基于滑模变结构双馈风力发电机直接功率控制.pdf

第3 2 卷第1 2 期计算机仿真 2 0 1 5 年1 2 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 8 5 一0 4 基于滑模变结构双馈风力发电机直接功率控制 王君瑞，彭飘飘，刘凡齐 ( 北方民族大学电气与信息工程学院，宁夏银川7 5 0 0 2 1 ) 摘要：针对双馈风力发电系统直接功率控制( D i r e c tP o w e rc o n t r o l ，D P c ) ，提出将一种变指数趋近律滑模变结构控制策略用 于双馈风力发电机直接功率控制中，并通过引入空间矢量调制技术使D P c 的开关频率保持恒定。由滑模控制直接计算所 需的转子控制电压以消除瞬时有功、无功功率误差。仿真结果表明，与传统矢量控制，开关频率恒定直接功率控制相比，滑 模直接功率控制对系统参数不确定、外部扰动具有强鲁棒性，系统的动、静态性能优良。 关键词：双馈风力发电；滑模变结构；直接功率控制 中图分类号：T M 7 4 3文献标识码：B D i r e c tP o w e rC o n t r o lf b rD o l l b l yF e dI h d u c t i o n G e 玳r a t o rB a s e d0 nS l i d i n gM 0 d eV a r i a b l e W A N GJ u n m i ，P E N GP i a o p i a o ，U UF a n q i ( S c h o o lo fE l e c t r i c a la n dI 山r n l a t i o nE n 百n e e r i n g ，T h eN o n hU n i v e r s i t yF o rE 岫i c s ，Y i n c h u 锄N i n 祭i a7 5 0 0 2 1 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：B 踮e do nd i r e c tp o w e rc o n t m l ( D P C ) o fd o u b l yf e dw i n dp o w e rg e n e m t i o ns y s t e m ，w ep u tf o r w a r da k i n do fv 撕a b l ee x p o n e n tr e a c h i n gl a wo fs l i d i n gm o d ev 撕a b l es t 兀】c t u r ec o n 咖1s t r a t e g yf o rd o u b l yf e dw i n dt u r b i n e d i r e c tp o w e rc o n t m LB yi n t r o d u c i n gas p a c ev e c t o rm o d t l l a t i o n ( S V M ) t e c h n i q u eac o n s t a n ts w i t c h i n gf k q u e n c yo f D P Cw a sm a i n t a i n e d t h er e q u i r e dm t o rc o n t r o lv o l t a g ew a sd i r e c d yc a l c u l a t e db ye m p l o y i n gs l i d i r 喝m o d ec o n t I D l s c h e m e ，s oa st oe l i m i n a t et h ei n s t a n t a n e o u sa c t i v ea r I dr e a c t i v ep o w e re r m r S i m l l l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e d w i t h 山et m d i t i o n a lv e c t o rc o n t r o la n dc o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yd i r e c tp o w e rc o n n u l ，t h es l i d i n gm o d ed i r e c tp o w e r c o n t r o lh a sg o o dm b u s t n e s sf o rt h ep a r 姗e t e r su n c e r t a i n