无锁相环直接功率控制双馈感应发电机系统阻抗建模和稳定性分析

随着新能源渗透率的日益升高,基于双馈感应发电机(double fed induction generator,DFIG)的风力发电机组在电力系统中的比重越来越大。无锁相环直接功率控制(direct power control,DPC)不仅可以提高DFIG的动态响应能力,而且可避免锁相环对功率控制动态性能的影响。针对基于无锁相环DPC的DFIG系统接入弱电网下的稳定性问题,该文通过建立无锁相环DPC的DFIG系统阻抗模型,分析了其频率耦合特性及其对稳定性的影响,进而构建等效单输入单输出阻抗模型,实现控制参数和运行工况对系统稳定性的敏感性分析。最后构建仿真模型,对研究内容进行仿真验证。

无锁相环直接功率控制下双馈风电与VSC-HVDC互联系统高频振荡抑制技术

随着风电和柔性高压直流输电的快速发展,风电大规模接入柔直输电的互联系统会面临宽频带的振荡问题。基于无锁相环直接功率控制的双馈风电系统可以去除锁相环,以降低锁相环带宽内的失稳风险,但其宽频带频率耦合特性会影响风电系统高频阻抗。针对无锁相环直接功率控制的双馈风电与电压源型高压直流输电系统(voltage source converterbased HVDC,VSC-HVDC)高频稳定性问题,首先根据相序阻抗模型分析控制延时对系统高频阻抗的影响规律;进一步地,基于VSC-HVDC阻抗模型和双馈风电场等效单输入单输出阻抗模型研究了互联系统高频谐振发生机理,并提出基于延时消除的双馈风电系统阻抗重塑方法,避免因延时引发的高频谐振。仿真验证了研究内容的正确性。

谐波电压下并网逆变器的无锁相环直接功率控制

为提高并网逆变器在谐波电网下的运行性能,该文提出基于无锁相环的直接功率控制,控制方案建立在虚拟同步坐标系中,从而避免了锁相环引起的稳定性问题。通过引入二阶矢量积分器对电流谐波和功率波动分量构成直接谐振控制,分别实现了输出有功功率平稳、无功功率平稳或并网电流无谐波的控制目标。同时,针对实际电网中频率偏移的问题,提出一种快速估测电网频率的方法,实现了所提控制策略在电网频率偏移下对谐波分量的自适应控制。最后,通过构建逆变器实验系统对所提控制策略的有效性进行实验验证。

MMC的无锁相环直接功率控制仿真

目前新型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)多采用电压外环电流内环的双闭环直接电流控制策略,研究MMC的直接功率控制(direct power control,DPC)策略以减少系统控制参数,改善动态响应慢等问题。在αβ坐标系下推导关于MMC的DPC数学模型,并设计了一种无锁相环的DPC控制系统,为消除系统频率和电感参数的变化对控制系统的干扰,设计了一种无系统角频率和电感参数的功率解耦控制器,将双闭环简化为功率单环。考虑电网强度对换流站运行特性的影响,计算出直接功率控制策略适用于交流系统强度范围。最后在MATLAB/Simulink中仿真验证,结果表明上述设计控制策略的有效性。

双馈感应发电机无锁相环直接功率控制

直接功率控制(DPC)策略由于实施结构简洁、响应速率快等优势,在新能源发电领域得到了广泛的应用,因此提出基于两相静止坐标系的双馈感应发电机(DFIG)无锁相环DPC策略。针对两相静止坐标系中DFIG有功、无功功率动态方程的参数时变特性,构建了DFIG的有功、无功励磁电压2个可控量,并将含有交流电压系数矩阵的DFIG有功、无功功率动态方程变换为常系数动态方程,简化了控制系统设计,并根据DFIG的转子位置角,DFIG转子励磁电压与有功、无功励磁电压间的转换。利用简单线性调节器,即可完成对DFIG有功、无功功率的解耦控制与无差跟踪。最后,通过试验验证了所提控制策略的有效性和频率适应性。

