双馈风力发电机的高阶滑模控制

1、中国科技论文在线- PAGE 10 - FORMTEXT 双馈风力发电机的高阶滑模控制 FORMTEXT 陈滨， FORMTEXT 冯勇， FORMTEXT 周铭浩作者简介：陈滨（1987-），男，硕士，电气工程、风力发电通信联系人：冯勇（1962-），男，教授，主要从事电力电子与电力传动、高阶滑模控制等的研究. E-mail: yfengSET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5S

2、ET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1

3、.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkCompanyEN School of Electrial Engineering and Autom

4、ation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001;School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001;School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001 * MERGEFORMATSchool of Electrial Engineering and Automation,Harb

5、in Institute of Technology,Harbin 150001;School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001;School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001SET bkCompanyCHN 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001;

6、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001 * MERGEFORMAT哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001SET bkPostcode 150001;150001; * MERGEFORMAT150001;150001;SET bkMobile13603616465; * MERGEFORMA13603616465;SET bkTelphone 86415601;86415601; * MERG

7、EFORMAT86415601;86415601;SET bkAddress 黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室;黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室; * MERGEFORMAT黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室;黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室;SET bkEmail ;yfeng;Zhouminghaopeter * MERGEFORMAT;yfeng;ZhouminghaopeterSET bkIntroduction 陈滨（1987-），男，硕士，电气工程、风力发电;冯勇（1962-），男，教授，主要从事电力电子

8、与电力传动、高阶滑模控制等的研究;周铭浩（1986-），男，博士，电气工程、电机控制 * MERGEFORMAT陈滨（1987-），男，硕士，电气工程、风力发电;冯勇（1962-），男，教授，主要从事电力电子与电力传动、高阶滑模控制等的研究;周铭浩（1986-），男，博士，电气工程、电机控制SET bkAuthorCHN 陈滨;冯勇;周铭浩 * MERGEFORMAT陈滨;冯勇;周铭浩SET bkAuthorEN Chen Bin;Feng Yong;Zhou Minghao * MERGEFORMATChen Bin;Feng Yong;Zhou MinghaoSET bkContact 冯

9、勇 * MERGEFORMAT冯勇SET bkFund * MERGEFORMAT SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SE

10、T version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkReferencesInfo 1*|*期刊*|*M Liserre,R Cardenas.Overview of multi-MW wind turbines and wind parksJ.IEEE Trans.on Power Electrionics,2011,58(4):1084-1095.2*|*期刊*|*A Levant.

11、Quasi-continuous high-order sliding-mode controllersJ.IEEE Conference.on Decision and Control,2003:4605-4610.3*|*学位论文*|*张学广.变速恒频双馈风电机组并网控制策略研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.4*|*学位论文*|*赵阳.风力发电系统用双馈感应发电机矢量控制技术的研究D.武汉:华中科技大学,2008.5*|*期刊*|*戴晖,沈锦飞.基于定子磁链的双馈电机矢量控制系统的研究J.电工电气,2010,(8):5-8.6*|*期刊*|* Qizhong L, Lan Y.Co

12、mparison of control strategy for Double-fed induction generatorJ.Proc.3rd ICMTMA,2011,(1):741-744.7*|*期刊*|*Yong Feng,Xinghuo Yu and Xuemei Zheng.Secon-order terminal sliding mode control of Input-Delay systems.Asian Journal of Control,2006,(8):12-20. * MERGEFORMAT1*|*期刊*|*M Liserre,R Cardenas.Overvi

13、ew of multi-MW wind turbines and wind parksJ.IEEE Trans.on Power Electrionics,2011,58(4):1084-1095.2*|*期刊*|*A Levant.Quasi-continuous high-order sliding-mode controllersJ.IEEE Conference.on Decision and Control,2003:4605-4610.3*|*学位论文*|*张学广.变速恒频双馈风电机组并网控制策略研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.4*|*学位论文*|*赵阳.风力发电系统用双

14、馈感应发电机矢量控制技术的研究D.武汉:华中科技大学,2008.5*|*期刊*|*戴晖,沈锦飞.基于定子磁链的双馈电机矢量控制系统的研究J.电工电气,2010,(8):5-8.6*|*期刊*|* Qizhong L, Lan Y.Comparison of control strategy for Double-fed induction generatorJ.Proc.3rd ICMTMA,2011,(1):741-744.7*|*期刊*|*Yong Feng,Xinghuo Yu and Xuemei Zheng.Secon-order terminal sliding mode cont

15、rol of Input-Delay systems.Asian Journal of Control,2006,(8):12-20.SET bkAuthorsInfo |1|陈滨|Chen Bin|哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001|School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001|陈滨（1987-），男，硕士，电气工程、风力发电|黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室|150001|86415601/p>

