CN104065320B - 双馈风力发电机组无速度传感器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的双馈风力发电机组无速度传感器控制方法，该控制方法是将滑模控制与模型参考自适应控制进行有机的整合，选取双馈风力发电机的定子电流测量值作为参考模型，定子电流可调模型由定子磁链及转子电流获得，利用两模型输出的叉积构造了滑模面，通过滑模算法获得转子位置和转速，实现双馈风力发电机的矢量控制策略。本发明所提出的控制技术算法较简，不仅可以降低发电机的成本、降低硬件的复杂性、对双馈电机的参数变化及负载扰动具有较强的鲁棒性，并且可靠性好，较易实施，具有较强的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种双馈风力发电机组无速度传感器控制方法。
背景技术
风能作为一种洁净无污染的可再生能源，是一种最具有竞争力的非常规能源。变速恒频双馈风力发电技术由于具有风能转换效率高、机电系统柔性连接、功率因数可调、励磁变换器容量小等特点，成为当前风力发电流行机组之一。在双馈电机(doubly-fedinduction generator，DFIG)的矢量控制中，需要获得转子的速度和位置信息。目前，国内外的双馈机组大多通过安装光电编码器等机械传感器直接进行速度检测，但高精度的位置传感器存在着价格昂贵、安装复杂、维护工作量大等缺陷，且传感器和控制器之间需要较长电缆，因而大大降低了运行环境比较恶劣的风力发电系统的可靠性。但从理论的角度，可以通过双馈电机的电压、电流获得电机的转速和转子位置角度，即双馈风力发电机不需要光电编码器等机械传感器仍然可以实现磁场定向的矢量控制。双馈风力发电机采用无速度传感器的矢量控制技术能够省去传感器和控制器之间电缆，大大提高了运行环境比较恶劣的风力发电系统的可靠性，也解决了高精度的位置传感器存在着价格昂贵、安装复杂、维护工作量大等缺陷问题。
在中国发明专利申请公开说明书CN101388639A中公开了一种双馈风力发电机无位置传感器矢量控制方法，该方法采用的是基于定子磁链的模型参考自适应速度辨识方法，该方法具有良好的动静态性能，但在工程应用过程中存在的主要问题：(1)该方法的前提条件必须有转子励磁。原因是当转子电流为0时，不含估测转子角度项，无法正确辨识转子位置。(2)该方法利用“电压型磁链观测模块”获得转子磁链为避免转子反电动势在低速及零频率时纯积分的初始值和积分漂移，增加了算法的复杂性。(3)该方法在静止坐标系中设计观测器，PI控制器需要调节复杂的增益系数，在实施上有一定难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双馈风力发电机组无速度传感器控制方法，该方法所提出的控制技术算法较简，不仅可以降低发电机的成本、降低硬件的复杂性、对双馈电机的参数变化及负载扰动具有较强的鲁棒性，并且可靠性好，较易实施，具有较强的工程应用价值。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
双馈风力发电机组无速度传感器控制方法，包括下述步骤：
(1)检测定子线电压usab、usbc，定子两相相电流isa、isb以及转子两相相电流ira、irb；
(2)利用定子线电压usab、usbc获得定子三相电压usa、usb、usc，再通过锁相环(PLL)技术得到定子电压空间矢量的幅值及其矢量角θs，再将定子电压矢量角θs进行微分运算，得到同步旋转角速度ωs；
(3)将所述定子三相电压usa、usb、usc再经过Clarke变换得到定子两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ；将所述定子两相相电流isa、isb经过Clarke变换得到定子两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ；将所述转子两相相电流ira、irb经过Clarke变换得到转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ；
(4)将所述定子两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ和定子电流isα、isβ及转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ通过变结构模型参考自适应观测器得到转子位置角θr和转子转速ωr；
(5)利用定子电压矢量角θs与转子位置角θr相减得到转差角θsl(θsl＝θs-θr)，以θsl作为Park变换的变换角对所述转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的转子电流ird、irq；
