永磁同步电机滑模控制系统研究

摘要 1.1研究背景 1.2研究意义 1.3研究内容 2永磁同步电机的矢量控制策略 2.1矢量控制的基本思想 32.1.2矢量控制变换的思路 2.2按转子磁场定向的矢量控制的实现 3永磁同步电机的功率控制 3.1风力发电的特点及控制要求 3.2永磁同步电机的动态特性 3.3并网型永磁同步电机的功率调节控制 3.3.1风力机的功率调节 4永磁同步电机滑模控制研究 4.1风力机的功率控制 4.2调频控制策略 4.2.1风电机转子惯性控制 4.3.1风力发电系统模型 4.4自适应滑模的双馈风机综合控制仿真 4.4.1系统负荷突增工况仿真 4.4.2系统负荷突减工况仿真 总结 于系统的"结构"不是固定不变的，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及偏差的各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定"滑动模态"的状态馈永磁同步电机的结构方式以及控制理论入手，主要对2MW双馈双馈永磁同步电机WindpowerisoneofthemostpromisingandtechnoresourcesWindpowergenerationisthemainformofhumanuseofwindpoweandwindpowergenerationtechnolouseBasedontheshorttermpredictionocorrespondingmultiobjectiveoptimizatiocontrolstandardandthevariconceivedandthemodelmodeofthenomeasurementforthegengeneratorTheoutputoftpowerfactoroftheunitbelowther效率最高最具有经济性的运行方式，其单机容量一般为20kW本文主要从双馈永磁同步电机的结构方式以及控制理论入手，主要对2MW双馈线性控制系统模型上进行控制器的设计，然后进行控制保持额定功率稳定输出的控制策略，设计了高于额定风速下PI控制器，同时，在实际2永磁同步电机的矢量控制策略2.1矢量控制的基本思想2.1.1矢量控制方法的提出在现代自动控制系统和机电一体化产品中普遍要求动作灵活、行动迅速、定位精任何一个机电传动、伺服系统，在工作中都要服从运动的基本方程来产生转子角加速度的动态转矩。若要对一个机电系统的动态性能进行有效地控制，须对电机的瞬时电磁转矩进行有效的控制。2.1.2矢量控制变换的思路由电机学可知，永磁同步电机多相对称绕组通以多相对称的电流时，能够产生磁场，见图2-1所示a)三相交流绕组b)两相交流绕组c)旋转的直流绕组旋转磁场的大小、转向、转速与合成磁场都相同时，图2-1a)和b)两套绕组是等效的。图2-1c)是两个匝数相等且互相垂直的M和T绕组，它们与旋转磁场同步旋转，M绕组的轴线与三相合成磁场方向平行，T绕组的轴线则与之垂直，绕组中分别通以直GG矢量变换控制的基本思想。图2-2是上述等效关系的结构图，从整体式看，是一台输入为A、B、C三相电压，输出为转速的永磁同步A-22.2按转子磁场定向的矢量控制的实现在模拟直流电动机转矩控制时，一般采用保持主磁通不变，调节控制电枢电流的方法，即应保持转子总磁链y,不变，改变T轴转矩电流分量。此外，永磁同步电机在进行变频调速时，频率改变，实时控制，调节电流的转矩分量i,,因此电流和频率动态协调的关系也应该是矢量控制时必须遵循的基本方程。按转子磁场定向的两相同步旋转坐标系上的数学模型中，电压方程如下由式(2-2)得到将式(2-3)代入式(2-2)中的第三行，得式(2-4)代入(2-3)中得到由(2-63)得电磁转矩方程同(2-67),即将式(2-63)代入式(2-9)得式(2-10)说明，当y,恒定时，矢量控制系统的转差频率在动态中也能与转矩成正比。