无齿轮PMSG-Based Super-Twisting滑模控制风力涡轮机

文摘

近年来,风力涡轮机控制的复杂性提高,实现电网电压凹陷编码条件。事实上,风力发电机应保持连接到网格和注入无功功率根据新的网格编码。因此,本文提出了一种新的基于super-twisting滑模控制算法的无齿轮永磁同步风力发电机的发电机(PMSG)。PMSG是通过连续的转换器连接到电网。在拟议的方法中,机器侧调节变频器的直流母线电压。这种策略可以提高低压度过(LVRT)能力。此外,电网侧逆变器提供了最大功率点跟踪翻译(MPPT)控制。应该指出的是,super-twisting滑模(STSM)控制是实现有效处理非线性直流环节电压和输入控制信号之间的关系。设计控制器的主要功能是chattering-free及其鲁棒性等外部干扰电网故障条件。在MATLAB / Simulink仿真平台上模拟执行。 This controller is compared with Proportional-Integral (PI) and the first-order sliding mode (FOSM) controllers to illustrate the DC-link voltage regulation capability in the normal and grid fault conditions. Then, to show the MPPT implementation of the proposed controller, wind speed is changed with time. The simulation results show designed STSM controller better performance and robustness under different conditions.

1。介绍

最近,风能是一个快速增长的电力来源(1,2]。安装风力发电预计将超过760千瓦,到2020年,世界(3]。因此,大量的发电能力属于风力发电。在过去,风电场可以从电网断开电网故障条件,但如今,现代电网规范,除了不允许分离网格的风力涡轮机,要求他们在电网故障条件下执行一些辅助任务。例如,丹麦军队风电场电网代码遵循低压度过(LVRT)要求在故障状态图1(4]。

在不同类型的风力涡轮机,双馈式感应发电机(DFIGs)和永磁同步发电机(PMSGs)是有吸引力的类型在风力发电场5]。由于优点,半导体开关器件的发展和高可靠性和效率,PMSG的使用正在增长。

在传统的背靠背变流器的控制,机侧变换器(MSC)进行最大功率点跟踪翻译(MPPT)和电网侧变换器(GSC)调节直流环节电压(6,7]。因此,当电网发生故障时,直流母线电压可能因为MSC不增加电网故障和GSC失去自己的控制直流母线电压调节(8]。为了克服这个问题,GSC和MSC任务可以改变(9,10]。由于非线性直流环节电压和输入控制信号之间的关系,提出了不同的非线性控制(11,12]。

在现代非线性控制、滑模控制具有良好的特性,因为它是健壮的对系统参数不确定性和外部干扰(13]。传统的滑模控制的主要缺点是嚷嚷起来。减少聊天,介绍了几种方法。有吸引力的chattering-free滑动模式之一是高阶滑模(HOSM) [14,15]。但是HOSM算法的实现的主要问题是日益增长的信息需求。super-twisting滑模(STMC)是HOSM之一,不需要额外的信息(16,17]。

数篇论文使用HOSM增强LVRT能力PMSG-based风力涡轮机(18- - - - - -20.]。然而,所有的这些作品使用传统的背靠背转换器的控制。事实上,他们并不能保持直流母线电压在安全范围深陷电压降。因此,他们需要使用外部设备导致总成本的增加。如前所述,通过交换的任务转换器,直流母线电压保持在安全范围内,MSC调节直流环节电压、翻译和GSC控制MPPT。在本文中,super-twisting滑模控制方法是采用新的控制结构。

它可以提到的新贡献的方法是实现一个HOSM控制器无齿轮高惯性PMSG-based风力涡轮机,在不需要额外的工具来实现LVRT直流环节电容没有施加压力。事实上,电网电压降和风向变化被认为是作为一个外部干扰。此外,唠叨是消除和控制器不需要额外的信息。

摘要风能转换系统模型,包括建模的风力涡轮机,PMSG,直流环节,网格提出了部分2。节3首先,简要回顾STSMC提出;然后全部STSM背靠背转换器设计控制器。部分4证明了改进的新控制策略进行比较与传统的MATLAB / Simulink仿真方法。最后,在节5,提出了结论。

