有重要的价值。与恒速频风力涡轮机相比,变速频风力涡轮机可以获得最大能量转换由于其转速随风速,以确保系统有OTSR)(最佳变速比和最大风能利用系数。变速频风能转换系统(wec)由DFIG(双馈式感应发电机)的wec和PMSG的wec(永磁同步发电机)。的PMSG-based wec选择研究本文由于PMSG有许多优越的调速范围宽等特点,更高的可靠性和更高效的性能与DIFG [10]。

事实上,实际的系统有许多不确定性。PMSG的不确定性或永磁同步电动机(永磁同步电动机)的未建模动态和变频器的参数扰动(11- - - - - -14]。永磁同步电动机的不确定性的鲁棒控制方案基于自适应捐助(扰动观测器)介绍了11]。结果表明,该控制器获得了良好的控制性能。文献[12)提出了一个健壮的永磁同步电动机非线性预测控制策略的不确定性。控制系统获得了速度跟踪精度高。在[13),PFC(预测函数控制)+ ESO(扩张状态观测器)方法进行了研究。在那之后,验证了这种新方法的有效性。文献[14)提出了一个新颖的分离PI电流控制方法PMSG-based wec。该方法可以成功地实现改善下的瞬态性能和名义性能恢复模型的不确定性。

SMC(滑模控制)在1950年代初首次提出具有良好的鲁棒性和强大的能力拒绝植物不确定性和干扰(15,16]。参考文献(15,16)总结了SMC和检测关键技术研究的发展和未来的角度问题。虽然SMC已经被广泛应用在一些长期的工业应用,它仍然是学者研究的焦点,值得深入研究。DPC(直接功率控制)的基础上给出了并网wec SMC (17]。电网电压不平衡时,控制器也可以调节瞬时主动和被动的力量直接在定子固定参考系。文献[18)增强指数达到法律,提高控制效率和性能的SMC用于PMSG-based wec。

一种自适应二阶SMC策略是探索在[19]。该方法可以有效地处理模型不确定性的存在,内在wec的非线性行为,和随机风。SMC方法不匹配不确定性通过非线性强加于人了(20.]。与此同时,I-SMC(积分滑模控制)中提到与良好的稳态精度(20.,21]。PI-type SMC派生I-SMC和FBL(反馈线性化)方法,已广泛应用于可再生能源转换系统和电机驱动器(21- - - - - -23]。此外,与I-SMC相比,PI-type SMC的比例和积分参数可以进行调整,以更好地满足控制性能指标如敏捷和准确性。

基于上述背景,本文提出一种新颖的PI-type SMC的PMSG-based wec。虽然这篇文章的灵感来自文献[20.- - - - - -23),该控制器的整体设计思想和程序是完全不同的方法(20.- - - - - -23]。此外,(20.,23]只是指PMSG的控制没有短时间控制的考虑。和研究对象(22,23),本文是不同的。同时,灵活的卷扭转振动的抑制也一直被视为一个控制目标。然后,我们建立了一个详细的2兆瓦wec基于MATLAB / SIMULINK的仿真试验平台/ SimPowerSysterms来验证了该方法的有效性和正确性。大量的现有包装模块SimPowerSysterms用于仿真测试平台,比较接近真实的物理系统。最后,仿真结果表明该策略具有良好的控制性能。

2。PMSG-Based wec模型

简化PMSG-based wec主要由风力涡轮机,一个灵活的卷,PMSG,完全额定转换器,如图的控制水平1。为了捕获最大风能,采用最大功率点跟踪翻译(MPPT)战略控制边粉碎转换器(MSC)。循环控制水平,grid-side转换器(GSC)控制调节无功功率并保持直流母线电压U_直流稳定在1800 v。同时,为了抑制柔性卷的扭转振动,阻尼补偿转矩T_潮湿的介绍了。

2.1。PMSG和MSC动态模型

PMSG和MSC数学模型(5,20.- - - - - -27] 在哪里U_sd和U_平方d-axis和q-axis定子电枢电压。我_sd和我_平方d-axis和定子电流的q-axis组件。l_sd和l_平方d-axis和q-axis定子电感。ω转子转速。代表磁极对数。定子电阻。ψ代表了永磁链。和扰动向量和代表模型不确定性包括外部扰动和PWM偏移量。和通常被认为是有界的D_sd和D_sd。 在哪里D_sd和D_平方的边界和 。

的PMSG扭矩

2.2。GSC动态模型

GSC动态模型 在哪里和控制电压。和grid-side电流的分量。电网频率。l_c和R_c滤波电感和电阻。和表达d-axis和q-axis电网潜力组件(通常,= 0)和可以得到电压锁相环。和也是不确定性和见面 和的边界和 。

3所示。PI-Type滑模控制器的设计

3.1。控制目标

如果状态向量x状态向量和参考x_{_ref}是 可以表示为wec的控制目标 在哪里是误差向量。在上面的公式中,通常我们有 在哪里K_P和K_我π(比例积分)参数。最优转矩T_选择在(9)符合1,26- - - - - -29日] 在哪里R风轮半径,ρ是空气密度,被定义为最大风能转换系数,λ_选择是OTSR(最优叶尖速度比),和阻尼转矩补偿T_潮湿的是由(29日- - - - - -38] 在哪里 和H(年代)所示的带通滤波器的传递函数29日- - - - - -38]。

