DFIG风电系统最大风能捕获的滑模变结构控制方法
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速下 ， 当风力 机 的叶尖速 比达 到最 优值 时 ， 即可瞬 时
模控 制策 略 ， 对 系统 扰 动 和 不确 定 性 具 有很 强 的鲁
棒性 ， 且 实现较 为简 单 Ⅱ ］ ．
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
简单 、 实用 的滑模 控 制策 略 ， 可 实现 定 桨风 力机 最 大 风 能的捕获 ， 有 效提 高风 能利 用效 率． 首先 建立 起 简
化 的双馈风力发 电系统的数学模 型 ， 将能量 优化从 最
（ ＭＰ Ｐ Ｔ） 策略 ， 基于 极值 搜索 思想 ， 采用 “ 爬 山” 算 法
来使 系 统 工 作 点 接 近 于 最 优 工 作 点 ］ ．基 于
ＤＦＩ Ｇ 风 电 系 统 最 大 风 能 捕 获 的 滑 模 变 结 构 控 制 方 法
张 细政 ， 刘 国 荣
（ １ ． 湖南 工程 学 院 计 算 机 与通 信 学 院 ， 湘潭 ４ １ １ １ ０ ４ ；２ ．湖 南 工 程 学 院 电气 信 息 学 院 ， 湘潭 ４ １ １ １ ０ １ ）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 实施 的不 断深入 ， 学 者 们 逐 渐认 识 到 控 制 技术 对 于 提 高 风 电系统性 能具 有越来 越 重要 的作用 ， 因此 ， 深
捕获 最大 的风 能 ， 有 效提 高发 电机 的使 用效率 。 风 电 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 ，
量 信息 ， 对参 数 的变 化不 敏感 ， 且在 选取合 适大 小 的
切 换控制 增 益下 ， 能较 好 的实 现控 制 输 入 抖振 和控 制 性能 的平衡 ＿ １ ｌ ＿ ＿ ｌ ｌ ． 本文基 于简化 的 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ状态 模 型 ， 设 计 出了一 种
Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 电机 控 制 的复 杂 性 ， 系统 参 数 通 常 有 变 化 及
电网 电压波 动等 干扰影 响［ ３ ］ ［ ． 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． Ｈｉ 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
第 ２ ３卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ６月
湖 南 工 程
学 院 学 报
Ｖｏ １ ． ２ ３ ． Ｎｏ ． ２
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０ １ ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
摘 要 ：提 出基 于 滑模 变 结 构 技 术 的 新 型 风 力发 电 系统 简 单 、 实用控 制 方法 ， 构 建 基 于 发 电 机 转 速 和 发
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 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 系统 ， 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． 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
入 研 究 风 电机 组 的建模 和 控 制是 非 常 有 意义 的 ］ ． 在 各 种风 力发 电系 统 中 ， 变 速恒 频 双 馈 系 统 由 于 能
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 ｙ和 Ｊ ａ ｔ ｓ ｋ ｅ ｖ ｉ ｃ ｈ等 分 别 采 用 传 统 的 Ｐ Ｉ 控 制方 法完 成 了风 电系 统 的 发 电机 转 速 和功 率 Ｐ Ｉ 控 制［ ６ ］ ． Ｃ ｕ ｔ ｕ ｌ ｕ ｌ ｉ ｓ 分别 采用 定量 反 馈 理论 （ Ｑ Ｆ Ｔ） 和
量利 用率 高 、 功 率 因数 可 控 及所 需 要 的变 频 器容 量 小 等优 点 成 为很 有 竞 争力 的 一 种风 力 发 电形 式口 ］ ． 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
增 益 调度理 论 （ Ｌ ＱＧ） 实 现 了 永 磁 直 驱 风 电 系 统 的
多模 型鲁棒 控制 ， 可 以灵 活 的适 应 不 同 风速 下 系 统 的多 模 型工 作［ ７ Ｊ ． ［ ． 基 于反馈 线 性化 方 法 ， Ｍａ ｔ ａ ｓ和
郭 家虎分别 设 计 了直 驱 同步风 电机组 和 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 的滑
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 ＭＰ Ｐ Ｔ， 先后 出现 了一 系列 改进 和 变形 的 ＭＰ Ｐ Ｔ策 略． 其 主要 缺陷是 需 要 获取 较 为 完 整 的测 量 信 息并
