Damping Wind Farm Resonances with Current Based Model Predictive Pulse Pattern Control
作者: Orcun Karaca, Ioannis Tsoumas, Tinus Dorfling, Ran Chen, Lennart Harnefors
分类: eess.SY
发布日期: 2024-06-21
💡 一句话要点
提出基于电流的模型预测脉冲模式控制，抑制风电场谐振
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 风力发电 电网谐振 模型预测控制 脉冲模式控制 电力电子 中压系统 电流控制
📋 核心要点
- 传统线性电流控制器在抑制风电场谐振方面效果有限，且高开关频率在中压系统中不可行。
- 论文提出基于电流的模型预测脉冲模式控制，旨在低开关频率下实现高增益，直接控制瞬时电流。
- 数值研究表明，该方法在多相中压风力发电转换系统中能够有效抑制谐振，扩展阻尼频率范围。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种基于电流的高带宽模型预测脉冲模式控制器，用于抑制风电场中的谐振。传统的线性电流控制器虽然可以通过比例电流控制增益来模拟转换器输出阻抗中的电阻，从而提供额外的阻尼，但其效果有限。此外，对于中压系统，高开关频率会导致高开关损耗，因此通常采用优化的脉冲模式。这进一步加剧了传统控制器的阻尼问题，因为需要额外的滤波来确保电流控制器仅作用于基波分量，而非纹波分量。这种设计限制了阻尼效果的幅度和频率范围。本文表明，所提出的脉冲模式控制方法即使在低开关频率下也能实现高增益，同时直接控制瞬时电流（包括基波和纹波）。通过快速的实现周期，可以进一步扩展阻尼效果的有效频率范围。数值研究表明，该方法在多相中压风力发电转换系统中具有显著优势。
🔬 方法详解
问题定义：风电场并网过程中，电网谐振是一个严重的问题，可能导致系统不稳定和设备损坏。传统的线性电流控制器虽然能提供一定的阻尼，但效果有限，尤其是在中压系统中，高开关频率带来的损耗限制了控制器的性能。此外，为了满足谐波标准，通常采用优化的脉冲模式，这使得传统控制器需要额外的滤波，进一步限制了其阻尼效果。
核心思路：本文的核心思路是利用一种基于电流的模型预测脉冲模式控制器，该控制器能够在低开关频率下实现高增益，并直接控制瞬时电流（包括基波和纹波）。通过预测电流行为并优化脉冲模式，该控制器能够有效地抑制谐振，而无需额外的滤波。
技术框架：该方法的核心是一个模型预测控制器（MPC），它基于系统的动态模型预测未来电流的行为，并选择最优的脉冲模式来最小化预测误差。整个控制流程包括以下几个主要步骤：1) 测量电网电压和电流；2) 利用系统模型预测未来电流；3) 基于预测电流和参考电流，计算控制器的成本函数；4) 选择使成本函数最小化的脉冲模式；5) 将选定的脉冲模式应用于转换器。
关键创新：该方法最重要的创新在于将模型预测控制与脉冲模式控制相结合，实现了对瞬时电流的直接控制。与传统的线性控制器相比，该方法能够在低开关频率下实现更高的增益，并有效地抑制谐振。此外，该方法不需要额外的滤波，简化了控制器的设计。
关键设计：该方法的关键设计包括：1) 精确的系统动态模型，用于预测未来电流；2) 合适的成本函数，用于衡量预测电流与参考电流之间的误差；3) 优化的脉冲模式，用于实现对瞬时电流的精确控制。成本函数通常包括电流误差的平方项和控制输入的惩罚项。脉冲模式的选择需要考虑开关损耗和谐波含量等因素。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
数值研究表明，所提出的基于电流的模型预测脉冲模式控制器能够有效地抑制多相中压风力发电转换系统中的谐振。与传统的线性控制器相比，该方法能够在低开关频率下实现更高的阻尼效果，并扩展阻尼的有效频率范围。具体的性能数据（例如谐振抑制率、阻尼系数等）未在摘要中明确给出，但强调了其在实际应用中的优势。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于中压风力发电系统，提高风电场的并网稳定性和电能质量。通过抑制电网谐振，可以减少设备损坏，延长设备寿命，并提高风电场的整体效率。此外，该方法还可以推广到其他电力电子变换器应用中，例如光伏发电、储能系统和电动汽车等。
📄 摘要（原文）
It is well-established that a proportional current control gain emulates a resistor in the converter output impedance. Even though this resistance can provide additional damping to grid resonances, its effect for traditional linear current controllers is known to be rather limited. Moreover, for medium-voltage systems, high switching frequencies are not an option due to the high switching losses. To meet the harmonic standards, it is expedient to use optimized pulse patterns. This further exacerbates the problems with the resistance of classical controllers, since an additional filtering would be required so that the current controller acts only on the fundamental component (and not on the ripple component). Such a design limits the damping effect not only in its amplitude but also in the frequency range where it is active. This paper shows that a high-bandwidth current-based model predictive pulse pattern controller can alleviate these limitations. The pulse pattern control approach can achieve a high gain even at low switching frequencies, while controlling directly the instantaneous currents (i.e., the fundamental component and the ripple together). With a fast implementation cycle, the frequency range where this damping effect is active can be further extended. Numerical studies showcase these benefits for a multi-phase medium-voltage wind power conversion system.