第29卷第8期 2017年8月 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU—EPSA Vol_29 No.8 Aug.2017 双馈风力发电系统的滑模变结构控制技术 李培强,邱时严,李欣然,曾小军,周丽英,胡(湖南大学电气与信息学院,长沙410082) 摘要:为研究滑模变结构控制策略在提升双馈风力发电系统运行性能上的作用,提出一种基于指数趋近律的滑 泽 模变结构控制策略,分析计算了不同控制对象的控制率,在所建立的双馈风力发电系统Simulink仿真模型上对 滑模变结构控制在双PWM(pulse width modulation)变换器控制、MPPT(maximum power point tracking)控制和空 载并网控制上的应用进行系统性研究,并和PI控制方法进行对比,结果表明所提出的滑模变结构控制策略不仅 简化了控制结构,而且提高了系统的响应速度、控制精度和鲁棒性,具有一定的有效性和可行性。 关键词:双馈风力发电系统;滑模变结构;指数趋近律;Simulink;性能 中图分类号:TM711 文献标志码:A 文章编号:1003—8930(2017)08—0029—07 DOI:10.39690.issn.1003—8930.2017.08.005 Sliding Mode Variable Structure Control Technology Used in Doubly‘fed Induction Generation System LI Peiqiang,QIU Shiyan,LI Xinran,ZENG Xiaojun,ZHOU Liying,HU Ze (College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China) Abstract:In order to study the improvement of system performance when the sliding mode variable structure control strategies are used in the doubly—fed induction generation(DFIG)system,a sliding mode variable structure control strategy is proposed based on exponentila reaching law.The control rate of different control objects is analyzed and cal— culated,and based on the simulation model of DFIG built in Simulink,the applications of variable structure control to the dual—pulse width modulation(PWM)converter control,maximum power point tracking(MPPT)control and no— load grid—connected control are studied systematically.Compared with the proportional—integral(PI)control method, the simulation result shows that the proposed sliding mode variable structure control strategies not only simplify the con— trol structure,but also improve the response speed,control precision and robustness of the system,indicating their ef- fectiveness and feasibility. Key words:doubly—fed induction genemtion(DFIG)system;sliding mode variable structure;exponential reaching law; Simulink;performance 在能源危机和环境污染日益严重的今天,风能 的控制策略,探索非传统控制策略在提高风力发电 作为一种清洁的可再生能源,得到了全世界的广泛 系统鲁棒性和静动态特I生的应用,具有重要意义n。 