基于滑模控制的五相永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的容錯控制

孫 干

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基于滑模控制的五相永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的容錯控制

孫 干

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

多相永磁同步發(fā)電機(jī)（MP-PMSG）是可再生能源發(fā)電系統(tǒng)逐漸采用的一種很有潛力的發(fā)電機(jī)型。本文重點研究基于五相永磁同步發(fā)電機(jī)（5P-PMSG）的海上潮流發(fā)電系統(tǒng)，并應(yīng)用滑模控制器（SMC）實現(xiàn)5P-PMSG在開相故障時的容錯控制。分析仿真結(jié)果并驗證SMC的容錯控制效果。

容錯控制 多相永磁同步發(fā)電機(jī) 滑模控制 DC-DC轉(zhuǎn)換器 開路故障

0 引言

現(xiàn)如今，幾乎所有國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都選擇了可再生能源的開發(fā)利用。為了實現(xiàn)這一目的，世界各地的研究人員和工程師廣泛致力于開發(fā)用于將可再生能源（例如風(fēng)能或潮流能）轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電設(shè)備。對于這種發(fā)電系統(tǒng)來說，高穩(wěn)定性是首先應(yīng)該考慮的關(guān)鍵問題[1]。然而，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境有時是非常惡劣的，并且發(fā)電機(jī)的電氣和機(jī)械部件都容易發(fā)生故障。為避免昂貴的意外維修服務(wù)，容錯控制成為了新能源發(fā)電系統(tǒng)中的一種很有研究價值的控制技術(shù)[2]。

多相永磁同步電機(jī)在相關(guān)應(yīng)用中的可靠性特別受歡迎[3]。與傳統(tǒng)的三相電機(jī)相比，多相永磁同步電機(jī)提供了更多的自由度，可用于容錯操作。這是因為在故障條件下，多相電機(jī)中剩余的正常相可用于補(bǔ)償故障相并繼續(xù)驅(qū)動控制。多相電機(jī)中的容錯控制只需要修改現(xiàn)有的控制技術(shù)就可以實現(xiàn)，不需要再添加額外的硬件設(shè)備[4]。因此，多相永磁同步電機(jī)吸引了許多研究人員的注意，并被廣泛用于可持續(xù)能源發(fā)電系統(tǒng)中。

很多文獻(xiàn)中都提到了關(guān)于多相永磁同步發(fā)電機(jī)的容錯控制方法及其應(yīng)用[5]。在文獻(xiàn)[6]中，提出了一種用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容錯永磁同步發(fā)電機(jī)驅(qū)動器，其允許在發(fā)生電流傳感器故障和背靠背轉(zhuǎn)換器中的電源開關(guān)斷路故障時自動重新配置驅(qū)動器操作。在文獻(xiàn)[7]中，對于故障后的功率開關(guān)操作，提出了一種容錯轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其具有少量的冗余組件并且可以進(jìn)行簡單的控制修改。在文獻(xiàn)[8]中，提出了一種基于磁場定向控制的六相感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容錯控制方案。文獻(xiàn)[9]為了解決五相PMSG故障功率輸出的不良表現(xiàn)，提出了一種相移自振蕩電流控制器的詳細(xì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)。文獻(xiàn)[10]中介紹了滑模系統(tǒng)的簡單有效的開關(guān)頻率限制過程的分析和設(shè)計。控制方案基于繼電器反饋系統(tǒng)中自然出現(xiàn)的自振蕩現(xiàn)象而提出。

以上研究成果具有重要的啟發(fā)意義。在本文的工作中，將DC-DC變換器應(yīng)用到基于五相永磁同步發(fā)電機(jī)（5P-PMSG）的潮流發(fā)電系統(tǒng)中。針對5P-PMSG中三種不同的開路故障，采用滑模控制來實現(xiàn)容錯控制。

本文介紹了發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了五相永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，五相不可控整流器和升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型;還列出了本文中考慮到的電機(jī)故障類型，詳細(xì)介紹了滑模控制方法的原理并應(yīng)用在DC-DC變換器上，對提出的模型和控制方法進(jìn)行了軟件仿真并分析了容錯控制結(jié)果。

1 五相永磁同步發(fā)電系統(tǒng)

本文的研究工作主要在基于五相永磁同步發(fā)電機(jī)的潮流發(fā)電系統(tǒng)中展開。該系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于5P-PMSG的潮流發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示，潮流渦輪機(jī)從海流中提取動能并驅(qū)動五相永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的輸出連接到功率轉(zhuǎn)換器上。發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)換器包括兩級，一個不受控的二極管整流器和一個Boost升壓電路，然后使用DC-AC逆變器連接到電網(wǎng)上進(jìn)行供電。

1.1五相永磁同步發(fā)電機(jī)的建模

考慮到圖1中的發(fā)電系統(tǒng)是基于五相星形連接的永磁同步發(fā)電機(jī)PMSG，以參考系表示的定子方程由下式給出：

其中：

其中：R是定子相電阻;，M和M是定子相自感和互感; V，I和E分別是相位（是，，，和）的電壓，電流和電動勢（EMF）。

1.2 AC/DC整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于基于功率開關(guān)的整流電路更容易發(fā)生故障，為了更好的實現(xiàn)五相永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的容錯控制，采用五相不可控整流電路作為圖1中的AC-DC模塊，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 五相AC-DC二極管整流器