16、*|2|冯勇|Feng Yong|哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001|School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001|冯勇（1962-），男，教授，主要从事电力电子与电力传动、高阶滑模控制等的研究|黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室|150001|yfeng|864156013|周铭浩|Zhou Minghao|哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001|School of Ele

17、ctrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001|周铭浩（1986-），男，博士，电气工程、电机控制|Zhouminghaopeter| * MERGEFORMAT|1|陈滨|Chen Bin|哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001|School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001|陈滨（1987-），男，硕士，电气工程、风力发电|黑龙

18、江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室|150001|86415601|2|冯勇|Feng Yong|哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001|School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001|冯勇（1962-），男，教授，主要从事电力电子与电力传动、高阶滑模控制等的研究|黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学一区电机楼10023室|150001|yfeng|864156013|周铭浩|Zho

19、u Minghao|哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001|School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001|周铭浩（1986-），男，博士，电气工程、电机控制|Zhouminghaopeter|SET bkTitleInfo 双馈风力发电机的高阶滑模控制|High-order Siliding Mode Control of Doubly-fed Induction Generator| * MERGEFORMAT双馈风力发电机的高阶滑模控

20、制|High-order Siliding Mode Control of Doubly-fed Induction Generator|（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT 摘要： FORMTEXT 在变速恒频风力发电系统中，双馈发电机已成为一种最重要的发电机，因此研究新型控制策略来实现双馈发电机的安全、稳定、高效运行具有重要意义。双馈发电机是个多变量、强耦合的非线性系统，传统的线性控制策略难以实现双馈发电机好的动静态性能。高阶滑模控制策略是一种鲁

21、棒性强、收敛速度快、跟踪精度高的非线性控制策略，同时它还克服了传统滑模控制理论中的抖振问题。本文基于双馈发电机在两相同步旋转坐标系（dq）下的数学模型，根据高阶滑模控制理论设计了双馈发电机的速度和了电流控制器，通过计算机仿真来验证了所设计的高阶滑模控制器的有效性。关键词： FORMTEXT 风力发电；矢量控制；高阶滑模控制中图分类号： FORMTEXT TM315SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT FORMTEXT High-order Siliding Mode Control of Doubly-fed

22、 Induction Generator FORMTEXT Chen Bin1, FORMTEXT Feng Yong1, FORMTEXT Zhou Minghao2(1. School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001;2. School of Electrial Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001)Abstract: FORMTEXT Doubl

23、y-fed induction generator is the most important generator used for VSCF wind power generation system. so researching on new control strategy to ensure safe, stable and efficient operation of DFIG has important meaning. As DFIG is a multiple variables, strong coupling and nonlinear system, which make

24、s it difficult to use traditional linear control strategy to control the DFIG with good dynamic and static performance. High-order sliding mode control strategy has many important advantages, such as strong robustness，fast convergence，high tracking accuracy and ability to eliminate the chattering ph

25、enomenon existing in the conventional sliding mode control. In this paper, speed and current controllers of DFIG are designed based on the mathematical mode of DFIG in d-q synchronous rotating reference frame and the high-order sliding mode control theory. The validity of the proposed method has bee

26、n verified by computer simulation. Key words: FORMTEXT Wind power; Vector control; High-order sliding mode control引言风能是种世界上存在广泛、蕴藏量大、易被利用、可再生的绿色能源。利用风能来代替石油、煤炭等不可再生化石能源是解决能源和环境问题的有效途径。目前基于双馈发电机的风力发电机组在风电市场中所占的份额超过50%1，并且双馈电机也在向大容量发展，双馈发电机安全稳定运行不仅关系到风电机组的安全，而且关系到电网的安全稳定。高阶滑模控制2是由以A.Levent为代表的一批研究人员提出

27、的,它有效的消除了传统滑模中的抖振问题，这是滑模控制理论发展的一个巨大进步。高阶滑模控制具有很好的抗干扰能力，因此设计高阶滑模控制器有利于提高双馈发电机抗干扰能力，从而使得双馈发电机的安全、稳定运行。同时高阶滑模控制响应速度快、跟踪精度高的优点，有利于提高发电机的效率。本文采用定子电压定向的矢量控制方法3来实现对双馈电机的控制，这种控制方法具有转速、无功功率外环和电流内环的双闭环结构。双馈发电机的数学模型双馈发电机的定子直接与电网连接，转子接交流励磁电源，通过对转子电流的控制可以实现对电机转速或功率的控制。本文在建立双馈电机数学模型时，定、转子绕组均采用电动机惯例，定、转子绕组电流以流入为正,

