DFIG风电系统最大风能捕获的滑模变结构控制方法_张细政

［ １ １］ １ ２］ 制性能的平衡 ［ ．
本文基于简化的 Ｄ 设计出了一种 Ｆ Ｉ Ｇ 状态模型 ， 简单 、 实用的滑模控制策略 ， 可实现定桨风力机最大 有效提高风能利用效率 ． 首先建立起简 风能的捕获 ， 化的双馈风力发电系统的数学模型 ， 将能量优化从最 优叶尖速比转化为对最优轴转速 （ 发电机转速 ） 的跟 然后利用滑模变结构方法设计滑模函数 ， 推导出 踪，
（ ） ３ ｈ（ ｘ） ｙ＝ Ｔ Ｔ ， 式中 ： 状态变量 ｘ＝ ［ 非线性 ｘ ｘ Ｔｇ ］ ω ２ ２］ ＝ ［ ｇ
Ｔ １ １ １ ） Ｔａ － Ｔｇ － Ｔａ ， Ｂ（ ｘ， ｔ ＝［ ０ ｎ Ｊ Ｊ τ ｔ ｔ ｇ ｇ －１ Ｔ 由 ｈ（ ｘ） ＝ｘ τ τ １， ｇ ］， ｇ 为 发 电 机 电 磁 时 间 常 数． 可知发电子系统的控制输入为 Ｔｇ ． 其数学模型 ，
ｕ ｎ ｅ ２ ０ １ ３ Ｊ
Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 风电系统最大风能捕获的滑模变结构控制方法
张细政１， 刘国荣２
（ ） 湖南工程学院 计算机与通信学院 ， 湘潭 ４ 湘潭 ４ １． １ １ １ ０ ４；２．湖南工程学院 电气信息学院 ， １ １ １ ０ １
实用控制 方 法 ， 构 建 基 于 发电机转速和发 摘 要 ： 提出基 于 滑模变结构技术的新型风力发电系统简 单 、 电转矩二维 平 面上 的 滑 模 函 数 ， 分 别 设 计 滑 模 控 制 器 的 等 效 控 制 和 切 换 控 制 量． 将其用于定桨变速 使系统稳定在发电机转矩 、 转速的最佳工作点领 域 ， 实 现 转矩转速的 优化 控制 及 稳定 跟踪 ． Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 系统 ， 仿真 结 果表 明 ， 该 方 法控制 性能良好 ， 能 实 现 风 能 的最 大捕获 ， 具有更好 的风 能利 用效 率 ， 验证了所 提模 型的 正确性 和控制 方 法的 有 效 性 ． 关键词 ： 风力发电系统 ； 变速 双馈感应 电机 ； 滑模变结构控制 ； 最 大 风 能追踪 ） 中图分类号 ：Ｔ Ｐ ２ ９ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ １－１ １ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ０ ２－０ ０ ０ １－０ ４ 先后出现了一系 列 改 进 和 变 形 的 ＭＰ ＭＰ Ｐ Ｔ， Ｐ Ｔ策 略． 其主要缺陷是需 要 获 取 较 为 完 整 的 测 量 信 息 并 对其进行高效处理 ， 跟踪效果直接受限于搜索算法 的性能 ． Ｂ ｒ ｕ ｅ ａ ｔ ｓ ｋ ｅ ｖ ｉ ｃ ｈ等分别采用传统的 Ｐ Ｉ ｙ和Ｊ 控制方法完 成 了 风 电 系 统 的 发 电 机 转 速 和 功 率 Ｐ Ｉ
１］ 入 研 究 风 电 机 组 的 建 模 和 控 制 是 非 常 有 意 义 的［ ．
增益调度理 论 （ 实现了永磁直驱风电系统的 Ｌ ＱＧ） 多模型鲁棒控制 ， 可以灵活的适应不同风速下系统