t ya n de x t e m a ld i s t u r b a n c e ，a l l ds y s t e md y n 锄i ca n ds t a t i c p e r f o m l a n c e sa r ee x c e l l e m K E Y W o 砌) s ：D o u b l yf e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；S l i d i n gm o d ev a I i a b l es t m c t u r ec o n t r o l ；D i r e c tp o w e rc o n t m l 1引言 双馈风力发电技术是目前应用最广泛的风力发电技术 之一，也被认为是最有前景的风力发电技术方案。1 2J 。双馈 风力发电机组采用转子交流励磁的双馈发电机( D F I G ) 是一 种全新、高效的发电方式，具有工作效率高、控制性能好、变 频器设计容量小等优点。 双馈风力发电系统核心控制器由双P W M 变换器组成， 其主要控制策略有矢量控制和直接功率控制( D P c ) 。矢量 控制控制精度高，开关频率恒定，但是需要经过反复的坐标 变换，系统结构复杂；D P c 可大体分为两类：一类是基于可 基金项目：宁夏自然科学基金( N z l 4 1 0 6 ) ；北方民族大学校内重点项 目( 2 0 1 4 X Z Z 0 3 ) 收稿日期：2 0 1 5 0 1 2 8 修回日期：2 0 1 5 一0 3 一1 1 变开关频率的直接功率控制HJ ，这是最早出现的直接功率控 制形式。该控制方法比较简单，但这种方法开关频率不确 定，因此其滤波电路很难设计；另一类是基于固定开关频率 的直接功率控制J ，该方法结合了空间矢量调制策略，实现 了固定开关频率，动态性能优良，但与矢量控制相比，该控制 策略系统有功、无功功率的波动比较大。 本文将变指数趋近律滑模变结构控制器和s V P w M 矢 量控制方法代替传统直接功率控制的滞环控制器和开关表。 滑模控制器强迫系统有功、无功功率进入设定的滑模面，减 小了功率脉动，s V P w M 控制实现了逆变器的固定开关频率。 变指数趋近律方法使系统以变速和指数2 种速率趋向滑模 面，而当接近滑模面时，指数趋近律速度接近为零，有效地减 小了进入滑模面的初始系统抖振。通过对l 台4 k W 双馈风 力发电机组进行仿真研究表明，本文提出的滑模变结构直接 功率控制能实现系统有功、无功功率解耦控制并表现出优良 一8 5 万方数据 的动、静态性能，对参数变化及外部扰动具有强鲁棒性。 忽略转子电阻的影响，将式( 9 ) 、( 1 0 ) 代人式( 2 ) 得： 2D F I G 的数学模型 D F I G 定转子均采用电动机惯例，两相同步旋转d q 一0 坐标系下双馈电机的数学模型为3 3 r u 矗= 尺；i ，d + 上) 砂耐一l 砂呷 I u 。：尺，i 。+ D 砂。+ 。砂村 r “d = R ，i 趟+ D 砂耐一。吵埤 【u w = 尺，i w + D 吵w + ，妒心 f 砂。d = s i 耐+ 。i 耐 1 = 厶i ，+ k i 。 f 沙一= m i 矗+ ，i r d I 砂w = L m i 呷+ L ，i w f 尹，= 1 5 ( 拄。d i ，d + 聪。q i 钾) 【Q ，= 1 5 ( u 钾i “一“i 叼) t = 专一n P L m ( i 订i 唧一i 婶i 詹) ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 式中：“小u 。、u 一、“。为定、转子电压的d 轴和q 轴分量；i 小 i 。、i 村、i 。为定、转子电流的d 轴和g 轴分量；砂一、虬、砂小妒。 为定、转子磁链的d f 轴和g 轴分量；只、Q 。为定子侧有功、无 功功率；尺。、R ，为定、转子绕组各相电阻；L ，、，、。为定、转子 自感及互感；，为同步角速度，c 【，为转差角速度；D 为微分 算子；n 。为D F I G 极对数。 将同步旋转坐标系的d 轴定向在定子磁链上，即取定子 磁链方向与同步坐标系d 轴重合，则定子磁链在d 一口轴上 的分量分别为：砂耐= 砂。，砂，。= 0 。双馈电机正常运行时，定子 电压频率为5 0 H z ，在这样的频率下，定子电阻压降远比电机 反电势小，通常可以忽略不计，定子磁链保持恒定。在忽略 电机定子绕组电阻的情况下，由式( 1 ) 得到： f = ”( 7 ) L u ；g2 l 砂；d 由式( 3 ) 、( 4 ) 消去转子电流变量，得到定子电流方程为： h ：粤一等：巧( 毕一 广2i 一面“百叫( 8 ) l 。