(6)将所述定子电压矢量角θs作为Park变换的变换角对所述定子两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的定子电流isd、isq；
(7)根据同步旋转角速度ωs、转子转速ωr、定子电压矢量的幅值、同步旋转dq坐标系下的定子电流isd、isq和转子电流ird、irq，利用交叉耦合项计算出前馈补偿项urdc、urqc，并计算有功电流和无功电流的参考值
(8)将所述转子有功电流和无功电流的参考值与转子电流反馈值ird、irq分别相减，其偏差经PI调节后得到解耦项u'rd、u'rq；解耦项u'rd、u'rq分别加上前馈补偿项urdc、urqc得到同步旋转dq坐标系下的转子电压参考值将 以转差角θsl为变换角进行Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的转子电压参考值再将进行Clarke逆变换得到转子三相电压参考值
(9)根据进行SPWM调制产生机侧变换器的驱动信号，实现对双馈电机空载并网及发电运行控制。
具体的，步骤(4)包括如下步骤：
(a)将所述两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到定子电压矢量us；将所述两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到定子电流矢量is；将所述两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到转子电流矢量ir；
(b)将所述定子电压矢量us、定子电流矢量is、转子电流矢量ir和转子位置角θr送入可调模型，得到可调的定子静止坐标系下定子电流矢量
(c)将所述定子静止坐标系下定子电流矢量is和所述可调的定子静止坐标系下定子电流矢量作叉积运算；
(d)将步骤(c)计算得到的叉积结果作为滑模面进行变结构调节，经过低通滤波后得到辨识转速进而对该辨识转速积分后得到辨识转子位置角
(e)将辨识转子位置角作为可调模型的变换角，重复步骤(b)～(d)，直至可调模型输出的定子电流矢量能够跟踪参考模型输出的定子电流矢量is，输出辨识转速和辨识转子位置角则该辨识转速即为转子转速ωr，辨识转子位置角即为转子位置角θr。
所述步骤(b)包括如下步骤：
(A)将所述的定子电压矢量us和定子电流矢量is经计算式ψs＝∫(us-Rsis)dt得到定子磁链矢量ψs，其中Rs为定子电阻；为避免电压模型中纯积分的积累误差而形成的直流分量，采用一阶惯性环节；
(B)将所述的定子磁链矢量ψs、转子电流矢量ir和转子位置角经计算式得到可调的定子静止坐标系下定子电流矢量其中Ls为定子电感。
本发明的有益效果是：本发明将滑模控制与模型参考自适应控制进行有机的整合，选取双馈风力发电机的定子电流测量值作为参考模型，定子电流可调模型由定子磁链及转子电流获得，利用两模型输出的叉积构造了滑模面，通过滑模算法获得转子位置和转速，实现双馈风力发电机的矢量控制策略。该方法所提出的控制技术算法较简，不仅可以降低发电机的成本、降低硬件的复杂性、对双馈电机的参数变化及负载扰动具有较强的鲁棒性，并且可靠性好，较易实施，具有较强的工程应用价值。
附图说明
图1为双馈电机无速度传感器矢量控制原理图；
图2为变结构MRAS速度和转子角度辨识算法原理图；
图3为交叉耦合项计算的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本专利发明依据如下：
(1)变结构模型参考自适应辨识转速的主要思想是将定子电流测量值作为参考模型，定子电流可调模型由定子磁链及转子电流获得，利用两个模型输出量的叉积构成滑模面，通过滑模算法获得双馈风力发电机的转速，并进行积分运算进而获得转子电气角度，再利用这个估计的角度来修正可调模型的参数及参与双馈电机的矢量变换，使得受到随机与不确定性因素影响的实际系统的转速能够跟踪给定转速，即使得：
式中，
(2)基于定子电流的双馈风力发电变结构模型参考自适应辨识转速算法中可调模型的构造如式(2)。
其中，
ψs＝∫(us-Rsis)dt (3)
式中，us、is、ψs分别代表两相静止坐标系中定子电压、电流、磁链矢量；为定子电流矢量的估计值；ir为两相静止坐标系中转子电流矢量。为了避免电压模型中纯积分的积累误差而形成的直流分量，采用了一阶惯性环节。
(2)基于定子电流的双馈风力发电机变结构模型参考自适应辨识转速算法
令：
定义如下切换函数：
s＝e (5)
考虑两相静止坐标系，则式(5)可化为
若采用常值切换控制法，可得速度估算表达式如下：
式中，M为一个大于零的常数，sgn()为符号函数。此式表明，推算的速度是切换函数的离散函数，其低频分量即为等效速度。