。 应用。全球可再生能源发电装机容量中风电占有 常规的变速恒频双馈风力发电系统多采用基 压倒性优势,在被利用的可再生能源中风能占一半 于磁链定向或定子定向的同步旋转面坐标系的矢 以上。在现有的风力发电系统中,双馈异步风力发 量控制策略,该控制策略采用传统的比例一积分一微 oportional—integral—differentia1)控制器,而 电系统具有风能利用效率高、调速范围宽、能实现 分PID(pr变速恒频运行以及有功、无功功率可独立灵活控制 双馈风力发电系统是一个多变量、强耦合关系的非 等优点,在当前风力发电市场上占主导地位。然 线性系统,采用传统PID调节器实际上忽略了外界 而,随着风电机组发电容量的增大,双馈风力发电 随机干扰和系统自身参数发生变化的情况,而电机 机组的控制技术不仅关系到风力发电系统本身的 参数摄动以及负载的扰动,将使系统的动态特性随 安全稳定经济运行,而且还关系到与其联网的配电 着参数的变化而变化,难以实现快速跟踪和高精度 网的安全稳定运行。因此,研究双馈风力发电系统 的控制目标和要求。为解决该问题,越来越多的专 收稿13期:2015—10—08;修回日期:2016—10—14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51277055) ・30・ 电力系统及其自动化学报 第8期 家学者开始研究滑模变结构控制策略在提高双馈 的一部分空气的动能转换为有用的机械能,它决定 风力发电系统鲁棒性和静态性能上的应用。文献 了整个风力发电系统装置有效功率的输出” 。风 [4】将变结构控制策略应用到变速恒频双馈风力发 力机获得的机械能和机械转矩都随风速不断变化 电机中,提高了系统的鲁棒性,抑制了由于系统状 而变化,根据贝兹理论,风力机捕获的机械能和风 态参数发生变化所带来的干扰,但系统采用常规的 力机输出机械转矩分别为 矢量控制策略,控制策略与控制结构较为复杂;文 献[5]结合矢量控制技术和变结构控制技术,提出一 种全新的双馈风力发电机空载并网控制策略,通过 P =等 C (A, ) 3 T=百P1T a(1) (2) 3 2 将系统进行线性解耦后设计了伪线性系统的控制 结构率,提高了系统的静、动态性能,但系统鲁棒性 不强;文献【6]提出一种基于指数趋近律的积分变结 构控制率,简化了控制系统,提高了控制策略响应 的速度和控制精度,但其控制策略未能实现风机在 多种功能需求模式下的优化控制与运行。 本文应用Matlab/Simulink软件搭建了含风力 机、传动系统、双馈异步发电机、网侧和机侧变流器 的双馈风力发电系统仿真模型,针对机侧变流器和 网侧变流器设计了基于指数趋近律的滑模变结构 控制策略,以验证滑模变结构控制策略在直流侧电 压稳定控制、风力发电系统最大功率点跟踪MPPT (maximum power point tracking)控制和空载并网控 制中的应用,并与传统比例积分PI(proportional—in— tegra1)控制策略下的控制性能进行对比,以验证分 析滑模变结构控制策略在提升了双馈风力发电系 统鲁棒性和动静态性能上的作用。 1双馈风力发电系统的数学模型 双馈风力发电DFIG机组及其控制系统如图1所 示。在DFIG风力发电系统中,DFIG定子绕组直接与 电网相连,转子绕组通过背靠背双PWM变流器与电 网相连,提供幅值、频率、相位可调的三相转子励磁电 源,并保证转差功率可双向流动。整个双馈风力发电 系统模型主要包括风力机模型、轴系传动系统模型、 发电机模型与双PWM变流器模型等4个部 一1。 RSC GSC 图1双馈式风力发电机组及其控制系统原理 Fig.1 Schematic of DFIG and its control system 1.1风力机数学模型 风力机用来捕获风能,将叶片迎风扫掠面积内 式中: 为风机捕获机械能;p为空气密度; 为风力 机转子半径; 为风速;C 为风能利用系数,是桨距角 0和叶尖速比A的函数; 为风力机输出机械转矩。 理想风力机的c 最大值为O.593。C 越大,表 示风力机的效率越高。对于给定的叶尖速比A和 叶片桨距角0,可计算出c 为 c ( )_0.22( +0.40-5)e (3) 式中,Ai-了而1丽一 。 