电压跌落时电网侧变流器控制的比较研究

摘要

基于双馈异步发电机DFIG的风能转换系统的建模与控制是本文研究的主题。该系统的目的是控制有功功率和无功功率的转换;由于两个转换器的控制，这一控制得到了保证。提出的控制策略采用PI调节器和滑模技术进行控制。本文对电网侧变换器(GSC)的两种控制方法在电压跌落时的鲁棒性进行了比较。利用Matlab/Simulink软件对一台300kw发电机进行了仿真。

1.介绍

近年来，风能已成为世界上发展最快的可再生能源。这主要是因为它受到了广泛的关注，并被视为应对气候变化的一种方式。控制风力涡轮机的速度一般用于提高能源产量[1］.

几种结构用于控制速度，结构基于异步机，同步机和双馈感应发电机称为DFIG。

DFIG的结构是最常用的，这要归功于它的优点。该结构由一个绕线转子感应发电机组成，其定子直接与电网连接，其转子通过两个功率变流器与电网连接[2］.文献中的几条研究线显示了功率变换器的经典控制;第一单转子侧变换器(RSC)控制DFIG，第二单电网侧变换器(GSC)控制直流链路的电压。

可以使用不同的技术来保证控制，如PI调节器，反步技术，直接功率控制，直接转矩控制和滑模控制，这将是本工作的目标[3.，4］.

在PI中，研究了控制策略;该技术的综合是纯代数的，并使用了基于数值方法的极点补偿[1，研究一种多项式RST控制器。该方法是一种基于极点配置技术的复杂方法。滑模控制(滑模控制)由于具有对外部摄动和参数变化不敏感等优良特性，在许多领域得到了应用[1］.

这些风力发电机，像大多数分散发电机一样，对电网扰动非常敏感，往往很快断开连接。事实上，电力系统的故障，即使离发电机很远，也会导致短期的电压干扰，即电压下降，这可能导致风力系统的断开。由于网络的渗透率很高，因此在电压下降事件中，确保WECS持续服务的必要性更大[5- - - - - -7］.

本文的目的是比较GSC与PI和SM技术在电压跌落时的控制。

风力发电机和大多数分散发电机一样，对网络扰动非常敏感，在电压下降或频率变化时，往往会迅速断开。这些断线会导致生产损失，从而加剧本已被事故削弱的网络的状况，从而产生负面后果。因此，有必要避免风能生产中的这种不稳定性，以确保服务的连续性[8］.

面临的挑战是在电压下降期间满足服务的连续性。

本文的结构如下:首先，第二部分给出了所研究的系统的拓扑结构。然后，第三节、第四节和第五节分别给出了水轮机、双馈感应发电机、功率变换器和滤波器的建模。第六节，第七节和第八节介绍了使用PI调节器和滑模技术的功率变换器控制器。第九节显示了电压跌落类型。最后一部分是用Matlab/Simulink软件进行的仿真结果，然后是结论。

2.系统的拓扑结构

最合适的技术是基于绕线转子的双馈异步电机，其转速的变化是通过位于转子电路和定子的功率变换器来实现的，定子直接与电网相连(图)1)．

3.涡轮造型

3．1.风模型

风的动能是风能转换系统的来源。风等效于一个具有变速和随机轨迹特征的气团位移场作用于涡轮。它在叶片表面产生力量;后者产生了叶片的旋转运动。

风速是由两个速度相加得到的，第一个速度(常数),第二个湍流随时间的函数而变化。其表达式如下:

地点: ．

的分量表示风速的三个级别:(我) 风速小时为米/秒;(2) m/s为平均风速;(3) 高风速时为米/秒。

3．2.空气动力学的转换

风的速度它穿过一个表面表示为:

地点: ：空气密度; ：风力涡轮机表面;其表达式如下:

涡轮动力根据Betz理论给出:

：涡轮的气动效率通常被称为功率因数。它是每个风力机的特定系数;这取决于具体的速度以及叶片的朝向角度 ． 在哪里

涡轮转矩定义为:

齿轮箱的作用是使汽轮机的转速与发电机的转速相适应。它的收益来自:

应用动力学的基本关系，生成树的模型为:

：给出的总惯性:

：粘性摩擦力矩。

图中给出了汽轮机的框图2．

4.DFIG模型在WECS中的应用

DFIG在三相参考中的原理图如图所示3.．

DFIG在公园框架中表示为:

电气方程为:

磁力方程为:

有功和无功定子的功率分别为:

对于连接到可靠电网(平衡三相系统)的DFIG矢量控制，选择了与旋转场相连接的Park基准。采用定子电阻的假设为可忽略(给定DFIG的功率)，且定子磁通是常数(在是常数)和沿轴方向［10］.