［ ７］ ８］ 基于反馈线性化方法 ， 的多模型工作 ［ ． Ｍ ａ ｔ ａ ｓ和
在各种风力发电系 统 中 ， 变速恒频双馈系统由于能 量利用率高 、 功率因 数 可 控 及 所 需 要 的 变 频 器 容 量
图 １ 风电系统传动环节结构
对其进行 际中可运用二阶 高 通 滤 波 器 ２ ｓ ｓ＋ ｓ ＋ τ τ τ ０ １ ２ 估计 ． ２． ２ 滑模控制器设计 一般来说 ， 滑模控制器由等效控制 ｕ ｅ ｑ 和切换控 制ｕ 即 ｓ ｗ 两部分组成 ， ） ） ） ｕ（ ｔ ＝ ｕ ｔ ＋ ｕ ｔ ｅ ｓ ｗ（ ｑ（ （ ） ７ 按照滑模控制理论 ， 一旦状态轨迹进入滑模面 ， （ ） ８
｛
函数ｆ（ ｘ） ＝
［
］
与其 它 采 用 定 、 转子电流或磁链为状态变量的 ） 降价状态方程 （ 只考虑发电子系统 全维模型不同 ， ３ 的机械特性 ， 忽略其电气子系统特性 ， 采用的状态变 量是电磁转矩和转速 ． 本文中 ， 为较好模拟实际的电磁转矩动态性 ， 采 用了如下一阶转矩响应模型 １ １ ＊ Ｔｇ ＝－ Ｔｇ ＋ Ｔｇ τ τ ｇ ｇ ＊ 式中 ： 参 数 电 磁 转 矩 ｕ＝Ｔｇ 即 为 系 统 的 控 制 输 入，
２ ·ｍ ， 动惯量 ０ 电磁时间常数 ０ ． ０ １ｋ ． ０ ２ｓ ． ｇ
（
）（
Hale Waihona Puke Baidu
）
（ ） １ ０
高通滤 波 器 传 输 函 数 系 数 取 为 ［ ０． ０ １， ０． ２， ］ ， ， 滑模系数 ｋ １ ｋ ｋ ． ５． １ ＝－２ ， ２ ＝－５ ｓ ｗ ＝０ ］ 依据文献 ［ 方法 ， 图 ２ 给出了仿真时生成的风 ３ ／ 速曲线 ， 平均风速为 ７ 图 ３ 为本文控 制 方 法 ． ５ｍ ｓ ． 下的发电机转速 ω 可见实际转速 能 很 好 的 跟 踪 最 ｇ， 在本文滑模控制作用下 ， 图 ４ 为实际风 优转速 ω ｔ ｏ ｔ． ｐ 能利用系数 ， 可见在经过短暂的调整后 ， 能快速达到 最佳风能 利 用 值 ０． 图 ５ 为 叶 尖 速 比 变 化 曲 线， ４ ７． 图 ６ 为滑模函数变化曲线 ．
风能的最大捕获是风电系统实现高效经济运行 的 重 要 保 证， 目 前 已 有 较 为 丰 富 的 捕 获 算 法． Ｈ ｉ ｌ ｌ ｏ ｏ ｗ ａ ｌ ａ和 Ｓ ｈ ａ ｒ ａ ｆ首 先 提 出 了 最 大 功 率 点 跟 踪 （ ） ， 采用 “ 爬山 ” 算法 ＭＰ Ｐ Ｔ 策略 基于极值搜索思想 ， 来使 系 统 工 作 点 接 近 于 最 优 工 作 点
２
０ １ ３年 湖南工程学院学报 ２
４］ ： 的响应时间 ， 其降价状态方程为 ［ ） ） ） ｘ＝ｆ（ ｘ， ｔ ＋Ｂ（ ｘ， ｔ ｕ（ ｔ
控制器结果 ． 最后通过仿真对控制性能加以验证 ．
１ 风力机 － 发电机模型
