專利名稱：一種基于二階滑模的dfig控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于二階滑模的DFIG控制方法。
背景技術(shù)：
雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其本身的恒速變頻運(yùn)行能力，所需變流器容量較小以及四象限運(yùn)行能力等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型。然而，運(yùn)行于電網(wǎng)電壓不平衡及諧波畸變條件下的DFIG (雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī))機(jī)組的定子電流將發(fā)生不平衡及畸變，輸出有功、無功功率以及電磁轉(zhuǎn)矩將發(fā)生多倍頻脈動。上述性能指標(biāo)惡化將對大規(guī)模風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定可靠運(yùn)行造成極大危害，甚至進(jìn)而威脅到電網(wǎng)本身的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。電磁轉(zhuǎn)矩脈動將對DFIG風(fēng)力機(jī)，齒輪箱等機(jī)械部件造成損傷故障，增加維護(hù)維修等發(fā)電成本及縮短風(fēng)機(jī)壽命。其中，定子電流畸變及不平衡，輸出有功、無功功率脈動可由網(wǎng)側(cè)變流器或其他補(bǔ)償裝置給予消除。然 而，電磁轉(zhuǎn)矩脈動只能通過對DFIG機(jī)側(cè)變流器的控制給予消除。因此，探討電網(wǎng)電壓不平衡及諧波畸變條件下，DFIG機(jī)側(cè)變流器的控制技術(shù)，以消除由此所引入的電磁轉(zhuǎn)矩脈動具有十分重要的意義。此時(shí)，電網(wǎng)電壓不平衡及諧波畸變條件下，消除輸出無功功率脈動則可以作為變流器的附加控制功能。目前，國內(nèi)外已經(jīng)興起了在考慮電網(wǎng)電壓不平衡及諧波畸變出現(xiàn)的條件下對電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制技術(shù)及實(shí)施方法的研究。Heng Nian和 Yu Quan在標(biāo)題為 Improved control strategy of DFIG-based windpower generation systems connected to a harmonically polluted networkCElectricPower Systems Research, vol.86，pp.84-97，May2012.)的文獻(xiàn)中提出了一種在不平衡和諧波畸變電壓條件下的DFIG控制方法，該方法的核心思想是電網(wǎng)電壓，定子電流及轉(zhuǎn)子電流中的負(fù)序，5次諧波及7次諧波分量分別提取，并將此提取結(jié)果作為計(jì)算轉(zhuǎn)子電流參考值的依據(jù)。將轉(zhuǎn)子電流參考值和實(shí)際值得誤差通過比例-積分-諧振調(diào)節(jié)器(14)調(diào)節(jié)，得到轉(zhuǎn)子電壓指令。以針對5、7次諧波電網(wǎng)的控制為例，其實(shí)現(xiàn)原理如

圖1所示。利用鎖相環(huán)(19 )，得到電網(wǎng)電壓相位和速度。根據(jù)編碼器(7 )獲得轉(zhuǎn)子位置之后，通過微分(20 )得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。將電網(wǎng)速度減去轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)差速度。其中5次，7次諧波分量的提取過程是這樣的:利用三個(gè)電壓霍爾傳感器(5)及六個(gè)電流霍爾傳感器(4)采集定子三相電壓、定子三相電流和轉(zhuǎn)子三相電流，使定子三相電壓和電流通過Clark坐標(biāo)變換模塊(6)，得到包含所有分量信息的定子電壓矢量Usa e，將Usa 0分別通過正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)變換模塊、反轉(zhuǎn)5倍速坐標(biāo)變換模塊及正轉(zhuǎn)7倍速坐標(biāo)變換模塊(15)，得到tC,、VsMJs:。使轉(zhuǎn)子三相電流先通過Clark坐標(biāo)變換模塊(6)再通過Park反變化(8)，得到包含所有分量信息的轉(zhuǎn)子電流矢量I" 0，將I" e分別通過正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差速坐標(biāo)變換模塊、反轉(zhuǎn)5倍轉(zhuǎn)差速坐標(biāo)變換模塊及正轉(zhuǎn) 倍轉(zhuǎn)差速坐標(biāo)變換模塊(16)，I二及U。得到H 1二 Ufab、Ι 、U二及I二
在相應(yīng)的正序及諧波分量在相應(yīng)旋轉(zhuǎn)速坐標(biāo)系下表現(xiàn)為直流量。再將得到U:、I二、u:b、