28、则它在两相同步旋转坐标系(dq)下的数学模型4为：(1)电压方程： （1-1）(2)磁链方程： （1-2）(3)转矩方程： （1-3）(4)运动方程： （1-4）(5)功率方程： (1-5)式中，、为定子磁链d、q轴分量；、为转子磁链d、q轴分量；，为定子电压d、q轴分量；，为转子电压d、q轴分量；，为定子电流d、q轴分量；，为转子电流d、q轴分量；为定子旋转角速度；为转子旋转电角速度；为转差角速度，；为dq轴坐标系下；为dq轴坐标系下转子等效两相绕组自感；为dq轴坐标系下定子与转子等效两相绕组自感；定子电阻；转子电阻；为电机极对数；为发电机转动惯量；为摩擦系数；负载转矩，也是风力机给双馈发电

29、机的拖动转矩，当此转矩为负时，双馈电机运行于发电状态；、分别为定子有功及无功功率。高阶滑模控制器设计双馈发电机的矢量控制矢量控制首先应用到了鼠笼式异步电机中，使鼠笼式异步电机调速系统获得了可以和直流电机调速系统相媲美的动、静态性能。目前已被应用到了双馈发电机控制中，并且成为了双馈发电机控制最为常用的一种方法。双馈发电机矢量控制中最为常用的是定子电压定向的矢量控制和定子磁链定向的矢量控制5。采用定子磁链定向时会存在定子磁链观测不准确的问题6，定向不准确影响双馈发电机调速系统的动、静态性能，因此本文采用定子电压定向的矢量控制技术来对双馈发电机进行控制。定子电压定向的矢量控制原理图如图1所示。 图1

30、 定子电压定向的矢量控制原理图将两相同步旋转坐标系的d轴与定子电压矢量方向重合，则，（为定子电压矢量幅值）在忽略定子电阻值时可得，。由磁链方程(1-2)式中的定子磁链方程可推得下式： （2-1）将(2-1)式带人（1-2）式中的转子磁链方程得： （2-2）其中，将(2-2)式代入电压方程(1-2)式中的转子电压方程，可得定子电压定向下转子电压方程表达式： （2-3）将定子电压定向下定子磁链值代入（1-4）式，可得定子电压定向下的运动方程： （2-4）将（2-1）式代入(1-5)得： （2-5）控制器设计(1)转速控制器设计定义转速误差为，误差方程为： (2-6)对误差进行求导并将(2-4)式代

31、入得： （2-7）本文采用终端滑模模面7，滑模面方程为： （2-8）式中，且为奇数。控制律的设计如下： (2-9) (2-10) (2-11) （2-12）式中，。为证明所设计控制器的渐进稳定性，选取下面的李雅普诺夫函数进行证明： (2-13)对上式求导得： (2-14)证明：将(2-6)、(2-8) 、(2-9)代入(2-7)得： (2-15)对上式求导得： (2-16)将上式代入（2-13）得：由于，则： 对于 由李雅普诺夫定理知，系统将在有限时间内到达滑模面，当系统到达滑模面时有，进而有，系统稳定在参考点。（2）d轴电流控制器设计定义d轴电流的误差为，误差方程为： （2-17）对误差进行

32、求导并将(2-3)式转子d轴电压方程代入得： （2-18）终端滑模面方程为： （2-19）式中，且为奇数。控制律设计如下： （2-20） （2-21） （2-22） （2-23）式中，。(3) q轴电流控制器设计定义q轴电流误差为，误差方程为： （2-24）对误差进行求导并将(2-3)式转子q轴电压方程代入得： （2-25）终端滑模面方程为： （2-26）式中，且为奇数。控制律的设计如下： （2-27） （2-28） （2-29）式中，。转子d、q轴电流控制器的稳定性证明与转速控制器稳定性证明的方法相同，文中不再论述。(4)无功功率控制器设计由式(2-5)知，采用定子电压定向后，转子电流实现解耦，为有功电流分量，为无功电流分量。选取为控制变量可以实现对双馈电机无功功率的控制。无功功率控制器采用PI控制方法设计如下： (2-30)式中，、分别为比例、积分项的增益。仿真研究双馈发电机参数：，。仿真结果中注有“HSML”是高阶滑模控制的仿真结果，注有“SML”是传统滑模控制的仿真结果。无功功率的给定值。 图2 给定转速 图3转子转速 图4 转速误差 图5 转子a相电流图6 定子a相电流 图7 定子无功功率 图8 负载转矩 图9 电磁转矩 图10 转子d轴电压 图11 转子q轴电压从图2图4中可以看出在负载转矩变化的情况下，双馈发电机能够在快速准确的跟踪给定转