由式(3)可知,叶尖速比A为叶尖旋转线速度 与风速之比,即 A:—towR (4) —式中, 为风力机转速,rad/s。 1.2传动系统的数学模型 传动系统模型采用两质量块模型” ,当将各 物理量均转化到高转速侧时,传动系统数学模型为 +D(OJwt-OJr)+K( 一r) (5) 【一Te=J 一D O r-O.)wt)-K(0r-0wt) 1 ~ 式中:下标wt和r分别为风力机折算到高速轴侧等 效参数和发电机侧的参数;Tw 为风力机等效机械转 矩; 为发电机电磁转矩; 和 分别为风轮和发电 机转子转动惯量;D为阻尼系数;K为轴的刚性系 数; 和r分别为风力机和发电机角度位移;O9 。和 O9 分别为风力机机械角速度和发电机侧转子机械 角速度。 1.3双馈发电机数学模型 根据发电机惯例,为简化控制策略,将DFIG模 型转化到两相同步速旋转咖坐标系,进行稳态分析 时,忽略微分项,则得到发电机电压方程为 第29卷 李培强等:双馈风力发电系统的滑模变结构控制技术 ・31・ jI Vd s ̄=-Rs s 一R i 一 一 d。 (7) 的解耦控制。根据图2拓扑结构,进行坐标变换,可得到网 … ~侧变流器在同步旋转由坐标系下数学模型为 =R Ii +【∞ r ∞ ) dr 一r (8) 同理,对定、转子磁链方程进行坐标转换,可得 一1 q =L s m 由 iq 一Lmi s(9)』 由三= L ri出一£m ig 一Li (10)式中: 、 分别为电网电压的d、g轴分量;e e 分 别为网侧变换器交流侧电压 、g轴分量; 、i 分别为 rin式中:下标d和q分别为同步速旋转坐标系中d轴与 q轴;下标S和r分别为发电机定子侧与转子侧参 数; = + ,L=L + ,Ls 为定子漏感, 为转子漏 感, 为由坐标系等效定、转子绕组互感; 和L为 定、转子电感;60为电角速度;V为电压;i为电流; 为磁链。 在双馈电机定子侧、转子侧采用电动机惯例的 条件下,双馈风力发电系统的的电磁转矩为 = = =号n L i i iR q,id ) (11) . 式中 为发电机极对数 + + 。 2双馈风力发电系统的滑模变结构控制 策略设计 一 + 在双馈风力发电系统中,双馈风力发电机采用 ∞ 背靠背双PWM变流器进行励磁控制,其拓扑结构 如图2所示。双PWM变流器由转子侧变流器RSC + } (rotor-side converter)和网侧变流器GSC(grid—side converter)组成,GSC主要用于维持直流电压的稳定 控制,而RSC则主要用于实现对DFIG有功无功功 率输出的解耦控制[212- 14]。 转子侧变换器直流侧电容网侧变换器 ’ {} 一 一 一 一 图2背靠背双PWM变流器拓扑结构 Fig.2 Topological structure of back—to—back dual PWM converter 2.1 网侧变流器及其控制系统模型 GSC控制结构为直流电压外环和并网电流内 环的双闭环结构,直流电压外环用于实现直流电压 的稳定控制,内环电流环则用于实现有功电流和无 功电流的快速跟踪,从而实现有功功率和无功功率 网侧变换器交流侧输入电流的d、g轴分量; 。为由 轴系统的旋转速度。 根据基尔霍夫电流定律,直流环节电压为 cdVa ̄= 出gsc+ (13) 式中: 。为网侧变流器直流侧电流参数;i 为 转子侧变流器直流侧电流参数; 为直流母线 电压。 由网侧变流器数学模型可知,当内环电流环采 用PI控制器时,则控制电压e 可表示为 egd=--- i( 一i )一Kii 一i )出+ e胛=二一 K搿 p ii( 一 K钾)一 i .r( 一 igq)dt-… tOlL igd+ 式中: 和 : 分别为网侧d、q轴电流给定; i和 。分 别为电流内环电流PI控制器比例系数和积分系数。 外环电压控制用于对直流侧电压进行控制,输 出作为内环q轴电流给定,当采用PI控制器进行调 节时,有功电流给定毛可表示为 L—gq=K ( 一 )+K f( 一 。)df (15) 式中: .为直流电压参考值; 和 分别为电压 外环PI控制器比例系数和积分系数。 本文网侧变流器基于电网电压定向矢量控 制,电网电压矢量固定于坐标系d轴,则 = I l= , =0,其中 为电网相电压矢量, 为 电网电压相电压幅值。用终端滑模面设计,通过 设计滑模控制律,实现对直流母线的低通滤波和 抖动减轻。 设定滑模切换函数为s。=e。+OL 。, s:=e。+ e:,其中e。