一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法，在构造滑模面中加入重复控制器，使得系统具有对任意谐波的控制能力。因此，所提出控制方法可消除由于电网电压谐波所引入的电机电磁转矩脉动和系统输出电流的谐波，从而达到延迟风机机械寿命、满足风电并网谐波标准的目的。本发明专利技术无需进行各次谐波分量的提取，也无需加入过多的谐振控制器，可对任意次谐波进行控制，使系统适用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力发电控制
，具体涉及一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法。
技术介绍
为解决化石能源危机及温室气体污染问题，开发利用清洁高效的可再生能源，实现可持续发展已成为全球共识。其中，风能是近期最具大规模开发利用价值的可再生能源。基于交流励磁双馈异步发电机(doublyfedinductiongenerator,DFIG)的风力发电系统具有变速恒频运行、有功功率和无功功率独立解耦控制及变频器容量小等诸多优点，在风力发电领域得到了广泛的应用。该系统中DFIG的定子与电网直接相连，电网状况将会直接影响系统的运行。我国国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》及GB/T14549-1993《电能质量-公用电网谐波》，允许正常运行电网中，存在一定的负序电压和各次谐波电压。即DFIG风电系统所接入的电网，实际为一个不平衡及谐波分布的复杂电网。在该电网下，DFIG风电系统输出电流将发生不平衡及谐波畸变，极可能超出GB/T14549-1993《电能质量-公用电网谐波》中规定的上限值。若强行并网，将进一步降低电网质量，影响用电负荷等的电网环境。同时，DFIG风电系统中谐波电流或磁链与电网电压相互作用，将使得DFIG电磁转矩和功率持续脉动，磨损机组轴系系统。对此，各国学者对其在实际电网中的运行展开了广泛地研究，其中主要集中于电网电压不平衡及5次、7次谐波畸变条件下。首先，胡家兵在标题为《双馈异步风力发电机系统电网故障穿越(不间断)运行研究—基础理论与关键技术》(浙江大学，2009)的博士论文中、LieXu在标题为DynamicmodelingandcontrolofDFIG-basedwindturbinesunderunbalancednetworkconditions(IEEETransactionsonPowerSystems,2007)的文献中从数学建模的角度，定量地描述了不平衡电网电压对DFIG风电系统运行安全和输出电能质量的影响。在此基础上，为了降低电网不平衡对双馈风电系统的危害和满足系统不脱网运行的要求，YongsugS等在文献AComparativeStudyonControlAlgorithmforActiveFront-EndRectifierofLargeMotorDrivesUnderUnbalancedInput(IEEETransactionsonIndustryApplications,2011)中对该电网条件下DFIG风电系统的运行控制进行改进和优化，提出了网侧变换器和机侧变换器包括相应控制目标、正负序电流控制器、正负序电压提取在内的增强运行控制策略。随后，对非理想电网条件下的DFIG风电系统运行研究扩展到了5、7次谐波畸变的情况。徐海亮在文献电网谐波条件下双馈感应风力发电机的建模与控制(电力系统自动化,2011)中对5、7次谐波畸变电网下的DFIG风电系统进行了数学建模。为减少由此带来的系统电流谐波畸变、机组轴系系统磨损等危害，HengNian,YuQuan等在文献ImprovedcontrolstrategyofDFIG-basedwindpowergenerationsystemsconnectedtoaharmonically-pollutednetwork(ElectricPowerSystemsResearch,2012)中提出了网侧变换器和机侧变换器包括相应控制目标、正序及谐波电流控制器、正序及谐波电压提取在内的增强运行控制策略。进一步地，JiabingHu等在文献CoordinatedcontrolofDFIG'sRSCandGSCundergeneralizedunbalancedanddistortedgridvoltageconditions(IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013)中建立了不平衡及5次、7次谐波电压共存电网条件下的DFIG风电系统数学模型，在此基础上，采用比例积分多谐振控制器对正序、负序、5次及7次谐波分量同时进行调节，实现系统输出总电流平稳且正弦、电磁转矩平稳无脉动的控制目标，推进了非理想电网下并网型风电系统的控制技术的发展。上述非理想电网条件下的增强运行控制策略实现的本质基本相同：先基于所建立数学模型和有限可控电流对象(如不平衡电网下，控制对象仅为正序电流及负序电流)，提出改善系统运行性能或输出电能质量的控制目标；然后采用能同时对正序、负序或相应谐波参考实现了快速、精确调节的控制器，如比例谐振或比例积分谐振控制器，实现对电流的无差调节，从而实现预定辅助控制目标。