2。风能转换系统的描述

PMSG风力发电系统的示意图如图2。各个部分的建模引入了下面。

2.1。风力发电机的建模

风力发电机的机械输出功率是由以下方程: 涡轮功率系数由以下方程[定义21]: 泵比(λ)取决于轴转速( )和风速如下考虑: 从(1)和(4),给出了涡轮扭矩 single-mass的运动方程表示为机械系统的建模 在哪里发电机的电磁转矩。

2.2。PMSG的建模

一个动态数学模型,提出了一种表面贴装PMSG同步dq等效电路(22]

给出了发电机的电磁转矩

2.3。建模的直流环节

直流环节是发电机和电网之间的接口。动态直流环节电压方程可以表达的 在哪里和是发电机和背靠背和电网电力转换器损失,分别。在这项研究中,据推测转换器是无损的。

2.4。模型的网格

GSC连接的公共连接点(PCC)RL网格过滤器和耦合变压器。在这项研究中,它是由RL建模的状态方程dq可以表示为参考系 在哪里ω_f是角频率。

瞬时注入方程PCC表示为主动和被动的权力

如果PCC d-axis面向电压空间矢量, ,然后

现在,让我们引入状态变量 , , , , , 。

到目前为止获得的状态方程放在一起获得整个系统的状态空间模型。据推测MSC和GSC理想和他们产生所需的电压。事实上,平均模型用于GSC和MSC。为了方便起见,整个系统的状态方程模型写成

3所示。控制背靠背的转换器

在本节中,新控制器背靠背转换器使用二阶滑模的设计。几个现代技术,提出滑动模式提供了更多的优势如健壮性和高精度的解决方案尤其对非线性系统在不确定性条件下和外部干扰(23]。经典的滑动模式的主要缺点是喋喋不休的问题。不过,二阶滑模适当获得chattering-free控制和保证限定时间达到阶段(24]。节3.1二阶滑动模式简要介绍,然后,在部分3.2super-twisting控制器,是一种有吸引力的二阶滑模控制器将。

3.1。简单介绍一下二阶滑动模式

如前所述,一阶滑模控制的主要劣势(FOSMC)是一个喋喋不休的问题。这种效应包括振荡系统的变量在滑动面,导致一个不连续的控制信号。这种效应可以扰乱或破坏物理系统。一个有趣的方法来消除或减少使用HOSM抖振效应。在这种技术中,滑动表面的高阶次衍生品保持为零(24]。因此,这一行动减轻了喋喋不休的效果。但是,日益增长的信息需求的主要问题HOSM算法的实现。一般来说,rth顺序滑动控制器需要的知识(r 1)th时间导数。因此,一个r是由th顺序滑动模式

因此,二阶滑模控制器是简单的。事实上,它需要的知识一阶时间导数的滑动面。这些控制器需要实时测量或者至少 。

在一些二阶滑模控制器中,super-twisting控制器有很好的特性,因为它不需要的知识 。super-twisting控制器可以使用,而不是一阶(传统)滑动模式使用相同的信息。

3.2。Super-Twisting控制器

考虑的非线性动态系统(24] 在哪里 , ,和光滑函数 , , 是未知的。从(24),滑动表面的时间导数可以表示为 在哪里 和 光滑函数,对于一些积极的常量 , , , ,和下面的关系可以举行。 和输入控制信号可以被定义为 在哪里和应满足下列条件:

图3显示的相图super-twisting控制器。

3.3。发电机侧变流器控制器

在介绍中提到的,在网格中抑制直流母线过电压故障情况和实施LVRT,直流环节电压是由MSC。在这种方法中,GSC翻译实现MPPT。

的参考价值d-axis电流发生器的零减少铜损,避免永磁体的退磁。的q-axis电压发生器(q-axis输入控制信号)是由直流环节电压的表面。

3.3.1。D-Axis控制器设计

d-axis控制器的目标是保持d-axis发电机的电流为零。因此,控制对象可以通过滑动变量表示: 在哪里是一个积极的常数。的一阶导数和使用(18),我们有

假设控制信号, ,可分为已知和未知。方程(30.)可以写成 在哪里是已知的控制器和是未知的控制器。通过选择为以下形式: 和替换(32)(31日),我们有 在哪里

根据(33),我们可以使用super-twisting滑模控制。因此,未知的d-axis控制器可以表达的 在控制参数的值在附录中给出。

3.3.2。Q-Axis控制器设计

q-axis控制器调节直流环节电压等合适的恒定值在所有条件下风力条件变化和电网故障条件的直流环节电压可能是不同的。同时,直流母线电压和q-axis控制器信号之间的关系是非线性的。因此,控制对象可以滑动面所表达的:

让我们介绍滑动变量 在哪里的导数是 。 和都是正的常数。除以已知和未知条件和采取的导数和替换(19)和(20.),我们有: 在哪里

根据(39),我们可以使用super-twisting滑模控制。因此,未知的q-axis控制器可以表达的

因此,q-axis控制律

3.4。电网侧变换器控制器

翻译GSC有两个主要的任务:首先,MPPT控制风力涡轮机,第二,无功功率支持网格在不同情况下如电网电压降。翻译d-axis控制器执行MPPT控制和q-axis控制器支持无功功率。

3.4.1。D-Axis控制器设计

翻译如前所述,MPPT GSC d-axis控制器的实现。翻译有几种方法来实现MPPT,其中最优功率控制(OPC)可以应用于PMSG-based风力涡轮机(25]。在这个设计中,使用OPC的方法。

考虑(4)和(5)和取代的最优值和风力发电机的机械转矩给定的函数 ,如下: 在哪里 。

可以获得最佳的机械功率的涡轮两边乘以(43) 。因此

新闻申诉委员会权力参考可以被减去的损失获得最佳机械风力涡轮机发电 在哪里是损失RL滤波。从(15)和(45),d-axis参考当前获得

应该注意的是,在电压降的情况下,丹麦网格代码执行风力发电厂注入无功电流PCC根据图1。因此,当前应限于d-axis q-axis控制器产生无功电流,因为电力电子变换器的电流容量是有限的。的价值和上限dq轴电流在不同的条件下 在哪里 , ,和是变频器的额定电流的单位,单位的上限d设在当前,单位的上限q-axis电流,分别。 , ,和在PCC d-axis电压的单位,d-axis电流的单位,分别和q-axis电流的单位。现在,通过计算d-axis电流(46)和应用(47),d-axis控制器可以设计。

控制目标由滑动变量可以表示: 在哪里是一个积极的常数。的一阶导数和使用(21),我们有

假设可分为已知和未知。方程(49)可以写成 在哪里是已知的控制器和是一个未知项的控制器。通过选择下面的形式 和替换(51)(50),我们有 在哪里 ,

根据(52),我们可以使用super-twisting滑模控制。因此,未知的d-axis控制器可以表达的

因此,q-axis控制律

3.4.2。Q-Axis控制器设计

的主要任务q-axis控制器在不同条件下无功功率支持网格。q-axis电流参考可以产生的无功功率需求的PCC (16)在正常条件和由(47在电网电压降条件下)。设计过程类似于d-axis控制器设计。因此,为了避免重复,只是写滑动变量方程和q-axis控制低。

因此,q-axis控制律

4所示。仿真结果

评估性能PMSG-based super-twisting滑模控制设计的风力涡轮机,几个模拟进行了MATLAB / Simulink仿真软件。那么这个方法与PI控制器(8]和FOSMC [13]。1.5 MW PMSG-based风力发电机的参数和网格特征表1。

4.1。与对称电网操作的缺点

正如上面提到的,直流母线电压和发电机之间的关系问设在输入控制信号是非线性的。在控制和调节直流母线电压恒定值在所有条件,如电网故障情况下,三个控制器(π,FOSMC和STSMC)进行了比较。评估这些控制器的性能,对称电压降与丹麦网格代码(图1)t = 5 s应用如图4。

图5显示了直流环节电压变化有三个控制器。如图5,STSMC直流环节电压控制最好的表演在起始时间和电网电压降。根据图5(一个)在所有时间,FOSMC更高的喋喋不休。此外,STSMC快速起始时间(图5 (b))。此外,PI控制器,直流环节电压的峰值达到1556 V在STSMC,它小于1510 V(图5 (c))。

图6显示了q-axis发电机的电流。这个组件的电流控制直流母线电压。如数据所示6(一)和6 (b),STSMC快速响应电网电压降。因此,这个问题可以减少直流母线过电压。FOSMC喋喋不休和疲劳的直流环节电容。

