滑模變結構并聯變流器零序環流抑制技術

林建新

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

滑模變結構并聯變流器零序環流抑制技術

林建新1，2

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

為解決風力發電系統采用并聯脈沖寬度調制變流器并網產生零序環流的問題，提出在常規并聯變流器控制基礎上增加滑模變結構零序環流控制策略，通過abc/dq0變換提取零序電流并引入到該控制策略中，利用其響應速度快、魯棒性強、對系統參數變化不敏感的特點實現零序環流抑制。該零序環流控制策略能夠有效抑制并聯變流器的零序環流；在Matlab/Simulink中建立直驅式風力發電并網系統的仿真平臺及控制策略并進行仿真研究，零序環流降低90%以上，驗證了采用方法的正確性和有效性。

風力發電；直驅同步發電機；滑?？刂疲徊⒙撟兞髌鳎涣阈颦h流

永磁直驅同步風力發電系統中，發電機通過全功率變流器并網。目前主流的發電機組均為兆瓦級以上，由于現代電力電子器件容量限制，采用并聯AC-DC-AC變流器是有效的解決方案。應用載波相移技術后，可使并聯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]，但也會產生一個只流過變流器功率開關器件而不流入電網的電流，稱為零序環流。這個環流的存在會增加流過功率開關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存在的零序環流問題。但增加系統的硬件設備，使系統體積加大，成本增加。文獻[1，4，5]針對永磁直驅風電并聯系統，分析環流是由并聯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流問題。文獻[6-7]通過對載波移相并聯系統環流數學模型的詳細分析，提出以總電流輸出外環加環流控制環的控制策略，有效抑制環流同時改善系統動態性能。文獻[8]推導出零序環流的數學模型，分析零序環流的產生原因，提出一種適用于傳統正弦脈沖寬度調制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）的零序環流控制策略。文獻[9]設計了一階動態滑?？刂破鱽砜刂浦彬層来磐斤L力發電機的電磁轉矩，使系統具有良好的動態性能，又能克服系統參數變化、非線性等因素的影響，提高系統的魯棒性。

本文利用滑模變結構控制的優點，提出基于滑模變結構零序環流控制策略，解決風力發電系統采用并聯變流器并網產生的零序環流問題。無需增加硬件設備和改變電路拓撲，控制方法簡單。仿真結果表明，文中提出的零序環流控制策略能夠有效減小系統中的零序環流，保證系統安全穩定運行。

1 風力發電并聯變流器

1.1 拓撲結構

本文采用風電系統的拓撲結構如圖1所示。主要由風力機、三相永磁同步發電機、電機側變流器、電網側變流器及并網電抗器組成。采用雙脈沖寬度調制PWM（pulse width modulation）并聯變流器，兩套結構相同并且共用直流母線，Lg1、Lg2為發電機側兩并聯三相電感，Ll1、Ll2為電網側兩并聯三相電感，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流，但對于低頻環流的抑制效果有限，而且在兆瓦級風電變流器中，電感的增大會大大增加系統體積、重量和成本，因此應在滿足要求的情況下盡量小。

1.2 環流分析

在圖1所示的風電系統中，電機側與電網側變流器結構對稱，都為并聯且使用公共直流母線，回路中存在零序環流的通路，電機側與電網側環流是互相獨立的[1，10-11]。該路徑為低阻抗回路，即使零序電壓很小，也會產生很大的環流。即

式中：imo1、imo2分別為電機側與電網側并聯變流器1，2零序環流；ima1、imb1、imc1分別為電機側與電網側并聯變流器1的a，b，c相電流；ima2、imb2、imc2分別為電機側與電網側并聯變流器2的a，b，c相電流。

同步旋轉坐標系下的電機側及電網側環流數學模型[3-4]

