本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種不平衡電網(wǎng)下DFIG基于拓展有功功率的滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)兩種類(lèi)型，為提高發(fā)電效率，均采用變速恒頻發(fā)電運(yùn)行方式。其中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)應(yīng)用最多，技術(shù)最為成熟，是當(dāng)前的主流機(jī)型。DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，DFIG可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減小變換器的容量，還可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的解耦控制，這種功率控制的靈活性對(duì)電網(wǎng)非常有利。然而，在不平衡電網(wǎng)下，由于DFIG的定子側(cè)和電網(wǎng)直接相連，DFIG的運(yùn)行性能會(huì)受到很大影響，因此，研究DFIG在不平衡電網(wǎng)下的改進(jìn)控制策略具有重要的意義。

長(zhǎng)期以來(lái)矢量控制(VC)都是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流控制策略。VC通過(guò)兩個(gè)PI控制器分別對(duì)有功無(wú)功電流進(jìn)行解耦控制，具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)性能，但由于積分環(huán)節(jié)存在滯后效應(yīng)，VC的動(dòng)態(tài)性能并不盡如人意。針對(duì)VC在不平衡電網(wǎng)下的改進(jìn)控制策略，有學(xué)者提出了一種利用兩組PI控制器分別對(duì)正負(fù)序電流分量進(jìn)行控制的改進(jìn)策略。然而，對(duì)電壓、電流進(jìn)行正負(fù)序分離的過(guò)程大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，如果分離不準(zhǔn)確還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制性能造成嚴(yán)重影響。近年來(lái)，直接功率控制策略(DPC)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，其對(duì)功率直接有效的控制也更為符合電網(wǎng)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，有學(xué)者針對(duì)DPC在不平衡電網(wǎng)下的應(yīng)用，提出了一種功率補(bǔ)償措施，通過(guò)在功率參考值中加入不同的補(bǔ)償，可以分別實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)。然而，這種控制策略中功率補(bǔ)償值的計(jì)算過(guò)程仍然需要用到電壓和電流的正負(fù)序分量。諧振控制器(R)由于其只對(duì)特定頻率的變量具有較大增益的特性，在不平衡電網(wǎng)下改進(jìn)控制策略的研究中得到廣泛應(yīng)用。在VC和DPC中，都有通過(guò)PI控制器和R控制器相結(jié)合，分別對(duì)直流分量和二倍頻脈動(dòng)分量實(shí)施控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)不平衡電網(wǎng)下DFIG的有效控制。然而，在這種控制策略中，電流參考值的計(jì)算仍然需要利用電流的負(fù)序分量。由以上分析可知，目前眾多不平衡電網(wǎng)下DFIG的改進(jìn)控制策略的研究都是要基于電網(wǎng)電壓、電流正負(fù)序分離的，不僅會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，對(duì)于分離過(guò)程的準(zhǔn)確性還會(huì)有較大依賴(lài)。因此，研究如何能夠在不需要電網(wǎng)電壓、電流正負(fù)序分離的前提下實(shí)現(xiàn)DFIG的有效控制，對(duì)于DFIG在不平衡電網(wǎng)下的改進(jìn)控制策略的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種不平衡電網(wǎng)下DFIG基于拓展有功功率的滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制方法，無(wú)需電網(wǎng)電壓、電流的正負(fù)序分離，且控制結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，能夠在不平衡電網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，無(wú)功功率和正弦的定子電流。

一種不平衡電網(wǎng)下DFIG基于拓展有功功率的滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制方法，包括如下步驟：

(1)采集DFIG的三相定子電壓U_sabc和三相定子電流I_sabc，并通過(guò)檢測(cè)計(jì)算得到DFIG的轉(zhuǎn)子角頻率ω_r和轉(zhuǎn)子位置角θ_r；

(2)分別對(duì)所述三相定子電壓U_sabc和三相定子電流I_sabc進(jìn)行Clark變換，對(duì)應(yīng)得到靜止α-β坐標(biāo)系下的定子電壓矢量U_sαβ和定子電流矢量I_sαβ；進(jìn)而將所述定子電壓矢量U_sαβ滯后四分之一周期，得到滯后的定子電壓矢量U'_sαβ；