GSC的d-axis电流图所示7。根据图7PI控制器在电网故障条件最差表现。

在图8,当前q-axis GSC的显示。尽管所有的控制器满足注入无功电流根据网格代码,类似于图7,PI控制器没有良好的性能。

如上所述,FOSMC的主要缺点之一是喋喋不休尤其是控制器,结果在聊天系统的输入变量。图9显示了输入控制信号到MSC和GSC FOSMC。如图9抖振的振幅控制器信号非常高。为了克服这个缺点,STSMC适用的解决方案。图10显示输入控制信号到MSC和GSC super-twisting控制器。看到,喋喋不休的输入控制信号降低。

这个阶段达到对应阶段的肖像dq发电机侧和电网侧的轴滑动变量控制器STSMC描绘在图所示11。这些情节(数据(11日)- - - - - -11 (e)super-twisting)显示特性说明了控制器在系统收敛的方向 。

代码显示网格的合规要求设计系统无功电流注入,注入无功电流与电网电压降如图12。如图9,设计控制器注入无功电流类似于图1 (b)。

4.2。操作与不对称电网故障

评估拟议中的不对称电压控制器的性能下降,单相电压下降阶段模拟图13显示了PCC在单相电压降电压。

图14显示直流环节电压单相电压降的变化。如图所示,有低振幅波动的直流环节电压不对称电压降。然而,STSMC在这种情况下具有良好的性能。

4.3。在正常状态

模仿super-twisting控制器的性能在正常条件下,风速概要文件定义为表达(22]:

风速的振幅和频率成分表2。由此产生的风速剖面如图(15日)。图15 (b)显示了风力涡轮机发电(P_米)和注入有功功率(P_网格PCC)。图15 (c)显示了风力发电机的功率系数。的平均值C_p是0.4493的t = 5 s来t = 40年代。当然,当12米/秒的风速增加涡轮功率达到标称值。因此,螺旋角控制器将积极建立汽轮机功率标称功率如图15 (d)。作为一个结果,C_p略低于0.48。很明显,STSMC,翻译也MPPT是完全实现。如图15 (e),1500 V的直流环节电压是固定的。这显示了强劲的逆风直流环节电压波动。

5。结论

本文提出一种super-twisting滑模控制无齿轮PMSG-based变速风力涡轮机。首先,风力发电机的数学模型,PMSG,直流环节和网格表示。然后super-twisting控制器是专为发电机和电网侧转换器。提出的控制器相比,比例积分(PI)控制器和一阶滑模控制器(FOSMC)。通过应用该控制器,直流母线过电压是显著降低而不是PI控制器。此外,唠叨是减少输入控制器和直流环节电压信号。同时,根据现代电网无功电流注入完成代码。为了评估super-twisting控制器的性能在不平衡的电压降,它模拟单相电压降。此外,设计的控制器可以极大地翻译,做MPPT和调节直流环节电压在正常状态的参考价值。设计的鲁棒性和有效性super-twisting控制器在不同条件下由仿真结果证实。

附录

命名法

符号

:	空气密度( )
:	刀刃半径(米)
:	螺旋角(°)
:	泵的比例
:	功率系数
:	风速( )
:	总等效惯性( )
:	粘滞摩擦系数 )
:	极数
:	轴的速度( )
:	电气角速度( )
:	电阻( )
:	电感( )
:	直流环节电容( )
凯西:	积极获得
:	电网侧逆变器电压
:	电压( )
:	电流( )
:	通量( )

下标

d,问:	直接和正交组件
史:	定子的机器
f:	电网侧
dc:	直流环节

标

裁判:

参考。

数据可用性

MATLAB文件数据用于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。

引用

1. p .迈克拉克和j . Zimny“风能发展的世界,欧洲和波兰从1995年到2009年;当前状态和未来的视角。”可再生能源和可持续能源的评论,15卷,不。5,2330 - 2341年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. w . j . Chen姚明,c .张任y,和l .江”翻译的MPPT控制器设计的发电PMSG-Based通过基于扰动观测的非线性自适应控制风力涡轮机,”《可再生能源卷,134年,第495 - 478页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. f . Blaabjerg和k·马”,风能系统”,IEEE学报》,卷105,不。11日,第2131 - 2116页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. f . Blaabjerg y杨、d·杨和王x,“分布式发电系统和保护,”IEEE学报》,卷105,不。7,1311 - 1331年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. C.-N。王,观测。林,X.-K。勒,”造型PMSG的风力涡轮机的自主控制,”数学问题在工程ID 856173条,卷。2014年,9页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 李,t . a . Haskew r . p . Swatloski和w·Gathings”最优和直流矢量控制的直接驱动PMSG风力涡轮机、”IEEE电力电子,27卷,不。5,2335 - 2337年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. y . p .兴l .傅g . Wang Wang和y张“低压度过的综合控制方法PMSG-based风力涡轮发电机系统,”专业生成、传输和分配,12卷,不。1,第125 - 117页,2017。视图:谷歌学术搜索
8. m . Nasiri j . Milimonfared, s . h . Fathi”回顾低压度过增强方法基于永磁同步发电机的风力涡轮机,”可再生能源和可持续能源的评论47卷,第415 - 399页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 公元汉森和g . Michalke“多级永磁同步发电机风力涡轮机网格支持能力不间断操作在网格的缺点,”专业可再生发电,3卷,不。3、333 - 348年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. m . Nasiri和r·穆哈马迪峰值电流限制为电网侧逆变器有功功率有限PMSG-based风力发电机在不同网格的缺点,”IEEE可持续能源,8卷,不。1、3 - 12,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. K.-H。金,研究。Jeung,华盛顿特区。李,H.-G。金,“PMSG的LVRT方案基于反馈线性化的风力发电系统,”IEEE电力电子,27卷,不。5,2376 - 2384年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. m . Nasiri j . Milimonfared, s . Fathi”高效低压度过非线性同步控制策略PMSG-based风力发电机在电网故障期间,“操作和自动化在电力工程杂志》上》第六卷,没有。2、218 - 228年,2018页。视图:谷歌学术搜索
13. m . Nasiri j . Milimonfared, s . h . Fathi“鲁棒控制的PMSG-based风力发电机在电网故障情况下,“印度科学和技术杂志》上,8卷,不。13日,2015年。视图:谷歌学术搜索
14. h .太阳、y汉和l .张“最大风能跟踪双馈风力发电机系统的基于自适应获得二阶滑模,”控制科学与工程》杂志上卷,2018篇文章ID 5342971, 11页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
15. m . Benbouzid Beltran), y Amirat, g .姚明,j .汉和h .甜菜,“二阶滑模控制DFIG-based风力涡轮机故障度过能力增强,”ISA事务,53卷,不。3、827 - 833年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. b .——m·e·h·Benbouzid, t·阿里“二阶滑模控制的双馈式感应发电机的风力涡轮机驱动的,”IEEE能量转换,27卷,不。2、261 - 269年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. f . z .恐怖主义风险保险法案,k . Srairi m . t . Benchouia和m·e·h·Benbouzid”积分滑模控制器与super-twisting风力发电机的直接功率控制算法基于双馈式感应发电机的,”国际系统保证工程和管理杂志》上,8卷,不。4、762 - 769年,2017页。视图:谷歌学术搜索
18. y Errami, a . Obbadi s Sahnoun, m . Benhmida”设计和滑模控制基于对PMSG的风力发电系统连接到一个理想的电网电压”学报2015年第三国际可再生能源和可持续能源会议(IRSEC)IEEE 2015。视图:谷歌学术搜索
19. a . Merabet m . Aminul伊斯兰教,r . Beguenane h·易卜拉欣,“二阶滑模控制变速风力发电机实验系统,”可再生能源和电能质量日报》》12卷,1 - 5,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. j . Hostettler和x王”,滑模控制的永磁同步发电机变速风能转换系统,”系统科学与控制工程,3卷,不。1,第459 - 453页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 、私人网格集成风能:在岸和离岸转换系统约翰•威利& Sons 2014。
22. m . Nasiri j . Milimonfared, s . h . Fathi”建模、分析和比较的TSR翻译和场外方法MPPT和永磁同步发生器功率平滑风力涡轮机、”能量转换和管理卷,86年,第900 - 892页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. w . Perruquetti和j . p . Barbot滑模控制在工程m·德克尔,卷。11日,2002年。
24. y Shtessel, c·爱德华兹,l·弗里德曼和黎凡特,“传统滑模观察员”滑模控制和观察施普林格,页105 - 141年,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
25. m·A·阿卜杜拉,A . h . m .•c . w . Tan和r . Saidur”对风力发电系统最大功率点跟踪算法,”可再生能源和可持续能源的评论,16卷,不。5,3220 - 3227年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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