= 一羞= 一K 【 w 2 一孑兹2 一k 热口= 警黔彘。 将式( 7 ) 、( 8 ) 代入式( 5 ) 得： rP 。= 一1 5 巧u 虬 k w 半吨) 因为定子磁链砂。恒定，由式( 9 ) 可得： J 只一1 5 K “( 1 0 ) L Q 。= 一i 5 K ，M 。乒d Q ，P 。 ”一丽+ 丽 ( 1 1 ) P s ? L ，I i ，矗 Q 。 、 聪唧一丽+ 峨r 一丽， 川举他Q ， + 【一。一厶脏】 ， 3 滑模变结构控制方案 滑模控制器1 设计一般分为两个部分，一个是滑模面的 控制率。本文选择变指数趋近律“ 1 来设计滑模控制器。变 S = 一s I x l s g n ( s ) 一叼| s ，l i m l x I = o ，7 7 占 o ( 1 3 ) 1 ，s A s g n ( 1 s ) = s A ，Is I A ( 1 4 ) 【一1 s 一A ( 1 5 ) 式中：s ，、s p 分别为有功、无功功率滑模面；e ，= 只一r ，e 。 = Q 。一Q f 分别为有功、无功功率实际值与给定值的误差。 如果使系统稳定在滑模面上则5 ，= o ，s D = O 。 3 2 滑模控制器设计 将滑模面s 对时间求导，可得 出 出 P O e e 广血r P O K K + + P 0 e e = = P O S S ，、L 万方数据 【s 口= j Q + 。口= Q ，+ 8 口 A = 举二麓印 曰= 一舭一0 机】 f s P = 一占Pe Pf s g n ( s P ) 一叼P | s P 【s 口= 一占口Ie DI s g n ( 5 Q ) 一，7 口5 Q 式中：s ”即、伽、1 7 口为设定的变指数趋近律参数。 专= 【；： = A + 曰u 耐，。= 二三： ( 2 1 ) 滑模变结构控制器的控制律为 u 耐，。= 曰1 一A + 【二三：1 ：i ： ；：；：量】) c 2 2 ， 由此得到同步旋转坐标系下电压矢量，用于空间电压矢 量调制，实现逆变器开关频率恒定。根据以上分析得出图1 所示系统结构框图。 图1 系统结构框图 4 仿真研究 基于M A l r L A B S i m l l l i I l l 【平台，建立了基于定子磁链定向 的交流励磁双馈风力发电系统模型，对双馈风力发电机系统 矢量控制、文献 7 提出的恒定开关频率直接功率控制、滑模 变结构直接功率控制进行了分析对比和仿真验证。D n G 参 数为额定功率P = 4 k w ，额定电压u N = 3 8 0 V ，极对数n 。= 2 ， 船= 1 1 7 1 6 n ，鼬= 0 4 2 7 l n ，b = 0 1 6 7 H ，h = 0 1 6 9 H ，L 柚 = 0 1 6 l H ，逆变器开关频率为5 k H z 。 t ，5 ( a ) 定子侧有功、无功功率曲线 t ，s ( I ) ) 定子三相电流 i s ( c ) 转子三相电流 图2 矢量控制下系统响应 ( r ) 转子= 三相电流 图3 开关频率恒定直接功率控制下系统响应 图2 、图3 、图4 分别给出了矢量控制、开关频率恒定直 接功率控制、滑模变结构直接功率控制下系统响应曲线。无 功功率初始给定为O v a r ，0 6 s 时功率给定由O v a r 阶跃变为一 1 5 k v a r ；0 4 s 时有功功率给定由一1 k w 阶跃变为一2 k w 。通 过仿真对比可以看出，矢量控制、开关频率恒定直接功率控 制及滑模变结构直接功率控制均能实现系统有功、无功功率 解耦控制；应用直接功率控制的双馈风力发电系统在系统发 一8 7 一 、，、，、，、，、， 撕 “ 协 均 加 ，L，L，L，L，L 1_J 勘弗 口 P 田 叶 一 一 、，、， 口 P S S ，L，L n n g g S S 口 P e e 万方数据 oF = = = = F = = = = 丁 、Q ， 1 ( 】I ) 0 卜r 1 J 甲sL 叫 2 0 ( ) 【) E = = = 二二= = = = = = ：= 二= ! = 二z = = 二：d O30 4050 60 70 8 1 0 o _ _ 一1 0 0 4 0 t s O 607 O ，8 ( r ) 转子i 相电流 图4 滑模变结构直接功率控制下系统响应 生暂态变化时，其系统响应速度要远远快于矢量控制系统。 但是开关频率恒定直接功率控制策略下有功、无功功率波动 比矢量控制的波动大，这将使定子侧电流谐波增大；滑模变 结构直接功率控制暂态响应速度快，改善了恒定开关频率有 功、无功功率脉动大的问题，显示出优良的动、静态性能。 呈k - _ 罟0 _ H 一- _ ，5 0 0r = _ 弋r 二 i 珈。