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

圖1 系統拓撲結構Fig.1Topology structure of the system

2 滑模變結構控制

滑模變結構控制的滑動模態是可以設計的，且與系統的參數及擾動無關，它具有響應速度快、魯棒性強、對系統參數變化不敏感的特點。

2.1 滑模變結構控制的基本問題

使得：

①滑動模態存在；

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

③滑動運動的穩定性；

④變結構控制系統的穩定性。

上面的①、②、③項是變結構控制系統的三個基本問題。滿足該三個條件的控制叫做滑模變結構控制，由此而構成的控制系統就叫滑模變結構控制系統。

2.2 滑模變結構控制的設計方法滑模變結構系統設計目標可以歸納為三個問題。（1）選擇合適的滑模面函數s（x），一般選擇為線型切換函數：

是最常用的一種切換函數的選擇方法。

（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，共有m個。

在大多數情況中，采用“趨近律方法”不對u（x）強加任何結構形式，而是靠計算得到它的形式及結構，這樣既簡單又能保證變結構系統的優良品質。

（3）分析系統參數。

2.3 滑模控制器設計

并聯型永磁直驅風電系統總控制框圖如圖2所示。電機側并聯變流器采用轉子磁場定向，通過轉速調節實現最大風能追蹤[12]，電網側并聯變流器采用有功無功解耦和穩定直流電壓的常規控制策略。在此基礎上，通過2個并聯變換器均分電流，實現功率在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。由此產生零序環流，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?？刂破鱽硪种屏阈颦h流，圖2中的SMC即為滑模控制器。

圖2 采用滑?？刂破鞯牧阈颦h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流，因此將滑?？刂破鱏MCg1、SMCl1的切換函數分別定義為

其中：M為趨近速率常數，表示系統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，滑模控制器SMCg2、SMCl2的切換函數定義為

控制框圖如圖4所示。

圖4 滑模控制器SMCm2框圖Fig.4Block diagram of sliding mode controller SMCm2

3 仿真結果分析

3.1 仿真系統參數

利用Matlab/Simulink工具箱，建立永磁直驅風電平臺進行仿真驗證，仿真系統參數如表1所示。

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

3.2 風電功率恒定時環流分析

當輸入風電功率為額定值2 MW恒定不變時：

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

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

圖5 電機側無環流控制仿真波形Fig.5Simulation waveforms of generator side without circulating current controller

圖6 電網側無環流控制仿真波形Fig.6Simulation waveforms of line-side without circulating current controller

圖7 電機側有環流控制仿真波形Fig.7Simulation waveforms of generator-side with circulating current controller

圖8 電網側有環流控制仿真波形Fig.8Simulation waveforms of line-side with circulating current controller

3.3 風電功率階躍波動時環流分析

當輸入風電功率初始為1 MW，1.1 s跳變為額定值2 MW時：

（1）仿真系統沒有采用環流控制器時的波形如圖9、10所示。當不加入環流控制時，電機側與電網側并聯變流器的相應相電流產生偏移，環流現象嚴重，造成電子器件不均流；

（2）采用基于滑模變結構環流控制時系統仿真波形如圖11、12所示。電機側與電網側環流的最大值基本在10A以下，沒有出現大的波動，環流得到有效的控制，抑制環流的動態性能良好。

圖9 電機側無環流控制仿真波形Fig.9Simulation waveforms of generator-side without circulating current controller

圖10 電網側無環流控制仿真波形Fig.10Simulation waveforms of line-side without circulating current controller

圖11 電機側有環流控制仿真波形Fig.11Simulation waveforms of generator-side with circulating current controller

圖12 電網側有環流控制仿真波形Fig.12Simulation waveforms of line-side with circulating current controller

4 結語

本文針對大型永磁直驅型變速恒頻風力發電系統采用并聯變流器并網產生零序環流的問題，提出基于滑模變結構零序環流的控制策略，該方法不需要增加硬件設備與改變電路拓撲，控制方法簡單。仿真結果表明，文中提出的零序環流控制策略能夠有效降低序環流且動態性能良好，保證了系統安全穩定的運行。

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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，Fuzhou University，Fuzhou 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、風力發電控制與并網技術。Email：linjianxin_fzu@qq.com

2012-01-04；

2012-05-17

福建省自然科學基金資助項目（2011J05124）