滑模变结构并联变流器零序环流抑制技术

林建新

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

滑模变结构并联变流器零序环流抑制技术

林建新1，2

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

为解决风力发电系统采用并联脉冲宽度调制变流器并网产生零序环流的问题，提出在常规并联变流器控制基础上增加滑模变结构零序环流控制策略，通过abc/dq0变换提取零序电流并引入到该控制策略中，利用其响应速度快、鲁棒性强、对系统参数变化不敏感的特点实现零序环流抑制。该零序环流控制策略能够有效抑制并联变流器的零序环流；在Matlab/Simulink中建立直驱式风力发电并网系统的仿真平台及控制策略并进行仿真研究，零序环流降低90%以上，验证了采用方法的正确性和有效性。

风力发电；直驱同步发电机；滑模控制；并联变流器；零序环流

永磁直驱同步风力发电系统中，发电机通过全功率变流器并网。目前主流的发电机组均为兆瓦级以上，由于现代电力电子器件容量限制，采用并联AC-DC-AC变流器是有效的解决方案。应用载波相移技术后，可使并联后总电流的谐波大大降低，进而减小滤波电感和滤波电容[1]，但也会产生一个只流过变流器功率开关器件而不流入电网的电流，称为零序环流。这个环流的存在会增加流过功率开关器件的电流和增加整个变流器的损耗，严重时还可能烧毁变流器。

文献[2-3]通过硬件电气隔离解决变流器并联存在的零序环流问题。但增加系统的硬件设备，使系统体积加大，成本增加。文献[1，4，5]针对永磁直驱风电并联系统，分析环流是由并联变流器三相桥臂占空比零轴分量的不一致造成的，并采用变零矢量的控制策略解决环流问题。文献[6-7]通过对载波移相并联系统环流数学模型的详细分析，提出以总电流输出外环加环流控制环的控制策略，有效抑制环流同时改善系统动态性能。文献[8]推导出零序环流的数学模型，分析零序环流的产生原因，提出一种适用于传统正弦脉冲宽度调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）的零序环流控制策略。文献[9]设计了一阶动态滑模控制器来控制直驱永磁同步风力发电机的电磁转矩，使系统具有良好的动态性能，又能克服系统参数变化、非线性等因素的影响，提高系统的鲁棒性。

本文利用滑模变结构控制的优点，提出基于滑模变结构零序环流控制策略，解决风力发电系统采用并联变流器并网产生的零序环流问题。无需增加硬件设备和改变电路拓扑，控制方法简单。仿真结果表明，文中提出的零序环流控制策略能够有效减小系统中的零序环流，保证系统安全稳定运行。

1 风力发电并联变流器

1.1 拓扑结构

本文采用风电系统的拓扑结构如图1所示。主要由风力机、三相永磁同步发电机、电机侧变流器、电网侧变流器及并网电抗器组成。采用双脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）并联变流器，两套结构相同并且共用直流母线，Lg1、Lg2为发电机侧两并联三相电感，Ll1、Ll2为电网侧两并联三相电感，它们兼有滤波和防止母线短路的作用，增大其值可以在一定程度上减小高频环流，但对于低频环流的抑制效果有限，而且在兆瓦级风电变流器中，电感的增大会大大增加系统体积、重量和成本，因此应在满足要求的情况下尽量小。

1.2 环流分析

在图1所示的风电系统中，电机侧与电网侧变流器结构对称，都为并联且使用公共直流母线，回路中存在零序环流的通路，电机侧与电网侧环流是互相独立的[1，10-11]。该路径为低阻抗回路，即使零序电压很小，也会产生很大的环流。即

式中：imo1、imo2分别为电机侧与电网侧并联变流器1，2零序环流；ima1、imb1、imc1分别为电机侧与电网侧并联变流器1的a，b，c相电流；ima2、imb2、imc2分别为电机侧与电网侧并联变流器2的a，b，c相电流。

同步旋转坐标系下的电机侧及电网侧环流数学模型[3-4]

式中：dmok（k=1，2）分别为两电机侧及电网侧变换器三相桥臂占空比的零轴分量；Vmok（k=1，2）分别为两电机侧及电网侧变换器零序电压分量。

图1 系统拓扑结构Fig.1Topology structure of the system

2 滑模变结构控制

滑模变结构控制的滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，它具有响应速度快、鲁棒性强、对系统参数变化不敏感的特点。