3.2。设计的比例积分(PI)类型滑模控制器

PI-type滑动表面可以被定义为 在哪里 年代是拉普拉斯变量。 和 (我= 1,2,3,4)。很明显,我们也可以 如果李雅普诺夫函数被定义为 在哪里 方程(19)- (22)可以得到通过的导数(17)。

让 方程(27可以得到)。 在哪里 。因此,控制法律是由(28)- (31日)和控制结构图如图2。 从(17)和(27),很明显,李雅普诺夫能量函数V大于或等于0的导数V小于或等于0。因此,整个系统是渐近稳定的基于李雅普诺夫稳定性定理。

3.3。跟踪精度分析

为了分析跟踪精度,我们需要引入定理1在这里。

定理1。对于任何动态系统状态向量 假设 是系统的李雅普诺夫函数,如果 或 在哪里 ,然后 。

证明。有三种情况。
①如果 ,然后 ,并进一步 。由于 ,因此 。这意味着没有持续和稳定平衡 比如在这个系统稳定极限环。
②假设 ,由于 ,然后 ,如果 ,然后 ,而且 。显然,这是矛盾的 。因此 。
③给 ,根据李雅普诺夫稳定性判据,系统是稳定的。所以,必须有t₁会议 。否则 。这显然是在矛盾与系统稳定性。如果我们重新定义t₁0,我们可以得到 ②。
当 ,我们有相同的结论以同样的方式。
基于定理1,我们有 从(12)和(33),我们可以得到 上述公式表明,系统的稳态误差总是0无论输入。因此,提出的策略可以获得良好的跟踪精度。

4所示。算法分析和验证

在本节中,详细的仿真测试平台构建来验证新算法的正确性和有效性,如图3。仿真测试平台是基于MATLAB / Simulink环境和打包模块SimPowerSysterms用于模拟测试平台,包括风力涡轮机,PMSG和vsc。与此同时,两个质量块弹簧阻尼模型中提到的(21- - - - - -31日)是用来描述柔性传动链的动力学。因此,仿真测试平台相对比较接近实际的物理系统,由于采用许多封装模块。wec由MSC控制器的控制器和GSC控制器中提到的人物3。系统参数如表所示1。一般来说,实际风速是时变和随机;但是我们也相信风速为短时间内是恒定的。因此,我们假定风速符合v= 12 + 0.4×兰特(t)。直流母线电流我₁和我₂如图4和其他wec如图的响应曲线5。

从图4,我们知道直流母线电流我₁和我₂是双向的。这意味着MSC GSC可以切换式整流器和逆变器的状态。然而,因为的平均值我₁和我₂是积极的,因此MSC基本上是整流器和GSC工作主要是在逆变器的状态。这是按照实际的事故情况和可以验证模型的准确性在某种意义上。

图5显示了风能利用系数的响应曲线C_P、直流母线电压U_直流、d-axis q-axis定子电流和电网电流的组成部分。风的扰动分量速度的主要原因C_P,U_直流、电流和功率的波动。图5(一个)描绘了风能利用系数C_P总是在最大值附近(或0.4763)的风险提出的控制策略。这意味着翻译wec操作在MPPT模式额定风速下的最大风能捕获。很明显,直流母线电压U_直流非常接近其参考(或1800 v)和图的偏差不超过0.8 v5 (b)。数据5 (b)- - - - - -5 (f)表明,该控制可以减少当前的定子电流脉动和电网电流与传统控制相比,因为未建模动态的不确定性考虑提出了控制器的设计。在一个词,提出了控制策略比传统的控制策略具有更好的鲁棒性。

电磁转矩和滑模面曲线如图6和7。很明显,提出控制方法下的电磁转矩波动比较小,相比之下,传统的控制方法。与此同时,图7显示所有的稳态值滑模面趋向于零。因此,分析部分的正确性3.3验证了图7。此外,该方案进一步验证的抑制谐波电流。在这里,我们的总会改变定子电流发生器为例。总会改变定子电流波形如图8。很明显,该方法还可以减少电流畸变。

为了进一步验证该方法的有效性,系统响应变量下风速必须观察和分析。如图9(一个)所示,从10米/秒风速变化到12.5 m / s。这时,变量风速下的系统响应曲线如图9 (b)- - - - - -9 (h)。很明显,结果证明了该方法的正确性和有效性。数据9 (c)和9 (f)表明,风能利用系数C_P总是保持在它的最大价值(0.476)和直流母线电压U_直流总是在波动U_{dc_ref}(1800 v),风速是否变化。从图9 (d),并网有功功率总是小于电磁功率由于铜损。

5。结论

提出了一种新型PI-type SMC确保高效和稳定的PMSG-based wec,。提出的策略有很强的鲁棒性的不确定性和扰动系统可以使闭环系统全局稳定和更好的性能,与传统的控制方法。最后,2 mw wec仿真测试平台是基于MATLAB / MATLAB / SIMULINK / SimPowerSysterms环境是建立验证成熟,这提出了控制算法的有效性。仿真结果表明,新方法能够减少当前的失真和转矩波动,具有重要实际意义的控制实际的风力涡轮机。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由陕西重点研发项目(批准号2017 gy - 061)。

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