其中，在以上控制策略中，需要设计正负序分离或者谐波分离技术，提取电网电压或电流的正序、负序或5次、7次谐波分量，给参考值计算提供依据；还需要对原有锁相环技术进行改进，排除电网负序电压或者5次及7次谐波电压对锁相精度的影响。原有的研究，仅针对不平衡及5次、7次谐波畸变情况。但实际上，国际电工组织的IEEE-519-1992、ERG5/4-1和国标GB/T14549-93等电网规范，均允许工业电网中存在一定比例的其他谐波。当实际电网中出现其他次谐波电压时，仅仅考虑不平衡及5次、7次谐波电网电压的DFIG风电运行控制系统，将无法抑制由其他谐波电压带来的电流畸变和转矩脉动情况，使得DFIG风电系统输出电流难以满足并网规范的要求，如图1所示。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法，保证DFIG风电系统在任意次谐波畸变的实际电网下，输出电流符合并网标准，并降低系统内部机械磨损。一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法，包括如下步骤：对于DFIG机侧变流器控制：A1.采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转速以及转子位置角，根据转子位置角通过坐标变换确定DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流以及定子磁链在定子静止α-β坐标系中的分量，进而计算出DFIG的输出有功功率Ps、输出无功功率Qs以及电磁转矩Te；A2.使给定的电磁转矩参考量Teref和无功功率参考量Qsref分别减去DFIG的电磁转矩Te和输出无功功率Qs，得到电磁转矩误差量ΔTe和无功功率误差量ΔQs；分别对电磁转矩误差量ΔTe和无功功率误差量ΔQs通过重复控制器调节，得到电磁转矩重复滑模值ST和无功功率重复滑模值SQ；A3.根据所述的电磁转矩滑模值ST本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法，包括如下步骤：对于DFIG机侧变流器控制：A1.采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转速以及转子位置角，根据转子位置角通过坐标变换确定DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流以及定子磁链在定子静止α‑β坐标系中的分量，进而计算出DFIG的输出有功功率Ps、输出无功功率Qs以及电磁转矩Te；A2.使给定的电磁转矩参考量Teref和无功功率参考量Qsref分别减去DFIG的电磁转矩Te和输出无功功率Qs，得到电磁转矩误差量ΔTe和无功功率误差量ΔQs；分别对电磁转矩误差量ΔTe和无功功率误差量ΔQs通过重复控制器调节，得到电磁转矩重复滑模值ST和无功功率重复滑模值SQ；A3.根据所述的电磁转矩滑模值ST和无功功率滑模值SQ计算得到滑模控制中的开关控制量，根据DFIG参数计算得到滑模控制中的等效控制量，将开关控制量和等效控制量相加得到转子电压指令在定子静止α‑β坐标系中的分量；A4.对转子电压指令在定子静止α‑β坐标系中的分量进行Park变换，得到转子电压指令在转子静止α‑β坐标系中的分量；进而根据转子电压指令在转子静止α‑β坐标系中的分量通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG机侧变流器进行控制；对于DFIG网侧变流器控制：B1.采集DFIG网侧变流器的三相进线电流和直流母线电压Vdc，通过坐标变换确定三相进线电流在同步速旋转dq坐标系中的d轴分量和q轴分量；通过坐标变换确定三相定子电压在同步速旋转dq坐标系中的d轴分量和q轴分量；B2.使给定的直流母线电压参考量Vdcref减去直流母线电压Vdc，得到直流母线电压误差量ΔVdc；对直流母线电压误差量ΔVdc进行PI调节，得到网侧变流器的平均有功电流参考Ip_ave；B3.在定子静止α‑β坐标系中提取定子谐波电流，并通过坐标变换得到同步速旋转dq坐标系中定子谐波电流的d轴分量和q轴分量；在同步速旋转dq坐标系中将网侧变流器的平均有功电流参考及平均无功电流参考分别与定子谐波电流的dq轴分量相减，得到网侧变流器的d轴电流参考值Igdref和q轴电流参考值Igqref；B4.使d轴电流参考值Igdref和q轴电流参考值Igqref分别减去网侧变流器d轴电流Igd和q轴电流Igq，得到d轴电流误差量ΔIgd和q轴电流误差量ΔIgq；分别将d轴电流误差量ΔIgd和q轴电流误差量ΔIgq通过重复控制器调节，得到d轴电流滑模值Sd和q轴电流滑模值Sq；根据所述的d轴电流滑模值Sd和q轴电流滑模值Sq计算得到滑模控制中的开关控制量；根据网侧变流器参数计算得到滑模控制中的等效控制量；B5.使开关控制量和等效控制量相加得到网侧电压指令在同步速旋转dq坐标系中的分量；通过坐标变换将网侧电压指令在同步速旋转dq坐标系中的分量变换到网侧电压指令在定子静止α‑β坐标系中；进而根据网侧电压指令在定子静止α‑β坐标系中的分量通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG网侧变流器进行控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法，包括如下步骤：
