滑模變結(jié)構(gòu)并聯(lián)變流器零序環(huán)流抑制技術(shù)

林建新

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

滑模變結(jié)構(gòu)并聯(lián)變流器零序環(huán)流抑制技術(shù)

林建新1，2

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

為解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用并聯(lián)脈沖寬度調(diào)制變流器并網(wǎng)產(chǎn)生零序環(huán)流的問題，提出在常規(guī)并聯(lián)變流器控制基礎(chǔ)上增加滑模變結(jié)構(gòu)零序環(huán)流控制策略，通過abc/dq0變換提取零序電流并引入到該控制策略中，利用其響應(yīng)速度快、魯棒性強、對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感的特點實現(xiàn)零序環(huán)流抑制。該零序環(huán)流控制策略能夠有效抑制并聯(lián)變流器的零序環(huán)流；在Matlab/Simulink中建立直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真平臺及控制策略并進行仿真研究，零序環(huán)流降低90%以上，驗證了采用方法的正確性和有效性。

風(fēng)力發(fā)電；直驅(qū)同步發(fā)電機；滑模控制；并聯(lián)變流器；零序環(huán)流

永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機通過全功率變流器并網(wǎng)。目前主流的發(fā)電機組均為兆瓦級以上，由于現(xiàn)代電力電子器件容量限制，采用并聯(lián)AC-DC-AC變流器是有效的解決方案。應(yīng)用載波相移技術(shù)后，可使并聯(lián)后總電流的諧波大大降低，進而減小濾波電感和濾波電容[1]，但也會產(chǎn)生一個只流過變流器功率開關(guān)器件而不流入電網(wǎng)的電流，稱為零序環(huán)流。這個環(huán)流的存在會增加流過功率開關(guān)器件的電流和增加整個變流器的損耗，嚴重時還可能燒毀變流器。

文獻[2-3]通過硬件電氣隔離解決變流器并聯(lián)存在的零序環(huán)流問題。但增加系統(tǒng)的硬件設(shè)備，使系統(tǒng)體積加大，成本增加。文獻[1，4，5]針對永磁直驅(qū)風(fēng)電并聯(lián)系統(tǒng)，分析環(huán)流是由并聯(lián)變流器三相橋臂占空比零軸分量的不一致造成的，并采用變零矢量的控制策略解決環(huán)流問題。文獻[6-7]通過對載波移相并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流數(shù)學(xué)模型的詳細分析，提出以總電流輸出外環(huán)加環(huán)流控制環(huán)的控制策略，有效抑制環(huán)流同時改善系統(tǒng)動態(tài)性能。文獻[8]推導(dǎo)出零序環(huán)流的數(shù)學(xué)模型，分析零序環(huán)流的產(chǎn)生原因，提出一種適用于傳統(tǒng)正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）的零序環(huán)流控制策略。文獻[9]設(shè)計了一階動態(tài)滑?？刂破鱽砜刂浦彬?qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，又能克服系統(tǒng)參數(shù)變化、非線性等因素的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。

本文利用滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點，提出基于滑模變結(jié)構(gòu)零序環(huán)流控制策略，解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用并聯(lián)變流器并網(wǎng)產(chǎn)生的零序環(huán)流問題。無需增加硬件設(shè)備和改變電路拓撲，控制方法簡單。仿真結(jié)果表明，文中提出的零序環(huán)流控制策略能夠有效減小系統(tǒng)中的零序環(huán)流，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 風(fēng)力發(fā)電并聯(lián)變流器

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

本文采用風(fēng)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由風(fēng)力機、三相永磁同步發(fā)電機、電機側(cè)變流器、電網(wǎng)側(cè)變流器及并網(wǎng)電抗器組成。采用雙脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）并聯(lián)變流器，兩套結(jié)構(gòu)相同并且共用直流母線，Lg1、Lg2為發(fā)電機側(cè)兩并聯(lián)三相電感，Ll1、Ll2為電網(wǎng)側(cè)兩并聯(lián)三相電感，它們兼有濾波和防止母線短路的作用，增大其值可以在一定程度上減小高頻環(huán)流，但對于低頻環(huán)流的抑制效果有限，而且在兆瓦級風(fēng)電變流器中，電感的增大會大大增加系統(tǒng)體積、重量和成本，因此應(yīng)在滿足要求的情況下盡量小。