由式(2-2)的第1,2行，和式(2-3)、(2-6)、(2-7)可得为漏磁系数为转子时间常数风能是一种稳定性较差，能量密度低的能源，由于风速永磁同步电机的动态特性是指构成机组的各部件的动态X转速速图3-1永磁同步电机动态特性对于定桨距恒速运行的永磁同步电机，当输入变化时，控制变距或变速永磁同步电机的设计，应考虑整机的结构动力风力机和发电机是风力发电中的两个关键部分，有限的速度和功率受到限制，因此风力机和发电机的功率和速度控制风力机采用的是气动功率的调节技术，在超过额定风速的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节3种，气动功率调节原理如图3-2所示。3.3.2定桨矩失速永磁同步电机的控制对于定桨距恒速的永磁同步电机，控制除了一般的起动、制动、并网控制等以外，当输入变化时，在额定风速以下，控制系统对机组只做很小的调整，例如当风向改变时，通过偏航控制系统调整航向，或在风速改变时，通过切换双速发电机实现两极变速，而其动态响应特性没有任何改变。因此，在输入变化时，永磁同步电机只有很小机会运行在最佳状态，其控制系统结构如图3-3所示。输出(电能)输入(风能)风力发电机组(1)双速异步发电机的运行控制双速异步发电机的运行状态，分为大发电机运行的高功率和小发电机运行的低功率两种状态，高风速时用4极的大发电机，同步转速为1500r/min;低风速时用6极小发电机，同步转速为1000r/min,大小发电机的切换通过功率控制来实现。(2)小发电机向大发电机的切换。小发电机向大发电机的切换，一般以平均功率或瞬时功率为预置切换点。当小发电机的输出功率在某个时间点上(一般为10min)的平均功率达到某一设定值或在一定时间内(例如5min的平均值达到某一设定值时，通过计算机控制自动切换到大发电机。为完成切换过程，发电机从电网脱离，风力将带动发电机转速迅速上升，在转速接近同步转速时通过电子开关(晶闸管)并入电网。(3)大发电机向小发电机的切换。当双速发电机在高输出功率状态运行时，若输出功率在一定时间内(例如5min平均值低于某一设定值时，或其输出功率持续一定时间内低于设定值，通过计算机系统自动地切换为小发电机运行。在大发电机向小发电机切换时，由于在脱网之前，发电机仍处于出力状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速进一步上升，为防止过速，保护装置应动作，迅速进行软并网，由电网负载将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机的软并网。(4)偏航系统的控制偏航系统是一个随动系统。当风向偏离风轮轴时，由检测元件检测的信号会与风向信号不一致，控制系统经过一段时间确认后，输出的控制信号控制偏航电动机，会使机组的叶片对准风向。偏航控制系统框图如图3-4所示。风向信号+风向信号+4永磁同步电机滑模控制研究4.1风力机的功率控制双馈发电机的定子直接和电网连接，转子通过一套双向功率变换器和电网相连，如图4-1所示。其风力机捕获的机械功率MP如式(4-1)所示：网网图4-1双馈风力发电机系统模型风速。当双馈风力机运行在低于额定风速时，通过控制发电机实现不同风速下的风机捕获功率P,的最大化，可通过维持最佳叶尖速度比，同时对风力机转速调节的方式来实对于给定的风速，叶尖速比最优时，每条功率曲线都有一个最大功率点，为了在变风速下均可以产生最大的功率，需要调节风力机的转速使其一直运行在最大功率点。将所有最大功率点的连接起来就是功率曲线，其数学关系可描述为：双馈风电机可以通过控制转子侧变流器的电流将转子侧的转速降到较低，相比定风速型风机能够提供更多的等效惯量。自适应滑模的双馈风机采用矢量控制技术能够实现电流和功率的解耦控制，这也使得转子的动能惯性被隐藏起来，当电网因切机，负荷变化和瞬时故障而引起系统频率变化时，无法响应频率的变化，因此需要在矢量控制的基础上加入惯性调节和有功4.2调频控制策略4.2.1风电机转子惯性控制发电系统的虚拟惯性能力显示了风电机组维持频率恒定的功能，让系统有充分的时间来控制机械功率创立新的功率平衡点，达到频率恒定。