、U 及通過陷波頻率為6倍頻、12倍頻的陷波器(17)來濾除其交流量，最后獲得正序、5次及7次諧波分量(直流量)。很明顯，正序、5次及7次諧波的提取過程使用到了各種坐標(biāo)變換模塊和大量的陷波器，不僅耗費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間及軟件代碼空間，還引入了延時(shí)及縮小了控制帶寬，使控制性能下降。在完成分量提取之后，針對不同目標(biāo)，還需將正序、5次及7次諧波分量帶入?yún)⒖茧娏鞯挠?jì)算(18)，這也將占用大量計(jì)算時(shí)間和軟件空間代碼。將各自坐標(biāo)系下5，7次諧波參考電流，分別通過正轉(zhuǎn)6倍同步速坐標(biāo)變換模塊(21)和反轉(zhuǎn)
6倍同步速坐標(biāo)變換模塊(22)，得到正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系下諧波參考值。使所有電流參考值相加之后，減去實(shí)際轉(zhuǎn)子電流，將其誤差信號通過比例-積分-諧振控制器調(diào)節(jié)(14)，再加入補(bǔ)償項(xiàng)，即可獲得轉(zhuǎn)子電壓指令。通過SVPWM (空間矢量脈寬調(diào)制)模塊(2)得到一組開關(guān)信號控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器運(yùn)行。由上述分析過程可見，弱電網(wǎng)電壓條件下的DFIG傳統(tǒng)控制方法的實(shí)現(xiàn)過程中的定子電壓和轉(zhuǎn)子電流正序，負(fù)序，5次及7次諧波分量提取占用了大量的大量計(jì)算時(shí)間和軟件空間代碼，并引入較大的控制延時(shí)，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行，并且降低系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。此外，現(xiàn)有的控制方法只能針對指定次諧波的控制，當(dāng)電網(wǎng)含有其他次諧波畸變(如11次和13次諧波畸變)時(shí)，控制系統(tǒng)將失去消除諧波影響的能力。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于二階滑模的DFIG控制方法，可以適用于任意低次諧波污染的電網(wǎng)環(huán)境，還可減少控制延時(shí)且擁有較快的響應(yīng)特性。一種基于二階滑模的DFIG控制方法，包括如下步驟:(I)采集DFIG的三相定子電壓、三相定子電流、三相轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子位置角，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角通過坐標(biāo)變換確定DFIG的三相定子電壓、三相定子電流、三相轉(zhuǎn)子電流、定子磁鏈以及轉(zhuǎn)子磁鏈在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量，進(jìn)而計(jì)算出DFIG的輸出有功功率Ps、輸出無功功 率Qs以及電磁轉(zhuǎn)矩Te ;(2)確定DFIG的轉(zhuǎn)子磁鏈參考量Wraef ;使給定的電磁轉(zhuǎn)矩參考量Twef和所述的轉(zhuǎn)子磁鏈參考量Wnef分別減去DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ,，得到電磁轉(zhuǎn)矩誤差量ΔΤε和轉(zhuǎn)子磁鏈誤差量Λ 分別對電磁轉(zhuǎn)矩誤差量ΛΤε和轉(zhuǎn)子磁鏈誤差量ΛΨ^進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到電磁轉(zhuǎn)矩滑模值St和轉(zhuǎn)子磁鏈滑模值Sv ；(3)根據(jù)所述的電磁轉(zhuǎn)矩滑模值St和轉(zhuǎn)子磁鏈滑模值Sv通過二階滑模控制，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電壓指令在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量；(4)對轉(zhuǎn)子電壓指令在定子靜止d-β坐標(biāo)系中的分量進(jìn)行Park變換，得到轉(zhuǎn)子電壓指令在轉(zhuǎn)子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量；進(jìn)而根據(jù)轉(zhuǎn)子電壓指令在轉(zhuǎn)子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量通過SVPWM技術(shù)構(gòu)造得到一組PWM信號以對DFIG機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行控制。所述的步驟(I)中，根據(jù)以下算式計(jì)算定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量:
權(quán)利要求
