CN203377608U - 直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统 - Google Patents

Abstract

一种直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统，包括：数学模型建立单元，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型；功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间关系，得出功率环的指令值，通过对指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值；变结构控制单元，采用指数趋近律设计伪线性系统的滑模变结构控制律；伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将滑模变结构控制律代入逆系统的表达式中，反解出原系统的控制量；正弦脉宽调制单元，将上述控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出驱动控制信号。

Description

直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机驱动控制系统，特别涉及直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统。 

背景技术

直驱型风力发电机组和双馈型风力发电机组是当前风力发电中最具发展潜力和市场前景的两类机组，直驱型风力发电机组采用永磁同步发电机、不需要升速齿轮箱、不存在电刷和滑环、机组运行的稳定性和可靠性高，已经成为了当前风力发电中最重要的发展方向。图1所示为直驱永磁同步风力发电系统的结构框图，其采用双PWM变流器作为其并网电路，采用机侧变流器控制发电机，该发电系统包括风力机、传动机构、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流侧电容、电网侧变流器、电机侧变流器控制系统10、电网侧变流器控制系统20等组成。通过电机侧变流器对发电机转速的控制，实现发电机输出功率的准确控制和最大风能跟踪控制。 

永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)的数学模型是一种强耦合的非线性系统，直接设计电流闭环比例–积分(proportional integral，简称为PI型)控制器，方法复杂、控制器参数难以整 定，并且当电机的内部参数发生变化或是系统受到外界干扰、风速变化等影响时，控制器无法发出准确的指令信号，使电机转速和转矩脉动较大。电机的转速控制受到大的影响，也会影响风电的电能质量，不利于风电并网。 

实用新型内容

现有的直驱永磁同步风力发电系统电机侧变流器的控制系统多采用PI型控制器，设计方法复杂，控制系统参数难以整定，并且PI控制器对电机的内部参数变化和外部扰动较为敏感，鲁棒性差。为了克服这一点，本实用新型提供了一种直驱永磁同步风力发电系统的新型控制系统及其控制方法。 

本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统，包括：风力机，传动机构，永磁同步发电机，电机侧变流器，直流侧电容，电网侧变流器，电机侧变流器控制系统，以及电网侧变流器控制系统，其中风力机通过传动机构连接到永磁同步发电机，永磁同步发电机连接电机侧变流器，电机侧变流器连接到电网侧变流器，直流侧电容安装在电机侧变流器与电网侧变流器之间，电网侧变流器连接到电网；电机侧变流器控制系统连接控制电机侧变流器，电网侧变流器控制系统连接控制电网侧变流器。 

本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统，包括： 

数学模型建立单元，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型； 

功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的关系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值； 

变结构控制单元，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律； 

伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及 

正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)单元，将上述伪线性系统单元输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。 

本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统，其特征在于，包括：风力机，传动机构，永磁同步发电机，电机侧变流器，直流侧电容，电网侧变流器，电机侧变流器控制系统，以及电网侧变流器控制系统， 

其中，电机侧变流器控制系统包括： 

数学模型建立单元，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型； 

功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的关系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈 值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值； 

变结构控制单元，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律； 

伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及 

正弦脉宽调制单元，将上述伪线性系统单元输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。 

本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统的控制方法，其特征在于，包括： 

数学模型建立步骤，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型； 

功率控制环设计步骤，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的联系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值； 

变结构控制步骤，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律，该伪线性系统是求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前而构成的； 

伪线性系统处理步骤，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及 

正弦脉宽调制步骤，将上述伪线性系统处理步骤输出的控制量经Park 逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。 

本实用新型的有益效果是，设计方法简单、控制系统鲁棒性强，当风速发生变化或是系统内部参数发生扰动时，发电机的转速响应性能良好。 

附图说明

下面，结合附图和实施例，对本实用新型的新型控制系统及其控制方法作进一步详细说明。 

图1为直驱永磁同步风力发电系统的结构框图； 

图2为本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统的在电机侧变流器控制系统中加入变结构控制的结构框图； 

图3为本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统的控制方法流程图； 

图4为逆系统方法线性化原理图。 

具体实施方式

图2为电机侧变流器控制系统110中加入变结构控制的本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统的原理图。本实用新型的直驱永磁同步风力发电系统与图1中线有技术同样还包括风力机、传动机构、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流侧电容、电网侧变流器和电网侧变流器控制系统120（可以与图1中电网侧变流器控制系统20相同）。由于采用电机侧变流器控制发电机，并且永磁同步发电机的数学模型是非线性耦合系统，使得设计电机侧变流器变得较为复杂。 

本实用新型采用矢量控制、逆系统方法和滑模变结构控制相结合的控制策略设计其控制系统。首先，采用非线性控制中的逆系统方法求解原系统的逆系统，并将其与原系统一起组成伪线性系统，实现系统的线性化解耦，然后，采用指数趋近律的方法设计伪线性系统的滑模变结构控制单元。下面，结合理论推导和原理图解释本实用新型所采用的直驱永磁同步风力发电系统的控制系统及其控制方法。 