在电网系统频率突变时，双馈风力发电系统能够迅速调节电磁功率，调节风力机转速，释放和存储风电机组的转子动能，虚拟出较大可调节的惯性响应为系统提供有功支撑。转子惯性控制本质特性是：利用调节转子侧变流器的励磁电流，能够短时间内改变转子速度，达到释放或者存储风电机组的转子动能的作用，使双馈风力发电系统能迅速提供转动惯性响应电网频率的暂态波动。风电机组功率的参考值为：惯性控制的附加功率控制器添加基于频率偏差变化的附加功率△P。通过调节桨叶的迎风角度，来控制机械功率的大小，使双馈风力发电系统工作在最大功率跟踪点(或者下方某点),释放和存储风电机组的转子动能。在可控范围内随着桨距角增大，双馈风力发电系统提供的功率支撑会更大，功率—转速特性曲线如图4-2所示：当风力机稳定运行在最大功率点1时，系统频率为50Hz工频，输出功率为P1;若电网负载功率增加引起电网频率下降，则需要风电机组提供更多的有功功率支撑。通过减小桨距角β增加机组的风能捕获，提升输出功率，如从点1上升到3,此时机组输出功率从P1上升到P3;反之，当电网负载减小，电网频率上升，桨距角增大，风能捕获降低，运行点从1到2,机组减载运行提供更多的功率备用。图4-2功率-转速特性曲线在通过变桨控制实现最大功率点跟踪的研究中，文献通过叶片桨距角调节进行调频，未能考虑虚拟惯性的影响；文献结合桨距角调节和虚拟惯性，考虑了频率偏差和功率偏差反馈，但没有考虑功率的备用。本项目在综合考虑桨距角调节和虚拟惯性的基础上，通过增加有功备用和转速偏差反馈，为二次调频提供功率支撑，得到了改进型双馈风电机组的变桨控制方程：式(4-6)中：K为频率偏差比例系数；β,为在转速恒定区时的桨距角；β为减4.3永磁同步电机滑模仿真模型在MATLAB中搭建如图4-3所示仿真系统模型来验证双馈风力发电系统参与电网频率调节的作用，该仿真系统模型包括四台常规机组，分布在两个区域中，区域1包括机组1和2,区域1的所有负荷接入节点7,有功负荷为967MW;机组3和4位于区域2中，节点9为负荷节点，有功负荷为1767MW,每台机组都装有调速器、电力系统稳定器和励磁系统，两区域通过中间线8互相联接。风电场包括250台2MW的双馈风电机组，总容量为500MW,C1和C2为无功功率补偿装置。尸P尸P+.re+)P+转子侧变流器×+df(2)变桨控制器模型控制的一次调频控制器如图4-5所示。图4-5一次调频控制结构图控制器有虚拟惯性控制模块和变桨距控制器，虚拟惯性控制模块的主要功能是调节功率曲线，能快速降低电网早期的频率波动。虚拟惯性控制模块中包含转速恢复启动模块和转速保护系统模块，转速恢复启动模块待系统频率恢复稳定后，进行转速恢4.4自适应滑模的双馈风机综合控制仿真仿真风速为10m/s,双馈风力发电系统运行在提供20%功率备用初始状态，系统在故障的工况。并对节点8的频率响应特性进行观察分析，节点8位于两区域的中间位考虑在节点7突然增加200MW有功功率负荷，分别在以下情形时，对系统的频最大频率偏离Afmm(H₂)稳定时间t(s)(1)不参与频率调节(2)采用惯性控制调频策略8(3)采用改进变桨控制调频策略(4)采用综合调频控制策略6图4-7显示了四种不同控制策略情形下双馈风力发电系统提供有功功率的情况。在使用惯性控制调频策略时，发电系统提供的功率响应曲线有明双馈风力发电系统给电网提供的功率支撑比采用改进控制策略供的功率响应曲线较平缓，效果较好，不会造成频率波动过大率响应曲线可知：当双馈风力发电系统提供功率调频时，系在调节电网频率的暂态过程中，双馈风力发电系统利用调节风力机转速，释放和存储风电机组的转子动能，虚拟出较大可调节的惯性响应来增加额外的有功支撑。双馈风电机组参与频率调节时，电网负荷突增会导致风力机转速降低，惯性控制策略的转速比改进控制策略下和综合调频控制的转速降低程度小，采用综合调频控制时，其转速下降程度比虚拟惯性控制恢复到最佳转速的时间短。结合频率响应曲线可知，综考虑在节点7突然减少200MW有功功率负荷，分别在四种不同控制策略情形时，(ZH)