筐釜兰= = 兰= 一 0 30 4 O f s O6O 7O 8 ：一1 4 0 0 一1 6 0 0 ；。1 8 0 0 己- 2 0 0 0 一2 2 0 0 O 。1 4 0 0 之1 6 0 0 q 1 8 0 0 兰2 0 0 0 一2 2 0 0 0 ，S ( b ) 开关频率恒定直接功率控制下定子有功、无功功率曲线 D F I G 在实际运行中，电机参数会随着温度的升高发生 变化，如定、转子绕组电阻会随温升变化而变化，其对系统的 一8 8 一 控制性能影响较大。为考察系统对电机参数变化的鲁棒性， 假设D F I G 定、转子绕组电阻均增大一倍，互感L 。减小 2 0 。图5 给出了D F I G 参数变化后系统不同控制策略下的 响应曲线。可看到，矢量控制当电机参数变化后，其无功功 率的实际值与给定值出现一定的偏差；开关频率恒定直接功 率控制当电机参数变化后，其有功功率的实际值脉动很大； 滑模控制在滑动模状态下，系统响应仅与对象本身参数及滑 模面选择有关，而与系统参数变化、外界干扰无关。可看到 电机参数变化后滑模直接功率控制有功功率初始有轻微波 动，最终趋于给定值，无功功率实际值能很好地跟踪给定值。 因此，矢量控制和开关频率恒定直接功率控制在电机参数变 化后，其控制性能大大降低；滑模变结构直接功率控制对参 数变化具有极强的鲁棒性。 5 结论 本文提出了可用于双馈风力发电有效控制的滑模变结 构直接功率控制策略，通过与矢量控制、开关频率恒定直接 功率控制仿真对比分析，结果表明： 1 ) 滑模变结构直接功率控制不需要电流的旋转变换，控 制方法比较简单。 2 ) 滑模变结构直接功率控制具有动态响应快速，且能改 善系统有功、无功功率脉动较大的缺陷。 3 ) 滑模变结构直接功率控制对系统内部参数摄动及外 部干扰具有较强的鲁棒性，在风力发电中有很好的利用 价值。 参考文献： 1 刘其辉，贺益康，卞松江变速恒频风力发电机空载并网控制 J 中国电机工程学报，2 0 0 4 ，2 4 ( 3 ) ：6 一1 1 2 RP e n a ，Jcc l a r e ，GMA s h e r D o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o ru s i n gb a c k t o b a c kP W Mc o n v e r t e r sa n di t sa p p l i c a t i o nt ov a r i a b l e s p e e dw i n de n e r g yg e n e r a t i o n J s c h e m e c I E EP 1 1 0 c e e d i n g sE 1 e c t r i cp o w e rA p p l i c a t i o n s ，1 9 9 6 ，1 4 3 ( 3 ) ：5 8 7 5 9 1 3 苑国锋，等1 5 M w 变速恒频双馈风力发电机组励磁控制系统 试验研究 J 电工技术学报，2 0 0 9 ，2 4 ( 2 ) ：4 2 4 7 4 E t i e n n e7 r r e m b l a y ，s e i g i oA t a y d e ，A m b r i s hc h 蛐d r a c o m p 锄t i v e s t u d yo fc o n n D ls t m t e g i e sf o rt h ed o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o ri n w i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m s ：aD S P B a s e di m p l e m e n t a t i o na p p r o a c h 【J I E E ET r a n s a c t i o n so ns u s t a i n a b l eE n e T g y ，2 0 1 1 ，2 ( 3 ) 5 w o n s 蚰gK i m ，e ta 1 D i r e c tp o w e rc o n t m lo fad o u b l y6 甜i n d u c - t i o ng e n e I a t o rw i t ha6 x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c y J I E E EI n d u s t I y A p p l i c a t i o n sS o c i e t yA n n u a lM e e t i n g ，2 0 0 8 ：1 9 6 汪海波，周波，方斯琛永磁同步电机调速系统的滑模控制 J 电工技术学报，2 0 0 9 ，2 4 ( 9 ) ：7 l 一7 7 7 童克文，等基于新型趋近律的永磁同步电动机滑模变结构控 制 J 中国电机工程学报，2 0 0 8 ，2 8 ( 2 1 ) ：1 0 2 一1 0 6 ( 下转第1 9 6 页) 万方数据 图6 所示，其中图6 a 和图6 b 是无人体着装的服装，图6 c 和 图6 d 是着装在人体上的服装。 