1.2 環(huán)流分析

在圖1所示的風(fēng)電系統(tǒng)中，電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)對稱，都為并聯(lián)且使用公共直流母線，回路中存在零序環(huán)流的通路，電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)環(huán)流是互相獨立的[1，10-11]。該路徑為低阻抗回路，即使零序電壓很小，也會產(chǎn)生很大的環(huán)流。即

式中：imo1、imo2分別為電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)變流器1，2零序環(huán)流；ima1、imb1、imc1分別為電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)變流器1的a，b，c相電流；ima2、imb2、imc2分別為電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)變流器2的a，b，c相電流。

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電機側(cè)及電網(wǎng)側(cè)環(huán)流數(shù)學(xué)模型[3-4]

式中：dmok（k=1，2）分別為兩電機側(cè)及電網(wǎng)側(cè)變換器三相橋臂占空比的零軸分量；Vmok（k=1，2）分別為兩電機側(cè)及電網(wǎng)側(cè)變換器零序電壓分量。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1Topology structure of the system

2 滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制的滑動模態(tài)是可以設(shè)計的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關(guān)，它具有響應(yīng)速度快、魯棒性強、對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感的特點。

2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本問題

使得：

①滑動模態(tài)存在；

②滿足可達性條件：在切換面si（x）=0（i=1，…，m）以外的狀態(tài)點都將于有限時間內(nèi)到達切換面；

③滑動運動的穩(wěn)定性；

④變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

上面的①、②、③項是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的三個基本問題。滿足該三個條件的控制叫做滑模變結(jié)構(gòu)控制，由此而構(gòu)成的控制系統(tǒng)就叫滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。

2.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計方法滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計目標可以歸納為三個問題。（1）選擇合適的滑模面函數(shù)s（x），一般選擇為線型切換函數(shù)：

是最常用的一種切換函數(shù)的選擇方法。

（2）求取控制，控制形式的選擇常用的主要有以下幾種形式。

②常值繼電型：

其中：αij〈βij，σi為切換函數(shù)，共有m個。

在大多數(shù)情況中，采用“趨近律方法”不對u（x）強加任何結(jié)構(gòu)形式，而是靠計算得到它的形式及結(jié)構(gòu)，這樣既簡單又能保證變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)良品質(zhì)。

（3）分析系統(tǒng)參數(shù)。

2.3 滑?？刂破髟O(shè)計

并聯(lián)型永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)總控制框圖如圖2所示。電機側(cè)并聯(lián)變流器采用轉(zhuǎn)子磁場定向，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤[12]，電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)變流器采用有功無功解耦和穩(wěn)定直流電壓的常規(guī)控制策略。在此基礎(chǔ)上，通過2個并聯(lián)變換器均分電流，實現(xiàn)功率在2個變流器中平均分配，并控制2個PWM模塊載波移相180°來減少諧波電流。由此產(chǎn)生零序環(huán)流，影響2個變流器的功率分配，并危害變流器的安全，因此，通過采用滑模控制器來抑制零序環(huán)流，圖2中的SMC即為滑?？刂破?。

圖2 采用滑?？刂破鞯牧阈颦h(huán)流控制框圖Fig.2Control block diagram of zero-sequence circulating current with sliding mode controller

控制目標是消除零序環(huán)流，因此將滑?？刂破鱏MCg1、SMCl1的切換函數(shù)分別定義為

其中：M為趨近速率常數(shù)，表示系統(tǒng)的運動點趨近切換面S=0的速率；M大，趨近速度快，M小，趨近速度慢。

控制框圖如圖3所示。

圖3 滑?？刂破鱏MCm1框圖Fig.3Block diagram of sliding mode controller SMCm1

同理，滑?？刂破鱏MCg2、SMCl2的切換函數(shù)定義為

控制框圖如圖4所示。

圖4 滑?？刂破鱏MCm2框圖Fig.4Block diagram of sliding mode controller SMCm2

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

利用Matlab/Simulink工具箱，建立永磁直驅(qū)風(fēng)電平臺進行仿真驗證，仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 D-PMSG仿真系統(tǒng)模型主要參數(shù)Tab.1The parameters of D-PMSG simulation system