由式(14)-(16)可得:

和

定子电流由以下系统给出:

有功和无功变成:

将(20)注入(19)，通量方程为:

通过将(22)注入(18)得到了一种新的直接和正交转子电压系统:

5.电力转换器和滤波器建模

5．1.电力转换器建模

在转换器输出处给出的简单电压为[10]：

5.2。直流链路建模

它由一个电容器组成置于两个转换器之间。它由下列电气方程控制:

：分别为电网侧变换器输出处电流和机器侧变换器输出处电流。

5.3。过滤器造型

过滤器被放置在源的后面。它由一个电阻器组成用电感串联的分别称为线路的总电阻和电感。

线路电压为:

6.采用PI调节器的RSC控制

PI调节器存在2种方法:(我)直接控制:这种技术包括直接和独立地调节产生的有功和无功的定子功率到那些参考，使用一个单一的调节器在每个轴。该控制是通过校正测量功率和参考功率之间的差异给出的，调节器是PI控制器。(2)无功率回路间接控制:这种控制不像以前的控制那样直接调节功率，而是基于间接调节测量的转子电流，这些电流由参考电流控制，参考电流表示为施加在机器上的参考定子功率的函数。(3)带功率回路的间接矢量控制:这个命令包括在级联中调节定子功率和转子电流，为此，我们将在每个轴上建立两个控制环，每个环都有一个积分比例调节器，一个调节功率，另一个调节电流。

本文选择了最后一种方案，其主要方案如图所示4．

7.RSC的控制使用滑模

7.1。滑模原理

滑模(SM)技术是在变结构控制的基础上发展起来的，是为了解决其他非线性控制系统PI控制器的缺点。滑模是一种技术，它包括首先定义一个表面，被控制的系统将被迫到达该表面，然后系统行为滑向所需的平衡点。7，11- - - - - -13］.

SM技术主要通过三个相互补充的步骤进行:(我)滑动面的选择又称切换面。(2)定义了控制的存在条件和收敛性。(3)控制向量的确定。

如前所述，这种控制的主要特征是将误差驱动到一个“切换面”。 ．当系统处于“滑模态”时，系统行为不受任何建模不确定性和/或干扰的影响[14］.

7.2。切换面选择

的滑动面为了稳定起见，一般可以选择通过空间原点的超平面，应选择标量函数的滑动面，使要调整的变量在该表面上滑动。

所以它的表达式如下: (我) 为正增益，用于解释所需控制的带宽。(2) 为要调节的变量误差。(3) 为相对程度;它是最小的正整数，表示为了显示命令而导出的次数。

7.3。控制的存在条件

存在和收敛的条件是允许系统的不同动力学向滑动面收敛并保持在滑动面独立于扰动的点。

存在两种方法:

直接方法:它包括:

李雅普诺夫方法，它包括选择一个李雅普诺夫候选函数(标量正函数)和将减少其导数的矢量控制。

基本上，李雅普诺夫的候选函数的选择如下:

7．4.控制向量的确定

控制函数将满足如下形式的到达条件:

地点:(我) 是由系统模型确定的等效或标称控制。

滑动控制:由符号函数组成滑动面 ，乘以一个常数 ．

7.5。利用SM技术的RSC控制矢量

这一段的目的是合成一种基于SM技术的控制律，应用于转子侧变流器，控制DFIG定子产生的有功功率和无功功率在期望值。

用于DFIG的模型是上面给出的定向定子磁链模型(图5)，它们的电量都在与定子相连的固定参照系中表示。 ．方程(18) - (21)．

从方程(21)，控制功率就是控制转子电流，因此转子电流为:

转子电流的参考值为: (我)切换面选择有功功率和无功功率与转子电流成正比，故可取r= 1。交换面表达式为: (2)存在条件主要的目标是转子电流遵循他们的参考，所以我们可以施加: 只有满足以下条件，SM才会存在: 和 (3)控制向量从方程（32）我们有: 地点: 为等效命令;是滑动的命令。(iv)控制向量的计算