1.一種基于二階滑模的DFIG控制方法，包括如下步驟: (1)采集DFIG的三相定子電壓、三相定子電流、三相轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子位置角，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角通過坐標(biāo)變換確定DFIG的三相定子電壓、三相定子電流、三相轉(zhuǎn)子電流、定子磁鏈以及轉(zhuǎn)子磁鏈在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量，進(jìn)而計(jì)算出DFIG的輸出有功功率Ps、輸出無功功率Qs以及電磁轉(zhuǎn)矩Te ； (2)確定DFIG的轉(zhuǎn)子磁鏈參考量Wnef;使給定的電磁轉(zhuǎn)矩參考量Twef和所述的轉(zhuǎn)子磁鏈參考量分別減去DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ,，得到電磁轉(zhuǎn)矩誤差量Λ Te和轉(zhuǎn)子磁鏈誤差量Λ ΨΓ ;分別對電磁轉(zhuǎn)矩誤差量Λ Te和轉(zhuǎn)子磁鏈誤差量Λ ΨΓ進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到電磁轉(zhuǎn)矩滑模值St和轉(zhuǎn)子磁鏈滑模值Sv ； (3)根據(jù)所述的電磁轉(zhuǎn)矩滑模值St和轉(zhuǎn)子磁鏈滑模值Sv通過二階滑模控制，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電壓指令在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量； (4)對轉(zhuǎn)子電壓指令在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量進(jìn)行Park變換，得到轉(zhuǎn)子電壓指令在轉(zhuǎn)子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量；進(jìn)而根據(jù)轉(zhuǎn)子電壓指令在轉(zhuǎn)子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量通過SVPWM技術(shù)構(gòu)造得到一組PWM信號以對DFIG機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步驟(I)中，根據(jù)以下算式計(jì)算定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的分量:U^sa Lg Iga +Lm IraLr Ira +Lm Isa ^一 LsIs^ +LmIr^— LrIr^ +LmIs^ 其中:Wsa和Ws0分別為定子磁鏈在定子靜止α-β坐標(biāo)系中的α軸分量和β軸分量，Ψμ和Ψμ分別為轉(zhuǎn) 子磁鏈在定子靜止α_β坐標(biāo)系中的α軸分量和β軸分量，Isa和I#分別為三相定子電流在定子靜止α_β坐標(biāo)系中的α軸分量和β軸分量，和分別為三相轉(zhuǎn)子電流在定子靜止α_β坐標(biāo)系中的α軸分量和β軸分量，Ls和L分別為DFIG的定子電感和轉(zhuǎn)子電感，Lm為DFIG的定轉(zhuǎn)子互感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步驟(I)中，根據(jù)以下算式計(jì)算DFIG的輸出有功功率Ps、輸出無功功率Qs以及電磁轉(zhuǎn)矩Te:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步驟(2)中，根據(jù)以下算式確定DFIG的轉(zhuǎn)子磁鏈參考量Wmf:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步驟(2)中，根據(jù)以下算式對電磁轉(zhuǎn)矩誤差量Λ Te和轉(zhuǎn)子磁鏈誤差量Λ ΨΓ進(jìn)行PI調(diào)節(jié):
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步驟(3)中，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩滑模值St和轉(zhuǎn)子磁鏈滑模值Sv通過以下算式進(jìn)行二階滑?？刂?
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的DFIG的轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ,艮據(jù)以下算式求得:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于二階滑模的DFIG控制方法，其由于采用直接轉(zhuǎn)矩控制而能夠直接對DFIG電磁轉(zhuǎn)矩、無功功率進(jìn)行控制，消除了復(fù)雜的正負(fù)序及諧波分量提取以及轉(zhuǎn)子電流參考值計(jì)算步驟，故而不會引入分解延時(shí)。本發(fā)明采用的二階滑?？刂瓶烧{(diào)控負(fù)序及任意低次諧波分量，消除無功功率及電磁轉(zhuǎn)矩中由于電網(wǎng)電壓不平衡及低次諧波所引入的負(fù)面影響，達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩和無功功率輸出。相較于傳統(tǒng)控制方法，縮小了所占用的軟件空間，擁有更強(qiáng)的動態(tài)調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而節(jié)省了資源及增強(qiáng)了對DFIG的控制效果。
文檔編號H02P9/00GK103208817SQ201310124938
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者年珩, 全宇 申請人:浙江大學(xué)