基于滑模控制的五相永磁同步发电系统的容错控制

孙 干



基于滑模控制的五相永磁同步发电系统的容错控制

孙 干

（上海海事大学，上海 201306）

多相永磁同步发电机（MP-PMSG）是可再生能源发电系统逐渐采用的一种很有潜力的发电机型。本文重点研究基于五相永磁同步发电机（5P-PMSG）的海上潮流发电系统，并应用滑模控制器（SMC）实现5P-PMSG在开相故障时的容错控制。分析仿真结果并验证SMC的容错控制效果。

容错控制 多相永磁同步发电机 滑模控制 DC-DC转换器 开路故障

0 引言

现如今，几乎所有国家的可持续发展战略都选择了可再生能源的开发利用。为了实现这一目的，世界各地的研究人员和工程师广泛致力于开发用于将可再生能源（例如风能或潮流能）转换为电能的发电设备。对于这种发电系统来说，高稳定性是首先应该考虑的关键问题[1]。然而，风力涡轮发电机或潮流发电机的工作环境有时是非常恶劣的，并且发电机的电气和机械部件都容易发生故障。为避免昂贵的意外维修服务，容错控制成为了新能源发电系统中的一种很有研究价值的控制技术[2]。

多相永磁同步电机在相关应用中的可靠性特别受欢迎[3]。与传统的三相电机相比，多相永磁同步电机提供了更多的自由度，可用于容错操作。这是因为在故障条件下，多相电机中剩余的正常相可用于补偿故障相并继续驱动控制。多相电机中的容错控制只需要修改现有的控制技术就可以实现，不需要再添加额外的硬件设备[4]。因此，多相永磁同步电机吸引了许多研究人员的注意，并被广泛用于可持续能源发电系统中。

很多文献中都提到了关于多相永磁同步发电机的容错控制方法及其应用[5]。在文献[6]中，提出了一种用于风力发电系统的容错永磁同步发电机驱动器，其允许在发生电流传感器故障和背靠背转换器中的电源开关断路故障时自动重新配置驱动器操作。在文献[7]中，对于故障后的功率开关操作，提出了一种容错转换器的拓扑结构，其具有少量的冗余组件并且可以进行简单的控制修改。在文献[8]中，提出了一种基于磁场定向控制的六相感应风力发电机的容错控制方案。文献[9]为了解决五相PMSG故障功率输出的不良表现，提出了一种相移自振荡电流控制器的详细数学推导。文献[10]中介绍了滑模系统的简单有效的开关频率限制过程的分析和设计。控制方案基于继电器反馈系统中自然出现的自振荡现象而提出。

以上研究成果具有重要的启发意义。在本文的工作中，将DC-DC变换器应用到基于五相永磁同步发电机（5P-PMSG）的潮流发电系统中。针对5P-PMSG中三种不同的开路故障，采用滑模控制来实现容错控制。

本文介绍了发电系统的拓扑结构，建立了五相永磁同步发电机的数学方程，五相不可控整流器和升压变换器的拓扑结构模型;还列出了本文中考虑到的电机故障类型，详细介绍了滑模控制方法的原理并应用在DC-DC变换器上，对提出的模型和控制方法进行了软件仿真并分析了容错控制结果。

1 五相永磁同步发电系统

本文的研究工作主要在基于五相永磁同步发电机的潮流发电系统中展开。该系统的拓扑结构如图1所示。

图1 基于5P-PMSG的潮流发电系统的拓扑结构

如图1所示，潮流涡轮机从海流中提取动能并驱动五相永磁同步发电机，发电机的输出连接到功率转换器上。发电机侧转换器包括两级，一个不受控的二极管整流器和一个Boost升压电路，然后使用DC-AC逆变器连接到电网上进行供电。

