雙饋風力發電系統新型高階滑模控制

劉海營，管　萍

(北京信息科技大學 自動化學院，北京100192)

雙饋風力發電系統新型高階滑模控制

劉海營，管萍

(北京信息科技大學 自動化學院，北京100192)

摘要：雙饋風力發電系統采用傳統矢量控制時，利用PI控制器，但此控制器不易調節參數，動態性能和魯棒性較差。為改善控制器性能，提出一種新型高階滑模控制器，明顯改善傳統滑模控制的抖振現象，將高階滑模控制與傳統矢量控制相結合應用到雙饋風力發電系統功率控制中。仿真結果表明，高階滑模控制器相比傳統PI控制器，具有更好的動態性能，魯棒性更強。

關鍵詞：雙饋風力發電系統；二階滑模控制；功率控制

中圖分類號:TP391.9

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.002

收稿日期：2015-07-21。

作者簡介：劉海營(1988-)，男，碩士研究生,研究方向為雙饋風力發電系統控制，E-mail:1176718341@qq.com。

Abstract：The PI controller is used in the traditional vector control system for the doubly fed wind power generation system, but it is not easy to adjust the parameters with the controller, and the dynamic performance and robustness are poor. In order to improve the control performance of the controller, a new high order sliding mode controller was designed in this paper to improve the chattering phenomenon of conventional sliding mode control, then the control strategy of combining high-order sliding mode control with the traditional vector control was applied to the doubly fed wind power generation system control. The simulation results show that the high order sliding mode controller has better dynamic performance and stronger robustness than the conventional PI controller.

Keywords：double-fed induction generator system;second-order sliding-model control (2-SMC);power control

0引言

隨著國內風力發電技術的迅猛發展，用雙饋風力發電系統實現變速恒頻的發電模式，以其優越的性能得到廣泛的推廣應用[1]。

在大多數變速恒頻雙饋電機控制中，一般采用定子磁鏈定向的同步旋轉dq坐標系中的矢量控制策略，但是其變換過程較為復雜，需要對定子磁鏈進行觀測，本文采用定子電壓定向，可直接采用測得的電網電壓來計算坐標變換所需的角度，省去磁鏈觀測器，簡化了控制結構。且傳統的控制器通常采用PID調節器，對電機參數攝動和負載擾動非常敏感，系統的動靜態性能有待于改善。文獻[2～4]將滑模控制策略應用到變速恒頻雙饋風力發電機，能明顯改善電機內部參數攝動以及外部干擾對整個風力發電系統的影響，具有一定的魯棒性，但是常規滑模抖振現象嚴重，亟待改善。本文在雙饋電機定子電壓定向矢量控制策略的基礎上，提出了一種基于super-twisting算法的二階滑模控制，將此控制算法和矢量控制相結合，應用到雙饋電機功率控制中，相比于傳統的PI控制器，具有動態響應快、抗干擾、對參數變化魯棒性更強。

1風力機特性

由風力機空氣動力學可知，風力機捕獲的機械功率為：

(1)

式中：ρ為空氣密度；S為風力機迎風掃掠面積；v為主導風速；Cp為風能利用系數。

大多數風力發電機組的風能利用系數Cp由如下經驗公式計算得到[2]：

(2)

(3)

式中：R為葉片半徑；ω為葉片旋轉角速度。為了充分利用風能，低于額定風速時，令β=0，跟蹤最佳風能利用系數曲線，實現最大風能追蹤。

2雙饋電機數學模型

雙饋電機均采用電動機慣例，則定轉子同步旋轉dq軸坐標系的模型如下[3]：

定轉子電壓方程：

(4)

定轉子磁鏈方程：

(5)

電磁轉矩方程：

(6)

雙饋電機采用定子磁鏈定向矢量控制時，控制系統易受電機參數影響，并且并網控制時無功補償能力會受到系統穩定性的限制。因此，為提高系統魯棒性，增強整個系統無功補償能力，本文采用定子電壓定向，即將同步旋轉坐標系的d軸定向于定子電壓矢量Us上，有如下表達式成立：

(7)

即有

(8)

轉子電壓方程為

(9)

將式(7)，(8)代入(4)得：

(10)

將式(10)代入(9)得轉子電壓另一種形式，用于后續控制器設計：

(11)

定子有功功率和無功功率表達式：

(12)

式中：Ps，Qs分別為定子有功功率、無功功率；us為定子電壓幅值；ψs為定子磁鏈值。

3滑模控制器設計

3.1　二階滑模控制

滑模控制具有設計簡單、魯棒性強等優點。然而，傳統的滑模控制的不連續的控制律是直接作用在時間的一階導數的滑動面上，具有不連續性。由于系統的未建模部分和開關的非理想特性，傳統的滑模控制存在抖振現象，這阻礙了它的實際應用。為了減輕抖動的影響，最有效的方法是采用高階滑模。高階滑模控制的基本思想是作用在高階時間導數的滑模面上，使得滑模面的一階時間導數是連續的，因此，抖振現象在理論上可以完全消除。此外，高階滑模控制在保留傳統滑模控制性能的基礎上，提高了控制精度。