电机侧变流器控制系统110包括：数学模型建立单元130，功率控制环设计单元140，变结构控制单元150，伪线性系统单元160，以及正弦脉宽调制单元170。 

下面，结合图3、4，对电机侧变流器控制系统110的各组成部分的工作原理及其控制方法进行详细说明。 

[数学模型的建立] 

如图3中步骤101所示，首先，数学模型建立单元130结合转子磁链定向矢量控制建立PMSG在dq坐标系下的数学模型。 

PMSG采用转子磁链定向矢量控制，在dq坐标系下，q轴超前于d轴90°，将转子永磁体的磁链方向定向于d轴，定子电压、电流正方向遵循电动机惯例，则可以得出其在dq坐标系下的定子电压、磁链、电磁转矩及运动方程如下： 

定子电压、磁链方程为 

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}=L_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ψ}}_f\\ {\text{\ψ}}_{\mathrm{sq}}=L_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.......\left(1\right)$

电磁转矩、运动方程为 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e=\frac{3}{2}{n}_p{i}_{\mathrm{sq}}[{\mathrm{\ψ}}_f+i_{\mathrm{sd}}(L_{\mathrm{sd}}-L_{\mathrm{sq}})]\\ T_m-T_e=\frac{J}{n_p}\frac{{\mathrm{d\ω}}_s}{\mathrm{dt}}\end{array}......\left(2\right)\right.$

在式(1)、(2)中，R_s是发电机的定子每相电阻；L_sd、L_sq分别为定子直轴电感、交轴电感；u_sd、u_sq分别为定子电压的d、q轴分量；i_sd、i_sq分别为定子电流的d、q轴分量；ψ_sd、ψ_sq分别为发电机定子磁链的d、q轴分量；ψ_f为转子永磁体磁链；ω_s为发电机电角速度；p为微分算子；J为转动惯量；n_p为发电机极对数；T_e、T_m分别为电磁转矩和机械转矩；T_m＝P_m/ω_r，P_m为风力机输出机械功率，ω_r为风力机机械角速度，并且ω_s＝n_pω_r。 

对于隐极永磁同步发电机，L_sd＝L_sq＝L_s，将式(1)中定子磁链方程代入定子电压方程得到简化后的定子电压方程为 

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right........\left(3\right)$

[功率控制环设计] 

首先，说明电机侧变流器功率外环、电流内环的双闭环控制策略原理。 

永磁同步发电机转子采用永磁体，不需要提供励磁电流，由式(2)中的第一个表达式可知，在电机运行过程中，控制发电机定子电流d轴分量为零，即i_sd＝0，则发电机的电磁转矩的表达式为 

T_e＝1.5n_pψ_fi_sq.............................................................................................(4) 

由式(4)可知，发电机的电磁转矩仅与定子电流q轴分量有关，因此只需准确快速的控制发电机定子电流q轴分量i_sq，就可控制发电机的电磁转矩。由于定子铜耗和铁耗很小，若忽略这部分损耗，则发电机输出的有功功率P_s的表达式为 

P_s≈P_e＝T_eω_r＝1.5n_pψ_fi_sqω_r...................................................................(5) 

式(5)中，ω_r为发电机机械角速度。 

由(4)、(5)可知，当风速发生变化时，通过控制i_sq及时改变发电机电磁转矩，调节风力机转速，保持风力机最佳叶尖速比运行，则可准确控制发电机输出的有功功率，实现整个发电系统的最大风能追踪控制。 

依据基于最佳功率给定的最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的关系，得出P_s ^*的计算公式如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{P_s}^{*}=P_{\mathrm{opt}}-\mathrm{\ΔP}\\ P_{\mathrm{opt}}={\mathrm{k\ω}}^3\\ \mathrm{\ΔP}=P_0+P_{\mathrm{cus}}+P_{\mathrm{fes}}\\ k=\mathrm{\ρA}{(R/{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}})}^3{C}_{p\max }/2\end{array}\right.......\left(6\right)$

式(6)中：P_opt为风力机的最佳功率（对于特定的风力机，其最佳功率曲线是唯一确定的，即k值唯一）；ρ为空气密度；A为风力机扫风面积；R为桨叶半径；λ_opt为最佳叶尖速比；C_pmax为最大风能利用系数；ω为风力机的机械角速度；P₀、P_cus、P_fes分别为发电机的机械损耗、定子铜耗、铁耗。 

基于以上分析，由式(3)～(6)可知，为了实现定子电流d、q轴分量的准确控制以及最大风能跟踪控制，确定发电机侧变流器可采用双闭环矢量控制，外环为有功功率控制环，内环为定子电流控制环的控制策略。 

如图3中步骤102所示，功率控制环设计单元140在由式(6)求得有功功率指令值P_s ^*后，将其与发电机输出的有功功率P_s通过PI控制器运算，输出量作为内环定子电流有功分量的指令值。 