1.1五相永磁同步发电机的建模

考虑到图1中的发电系统是基于五相星形连接的永磁同步发电机PMSG，以参考系表示的定子方程由下式给出：

其中：

其中：R是定子相电阻;，M和M是定子相自感和互感; V，I和E分别是相位（是，，，和）的电压，电流和电动势（EMF）。

1.2 AC/DC整流器的拓扑结构

由于基于功率开关的整流电路更容易发生故障，为了更好的实现五相永磁同步发电机系统的容错控制，采用五相不可控整流电路作为图1中的AC-DC模块，拓扑结构如图2所示：

图2 五相AC-DC二极管整流器

由于五相永磁同步发电机采用星形连接，根据文献[11]，得到相邻两相的相电压与线电压之间的关系：

和不相邻两相的相电压与线电压之间的关系

因此，五相永磁同步发电机经不可控整流电路的平均输出直流电压可以表示为：

1.3 Boost升压电路

图1中Boost升压电路的拓扑如图3所示。考虑到潮汐流速通常处于低速状态，需要一个升压转换器来提高整流器的输出电压[12]。

根据基尔霍夫定律，用S的两个开关状态建立数学方程[13]。

状态1：S为开通状态（u = 1），则：

图3 Boost升压电路的滑模控制

状态2：S为关断状态（= 0），则：

因此，电路的状态方程可以得到：

其中：

1.4 五相永磁同步发电机的故障类型

实际上，五相永磁同步发电机可能会出现不同的故障，例如单相或相间线圈短路，单相或多相断路等。本文主要研究开路相故障下的五相永磁同步发电机的容错控制，为了方便分析，将其总结在表1中。

表1 五相永磁同步发电机的开路故障

开路故障类型单相开路相邻相开路非相邻相开路 aa-ba-c

2 滑模控制原理

2.1 滑模控制原理和设计过程

滑模控制是一类特殊的变结构控制系统。其设计过程涉及两个阶段：滑动面的设计和控制律的设计。系统接近并保持沿滑模面滑动以确保鲁棒性。另外，闭环系统的性能取决于选定的滑动面。典型的滑模控制律由线性和非线性部分组成，而控制器的鲁棒特性取决于控制律的非线性部分。

基于滑模控制原理，在滑模控制器设计中应该满足一些要求：

1）存在滑模状态；

2）满足可达性条件，在切换面是s(x)=0以外的运动点都将于有限的时间内到达切换面；

3）确保滑模运动的稳定性;

4）满足控制系统要求的动态质量。

2.2 滑模面的设计

图4 基于SMC的容错控制仿真模型

定义图4中电感电流i的误差变量如下[14]：

其中：是AC-DC整流器的输出电压，是升压电路的输出电阻。

根据线性滑模的设计要求，滑模面被设计为状态变量的线性组合。因此，我们假设滑模面为：

其中：是大于0的滑模系数。

其中：为滑模面的趋近律。

3 容错控制模拟和结果分析

在本节中，采用MATLAB / Simulink构建仿真模块来验证基于滑模控制的5P-PMSG潮流发电系统的容错控制效果，仿真图如图5所示。

图5 5P-PMSG潮流发电系统的容错控制效果仿真图

图6 A相开路下boost电路SMC、PWM控制对比图

图7 A、B相开路下boost电路SMC、PWM控制对比图

上一部分介绍的滑模控制方法在仿真中进行了实现，用来控制Boost升压电路。表1中所示的三种不同开路故障都在仿真中进行了分析，Boost电路的输出电压如图6至图8所示。为了验证SMC的容错控制效果，在这些图中还给出了只有PWM控制的升压电路输出电压的曲线图来进行比较。

如图6至图8所示，根据三种故障模式下SMC与PWM控制的比较，可以看出，SMC可以有效降低电压波动，实现容错控制。

图8 A、C相开路下boost电路SMC、PWM控制对比图

4 总结

本文对基于5P-PMSG的潮流发电系统的容错控制进行了初步研究。选择滑模控制方法来实现容错控制。

首先建立了简化的发电机的数学模型，并构建了发电机系统的拓扑结构。然后为了实现容错控制，研究了滑模控制的基本原理。仿真结果表明，滑模控制能有效实现五相永磁同步发电机的三种开路故障下的容错效果。

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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

孙干（1994-），男，硕士研究生。研究方向：电力电子技术。Email：290041579@qq.com