分布式电源中并网三相PWM整流器的智能滑模控制
孙耀杰,康龙云,史维祥,曹秉刚
(西安交通大学机电系,陕西西安710049)
摘要:该文首先讨论了三相PWM整流器的功率整流与逆变运行方式以及并网控制方法,详细分析了分布式电源中并网三相PWM整流器的仿射非线性模型,由于系统模型的非线性,一般的线性控制方法误差较大,鲁棒性不强。这里应用智能滑模控制方法设计电压外环控制器,仿真和实验表明该方法是有效的,系统具有高的功率因数,可向电网提供高质量的电能。
关键词:整流器;仿射非线性模型;智能滑模控制
中图分类号:TP391.9 文献标识码:B
1 引言
传统的变速恒频风力发电方式所用的整流器一般为不控制整流或相控型整流,存在功率因数低、谐波大等缺陷。在风力发电系统中,谐波的危害主要有以下几点:
1)使电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热;
2)会导致继电保护和自动装置误动作,并使电气测量仪表计量不准确;
3)谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪音,降低通信质量;重者会导致信息丢失,使通信系统无法正常工作;
4)谐波在小型分布式电源系统中,主要危害是引起附加损耗和过热,其次是机械振动、噪声和谐波过电压。
对于风力发电中的同步电机来说,定子绕组流过谐波电流后将产生与谐波频率相对应的旋转磁场,在转子绕组中感应出谐波电流,出现谐波损耗,同时也会产生谐波转矩,引起发电机的附加机械振动,对于变压器而言,谐波电流流入变压器,对其主要影响是增加了它的铜损耗和铁损耗,可能引起变压器局部过热。也会使噪声增大。因此高功率因数整流器成为目前逐渐成为先进的风力发电系统中首选方式,比如文献[1]的并网方案中选用的整流装置就是高功率因数整流器。
三相全桥booster电路控制特征好,工作效率高,THD谐流失真度小,六个主开关管工作,输出功率较大,在中功率场合应用功率因素最高,并且所需输出电容容量相对较小,输出电压动态特性好[2],它是风力发电中理想的逆变并网方式。
2 并网工作方式分析
下面具体分析三相PWM整流器的工作方法[3]:
1)单位功率因数整流运行电源电流的基波具有完全正弦并与电源电压同相位,即
5 实验和仿真
电压环的PID控制和模糊变结构控制律对单位阶跃信号的输出响应和误差收敛图见7所示。可以看出,由于受到系统输出饱和特性的影响,在输出误差较大的情况下,两者跟踪特性一致,但在误差较小时,FVSC控制可以做到快速、无超调跟踪控制,PID控制的超调较大,无法同时满足快速无超调的控制效果。
由系统交流输入侧的电压与电流的相位关系图9可以看出,功率因数接近于1,图8为负载突然加入时的电流波形,系统响应迅速,且超调小于5%,因此以FVSC电压控制为外环,PID电流控制为内环,所设计的控制器满足系统的要求,控制效果良好。
6 小结
本文首先确定在分布式电源中应用三相PWM整流器作为恒频并网的装置,讨论了三相PWM整流器的功率整流与逆变运行方式以及并网控制方法。研究了并网用三相PWM整流器的数学模型和智能变结构控制策略控制算法,仿真和实验证明采用这种方案使风力发电机组具备了无功补偿的能力,有高的功率因数,可以向电网提供高质量的电能。
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