2.1 滑模变结构控制的基本问题

使得：

①滑动模态存在；

②满足可达性条件：在切换面si（x）=0（i=1，…，m）以外的状态点都将于有限时间内到达切换面；

③滑动运动的稳定性；

④变结构控制系统的稳定性。

上面的①、②、③项是变结构控制系统的三个基本问题。满足该三个条件的控制叫做滑模变结构控制，由此而构成的控制系统就叫滑模变结构控制系统。

2.2 滑模变结构控制的设计方法滑模变结构系统设计目标可以归纳为三个问题。（1）选择合适的滑模面函数s（x），一般选择为线型切换函数：

是最常用的一种切换函数的选择方法。

（2）求取控制，控制形式的选择常用的主要有以下几种形式。

②常值继电型：

其中：αij〈βij，σi为切换函数，共有m个。

在大多数情况中，采用“趋近律方法”不对u（x）强加任何结构形式，而是靠计算得到它的形式及结构，这样既简单又能保证变结构系统的优良品质。

（3）分析系统参数。

2.3 滑模控制器设计

并联型永磁直驱风电系统总控制框图如图2所示。电机侧并联变流器采用转子磁场定向，通过转速调节实现最大风能追踪[12]，电网侧并联变流器采用有功无功解耦和稳定直流电压的常规控制策略。在此基础上，通过2个并联变换器均分电流，实现功率在2个变流器中平均分配，并控制2个PWM模块载波移相180°来减少谐波电流。由此产生零序环流，影响2个变流器的功率分配，并危害变流器的安全，因此，通过采用滑模控制器来抑制零序环流，图2中的SMC即为滑模控制器。

图2 采用滑模控制器的零序环流控制框图Fig.2Control block diagram of zero-sequence circulating current with sliding mode controller

控制目标是消除零序环流，因此将滑模控制器SMCg1、SMCl1的切换函数分别定义为

其中：M为趋近速率常数，表示系统的运动点趋近切换面S=0的速率；M大，趋近速度快，M小，趋近速度慢。

控制框图如图3所示。

图3 滑模控制器SMCm1框图Fig.3Block diagram of sliding mode controller SMCm1

同理，滑模控制器SMCg2、SMCl2的切换函数定义为

控制框图如图4所示。

图4 滑模控制器SMCm2框图Fig.4Block diagram of sliding mode controller SMCm2

3 仿真结果分析

3.1 仿真系统参数

利用Matlab/Simulink工具箱，建立永磁直驱风电平台进行仿真验证，仿真系统参数如表1所示。

表1 D-PMSG仿真系统模型主要参数Tab.1The parameters of D-PMSG simulation system

3.2 风电功率恒定时环流分析

当输入风电功率为额定值2 MW恒定不变时：

（1）仿真系统没有采用环流控制器时的波形如图5、6所示。从图中可以看出，当不加入环流控制时，电机侧及电网侧并联变流器的相应相电流产生偏移，造成不均流。环流电流值都比较大，环流现象严重。增加了损耗且容易造成电力电子器件损坏；

（2）采用基于滑模变结构环流控制时系统仿真波形如图7、8所示。从图中可以看出，电机侧及电网侧环流的最大值基本在10 A以下，小于相电流的1%，环流得到有效的控制，证明了本文提出环流控制器的有效性。同时，由于有效地抑制了环流，电机侧及电网侧并联变流器相电流波形吻合，也解决了均流等问题。

图5 电机侧无环流控制仿真波形Fig.5Simulation waveforms of generator side without circulating current controller

图6 电网侧无环流控制仿真波形Fig.6Simulation waveforms of line-side without circulating current controller

图7 电机侧有环流控制仿真波形Fig.7Simulation waveforms of generator-side with circulating current controller

图8 电网侧有环流控制仿真波形Fig.8Simulation waveforms of line-side with circulating current controller

3.3 风电功率阶跃波动时环流分析

当输入风电功率初始为1 MW，1.1 s跳变为额定值2 MW时：

（1）仿真系统没有采用环流控制器时的波形如图9、10所示。当不加入环流控制时，电机侧与电网侧并联变流器的相应相电流产生偏移，环流现象严重，造成电子器件不均流；

（2）采用基于滑模变结构环流控制时系统仿真波形如图11、12所示。电机侧与电网侧环流的最大值基本在10A以下，没有出现大的波动，环流得到有效的控制，抑制环流的动态性能良好。