3.2 風(fēng)電功率恒定時環(huán)流分析

當輸入風(fēng)電功率為額定值2 MW恒定不變時：

（1）仿真系統(tǒng)沒有采用環(huán)流控制器時的波形如圖5、6所示。從圖中可以看出，當不加入環(huán)流控制時，電機側(cè)及電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)變流器的相應(yīng)相電流產(chǎn)生偏移，造成不均流。環(huán)流電流值都比較大，環(huán)流現(xiàn)象嚴重。增加了損耗且容易造成電力電子器件損壞；

（2）采用基于滑模變結(jié)構(gòu)環(huán)流控制時系統(tǒng)仿真波形如圖7、8所示。從圖中可以看出，電機側(cè)及電網(wǎng)側(cè)環(huán)流的最大值基本在10 A以下，小于相電流的1%，環(huán)流得到有效的控制，證明了本文提出環(huán)流控制器的有效性。同時，由于有效地抑制了環(huán)流，電機側(cè)及電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)變流器相電流波形吻合，也解決了均流等問題。

圖5 電機側(cè)無環(huán)流控制仿真波形Fig.5Simulation waveforms of generator side without circulating current controller

圖6 電網(wǎng)側(cè)無環(huán)流控制仿真波形Fig.6Simulation waveforms of line-side without circulating current controller

圖7 電機側(cè)有環(huán)流控制仿真波形Fig.7Simulation waveforms of generator-side with circulating current controller

圖8 電網(wǎng)側(cè)有環(huán)流控制仿真波形Fig.8Simulation waveforms of line-side with circulating current controller

3.3 風(fēng)電功率階躍波動時環(huán)流分析

當輸入風(fēng)電功率初始為1 MW，1.1 s跳變?yōu)轭~定值2 MW時：

（1）仿真系統(tǒng)沒有采用環(huán)流控制器時的波形如圖9、10所示。當不加入環(huán)流控制時，電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)變流器的相應(yīng)相電流產(chǎn)生偏移，環(huán)流現(xiàn)象嚴重，造成電子器件不均流；

（2）采用基于滑模變結(jié)構(gòu)環(huán)流控制時系統(tǒng)仿真波形如圖11、12所示。電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)環(huán)流的最大值基本在10A以下，沒有出現(xiàn)大的波動，環(huán)流得到有效的控制，抑制環(huán)流的動態(tài)性能良好。

圖9 電機側(cè)無環(huán)流控制仿真波形Fig.9Simulation waveforms of generator-side without circulating current controller

圖10 電網(wǎng)側(cè)無環(huán)流控制仿真波形Fig.10Simulation waveforms of line-side without circulating current controller

圖11 電機側(cè)有環(huán)流控制仿真波形Fig.11Simulation waveforms of generator-side with circulating current controller

圖12 電網(wǎng)側(cè)有環(huán)流控制仿真波形Fig.12Simulation waveforms of line-side with circulating current controller

4 結(jié)語

本文針對大型永磁直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用并聯(lián)變流器并網(wǎng)產(chǎn)生零序環(huán)流的問題，提出基于滑模變結(jié)構(gòu)零序環(huán)流的控制策略，該方法不需要增加硬件設(shè)備與改變電路拓撲，控制方法簡單。仿真結(jié)果表明，文中提出的零序環(huán)流控制策略能夠有效降低序環(huán)流且動態(tài)性能良好，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。

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Sliding Mode Control of Parallel Converters Zero-sequence Circulating Current Suppress Technology

LIN Jian-xin1，2
（1.College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China；2.College of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Aiming for solving the problem of zero-sequence circulating current of caused by wind power grid system parallel pulse width modulation（PWM）converters，increasing sliding mode control zero-sequence circulating current control strategy based on conventional parallel converter control was proposed，.Through introducing the zero-sequence current extracted from abc/dq0 to the control strategy，the strategy has fast response and strong robustness and it is not sensitive to system parameters change so that zero sequence circulation suppress can be achieved.The simulation platform of electricity grid containing directly-drive wind power and the control strategy were established using Matlab/ Simulink，and zero-sequence circulating current can be reduced by 90%.The simulation research was studied to verify the accuracy and validity.

wind power；directly driven wind turbine with synchronous generator；sliding mode control；parallel converters；zero-sequence circulating current

TM614；TM85

A

1003-8930（2013）04-0091-06

林建新（1975—），男，博士研究生，講師，研究方向為電力市場、風(fēng)力發(fā)電控制與并網(wǎng)技術(shù)。Email：linjianxin_fzu@qq.com

2012-01-04；

2012-05-17

福建省自然科學(xué)基金資助項目（2011J05124）