在本文中，采用基于super-twisting(超扭曲)算法的二階滑模控制方法，來控制轉子側逆變器實現功率調節的目的。super-twisting算法相比于其他高階滑模的算法具有如下優點：①它不需要滑動變量的時間導數信息；②當系統相對階為1時，超扭曲算法可以直接應用，不需要引入新的控制變量。超扭曲算法的形式可以表示為[5]：

(13)

假定存在一個正實數φ滿足:

(14)

參數k1，k2調節時要滿足如下不等式：

(15)

3.2　轉子側控制器設計

轉子側逆變器的控制，一方面是為了實現在變速恒頻條件的最大風能追蹤控制，最大限度的轉化風能，實現功率的跟蹤控制；另一方面通過調節無功功率，保證風電系統并網的穩定運行，本文主要針對功率跟蹤控制設計二階滑模控制器。

選擇切換面的原則是：保證系統在滑動模態運動時，系統具有良好的動態性能且是漸近穩定的。按照這一原則，本文采用super-twisting算法構造如下滑模面：

(16)

把式(16)代入式(11)、(12)結合式(8)得切換變量的時間導數如下：

(17)

雙饋電機定子有功功率和無功功率是通過轉子側逆變器的交流端電壓來調節的。因此，選擇轉子側逆變器的交流端電壓為控制器輸出量，即urd，urq。由式(17)推導出如下關系式：

(18)

由相對階的定義知，從式(18)可以看出雙饋風力發電機模型相對階為1，因此，可以將二階滑模控制中應用到雙饋風力發電系統中[6]。二階滑模控制能消除抖振現象和提高控制精度，本文中將二階滑模控制應用到轉子側逆變器的交流端電壓調節中，選用如下形式的控制律[7]：

(19)

(20)

(21)

式中：kp1，kp2，kq1和kq2為可調節的正實數。轉子側逆變器二階滑模控制器的控制框圖如圖1所示。

圖1　轉子側逆變器二階滑模控制原理圖

4仿真研究及分析

4.1　仿真參數

(1)雙饋發電機參數

雙饋電機額定功率為15 kW，額定頻率為50 Hz，定子繞組電阻值為0.379 Ω，轉子繞組電阻值為0.314 Ω，定子繞組電感值為0.043 8 H，轉子繞組電感值為0.044 9 H，互感值為0.042 7 H，轉子轉動慣量為0.39 kg·m2。

(2)控制器參數值

PI控制器：外環比例、積分系數分別為4，20；內環比例、積分系數分別為4，100。

二階滑模控制器：CP=2，kp1=0.1，kp2=3；CQ=2，kq1=0.1，kq2=3。

4.2　仿真分析

本文在MATLAB/SIMULINK中建立相應的仿真模型，以跟蹤正弦規律變化的功率值為例，分別對PI控制器和二階滑模控制器進行了仿真研究,跟蹤效果及跟蹤誤差如圖2～5所示。

圖2　PI控制效果

圖3　PI控制誤差

圖4　二階滑模控制效果

圖5　二階滑模控制誤差

通過圖2和圖4對比知，二階滑模控制動態性能良好，能迅速跟蹤給定功率值，證明所設計控制器正確，具有良好控制效果。

5結論

本文在對傳統變速恒頻雙饋風力發電系統分析的基礎上，采用了定子電壓定向的矢量控制思想，將基于super-twisting算法的二階滑模控制應用到雙饋發電機功率控制中，簡化了控制結構，改善了控制性能。仿真結果表明，該控制策略具有較好的動態和穩態性能。

參考文獻：

[1]陳仲偉,鄒旭東,陳耀紅，等.帶儲能的雙饋風力發電系統控制策略[J].電力系統自動化,2014,38(18):1-5.

[2]王君瑞.雙饋風力發電機滑模變結構直接功率控制[J].電氣傳動,2014,44(5):44-47.

[3]金博,邱道尹.積分滑模變結構雙饋風力發電機控制[J].鄭州輕工業學院學報(自然科學版),2014,29(2):44-48.

[4]薛花,王育飛.基于無源性的雙饋感應風力發電系統自適應滑模控制方法[J].電機與控制學報,2014,18(8):43-48.

[5]Evangelista C, Puleston P, Valenciaga F.Active and reactive power control for wind turbine based on a MIMO 2-sliding mode algorithm with variable gains[J].Transactions on Energy Conversion,2013,28(3):682-689.

[6]Bartolini G, Ferrara A, Levant A, et al. On second order sliding mode controllers[J]. Lecture Notes in Control and Information Science, 2007, 247:329-350.

[7]Utkin,Vadim.Sliding mode control in electro-mechanical systems[M].London:CRC Press,1999.25-30.

New Higher Order Sliding Model Control for Doubly Fed Wind Power Generation System

Liu Haiying, Guan Ping(School of Automation，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)