无锁相环模块化多电平换流器直接功率控制器设计

在采用传统双闭环控制策略的模块化多电平换流器(MMC)中,电感参数变化可能对设备造成不良影响。为此,利用αβ坐标系中电压和功率之间的数学模型,设计了一种无锁相环的直接功率控制(DPC)策略。该DPC中,通过一种无需使用系统角频率和电感参数的功率解耦控制器,将传统的双闭环简化为αβ坐标系中的单个功率环,避免系统频率偏移和电感参数变化对控制系统的不良影响。同时,该DPC还能实现有功功率和无功功率的独立解耦控制。仿真结果表明,与传统控制策略相比,所提DPC具有更小的功率波动、较好的谐波抑制能力以及较快的系统动态响应,适用于与强电网联接的换流站。

无锁相环三相DC/AC变流器直接功率预测控制

以三相DC/AC变流器为研究对象,给出了一种无锁相环直接功率预测控制方法,能实现对并网功率的无差拍控制,并且为降低锁相环对控制性能的影响,实现无锁相环控制。根据采样控制导致的两拍延时,采样控制频率为载波频率两倍,精确计算得到下一拍的变流器状态量,然后针对给定功率参考值根据公式直接计算得到三相变流电路的输出。推导得到控制系统设定的频率与电网频率的偏差对所提出控制方法的性能没有影响,论证了无锁相环的可行性。最后构建了三相并网变流器Simulink仿真模型和实验样机,利用Simulink中的Embedded Coder模块实现控制系统仿真模型到DSP硬件控制系统C语言程序的转换,通过仿真和实验验证了控制方法的有效性。

锁相环原理下孤岛混合微电网群功率协调控制

为实现合理的功率分配和调度,基于锁相环原理,针对孤岛混合微电网群功率协调控制方法展开研究。在分析锁相环结构与原理后,利用数字锁相技术对孤岛混合微电网群的母线三相电压进行锁相和跟踪,计算功率因数角和并网电流相角,以其为基础计算闭环参考电流。将闭环参考电流输入到逆变器内,生成脉宽调制驱动信号,通过驱动逆变器开关,使并网电流主动跟随闭环参考电流,从而实现功率协调控制。实验表明,该方法可有效跟踪母线a相电压相位,在存在6次谐波干扰的情况下,该方法运用锁相环技术依然可以有效跟踪母线电压相位,频率控制字波动范围较小,应用性较好。

基于分数阶滑模控制的光伏并网模型预测直接功率控制

针对外界扰动情况下的光伏并网模型预测直接功率控制(model predictive direct power control,MPDPC)系统中存在系统抖振、功率跟踪速度慢、并网电流总谐波失真率较高等问题,提出一种改进分数阶滑模电压控制器,该策略在直流侧母线电压外环采用了分数阶微积分理论.首先,构造分数阶非奇异快速终端滑模面函数,削弱系统抖振,提高系统动态性能;然后,构造分数阶双幂次指数趋近律,引入加权积分型增益和饱和函数,有效避免系统在非滑动模态阶段时切换增益的增大,提高系统控制精度;最后,设计新型分数阶电压环控制器并运用于光伏并网系统中.研究结果表明,改进后的分数阶滑模电压控制器能够满足光伏并网MPDPC系统的各项基本需求,抑制系统抖振,提高功率跟踪性能,降低并网电流总谐波失真率,有效解决可再生能源和公共电网电能转化的关键难题,对光伏并网系统高性能控制的理论研究具有重要意义.

高频链矩阵变换器直接功率反步控制策略

针对高频链矩阵变换器(HFLMC)电路前后级耦合导致系统动态性能和鲁棒性降低的问题,提出一种基于直接功率的非线性反步控制策略(BS-DPC)。首先,建立HFLMC非线性数学模型和有功、无功功率动态模型,分析双极性电流空间矢量调制策略;然后,在考虑系统不确定性情况下引入2个解耦控制分量,设计直流输出电流和无功功率反步控制器,实现电池不同工况下输出电流参考值的快速跟踪控制;最后,根据李雅普诺夫稳定性理论证明HFLMC闭环系统全局渐进稳定性,并对比传统PI直接功率控制和BS-DPC策略。仿真和实验结果表明,所提BS-DPC策略控制HFLMC提高了输出电流的动态性能和电网波动及直流滤波电感变化下的鲁棒性,响应时间减少了约78%,网侧THD降低了0.98%。