(3)對(duì)所述定子電壓矢量U_sαβ進(jìn)行積分，得到定子磁鏈?zhǔn)噶喀?sub>sαβ；

(4)根據(jù)定子電壓矢量U_sαβ、滯后的定子電壓矢量U'_sαβ和定子電流矢量I_sαβ計(jì)算出DFIG定子輸出的拓展有功功率P_s^new和無(wú)功功率Q_s；

(5)通過(guò)對(duì)所述拓展有功功率P_s^new和無(wú)功功率Q_s進(jìn)行滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制，從而計(jì)算得到DFIG的調(diào)制電壓矢量U_rαβ；

(6)利用轉(zhuǎn)子位置角θ對(duì)所述調(diào)制電壓矢量U_rαβ進(jìn)行Park變換，得到轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系下的調(diào)制電壓矢量U_rdq，進(jìn)而利用SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)算法構(gòu)造出一組PWM信號(hào)以對(duì)DFIG的機(jī)側(cè)變換器進(jìn)行控制。

所述步驟(2)中根據(jù)以下算式對(duì)三相定子電壓U_sabc和三相定子電流I_sabc進(jìn)行Clark變換：

其中：U_sα和U_sβ對(duì)應(yīng)為定子電壓矢量U_sαβ的α軸分量和β軸分量，I_sα和I_sβ對(duì)應(yīng)為定子電流矢量I_sαβ的α軸分量和β軸分量，U_sa、U_sb、U_sc分別為三相定子電壓U_sabc對(duì)應(yīng)A、B、C三相上的相電壓，I_sa、I_sb、I_sc分別為三相定子電流I_sabc對(duì)應(yīng)A、B、C三相上的相電流。

所述步驟(3)中根據(jù)以下算式對(duì)定子電壓矢量U_sαβ進(jìn)行積分：

其中：ψ_sα和ψ_sβ對(duì)應(yīng)為定子磁鏈?zhǔn)噶喀?sub>sαβ的α軸分量和β軸分量，U_sα(τ)和U_sβ(τ)對(duì)應(yīng)為τ時(shí)刻定子電壓矢量U_sαβ的α軸分量和β軸分量，t為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

所述步驟(4)中通過(guò)以下公式計(jì)算DFIG定子輸出的拓展有功功率P_s^new和無(wú)功功率Q_s：

其中：U_sα和U_sβ對(duì)應(yīng)為定子電壓矢量U_sαβ的α軸分量和β軸分量，I_sα和I_sβ對(duì)應(yīng)為定子電流矢量I_sαβ的α軸分量和β軸分量，U'_sα和U'_sβ對(duì)應(yīng)為滯后的定子電壓矢量U'_sαβ的α軸分量和β軸分量。

所述步驟(5)中基于以下方程對(duì)拓展有功功率P_s^new和無(wú)功功率Q_s進(jìn)行滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制：

其中：U_rα和U_rβ對(duì)應(yīng)為調(diào)制電壓矢量U_rαβ的α軸分量和β軸分量，U_sα和U_sβ對(duì)應(yīng)為定子電壓矢量U_sαβ的α軸分量和β軸分量，I_sα和I_sβ對(duì)應(yīng)為定子電流矢量I_sαβ的α軸分量和β軸分量，U'_sα和U'_sβ對(duì)應(yīng)為滯后的定子電壓矢量U'_sαβ的α軸分量和β軸分量，ψ_sα和ψ_sβ對(duì)應(yīng)為定子磁鏈?zhǔn)噶喀?sub>sαβ的α軸分量和β軸分量，K_p和K_q對(duì)應(yīng)為擴(kuò)展有功功率和無(wú)功功率給定的積分調(diào)節(jié)參數(shù)，K_ps和K_qs對(duì)應(yīng)為擴(kuò)展有功功率和無(wú)功功率給定的開(kāi)關(guān)函數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)，L_m為DFIG的定轉(zhuǎn)子互感，L_r和L_s分別為DFIG的轉(zhuǎn)子電感和定子電感，和Q_sref分別為給定的拓展有功功率參考值和無(wú)功功率參考值，e_p(τ)和e_q(τ)對(duì)應(yīng)為τ時(shí)刻擴(kuò)展有功功率和無(wú)功功率的誤差值，ω₁為電網(wǎng)電壓的角頻率，j＝1或2，λ_j為開(kāi)關(guān)函數(shù)給定的邊界值，t為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