对于DFIG机侧变流器控制：
A1.采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转速以及
转子位置角，根据转子位置角通过坐标变换确定DFIG的三相定子电压、三相定
子电流、三相转子电流以及定子磁链在定子静止α-β坐标系中的分量，进而计算
出DFIG的输出有功功率Ps、输出无功功率Qs以及电磁转矩Te；
A2.使给定的电磁转矩参考量Teref和无功功率参考量Qsref分别减去DFIG
的电磁转矩Te和输出无功功率Qs，得到电磁转矩误差量ΔTe和无功功率误差量
ΔQs；分别对电磁转矩误差量ΔTe和无功功率误差量ΔQs通过重复控制器调节，
得到电磁转矩重复滑模值ST和无功功率重复滑模值SQ；
A3.根据所述的电磁转矩滑模值ST和无功功率滑模值SQ计算得到滑模控制
中的开关控制量，根据DFIG参数计算得到滑模控制中的等效控制量，将开关控
制量和等效控制量相加得到转子电压指令在定子静止α-β坐标系中的分量；
A4.对转子电压指令在定子静止α-β坐标系中的分量进行Park变换，得到
转子电压指令在转子静止α-β坐标系中的分量；进而根据转子电压指令在转子静
止α-β坐标系中的分量通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG机
侧变流器进行控制；
对于DFIG网侧变流器控制：
B1.采集DFIG网侧变流器的三相进线电流和直流母线电压Vdc，通过坐标
变换确定三相进线电流在同步速旋转dq坐标系中的d轴分量和q轴分量；通过
坐标变换确定三相定子电压在同步速旋转dq坐标系中的d轴分量和q轴分量；
B2.使给定的直流母线电压参考量Vdcref减去直流母线电压Vdc，得到直流
母线电压误差量ΔVdc；对直流母线电压误差量ΔVdc进行PI调节，得到网侧变
流器的平均有功电流参考Ip_ave；
B3.在定子静止α-β坐标系中提取定子谐波电流，并通过坐标变换得到同步
速旋转dq坐标系中定子谐波电流的d轴分量和q轴分量；在同步速旋转dq坐
标系中将网侧变流器的平均有功电流参考及平均无功电流参考分别与定子谐波

\t电流的dq轴分量相减，得到网侧变流器的d轴电流参考值Igdref和q轴电流参考
值Igqref；
B4.使d轴电流参考值Igdref和q轴电流参考值Igqref分别减去网侧变流器d
轴电流Igd和q轴电流Igq，得到d轴电流误差量ΔIgd和q轴电流误差量ΔIgq；分
别将d轴电流误差量ΔIgd和q轴电流误差量ΔIgq通过重复控制器调节，得到d
轴电流滑模值Sd和q轴电流滑模值Sq；根据所述的d轴电流滑模值Sd和q轴电
流滑模值Sq计算得到滑模控制中的开关控制量；根据网侧变流器参数计算得到
滑模控制中的等效控制量；
B5.使开关控制量和等效控制量相加得到网侧电压指令在同步速旋转dq坐
标系中的分量；通过坐标变换将网侧电压指令在同步速旋转dq坐标系中的分量
变换到网侧电压指令在定子静止α-β坐标系中；进而根据网侧电压指令在定子静
止α-β坐标系中的分量通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG网
侧变流器进行控制。
2.根据权利要求1一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法，其特征在于：
所述的步骤A1中，定子磁链在定子静止α-β坐标系中的分量计算方式如下：
其中：和分别为定子磁链在定子静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分
量，Isα和Isβ分别为三相定子电流在定子静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分
量，Irα和Irβ分别为三相转子电流在定子静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分
量，Ls为DFIG的定子电感，Lm为DFIG的定转子互感；
DFIG的输出有功功率Ps、输出无功功率Qs以及电磁转矩Te计算方式如下：
Ps＝-1.5(UsαIsα+UsβIsβ)
Qs＝-1.5(UsβIsα-UsαIsβ)
其中：p为DFIG的极对数，和分别为定子磁链在定子静止α-β坐标系
中的α轴分量和β轴分量，Isα和Isβ分别为三相定子电流在定子静止α-β坐标系

\t中的α轴分量和β轴分量，Usα和Usβ分别为三相定子电压在定子静止α-β坐标
系中的α轴分量和β轴分量。
3.根据权利要求1所述的一种基于重复滑模的DFIG系统控制方法，其特
征在于：所述的步骤A2中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：全宇，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33