将风力发电系统从结构上划分为风力机传动和 分别建立起两个子系统数学 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 发 电 机 两 部 分， 模型 ． １． １ 风力机模型 ／ 在风速为 ｖ 定浆变速风力机捕获的风 ｍ ｓ下 ， 能和转矩可表示为 ： １ ３ 烄 （ Ｐ Ｒ２（ Ｃ ｖ π λ， ａ＝ ρ ｐ） β） ２ （ ） １ 烅 １ ３ ２ Ｔａ ＝ ρ ＲＣ ｖ π λ， ｑ（ β） ２ 烆 式中 ： Ｒ 为叶片半径 ， ρ 为空气密度 ， β为叶片节 ／ 距角 ， 且 有 λ＝ω Ｒ ｖ， λ 为 叶 尖 速 比， ω ｔ ｔ 为叶片转 、 是与β、 速， Ｃ Ｃ λ， λ， λ 有关的 风 能 利 用 系 数 ｐ（ ｑ（ β） β） 和转矩系数 ， 处具有唯一最大 Ｃ λ ｏ ｔ， ｏ ｔ） ｐ 在特定点 （ ｐ ｐ β 值Ｃ 为保持叶尖 速 比 取 最 优 值β 对于给定的 ｏ ｔ． ｏ ｔ， ｐ ｐ ｐ 风速 ｖ， 转速 ω 即需要调节 ｔ应该和ｖ 保持同步增减 ， ／ 发电机转矩以跟踪最佳叶片转速 ω ｖ Ｒ． λ ｔ ｏ ｔ＝ ｏ ｔ· ｐ ｐ 图１ 给出了风力发电系统的传动子系统结构， 风力转矩 Ｔａ 驱动 叶 片 以ω 经过增速箱后转 ｔ 转 动， ， 增速箱的低 速提升为 ω ｎ ω ｔ 其 中ｎ ｇ＝ ｇ ｇ 为 增 速 比． 、 高速端输出转矩分别为 Ｔ 在克服 速端输 入 、 ｌ ｓ Ｔ ｈ ｓ． 发电机电磁转矩 Ｔｇ 作用 后 ， Ｔｈ ｓ 驱 动 电 机 以 转 速ω ｇ 运行于发电模式 ．
６］ 控制 ［ 和 ． Ｃ ｕ ｔ ｕ ｌ ｕ ｌ ｉ ｓ分别采用定 量 反 馈 理 论 （ Ｑ Ｆ Ｔ）
０ 引 言
近些年来 ， 风力发电技术得到迅速发展 ， 其装机 容量和市场份额不 断 增 加 ． 随着对风电系统研究和 学者们逐渐认识到控制技术对于 实施的不断深入 ， 提高风电系统性能具有越来越重要的作用 ， 因此 ， 深
２ ｇ
１． ２ 发电机模型 假定定浆 、 笼型 Ｄ 参数恒 Ｆ Ｉ Ｇ 是 理 想 发 电 机， 定， 已知功率系数曲线 ， 忽略叶片的动态性和发电机
系统运动即进入滑模运动 ， 此时滑模函数满足 ） ） Ｓ（ Ｓ（ ｘ， ｔ ＝ ｘ， ｔ ＝０
第 ２ 期 张细政等 ： Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 风电系统最大风能捕获的滑模变结构控制方法 ） 结合式 （ 可得 ４
第２ ｏ １． ２ ３． Ｎ ｏ． ２ ３ 卷第 ２ 期 湖 南 工 程 学 院 学 报 Ｖ
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ０ １ ３ 年 ６ 月 ２ ｇ ｇ
τ ｇ 为发电机电磁时间常数 ．
２ 发电机滑模变结构控制
２． １ 滑模面设计 滑模设计的出发点是使得系统能尽可能的工作 附 近， 实现能量的最大捕 在最佳特性点 （ Ｔｇ ω ｏ ｔ， ｏ ｔ） ｇ ｐ ｐ 获． 设计基于发电机 转 速 和 发 电 转 矩 二 维 平 面 上 的 滑模函数
Ｔａ ） （ ） Ｓ（ ｘ， ｔ ＝ ｋ Ｊ １＋ ｋ Ｊ Ｔｇ － ４ ωｇ ＋ （ １ ｔ ２ ｔ） ｎ ｇ Ｔ 式中 ： 用于调整滑 Ｋｓ ＝ ［ ｋ ｋ １， ２］ 为 系 数 矩 阵 ，
额定电压 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 发电机参数 － 额 定 功 率 ６ｋＷ， －１ ， ， 额定转 速 １ 额定频率５ ２ ２ ０Ｖ， ５ ７ｒ ａ ｄ ·ｓ ０Ｈ ｚ ２ 极， 定子电阻 １ 定子电感 ０． 转子电 ． ２ ６ ５Ω， １ ４ ５ｍＨ， 转子漏感０ 互感０ 转 阻１ ． ４ ３Ω， ． １ ４ ５ｍＨ， ． １ ３ ９ｍＨ，