[伪线性系统的构造] 

下面，对伪线性系统单元160求解原系统的逆系统，并将其串联在原系统前构造一伪线性系统的原理进行说明。 

由式(3)可知，发电机定子电流d、q轴分量间存在着强耦合关系，为了设计d、q轴电流i_sd、i_sq的控制器，需要对其进行解耦控制。 

逆系统方法是一种非线性系统反馈线性化理论，其基本思想是，对于给定的系统，依据对象的模型求解出可用反馈方法实现的原系统的逆系统，并将原系统补偿成具有线性关系且解耦的规范化系统，称之为伪线性系统，再用线性系统的各种理论来完成伪线性系统的综合。该方法物理概 念清晰、数学推导简单、易于理解。 

针对式(2)、(3)所示的永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型，选取状态变量为[x₁,x₂,x₃]＝[i_sd,i_sq,ω_s]，控制量为[u₁,u₂]＝[u_sd,u_sq]，输出量为[y₁,y₂]＝[x₁,x₂]，则式(2)、(3)可变为 

对式(7)中的输出方程求一次导数得： 

由上式可知，输出方程中显含输入变量，则可求得式(7)的逆系统方程为： 

令

为逆系统新的输入变量，将逆系统式(9)串联在原系统之前，如图4所示。从输入输出关系可以看出，逆系统式(9)将原系统式(7)补偿成了具有线性传递关系的解耦的伪线性系统。 

根据逆系统相对阶定义，并结合式(8)，求得上述逆系统的相对阶数为 

α=(α₁,α₂)=(1,1)=2...........................................................................(10) 

由于原系统的阶数为3，大于逆系统的相对阶数2，说明伪线性系统中 存在一个隐动态， 

即方程式(6)中的第三个表达式。为使该隐动态稳定，依据发电机电角度ω_s和最佳功率指令值之间的联系，本实用新型通过有功功率控制环的PI控制器来控制它稳定。 

由图4可见，伪线性系统解耦成的独立的线性化子系统可表示为 

[定子电流环的控制律设计] 

如图3中步骤103所示，变结构控制单元150采用滑模变结构控制理论中指数趋近律的方法设计定子电流环的控制律： 

对上述解耦的线性化子系统，设计其控制单元的方法多种多样，本实用新型从消除系统内部参数扰动，增强控制单元鲁棒性的角度出发，运用滑模变结构控制理论中指数趋近律的方法设计其控制单元。针对子系统式(11)，控制单元的设计目标为：

取滑模面为 

$s_1=x_1-x_1^{*}......\left(13\right)$

选取指数趋近律，令 

求解出子系统式(11)的滑模变结构控制律为 

式(15)中：

在稳态时为常数，即sgn(s₁)为符号函数；k₁、ε₁为滑模变结构控制参数，k₁＞0、ε₁＞0，s₁sgn(s₁)＞0，则 

由式(16)可知，子系统式(11)的控制输入量满足滑模面的到达条件，故所设计的控制律能实现控制目标的及时跟踪，即

式(15)中，适当增大k₁值可提高滑模控制的趋近速度，适当减小ε₁值可减弱滑模控制的抖振。 

同理，可设计出子系统式(12)的滑模变结构控制律为 

如图3中步骤104所示，将式(15)、(17)所得的结果代入式(8)可解得原系统控制输入量u₁、u₂的表达式如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=L_s(k_1(x_1^{*}-x_1)+{\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{sgn}(x_1^{*}-x_1)+x_1^{*})+R_s{x}_1-L_s{x}_2{x}_3\\ u_2=L_s(k_2(x_2^{*}-x_2)+{\mathrm{\ϵ}}_2\mathrm{sgn}(x_2^{*}-x_2)+x_2^{*})+R_s{x}_2+L_s{x}_1{x}_3+{\mathrm{\ψ}}_f{x}_3\end{array}\right.......\left(18\right)$

求得原系统控制输入量u₁、u₂后，如图3中步骤105所示，将其经正弦脉宽调制单元170的Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号，从而有效控制发电机的转速，实现发电机输出功率的准确控制及最大风能跟踪控制。 

以上为本实用新型的实施方法，式(18)即为本实用新型的新型控制系统及其控制方法所得出的直驱永磁同步风力发电系统电机侧变流器的控制 系统的表达式。 

Claims (1)

1.直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统，其特征在于，包括：风力机，传动机构，永磁同步发电机，电机侧变流器，直流侧电容，电网侧变流器，电机侧变流器控制系统，以及电网侧变流器控制系统，其中风力机通过传动机构连接到永磁同步发电机，永磁同步发电机连接电机侧变流器，电机侧变流器连接到电网侧变流器，直流侧电容安装在电机侧变流器与电网侧变流器之间，电网侧变流器连接到电网；电机侧变流器控制系统连接控制电机侧变流器，电网侧变流器控制系统连接控制电网侧变流器。 

Images