图9 电机侧无环流控制仿真波形Fig.9Simulation waveforms of generator-side without circulating current controller

图10 电网侧无环流控制仿真波形Fig.10Simulation waveforms of line-side without circulating current controller

图11 电机侧有环流控制仿真波形Fig.11Simulation waveforms of generator-side with circulating current controller

图12 电网侧有环流控制仿真波形Fig.12Simulation waveforms of line-side with circulating current controller

4 结语

本文针对大型永磁直驱型变速恒频风力发电系统采用并联变流器并网产生零序环流的问题，提出基于滑模变结构零序环流的控制策略，该方法不需要增加硬件设备与改变电路拓扑，控制方法简单。仿真结果表明，文中提出的零序环流控制策略能够有效降低序环流且动态性能良好，保证了系统安全稳定的运行。

[1]李瑞，徐壮，徐殿国（Li Rui，Xu Zhuang，Xu Dianguo）.并联型永磁直驱风电系统的环流分析及其控制（Analysis and control of circulating current in parallel permanentmagnet-direct-drive wind power system）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2011，31（6）：38-45.

[2]张钢，柴建云，全恒立，等（Zhang Gang，Chai Jianyun，Quan Hengli，et al）.直驱式风力发电变流系统拓扑方案研究（Study of converter system topology for directdriven wind generation system）[J].电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2011，26（7）：15-20.

[3]李建林，高志刚，胡书举，等（Li Jianlin，Gao Zhigang，Hu Shuju，et al）.并联背靠背PWM变流器在直驱型风力发电系统的应用（Application of parallel back-to-back PWM converter on the direct-drive wind power system）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（5）：59-62.

[4]肖兵，陈祥旺，余师棠（Xiao Bing，Chen Xiangwang，Yu Shitang）.并联三相并网逆变器环流的控制（Control of circulating current in parallel three-phase grid-connected inverter）[J].低压电器（Low Voltage Apparatus），2010，1：42-45.

[5]杨勇，阮毅，汤燕燕，等（Yang Yong，Ruan Yi，Tang Yanyan，et al）.风力发电系统中并网逆变器并联运行环流分析（Analysis of circulating current for direct parallel grid-connected inverters）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2009，35（8）：2012-2018.

[6]杨恩星，仇志凌，陈国柱，等（Yang Enxing，Qiu Zhiling，Chen Guozhu，et al）.并联双PWM变流器在低速永磁直驱风力发电系统中的应用（Application of parallel dual PWM converter to the low-speed permanent magnet direct-driven wind turbine）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（10）：95-98，103.

[7]杨恩星，仇志凌，陈国柱，等（Yang Enxing，Qiu Zhiling，Chen Guozhu，et al）.基于载波移相并联的直驱风力发电并网变流器控制策略（Control strategy for direct-drive wind generation grid side converter based on carrier phase shifting parallel）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2009，29（21）：8-13.

[8]胡维昊，王跃，姚为正，等（Hu Weihao，Wang Yue，Yao Weizheng，et al）.直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究（Zero-sequence current in direct drive variable-speed constant-frequency wind energy conversion systems）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2009，29（27）：99-105.

[9]胡雪松，孙才新，廖勇，等（Hu Xuesong，Sun Caixin，Liao Yong，et al）.永磁同步风力发电机转矩动态滑模控制器设计（The design of torque dynamic sliding mode controller in permanent magnet synchronous generator for wind turbine）[J].重庆大学学报（Journal of Chongqing University），2011，34（7）：57-62.

[10]Ye Z，Boroyevich D，Lee F C.Modeling and control of zero-sequence currents in parallel multi-phase converters [C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference，Galway，Ireland：2000.

[11]Zhihong Ye，Boroyevich D，Lee F C.Paralleling non-isolated multi-phase PWM converters[C]//IEEE Industry Applications Conference，Rome，Italy：2000.

[12]李燕，梁英（Li Yan，Liang Ying）.永磁直驱风电系统电压源型变流技术（Voltage source converter technology in permanent-magnet directly driven wind power system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（1）：65-70.

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，讲师，研究方向为电力市场、风力发电控制与并网技术。Email：linjianxin_fzu@qq.com

2012-01-04；

2012-05-17

福建省自然科学基金资助项目（2011J05124）