所述步驟(6)中根據(jù)以下算式對(duì)調(diào)制電壓矢量U_rαβ進(jìn)行Park變換：

其中：U_rα和U_rβ對(duì)應(yīng)為調(diào)制電壓矢量U_rαβ的α軸分量和β軸分量，U_rd和U_rq對(duì)應(yīng)為調(diào)制電壓矢量U_rdq的d軸分量和q軸分量。

本發(fā)明是在不平衡電網(wǎng)下DFIG數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種拓展的有功功率，并將這種拓展的有功功率和傳統(tǒng)的無(wú)功功率作為控制對(duì)象，將滑模變結(jié)構(gòu)算法與DPC技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而提出了一種改進(jìn)的基于拓展有功功率的滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制策略；本發(fā)明方法在無(wú)需電網(wǎng)電壓電流正負(fù)序分離的前提下，就可以實(shí)現(xiàn)DFIG在不平衡電網(wǎng)下的有效控制，得到平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功功率以及正弦的定子電流；本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)極為簡(jiǎn)單，不需要鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明中提出的拓展功率理論，不僅可以與滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制策略相結(jié)合，還可以與多種直接功率控制策略相結(jié)合形成不平衡電網(wǎng)下的改進(jìn)控制策略。其控制思想具有較為廣泛的適用性。

附圖說(shuō)明

圖1為DFIG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明控制方法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理示意圖。

圖3為本發(fā)明基于拓展有功功率的DFIG滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制系統(tǒng)在定子電壓?jiǎn)蜗虻?0％的不平衡電網(wǎng)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)波形圖；其中，U_sabc為三相定子電壓，I_sabc為三相定子電流，I_rabc為三相轉(zhuǎn)子電流，P為有功功率，Q為無(wú)功功率，Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

圖4為本發(fā)明基于拓展有功功率的DFIG滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制系統(tǒng)在定子電壓?jiǎn)蜗虻?0％的不平衡電網(wǎng)下的定子A相電流的頻譜分析圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明基于拓展有功功率的DFIG滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制方法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖2所示，系統(tǒng)包括一臺(tái)2kW的DFIG1、與DFIG轉(zhuǎn)子繞組相連的電壓源型變換器2、用于檢測(cè)DFIG定子三相電壓的電壓傳感器3、用于檢測(cè)DFIG定子三相電流的電流霍爾傳感器4、用于檢測(cè)DFIG轉(zhuǎn)子位置角的編碼器12、獲取機(jī)組轉(zhuǎn)速的微分器11以及實(shí)現(xiàn)DFIG輸出有功、無(wú)功功率調(diào)節(jié)的控制回路。控制回路由反饋信號(hào)處理通道和前向控制通道構(gòu)成，其中前向控制通道包括SVPWM信號(hào)發(fā)生器5、滑模變結(jié)構(gòu)控制運(yùn)算模塊6、兩相靜止/旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換模塊13；反饋信號(hào)處理通道包括用于獲取定子兩相靜止坐標(biāo)系中的定子電壓、定子電流矢量信號(hào)的三相/兩相靜止坐標(biāo)變換模塊7、滯后的定子電壓計(jì)算模塊8、功率計(jì)算模塊9、磁鏈計(jì)算模塊10。

如圖2所示，本發(fā)明DFIG滑模直接功率控制方法包括以下步驟：

(1)利用三個(gè)電壓霍爾傳感器3采集DFIG三相定子電壓信號(hào)U_sabc；利用三相電流霍爾傳感器4采集三相定子電流信號(hào)I_sabc；

(2)采用編碼器12檢測(cè)DFIG的轉(zhuǎn)子位置θ_r，再經(jīng)過(guò)微分器11計(jì)算轉(zhuǎn)子角頻率ω_r；

(3)將采集得到的三相定子電壓信號(hào)U_sabc和三相定子電流信號(hào)I_sabc經(jīng)靜止三相到二相坐標(biāo)變換模塊7，得到定子坐標(biāo)系下的定子電壓矢量U_sαβ和定子電流矢量I_sαβ；以定子電壓為例，從靜止三相到二相坐標(biāo)變換的表達(dá)式為：

(4)將采集得到的定子電壓矢量U_sαβ經(jīng)過(guò)滯后的定子電壓計(jì)算模塊8，將其滯后四分之一周期，得到滯后的定子電壓矢量U'_sαβ；

(5)將采集到的定子電壓矢量U_sαβ經(jīng)過(guò)磁鏈計(jì)算模塊10，得到定子磁鏈?zhǔn)噶喀?sub>sαβ，磁鏈的計(jì)算公式為：