将电流导数替换为它们的表达式(方程(27）和（34)我们有:

我们必须重做相同的计算来找到无功功率的控制向量。

在所有这些计算之后，使用SM的RSC控制器的原理方案如图所示6，图中更为详细7．

8.GSC的控制

电网侧变流器控制的目的是控制两个大的量，因此控制可以分为两部分:(我)检查直流母线电压，并设置为参考值。(2)控制参考无功功率为零，以确保单位功率因数。

实际上，控制GSC就像通过保持直流链路电压恒定来控制有功功率，并将参考无功功率设置为零，以不损害电网质量(单位电网功率因数)。

8.1。使用PI调节器的GSC控制

由于这种方法带来的缺点，很少使用，其原理如图所示8．它包括合成PI调节器。

８.２.GSC的SM技术控制

这种技术包括发展一个基于滑模的控制律，所以只要遵循前面解释的步骤。原理方案如图所示9．

为详细阐述SMDC链路和SM线电流块的控制规律，式(25)和(26)，并遵循前面已经解释过的相同步骤。

9.电压下降

电网故障是物理上的，在网络的某个地方发生短路，电压下降(电压下降)是这个故障对电压的反弹。电压骤降是指电源电压的突然下降为低于阈值的值，随后在短时间内恢复[6］.

如图所示，有不同类型的电压降10：

电压下降引起的定子电压降会产生以下不可克服的影响:(我)定子和转子电流增加。(2)直流母线电压降低甚至不稳定。(3)产生功率中的扰动。

增加的电流会导致转子侧变换器的尺寸过大以支持这额外的电流，而连续母线电压的降低会导致风力涡轮机的断开。

10.仿真结果

利用MATLAB/Simulink进行仿真，验证本文所研究的控制策略。模拟测试是在一个300千瓦的发电机与一个398 V/50 Hz的电网耦合，并在一个固定的风速下实现的，因为它假设故障持续时间很短，速度保持不变。这台机器的参数在下表中给出1和2．

不同的量用约简单位(P.U)表示，例如，约简单位的功率表示为:

电压下降是从ms，持续到ms，对于不同深度:20%和40%。

数字11显示定子电压，电压下降为ms。

数字12表示在故障开始时增加的定子电流(在第8部分中解释)。

数字13显示不同深度的转子电流:图中为20%13(a)和Figure的40%13(b).可以清楚地看到，断层越深，电流增加越大。

数据14和15依次给出了直流母线的形状，在存在电压下降的情况下，使用PI调节器控制GSC，以及滑模技术。

可以观察到到来之前的默认电压完全遵循其指令两种类型的命令,一旦违约已经到达总线电压扰动在这两种情况下,除了与π的命令,很深的电压给强烈振荡违约,最后只要违约。而对于SM控制，电压会从参考电压偏移——这个偏移甚至比默认的深度更大，这是重要的。

数据16和17显示DFIG所开发的有功功率。假设功率设定值随时间变化女士,其余直到仿真,可以看出与PI控制应用程序的权力干扰目前重要的深度,空心的,其余直到消失的后者,至于命令与SM很深的下降,我们只注意到表面的尖峰和下落的消失，而力量完全按照他的指示。

表中列出了比较结果的摘要3.和4．

11.结论

本文的目的是建立两种变换器(GSC和RSC)的滑模控制律。该研究是基于一个基于传统PI控制器的GSC系统和一个考虑电压下降突出性能的滑模第二个系统的比较。

最后，仿真结果表明，在电压下降时，采用滑模控制的GSC比采用PI调节器的控制更有效。

命名法

：	涡轮速度
， ：	的轴定子电压
， ：	的轴定子电流
， ：	定子和轴通量
， ：	的dq轴转子电压
， ：	的轴转子电流
， ：	转子和轴通量
， ：	定子和转子电阻
， ：	电源和转子的角频率
：	单电压是否来自变频器
：	MLI命令是否应用于转换器的开关
：	是来自直流链路的直流电压吗
：	是三相系统的电源(电网)
：	单电压是否来自变频器
：	是来自源的线电流。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

参考文献

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