由于五相永磁同步發(fā)電機(jī)采用星形連接，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，得到相鄰兩相的相電壓與線電壓之間的關(guān)系：

和不相鄰兩相的相電壓與線電壓之間的關(guān)系

因此，五相永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)不可控整流電路的平均輸出直流電壓可以表示為：

1.3 Boost升壓電路

圖1中Boost升壓電路的拓?fù)淙鐖D3所示。考慮到潮汐流速通常處于低速狀態(tài)，需要一個升壓轉(zhuǎn)換器來提高整流器的輸出電壓[12]。

根據(jù)基爾霍夫定律，用S的兩個開關(guān)狀態(tài)建立數(shù)學(xué)方程[13]。

狀態(tài)1：S為開通狀態(tài)（u = 1），則：

圖3 Boost升壓電路的滑模控制

狀態(tài)2：S為關(guān)斷狀態(tài)（= 0），則：

因此，電路的狀態(tài)方程可以得到：

其中：

1.4 五相永磁同步發(fā)電機(jī)的故障類型

實際上，五相永磁同步發(fā)電機(jī)可能會出現(xiàn)不同的故障，例如單相或相間線圈短路，單相或多相斷路等。本文主要研究開路相故障下的五相永磁同步發(fā)電機(jī)的容錯控制，為了方便分析，將其總結(jié)在表1中。

表1 五相永磁同步發(fā)電機(jī)的開路故障

開路故障類型單相開路相鄰相開路非相鄰相開路 aa-ba-c

2 滑模控制原理

2.1 滑模控制原理和設(shè)計過程

滑模控制是一類特殊的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。其設(shè)計過程涉及兩個階段：滑動面的設(shè)計和控制律的設(shè)計。系統(tǒng)接近并保持沿滑模面滑動以確保魯棒性。另外，閉環(huán)系統(tǒng)的性能取決于選定的滑動面。典型的滑模控制律由線性和非線性部分組成，而控制器的魯棒特性取決于控制律的非線性部分。

基于滑模控制原理，在滑模控制器設(shè)計中應(yīng)該滿足一些要求：

1）存在滑模狀態(tài)；

2）滿足可達(dá)性條件，在切換面是s(x)=0以外的運(yùn)動點都將于有限的時間內(nèi)到達(dá)切換面；

3）確保滑模運(yùn)動的穩(wěn)定性;

4）滿足控制系統(tǒng)要求的動態(tài)質(zhì)量。

2.2 滑模面的設(shè)計

圖4 基于SMC的容錯控制仿真模型

定義圖4中電感電流i的誤差變量如下[14]：

其中：是AC-DC整流器的輸出電壓，是升壓電路的輸出電阻。

根據(jù)線性滑模的設(shè)計要求，滑模面被設(shè)計為狀態(tài)變量的線性組合。因此，我們假設(shè)滑模面為：

其中：是大于0的滑模系數(shù)。

其中：為滑模面的趨近律。

3 容錯控制模擬和結(jié)果分析

在本節(jié)中，采用MATLAB / Simulink構(gòu)建仿真模塊來驗證基于滑模控制的5P-PMSG潮流發(fā)電系統(tǒng)的容錯控制效果，仿真圖如圖5所示。

圖5 5P-PMSG潮流發(fā)電系統(tǒng)的容錯控制效果仿真圖

圖6 A相開路下boost電路SMC、PWM控制對比圖

圖7 A、B相開路下boost電路SMC、PWM控制對比圖

上一部分介紹的滑模控制方法在仿真中進(jìn)行了實現(xiàn)，用來控制Boost升壓電路。表1中所示的三種不同開路故障都在仿真中進(jìn)行了分析，Boost電路的輸出電壓如圖6至圖8所示。為了驗證SMC的容錯控制效果，在這些圖中還給出了只有PWM控制的升壓電路輸出電壓的曲線圖來進(jìn)行比較。

如圖6至圖8所示，根據(jù)三種故障模式下SMC與PWM控制的比較，可以看出，SMC可以有效降低電壓波動，實現(xiàn)容錯控制。

圖8 A、C相開路下boost電路SMC、PWM控制對比圖

4 總結(jié)

本文對基于5P-PMSG的潮流發(fā)電系統(tǒng)的容錯控制進(jìn)行了初步研究。選擇滑模控制方法來實現(xiàn)容錯控制。

首先建立了簡化的發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并構(gòu)建了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后為了實現(xiàn)容錯控制，研究了滑模控制的基本原理。仿真結(jié)果表明，滑模控制能有效實現(xiàn)五相永磁同步發(fā)電機(jī)的三種開路故障下的容錯效果。

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Sliding Mode Control Based on Fault-tolerant Control of Five - phase Permanent Magnet Synchronous Generator System

Sun Gan

（Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

TM313

A

1003-4862（2018）09-0052-05

2018-04-20

孫干（1994-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子技術(shù)。Email：290041579@qq.com