为有功分量误差,e。= 一i耐; e:为无功分量误差,e = 一i ;OL 和Ol:为切换函 数系数,且0<OL.<1,0<OL,<1。 对滑模切换函数进行求导得 ・32・ 电力系统及其自动化学报 第8期 { t ts2一e2十ot2e2 <1。 (16) 切换函数系数,且0< .<1,0<Ol将滑模切换函数代人式(16),求导后代人 选取指数趋近律为 式(17)指数趋近律中,最后得到机侧电压的控制 {l  ̄- k| sI zsgn s1 2 一3s2一k4sgn s2 (17)率为 + ∞ ^一 式中,k 、 、.j} 、k 为指数趋近律系数,且k。>0, k2>0,k3>0,k4>0。 则网侧电压的控制率为 egd 一Rg d+ 1Li+U+ g qgt g 訇 ) 舯 一Rig一 lLid+ … g g L ,s:一 4sgn s2-dz 一司 2.2机侧变流器及其控制系统模型 机侧变流器采用定子电压矢量控制,忽略对定 子磁链的微分环节,得到机侧变换器数学模型为 z , ̄m一 /.d ir,一 ∞ ( 一等] + 每 c・9, +( 一堡L)] dt 昝 式中:下标r表示网侧; lip为转差转速, i = 一(cJ , 为转子转速; 为定子磁链幅值, =警, 为 电机定子相电压有效值。 由转子侧变换器数学模型可知,当内环电流环 采用PI控制器时,则控制电压 、 可表示为 = i( 一i )+Kiif(i ̄e—i )itt一  ̄lip(L L2一 r ) 了_ tlm Lq=Kpi( 一i )+Ki'iI(i ̄q— )d + (20)。 ( 一 L2) 式中:L rd和 分别为转子侧d、q轴电流给定; 、 砭分别为电流内环电流PI控制器比例系数和积分 系数。 为了实现风力发电的最大风能追踪并有效地 克服外界扰动,本文选用指数趋近律设计滑模控制 器,根据滑模控制器的设计思想,设定滑模切换函 数为s1=el+ ldl,s2=e2+ol2 2,其中e1= 一 rd为有 功分量误差,e:=艺一i 为无功分量误差, 。、Ot 为 llo(-kis,-k2sgn s,-d ̄)出 (21) =R i +o'L i一 -k3s2-k4sgn s2-d2) 式中, =1一L2j(L L )。 2-3空载并网控制策略 双馈风力发电机的并网控制实质上是根据电 网的信息以及双馈电机的运行参数,计算出使定子 电压满足并网条件所需要的参考定子磁链,并通过 变换器进行转子励磁电流调整。在满足并网条件 时,可进行空载并网,并网成功后,发电机切换到发 电控制模式,将电网的频率、相位、幅值信息作为控 制信号传递给控制系统,以此调节发电机的励磁电 压,控制空载电压。 采用滑模变结构控制进行双馈风机并网控制 时,定义切换函数为 f .} . J .} .一 由 (22), Is2 g 一0 选定指数趋近律为 fl 2=一k31=一k,ss2一k41一k2sgsgn n slS 2 (23) 由此可得到机侧电压的控制率为 Ird=R ird一∞slipL iw一,Jr(一 lsl—k2sgn sl— ) l Vrq=R iw+ lip,J rd— (一k3s2一k4sgn 2一 w) (24) 3建模仿真 为了验证本文所提滑模变结构控制策略的有 效性,根据双馈风力发电机的数学模型和控制策 略,在Simulink中建立双馈风力机的仿真模型,如 图3所示。双馈发电机参数如表1所示。该仿真程 序主要由转子侧变流器及其控制系统、网侧变流器 及其控制系统、风力机与轴系系统等构成。为了对 比验证滑模控制与传统PI控制的性能差异性,仿真 模型中分别对2种不同控制策略下的仿真结果进 行比较 ”。 9替 培 :双坝风力发Iu系统的澍模变结十勾控制技术 ・33・ 罔像输 图3双馈风力发电机组Simulink模型 Fig.3 Model of DFIG control system built in Simulink 表l双馈感应发电机参数 _ Tab.1 ParaIneters 0f DFIG 量 2.0 耋 茎: I 5 3.1 网侧变换器滑模控制仿真结果 J,测试泔 变结构控制模式下,网侧变换 flJ!IjIU Jtt波动情况下的鲁俸性能.升 r针 埘 ,j仿 研究,行将仿真结果与传统Pl控制模 』I=进f了比较 陔仿 T一况为:在风力发电系统启 动 处丁 稳定运行状态fI、f, f=1.2 s处模拟电网 电 波动,,i 求 U网电压波动情况下直流侧 _ ) 侧¨轴IU流 8 1 6 J『乜Jl 、网ffI!Ij r,轴 f,轴电流的实时反心,仿真结果 殳¨ 4所爪 4 章 薄2 0 2 1. j \变 Jl"i!