滑动模态存在和到达条件分析。由估计模型式可得
在稳态工作点可得
对切换函数S求导，并考虑式(7)～(9)，可得：
由于函数f具有大于0的上限，由式(10)可知，则存在充分大的正常数M满足式(10)滑模存在的充分条件，即满足如下不等式：
如果系统进入滑动模态控制，则考虑式(10)，可得等效转速ωeq表达式如下：
此式表明，当估算磁链收敛于参考磁链时，等效速度收敛于真实速度。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
双馈风力发电机是一个非线性、强耦合、多变量的系统，为了简化分析，通常只考虑双馈风力发电机气隙基波磁场的作用，并忽略铁损和铁磁的非线性、绕组的集肤效应以及定转子绕组的温升。当双馈电机定、转子侧均采用电动机惯例，根据坐标变换关系，可得同步旋转dq坐标系下的双馈电机数学模型。其中，电压方程为:
式中：usd、usq、urd、urq—分别为定、转子d、q轴电压；isd、isq、ird、irq—分别为定、转子d、q轴电流；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq—分别为定、转子d、q轴磁链；Rs、Rr—分别为定、转子电阻；ωs—为同步角频率；ωsl—为转差角频率(ωsl＝sωs，s为转差率)；p—为微分算子。
磁链方程为：
式中：Ls、Lr—分别为定、转子自感；Lm—为定、转子间互感。
电磁转矩方程为：
式中：Te—电磁转矩；np—电机极对数。
当采用定子电压定向时，双馈风力发电机的定子有功功率与无功功率实现了解耦控制，即控制转子电流的q轴分量就可以控制定子有功功率，控制转子电流的d轴分量就可以控制定子无功功率。
根据双馈风力发电机的数学模型，利用测量的定转子电压、电流可以推出其转子的转速和位置。因此，理论上双馈风力发电机可以实现无位置传感器的矢量控制。本发明即是根据该理论基础设计的一种无位置传感器的矢量控制方法。图1为本发明双馈电机定子电压定向的无速度传感器矢量控制策略原理图。如图所示，本发明双馈电机定子电压定向的无速度传感器矢量控制方法，包括以下步骤实现：
(1)检测定子线电压usab、usbc，定子两相相电流isa、isb以及转子两相相电流ira、irb；
(2)利用定子线电压usab、usbc获得定子三相电压usa、usb、usc，再通过锁相环(PLL)技术得到定子电压空间矢量的幅值及其矢量角θs，再将定子电压矢量角θs进行微分运算，得到同步旋转角速度ωs；
(3)将所述定子三相电压usa、usb、usc再经过Clarke变换得到定子两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ；将所述定子两相相电流isa、isb经过Clarke变换得到定子两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ；将所述转子两相相电流ira、irb经过Clarke变换得到转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ；
(4)将所述定子两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ和定子电流isα、isβ及转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ通过变结构模型参考自适应观测器得到转子位置角θr和转子转速ωr；
(5)利用定子电压矢量角θs与转子位置角θr相减得到转差角θsl(θsl＝θs-θr)，以θsl作为Park变换的变换角对所述转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的转子电流ird、irq；
(6)将所述定子电压矢量角θs作为Park变换的变换角对所述定子两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的定子电流isd、isq；
(7)根据同步旋转角速度ωs、转子转速ωr、定子电压矢量的幅值、同步旋转dq坐标系下的定子电流isd、isq和转子电流ird、irq，利用交叉耦合项计算出前馈补偿项urdc、urqc，并计算有功电流和无功电流的参考值
(8)将所述转子有功电流和无功电流的参考值与转子电流反馈值ird、irq分别相减，其偏差经PI调节后得到解耦项u'rd、u'rq；解耦项u'rd、u'rq分别加上前馈补偿项urdc、urqc得到同步旋转dq坐标系下的转子电压参考值将 以转差角θsl为变换角进行Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的转子电压参考值再将进行Clarke逆变换得到转子三相电压参考值