t 九l J 结 ：Hr 川l J 怍 M ，朱 图6 服装在风力作用下的结果图 6 结论 本文利用质点一弹簧模型构建了布料网格模型，采用上 面提到的方法建立了随机风场，比较逼真地模拟了所需要的 风场环境，从而在此基础上进行布料及服装在风力作用下的 动态变形。首先根据牛顿运动学对布料质点进行受力分析， 实时地更新质点的速度和位置，再利用0 p e n G L 图形库对布 料及服装在风力作用下的摆动现象进行模拟设计。与以往 的风场模型相比，本文的风场模型产生的随机效果更好，仿 真结果更加自然真实。通过调节实验中的不同参数，得到了 不同风力方向作用下的布料仿真结果，提高了该方法的适应 性。但是，本文在进行碰撞检测时并没有对布料及服装自身 之间进行检测，这对仿真结果也有一定的影响，需要在后面 的研究中对其进行改善。 参考文献： 1 C h e nY u j u a n ，N a d i a M a g l l e n a tT h a l m a n n ，F o s t e 卜A l l e nB r i 锄 P h y s i c a ls i m u l a t i o no fw e tc l o t h i n gf o rv i r t u a lh u m a n s J V i s u a l C o m p u t e r ，2 0 1 2 ，2 8 ( 6 8 ) ：7 6 5 7 7 4 2 P e n g G u a n ，e ta 1 D R A P E ：D r e s s i n ga I l yp e r s o n J A c M T R A N So nG r a p h i c s ，2 0 1 2 ，3 l ( 4 ) ：1 一1 0 3 c h e nx i a o w u ，e ta 1 O p t i m i z i n gn e i g h b o r h o o dp m j e c t i o nw i t hr e l a ) 【a t i o nf a c t o rf o ri n e x t e n s i b l ec l o t hs i m u l a t i o n J s p r i n g e rV i s u a l C o m p u t e r ，2 0 1 4 ，3 0 ( 4 ) ：4 3 1 4 4 2 4 s h iM i n ，M a oT i a n l u c l o t ha n i m a t i o nb a s e do np a n i c l em o d e l w i t hc o n s t r a i n t C P r o c e e d i n g s w o r k s h o po nD i g i t a lM e d i aa n d D i g i t a lC o n t e n tM a l l a g e m e n t ，2 0 11 ：1 4 l 1 4 5 5 M a oT i 蛐l u ，x i as h i h o n g ，w 蛐gz h a o q iE v a l u a t i n gs i m p l i f i e da i r f o r c em o d e I sf o rc l o t hs i m u l a t i o n c P m c e e d i n g s 一2 0 0 91 l t h I E E EI n t e m a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC o m p u t e r A i d e dD e s i g na n d C o m p u t e rG r 印h i c s ，2 0 0 9 ：8 1 8 6 6 “uz h i b i n ，uz h a n l i D y n a m i cc l o t h 锄i m a t i o ni nv i r t u a le n v i r o n m e n t s c P r o c e e d i n g so ft h eI n t e m a