优 叶尖速 比转 化 为对 最优 轴转 速 （ 发 电机 转速 ） 的 跟 踪， 然后利用滑模 变 结构 方法 设计 滑模 函数 ， 推导 出
模控 制策 略 ， 对 系统 扰 动 和 不确 定 性 具 有很 强 的鲁
棒性 ， 且 实现较 为简 单 Ⅱ ］ ．
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
简单 、 实用 的滑模 控 制策 略 ， 可 实现 定 桨风 力机 最 大 风 能的捕获 ， 有 效提 高风 能利 用效 率． 首先 建立 起 简
化 的双馈风力发 电系统的数学模 型 ， 将能量 优化从 最
（ ＭＰ Ｐ Ｔ） 策略 ， 基于 极值 搜索 思想 ， 采用 “ 爬 山” 算 法
来使 系 统 工 作 点 接 近 于 最 优 工 作 点 ］ ．基 于
ＤＦＩ Ｇ 风 电 系 统 最 大 风 能 捕 获 的 滑 模 变 结 构 控 制 方 法
张 细政 ， 刘 国 荣
（ １ ． 湖南 工程 学 院 计 算 机 与通 信 学 院 ， 湘潭 ４ １ １ １ ０ ４ ；２ ．湖 南 工 程 学 院 电气 信 息 学 院 ， 湘潭 ４ １ １ １ ０ １ ）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 实施 的不 断深入 ， 学 者 们 逐 渐认 识 到 控 制 技术 对 于 提 高 风 电系统性 能具 有越来 越 重要 的作用 ， 因此 ， 深
捕获 最大 的风 能 ， 有 效提 高发 电机 的使 用效率 。 风 电 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 ，
量 信息 ， 对参 数 的变 化不 敏感 ， 且在 选取合 适大 小 的
切 换控制 增 益下 ， 能较 好 的实 现控 制 输 入 抖振 和控 制 性能 的平衡 ＿ １ ｌ ＿ ＿ ｌ ｌ ． 本文基 于简化 的 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ状态 模 型 ， 设 计 出了一 种
Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 电机 控 制 的复 杂 性 ， 系统 参 数 通 常 有 变 化 及
电网 电压波 动等 干扰影 响［ ３ ］ ［ ． 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． Ｈｉ 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
第 ２ ３卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ６月
湖 南 工 程
学 院 学 报
Ｖｏ １ ． ２ ３ ． Ｎｏ ． ２
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０ １ ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
摘 要 ：提 出基 于 滑模 变 结 构 技 术 的 新 型 风 力发 电 系统 简 单 、 实用控 制 方法 ， 构 建 基 于 发 电 机 转 速 和 发
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 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 系统 ， 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． 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
入 研 究 风 电机 组 的建模 和 控 制是 非 常 有 意义 的 ］ ． 在 各 种风 力发 电系 统 中 ， 变 速恒 频 双 馈 系 统 由 于 能
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 ｙ和 Ｊ ａ ｔ ｓ ｋ ｅ ｖ ｉ ｃ ｈ等 分 别 采 用 传 统 的 Ｐ Ｉ 控 制方 法完 成 了风 电系 统 的 发 电机 转 速 和功 率 Ｐ Ｉ 控 制［ ６ ］ ． Ｃ ｕ ｔ ｕ ｌ ｕ ｌ ｉ ｓ 分别 采用 定量 反 馈 理论 （ Ｑ Ｆ Ｔ） 和
量利 用率 高 、 功 率 因数 可 控 及所 需 要 的变 频 器容 量 小 等优 点 成 为很 有 竞 争力 的 一 种风 力 发 电形 式口 ］ ． 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
增 益 调度理 论 （ Ｌ ＱＧ） 实 现 了 永 磁 直 驱 风 电 系 统 的
多模 型鲁棒 控制 ， 可 以灵 活 的适 应 不 同 风速 下 系 统 的多 模 型工 作［ ７ Ｊ ． ［ ． 基 于反馈 线 性化 方 法 ， Ｍａ ｔ ａ ｓ和
郭 家虎分别 设 计 了直 驱 同步风 电机组 和 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 的滑
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 ＭＰ Ｐ Ｔ， 先后 出现 了一 系列 改进 和 变形 的 ＭＰ Ｐ Ｔ策 略． 其 主要 缺陷是 需 要 获取 较 为 完 整 的测 量 信 息并
优 叶尖速 比转 化 为对 最优 轴转 速 （ 发 电机 转速 ） 的 跟 踪， 然后利用滑模 变 结构 方法 设计 滑模 函数 ， 推导 出