(9)根据进行SPWM调制产生机侧变换器的驱动信号，实现对双馈电机空载并网及发电运行控制。
其中，步骤(4)中利用定子两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ和定子电流isα、isβ及转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ通过变结构模型参考自适应观测器得到转子位置角θr和转子转速ωr，是本发明实施双馈风力发电机组无速度传感器控制的关键。该变结构模型参考自适应观测器的主要思想是将定子电流测量值作为参考模型，定子电流可调模型由定子磁链及转子电流获得，利用两个模型输出量的叉积构成滑模面，通过滑模算法获得双馈风力发电机的转速，并进行积分运算进而获得转子电气角度以用来调节可调模型的参数及参与双馈电机的矢量变换，使得受到随机与不确定性因素影响的实际系统的转速能够跟踪给定转速。图2为该变结构MRAS辨识转速和转子位置的原理图。如图所示，所述步骤(4)包括如下步骤：
(a)将所述两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到定子电压矢量us；将所述两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到定子电流矢量is；将所述两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到转子电流矢量ir；
(b)将所述定子电压矢量us、定子电流矢量is、转子电流矢量ir和转子位置角θr送入可调模型，得到可调的定子静止坐标系下定子电流矢量
(c)将所述定子静止坐标系下定子电流矢量is和所述可调的定子静止坐标系下定子电流矢量作叉积运算；
(d)将步骤(c)计算得到的叉积结果作为滑模面进行变结构调节，经过低通滤波后得到辨识转速进而对该辨识转速积分后得到辨识转子位置角
(e)将辨识转子位置角作为可调模型的变换角，重复步骤(b)～(d)，直至可调模型输出的定子电流矢量能够跟踪参考模型输出的定子电流矢量is，输出辨识转速和辨识转子位置角则该辨识转速即为转子转速ωr，辨识转子位置角即为转子位置角θr。
其中，步骤(b)包括如下步骤：
(A)将所述的定子电压矢量us和定子电流矢量is经计算式ψs＝∫(us-Rsis)dt得到定子磁链矢量ψs，其中Rs为定子电阻；为避免电压模型中纯积分的积累误差而形成的直流分量，采用一阶惯性环节；
(B)将所述的定子磁链矢量ψs、转子电流矢量ir和转子位置角经计算式得到可调的定子静止坐标系下定子电流矢量其中Ls为定子电感。
由上述步骤可知，本发明的变结构模型参考自适应观测器将定子电流测量值作为参考模型，定子电流可调模型由定子磁链及转子电流获得，通过调节转子位置角使可调模型直至跟踪参考模型，此时可以认为转子位置角即为真值。
图3为交叉耦合项计算的原理图，用于计算矢量控制过程中的交叉耦合项。由于DFIG的定子绕组接入无穷大电网，可近似认为定子电压的幅值、频率保持恒定。工频时定子电阻的压降远小于定子的电抗压降(可以忽略不计)，定子磁链与定子电压相位差为90°电角度。当采用定子电压定向，即将同步旋转dq坐标系的q轴与定子的电压矢量重合，顺时针旋转90°的方向为d轴方向，且dq坐标系与电压矢量以相同的速度旋转，则定子电压矢量恰好位于该坐标系的q轴上，即
由此可得，定向后的双馈电机定子电压方程式(13)简化为：
由定子磁链方程式(15)得：
式(20)表明，在定子磁链恒定不变的情况下(即稳态运行时)，双馈风力发电机定子d、q轴电流isd、isq分别与转子d、q轴电流ird、irq成线性关系。
将式(8)代入转子磁链方程式(4)得：
综合考虑式(14)、式(19)及式(21)并忽略定子电阻，可得：
式中：σ—为漏磁系数，Δurq、Δurd—分别为消除转子电压、电流交叉耦合项。
本发明所述的控制方法是将滑模控制与模型参考自适应控制进行有机的整合，选取双馈风力发电机的定子电流测量值作为参考模型，定子电流可调模型由定子磁链及转子电流获得，利用两模型输出的叉积构造了滑模面，通过滑模算法获得转子位置和转速，实现双馈风力发电机的矢量控制策略。该方法所提出的控制技术算法较简，不仅可以降低发电机的成本、降低硬件的复杂性、对双馈电机的参数变化及负载扰动具有较强的鲁棒性，并且可靠性好，较易实施，具有较强的工程应用价值。
Claims (2)
1.双馈风力发电机组无速度传感器控制方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)检测定子线电压usab、usbc，定子两相相电流isa、isb以及转子两相相电流ira、irb；