模运动的收敛速度 ． 式（ 中， 风 力 转 矩 Ｔａ 的 实 测 ４） 而发电机 转 速 ω 再结合高速 比较困难 ， ｇ 是 可 测 的， 端运动方程
－１ （ ） Ｊ ｎ Ｔａ －Ｔｇ ５ ωｇ ＝ ｔ ｇ ） 则式 （ 可改写为 ４ ） （ ） Ｓ（ ｘ， ｔ ＝ ｋ Ｊ ｋ Ｊ Ｔｇ －Ｊ ６ ωｇ ＋ ωｇ １ ｔ ２ ｔ ｔ ） 式（ 中状 态 变 量 的 导 数 ω 实 ６ ｇ 难 以 准 确 计 算 得 到，
［ ３］ ４］ 电网电压波动等干扰影响 ［ ．
滑模变结构是一类非常适合于处理系统不确定 性的鲁棒控制技术 ， 将其应用于风力发电系统时 ， 主 要优点是该方法 只 需 要 获 取 相 对 较 少 的 状 态／输 出 量信息 ， 对参数的变化不敏感 ， 且在选取合适大小的 能较好的实现控制输入抖振和控 切换控制增益下 ，
３
Ｓ Ｓ Ｓ ） ） ） Ｓ（ ｘ， ｔ ＝ · ｘ＋ ·［ ｘ， ｔ ＋Ｂ· ｕ ＋ ＝ ０ （ ９ ｆ（ ｅ ｑ］ ｘ ｘ ｔ ） 、 （ ） 式中 （ 可得滑模控制器的等效控制量 ８ ９ Ｓ· （） －１ Ｓ Ｓ ） ） Ｂｔ ＋ ·ｆ（ ｘ， ｔ ｕ ｔ ＝ ｅ ｑ（ ｘ ｔ ｘ 式中各编导数项计算如下
［ ５］
．基 于
收稿日期 ： ２ ０ １ ３－０ ３－２ ５ ） ； ） 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ 湖南省科技计划资助项目 （ ５ １ １ ７ ７ ０ ４ ０ ２ ０ １ １ ＧＫ ３ １ ４ ４ ， 作者简介 ： 张细政 （ 男， 博士 ， 副教授 ， 研究方向 ： 智能控制及其电气工程 ． １ ９ ７ ８－ ）
假设 风 力 机 低 速 转 轴 为 理 想 刚 性 的 ， 整个传动 环节的运动方程可表示为 Ｊ Ｔａ －Ｋｔ Ｔｇ ω ω ｔ ｔ＝ ｔ－
２ ｇ
（ ） ２ 式中 ： Ｊ Ｊ ｎＪｇ 、 Ｋｔ ＝Ｋｒ ＋ｎ Ｋｇ 、 Ｔｇ ＝ｎ Ｔｅ ｔ＝ ｒ＋ ｍ 分 ｇ 、 别为系统总惯量 外部摩擦系数和发电机转矩 ．
２］ 小 等 优 点 成 为 很 有 竞 争 力 的 一 种 风 力 发 电 形 式［ ．
郭家虎分别设计了直驱同步风电机组和 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 的滑 模控制策略 ， 对系统 扰 动 和 不 确 定 性 具 有 很 强 的 鲁
［ ９］ １ ０］ 棒性 ， 且实现较为简单 ［ ．
变速操作允许风电机组在最大空气动力效率下不断 调整其发电机转速 ， 电机侧的电力变流器可使高速 轴转矩相应变化 ， 因而使风力机可运行于不同的转 速下 ， 当风力机的叶尖速比达到最优值时 ， 即可瞬时 有效提高发电机的使用效率 ． 风电 捕获最大的风能 ， 系统控制比较复杂 ， 具有很大的难度 ， 主要体现在如 下方面 ： 风力的随机性和风力机本质上的强非线性 ， 系统参数通常有变化及 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 电 机 控 制 的 复 杂 性，