(6)將采集得到的定子電壓矢量U_sαβ、定子電流矢量I_sαβ和滯后的定子電壓矢量U'_sαβ通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)功率計(jì)算模塊9計(jì)算定子輸出的拓展有功功率、無(wú)功功率信號(hào)Q_s，有功、無(wú)功功率計(jì)算公式為：

(7)將根據(jù)步驟(4)得到的定子向電網(wǎng)輸出的拓展有功功率、無(wú)功功率P_s^new、Q_s與給定的定子拓展有功功率、無(wú)功功率參考值Q_sref及定子電壓矢量U_sαβ、滯后的定子電壓矢量U'_sαβ、定子電流矢量I_sαβ、定子磁鏈?zhǔn)噶喀?sub>sαβ、電網(wǎng)電壓角頻率ω₁和轉(zhuǎn)子角頻率ω_r輸入到滑模變結(jié)構(gòu)功率控制模塊6，計(jì)算得到DFIG的調(diào)制電壓矢量U_rαβ；

滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制模塊6的計(jì)算原理如下：

7.1控制目標(biāo)為定子有功、無(wú)功功率跟隨其參考值，即功率誤差為零，因此定義滑模面為：

S＝[S₁ S₂]^T

其中，K_p和K_q分別為擴(kuò)展有功功率和無(wú)功功率積分調(diào)節(jié)參數(shù)，且K_p>0、K_q>0，e_p和e_q分別為擴(kuò)展有功功率和無(wú)功功率誤差，即：

當(dāng)e_p、e_q趨于零，即可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

7.2為了使系統(tǒng)的狀態(tài)趨近于滑模面，可構(gòu)造Lyapunov函數(shù)如下：

該Lyapunov函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)可以計(jì)算如下：

其中，由7.1中公式可得：

7.3由DFIG數(shù)學(xué)模型可得拓展有功和無(wú)功功率變化率為：

7.4將7.3中公式帶入7.2得：

其中：

由Lyapunov穩(wěn)定性可知，當(dāng)W大于等于零且其導(dǎo)數(shù)小于零時(shí)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

7.5構(gòu)建如下關(guān)系式：

其中：K_ps和K_qs分別為拓展有功功率和無(wú)功功率的開(kāi)關(guān)函數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)，且K_ps>0、K_qs>0，sgn(S₁)和sgn(S₂)為拓展有功功率和無(wú)功功率的開(kāi)關(guān)函數(shù)：

其中，λ_j為該開(kāi)關(guān)函數(shù)的邊界值，j＝1，2。

將該方程帶入7.4中方程得：

可確保W的導(dǎo)數(shù)小于零，系統(tǒng)穩(wěn)定。

(8)將調(diào)制電壓矢量U_rαβ通過(guò)兩相靜止/旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換模塊13變換到轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系，得到U_rdq，從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的計(jì)算公式為：

(9)將U_rdq的值作為SVPWM信號(hào)產(chǎn)生模塊5的參考值，調(diào)制得到DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的開(kāi)關(guān)信號(hào)S_a、S_b、S_c；

(10)將得到的開(kāi)關(guān)信號(hào)S_a、S_b、S_c經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)基于拓展有功功率的滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制。

參見(jiàn)圖3，在本發(fā)明基于拓展有功功率的DFIG滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制方法下，本實(shí)施方式控制系統(tǒng)在定子電壓?jiǎn)蜗虻?0％的不平衡電網(wǎng)下，無(wú)功功率和電磁轉(zhuǎn)矩波形平穩(wěn)；定子三相電流波形正弦，整體控制效果十分理想。

參見(jiàn)圖4，可以看出在本發(fā)明基于拓展有功功率的DFIG滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制方法下，本實(shí)施方式控制系統(tǒng)在定子電壓?jiǎn)蜗虻?0％的不平衡電網(wǎng)下的定子電流諧波含量THD很小。

綜上所述，本發(fā)明基于拓展有功功率的DFIG滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制方法在無(wú)需電網(wǎng)電壓電流正負(fù)序分離的前提下，就可以實(shí)現(xiàn)DFIG在不平衡電網(wǎng)下的有效控制，得到平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功功率以及正弦的定子電流；本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，不需要鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。