(2)利用定子线电压usab、usbc获得定子三相电压usa、usb、usc，再通过锁相环(PLL)技术得到定子电压空间矢量的幅值及其矢量角θs，再将定子电压矢量角θs进行微分运算，得到同步旋转角速度ωs；
(3)将所述定子三相电压usa、usb、usc再经过Clarke变换得到定子两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ；将所述定子两相相电流isa、isb经过Clarke变换得到定子两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ；将所述转子两相相电流ira、irb经过Clarke变换得到转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ；
(4)将所述定子两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ和定子电流isα、isβ及转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ通过变结构模型参考自适应观测器得到转子位置角θr和转子转速ωr；
具体地，步骤(4)包括如下步骤：
(a)将所述两相静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到定子电压矢量us；将所述两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到定子电流矢量is；将所述两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ经过直角坐标到极坐标的坐标变换后得到转子电流矢量ir；
(b)将所述定子电压矢量us、定子电流矢量is、转子电流矢量ir和转子位置角θr送入可调模型，得到可调的定子静止坐标系下定子电流矢量
(c)将所述定子静止坐标系下定子电流矢量is和所述可调的定子静止坐标系下定子电流矢量作叉积运算；
(d)将步骤(c)计算得到的叉积结果作为滑模面进行变结构调节，经过低通滤波后得到辨识转速进而对该辨识转速积分后得到辨识转子位置角
(e)将辨识转子位置角作为可调模型的变换角，重复步骤(b)～(d)，直至可调模型输出的定子电流矢量能够跟踪参考模型输出的定子电流矢量is，输出辨识转速和辨识转子位置角则该辨识转速即为转子转速ωr，辨识转子位置角即为转子位置角θr；
(5)利用定子电压矢量角θs与转子位置角θr相减得到转差角θsl(θsl＝θs-θr)，以θsl作为Park变换的变换角对所述转子两相静止αβ坐标系下的转子电流irα、irβ进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的转子电流ird、irq；
(6)将所述定子电压矢量角θs作为Park变换的变换角对所述定子两相静止αβ坐标系下的定子电流isα、isβ进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的定子电流isd、isq；
(7)根据同步旋转角速度ωs、转子转速ωr、定子电压矢量的幅值、同步旋转dq坐标系下的定子电流isd、isq和转子电流ird、irq，利用交叉耦合项计算出前馈补偿项urdc、urqc，并计算有功电流和无功电流的参考值
(8)将所述转子有功电流和无功电流的参考值与转子电流反馈值ird、irq分别相减，其偏差经PI调节后得到解耦项u'rd、u'rq；解耦项u'rd、u'rq分别加上前馈补偿项urdc、urqc得到同步旋转dq坐标系下的转子电压参考值将 以转差角θsl为变换角进行Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的转子电压参考值再将进行Clarke逆变换得到转子三相电压参考值
(9)根据进行SPWM调制产生机侧变换器的驱动信号，实现对双馈电机空载并网及发电运行控制。
2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组无速度传感器控制方法，其特征在于：所述步骤(b)包括如下步骤：
(A)将所述的定子电压矢量us和定子电流矢量is经计算式ψs＝∫(us-Rsis)dt得到定子磁链矢量ψs，其中Rs为定子电阻；为避免电压模型中纯积分的积累误差而形成的直流分量，采用一阶惯性环节；
(B)将所述的定子磁链矢量ψs、转子电流矢量ir和辨识转子位置角经计算式得到可调的定子静止坐标系下定子电流矢量其中Ls为定子电感。
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