/lil ̄ -}}t (4)IIr , 仿真0~1.2 s之间,网侧电 电 流经过 ;动波动 进人稳念,在I.2 s时电问电压发 差 一 6 jl 侬‰—</ ,卜波动时,i{t}卞I!变结构控制策略下,直流侧电压、网 侧r,r,轴IU流迅速响心J1:趋稳,满足运行要求不1】控制 f】怀 传统l J控删策略对比,滑模变结构控制策 略 仃蜓小的趟渊 币lJ更快的涮繁速度, 抑制直 流f 线电 波动J ,性能优于l’I控制,.n电流的 述度较快,刈‘丁变流 内部参数扰动和外电压波 动 ,『卜一定的竹.棒 (c-)网侧, …也流 图4网侧变换器滑模控制仿真结果 Fig.4 Simulation results of sliding mode control of grid—side converter 3.2 MPPT控制策略仿真结果 为验证水文所提出的机侧变流 及 【MPP J、 控制策略的正确性和有效性 , 小仿真模, f 设定 ・34・ 电力系统及其自动化学报 1.5 l_O 第8期 以下工况:在风机正常运行情况下,在t=1.5 S时风 速从11 m/s阶跃到15 m/s,观察并记录在风速变化 情况下MPPT机侧功率和MPPT转子d轴电流的实 j 0.5 o 时反应。其仿真结果如图5所示。 - 槲 嚣 罩E 塞 f/ (a)MP 机侧功率 6 一4主 2 _ ~.</滑模变结构 季 一 鼍 :: PI控制 一0.5 —1.0 1.5 /s (a)PI控制下定子A相电压 1 5 1.0 三 0 5 0 —1.O 一1 5 z/s (b)滑模变结构控制下定子A相电 O.8 0 6 0 o.4 0.2 o o.2 出 O.4 一o 6 一O.8 —1 O (c)PI控制下定子与电网A相电压差 0 8 O 6 0 号 0.4 0.2 椭 0 0 2 —0 4 0.6 0_8 (d)滑模变结构控制p定子与电网A相电压差 图6空载并网控制策略仿真结果 Fig.6 Simulation result of no—load grid—connected control strategy 快的响应速度,能更快地跟踪电网电压。 基于指数趋近律的双馈风力发电系统滑模变 结构控制策略的仿真验证结果证明了滑模变结构 控制在提高双馈风力发电系统鲁棒性和静稳态特 性上的作用。 4结语 为验证滑模变结构控制技术在双馈风力发电 系统中的应用具有优异性,本文基于双馈风力发电 机的数学模型和控制策略,搭建了双馈风力发电系 统的Simulink仿真模型,并针对双馈风力发电系统 设计了基于指数趋近律的滑模变结构控制策略,验 证了滑模变结构控制在双馈发电系统网侧变换器 和机侧变换器的应用有效性。仿真结果表明,滑模 第29卷 李培强等:双馈风力发电系统的滑模变结构控制技术 ・35・ 变结构控制可提升直流侧电压稳定性、MPPT最大 风能跟踪性能和空载并网性能。 bly fed induction wind generators under unbalanced grid voltage swel1)[J].中国电机工程学 ̄(Proceedings of the CSEE),2013,33(15):109—118. 参考文献: n Chengwu).变速恒频双馈风力发电机励磁 【1] 林成武(Li控制技术研究(Study ou Excitation Contml of Variable Speed Constant Frequency Doubly Fed Wind Power Gen- fl0]李生民,何欢欢,张玉坤,等(Li Shengmin,He Huan— huan,Zhang Yukun,et a1).基于滑模变结构的双馈风力 发电机直接功率控制策略研究(A sliding mode variable structure—based direct power control strategy for doubly fed induction generator) 电网技术(Power System erator)【D】.沈阳:沈阳工业大学电气工程学院 Technology),2013,37(7):2006—2010. 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