基于改进型Super-twisting的双馈感应发电机直接功率控制

为提高双馈感应发电机(DFIG)直接功率控制的鲁棒性和抗干扰能力,提出一种改进型超螺旋滑模(STSMC)的直接功率控制(DPC)。首先,建立参数摄动下的DFIG最大功率捕获模型和定子磁场定向的双馈感应发电机模型;然后,将非奇异快速终端滑模面(NFTSM)与一种改进型超螺旋(Super-twisting)优化算法结合,设计DFIG直接功率控制器(IST-NFTSMC)。其中所设计的非奇异滑模面能有效避免传统滑模控制(SMC)的奇异现象,且改进超螺旋控制律能有效削弱NFTSMC抖振,提高功率控制精度;最后,通过仿真和实验,与PI控制和传统SMC控制相比,该控制能削弱DFIG功率与电流抖振问题,加快其收敛速度,提高DFIG直接功率控制稳态精度。

基于三矢量的PWM整流器改进模型预测直接功率控制方法

为解决传统模型预测直接功率控制存在的开关频率不恒定、计算量大、共模电压大问题,设计了一种三矢量模型预测直接功率控制方法。该方法通过在单个控制周期内输出三个不同电压矢量,克服了传统方法因连续多个周期输出相同电压矢量造成的开关频率不恒定问题;同时,在两相静止坐标系中,通过优化空间电压矢量图划分方法,采用两个代价函数确定电网电压矢量所在扇区,将算法的遍历次数从27次降至10次,克服了传统方法计算量大的问题;此外,通过去除两个冗余零矢量PPP与NNN,将共模电压抑制在Udc/3以内。最后搭建了5kW实验样机进行实验验证,仿真与实验结果表明,该方法可以有效降低计算量,输出谐波和共模电压抑制效果优于传统方法。

新型双定子无刷双馈风力发电机直接功率控制

新型双定子无刷双馈发电机包括内外功率绕组和内外控制绕组,二者分别通过中间带隔磁环的背靠背笼障转子进行磁场耦合。针对该新型双定子无刷双馈风力发电机提出一种直接功率控制方法,内外功率绕组及内外控制绕组分别串联以保持各自同相绕组的电磁一致性,将功率绕组有功和无功功率滞环比较器输出值及控制绕组磁链扇区号综合,采用查找表得到控制绕组机侧变流器所需输出的电压空间矢量。通过定量对比研究12/8极50 kW样机控制系统阶跃信号作用下的特性仿真与实验结果,验证了所提双定子无刷双馈风力发电机直接功率控制在亚同步~超同步速度变化范围内变速恒频发电、最大功率跟踪、无功功率与单位功率因数控制等方面的正确性、可行性和有效性。

开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制容错策略

针对无刷双馈发电机提出了一种控制绕组采用开绕组拓扑(OW-BDFG)的馈电方案,将三相控制绕组两端打开分别连接变流器构成双两电平变流器(D-TLCs)馈电拓扑,对机侧变流器功率器件IGBT因故障切除后的容错控制策略进行深入分析,提出了功率偏差比较直接功率控制(PEC-DPC)的D-TLCs电压空间矢量优化方案。对比分析了8/4极25kW样机的仿真及实验结果,表明:当机侧变流器1个或2个IGBT被切除后,所提OW-BDFG的PEC-DPC仍可实现变速恒频、最大功率点跟踪及单位功率因数控制,进一步提高了该发电机系统的可靠性和鲁棒性。

