【本刊学术】基于混杂系统DC-DC变换器的永磁风电并网系统直流母线电压稳定控制

同济大学电子与信息工程学院、上海电气集团股份有限公司中央研究院的研究人员张明锐、李元浩、欧阳丽、孙华，在2015年第4期《电工技术学报》上撰文，为了提高基于固态变压器的永磁风电并网系统中直流母线电压的稳定性，在低压直流侧，通过双向DC-DC 加入超级电容器。

文章基于Boost 电路建立混杂系统模型，引入类滑模控制策略，利用超级电容器的快速充放电特性，提高直流电压的稳定性。仿真研究表明，在风速改变和电网电压跌落两种工况下，直流侧电压波动、超级电容器充放电电压和充放电电流均变小。该方案可以快速准确地抑制直流母线电压波动，改善并网风力发电机组的电能质量和稳定性。

在风力发电系统中，当风速变化较为强烈时，将造成直流侧电压较为剧烈的波动，进而影响并网电压的稳定[1,2]。此外，电网电压的跌落将引起风电系统直流侧电压波动，甚至引起发电机侧变流器功率失衡，风电机组脱网，对电网的稳定性和电能质量构成威胁，造成巨大损失[3-6]。

从以上两个问题可以看出，为了保证联网的稳定性和电能质量，抑制风电系统直流侧电压的波动是关键。因此本文在低压直流侧并联超级电容器，在风力发电系统中通过双向DC-DC变换器对超级电容器快速充放电来恢复并维持直流母线电压[7-9]。

而DC-DC变换器的拓扑结构及其控制方法对减少变换器工作状态转换过程中的超调，抑制直流母线电压波动具有重要的意义。

DC-DC变换器常用状态空间平均[10,11]或电路平均[12]的小信号法作为主要建模与分析的方法。此方法便于系统稳定性分析以及控制器的设计，但由于小信号模型是通过忽略模型中高次项近似得到，因此当系统面对大信号扰动时（如电网电压跌落），此方法具有局限性[13]。

近年来，由于运用混杂系统理论建模精度高，无需近似处理，混杂系统被越来越多地应用于DC-DC变换器的建模和控制。文献[14]建立了DC-DC变换器在连续工作模式下混杂系统模型，提出一种基于李雅普诺夫的稳定条件的新型类滑模控制策略；文献[15]使用包括滑模控制与边界开关控制在内的几何控制方法，得出混杂系统定义下二维变量DC-DC变换器的deadbeat的控制策略。

考虑到DC-DC变换器电路中既有连续变量又有离散变量，是一类典型的混杂动态系统，因此本文对DC-DC变换器建立混杂系统模型，运用李雅普诺夫直接法分析系统稳定性，结合双闭环控制方法，采用一种新型的类滑模控制策略[14]，实现对直流母线电压的稳定控制。搭建永磁同步风力发电机并网系统模型，对电网电压跌落及风机转速变化两种工况下直流侧电压稳定情况进行了仿真验证。

结论

本文提出通过DC-DC变换器控制超级电容充放电功率维持风电系统直流母线电压稳定的控制策略，给出了Boost电路混杂建模的李雅普诺夫稳定性条件，引入类滑模控制，实现了风电系统在大信号扰动时的电压稳定。混杂系统模型可以同时描述开关器件的离散特征和电气量的连续性，在新能源并网系统的研究中有着广阔的应用前景，值得进一步研究和讨论。

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