基于开绕组电机的电动汽车双电池集成充电系统准直接功率控制

针对基于开绕组永磁同步电机和双电池组驱动的电动汽车提出一种集成化充电拓扑,充电运行时将双逆变器和电机绕组复用为双PWM整流器及其输入侧滤波电感。在三相电压源型整流器(VSR)和开绕组永磁电机数学模型的基础上,将电网坐标系和电机坐标系相统一,分析了充电状态下的电磁转矩。实际运行时存在双电池剩余电量不相等的情况,导致充电时双通道功率不平衡,因此设计了一种准直接功率控制策略,以解决功率不平衡带来的转矩脉动问题。最后通过仿真和实验验证了该集成化充电拓扑的可行性。

双定子无刷双馈风力发电机无速度传感器反步法直接功率控制

针对双定子无刷双馈发电机,将内外功率绕组及内外控制绕组分别同相串联以保证电磁一致性。基于Lyapunov和Popov稳定性理论,采用反步法和模型参考自适应系统设计一种无速度传感器的反步法直接功率控制策略,利用空间矢量脉宽调制(SVPMW)以固定开关频率驱动控制绕组机侧变流器IGBT,以减小功率绕组功率波动及电流总谐波畸变率。通过12/8极50 kW样机控制系统的特性仿真研究,结果表明:所提控制策略在亚同步~超同步的速度变化范围内,可实现变速恒频发电、最大功率跟踪、无功功率及单位功率因数控制,电流总谐波畸变率约为2%。

双重化PWM整流器自抗扰模型预测直接功率控制

针对车载双重化脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器控制性能易受到模型不确定性和列车运行条件(输入电压、功率等级、电路参数等)变化影响的问题,提出一种基于自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)和模型预测直接功率控制(model predictive direct power control,MPDPC)的双闭环控制算法。其中,外环基于自抗扰控制理论,构建了基于误差驱动的ADRC(error-based ADRC,EADRC)控制器调节直流侧电压;内环结合基于内模原理的功率补偿方案使用两步MPDPC算法实现电流信号的控制。仿真和实验将所提自抗扰模型预测直接功率控制(ADRC-MPDPC)算法与传统基于比例积分的直接功率控制(proportional integral-based direct power control,PI-DPC)算法和PI-MPDPC方法进行对比,结果表明所提策略在系统启动、负载变化及工况切换等场景表现出更优的动态特性和鲁棒性能。

基于直接推力控制的直驱波浪发电系统功率优化

为提升系统波能捕获能力,分析浮子受力,以状态空间法近似拟合辐射力,建立直驱式波浪发电系统数学模型。基于最优控制理论,以系统捕获波能为目标函数,在S域求解Hamilton方程,计算奇异最优控制率,经拉氏逆变换后得到理想电磁力信号。结合直接推力控制,设计二阶滑模控制方案,保证电机推力与初级磁链的跟踪效果。仿真结果表明,所提最优功率方案下系统捕获功率高,滑模控制器跟踪误差小、动态性能好,可提高波能转化率,有效降低推力与初级磁链脉动,增强系统鲁棒性。

双定子无刷双馈风力发电机无速度传感器超螺旋滑模直接功率控制

结合新型背靠背笼障转子耦合内外双定子无刷双馈发电机,提出一种无速度传感器直接功率控制方法。将电机内、外同相功率绕组及内、外同相控制绕组各自串联连接,采用超螺旋滑模控制及SVPWM技术,以固定开关频率驱动控制绕组机侧变流器功率器件,以模型参考自适应系统和Popov超稳定性理论设计发电机速度观测器,取代易发生故障的传统机电式转速/位置传感器。通过12/8极50 kW样机控制系统的特性仿真,验证了所提无速度传感器超螺旋滑模直接功率控制策略的正确性和有效性。

不平衡电压下的DFIG模型预测直接功率控制

为提高双馈风力发电机在不平衡电网电压工况下的运行性能,提出一种扩张状态观测器与模型预测控制相结合的直接功率控制策略。首先,采用扩张状态观测器对系统中因负序分量引起的不确定项、模型误差及外部扰动等不确定因素进行参数估计。然后,结合模型预测控制理论建立双馈风力发电机模型预测直接功率控制数学模型。最后,针对不平衡电网电压下的功率振荡分量讨论功率优化补偿方案。仿真结果验证了所提方法的有效性。