雙饋風力發電機轉子電流滑模變結構觀測器運行研究

鐘澤航，楊俊華

(廣東工業大學,廣州 510006)

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雙饋風力發電機轉子電流滑模變結構觀測器運行研究

鐘澤航，楊俊華

(廣東工業大學,廣州 510006)

傳感器故障下，為實現海上雙饋風電系統的重構控制和不間斷運行，需要精確的轉子電流觀測信號，研究參數魯棒性好、動態響應速度快的轉子電流狀態觀測策略。在分析同步坐標系下雙饋風力發電機數學模型基礎上變換電機模型，選取定子電流為狀態向量；通過控制定子電流估計值的偏差，設計滑模控制器，跟蹤定子電流；系統進入滑動模態后，通過低通濾波器濾波，去除控制器輸出信號中的高頻失真信號，獲得轉子電流觀測值。基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，搭建雙饋電機滑模觀測器矢量控制系統模型。仿真結果表明，該觀測器估算方法能夠快速跟蹤電機轉子電流變化，并可在一定程度上抑制參數誤差對電流觀測精度的影響，算法簡單、易實現。

雙饋發電機；轉子電流觀測器；滑模變結構；重構控制；矢量控制

0 引 言

與陸地相比，海上風速高、湍流強度小、風速風向穩定，但海上風電系統的維護是制約海上風電發展的主要原因之一[1]。根據國家電力監管委員會公布的2010年風電系統故障分類統計數據顯示，傳感器故障率達9.4%，在各類部件中排第4位[2]。研究傳感器故障下海上風電系統的狀態觀測與重構控制策略，實現故障期間的不間斷運行，可提高系統可靠性、降低維護成本和增加有效發電時間。

根據能觀性標準，文獻[3]提出了雙饋風電系統傳感器故障監測、診斷和重構控制策略，但過度依賴于電流、電壓、轉速和位置精確觀測結果。針對系統傳感器故障、參數不確定性以及隨時間變化的未知輸入等問題，文獻[4]提出一種專用模糊觀察器(FDOS)方案，但需構造線性矩陣不等式(LMI)，其設計方法較復雜，不利于系統實現。文獻[5]提出了一種電流傳感器容錯控制方法，電流觀測器以電壓信號為輸入，構建改進的電流傳感器故障檢測算法，并可考慮其自適應閾值和不同的故障持續時間。文獻[6]將雙饋發電機非線性模型中的系統矩陣簡化為兩個線性矩陣，設計雙線性Luenberger電流觀測器，實現對定、轉子電流的觀測，但要求定、轉子電流全部可測，無法實現傳感器故障下的電流觀測和重構控制。為減小發電機參數變化對觀測結果的影響，基于擴展卡爾曼濾波器方法，文獻[7]設計了包含參數估計的電流觀測策略，但濾波器收斂速度較慢，難以滿足轉子電流閉環控制對觀測器動態響應速度的要求。文獻[8]提出了一種FDI傳感器系統設計方法，采用卡爾曼濾波器組設計多觀測策略，檢測多個傳感器故障，提高風電系統穩定性，但該電流觀測策略僅適于系統故障檢測方面。

滑模變結構方法的一個重要研究方向是用來設計非線性觀測器[9]，為解決傳感器故障診斷和重構問題，文獻[10]設計了一類滑模觀測器，應用H∞理論設計滑模運動，使得一個對故障重構的不確定性的影響上限將被最小化并應用于垂直起落飛機上。利用傳統的常值切換滑模控制方法，文獻[11]進行了反電動勢觀測器設計，實驗結果表明，該觀測器可較為準確地估算位置，對被控對象的參數攝動及擾動有較好的魯棒性。文獻[12-13]設計了一種滑模觀測器用于估算電機轉子位置和速度，仿真結果顯示該觀測器具有魯棒性強、動態響應快等特點。

為提高觀測器的魯棒性和動態響應速度，本文提出雙饋電機轉子電流滑模變結構觀測方案，應用滑模變結構控制理論，設計定子電流滑模跟蹤控制器，通過控制定子電流估計值的偏差實現轉子電流觀測。為雙饋型風電系統在傳感器故障期間的重構控制和不間斷運行提供精確的轉子電流觀測信號，有助于提高海上風力發電系統的運行可靠性。

1 雙饋電機數學模型

采用發電機慣例，雙饋電機在同步旋轉坐標系下的數學模型[14]的電壓方程:

(1)

磁鏈方程:

(2)

式中:uds，uqs，udr，uqr為定轉子繞組的d，q軸電壓；ids，iqs，idr，iqr為定轉子繞組的d，q軸電流；ψds，ψqs，ψdr，ψqr為定轉子繞組的d，q軸磁鏈；Ls，Lr為dq坐標系中等效的兩相定轉子繞組自感；Lm為等效定，轉子繞組間的互感；rs，rr為定轉子電樞繞組電阻；ω1，ωr為d，q軸系統及轉子的旋轉角速度；p=d/dt為微分算子。

2 狀態方程變換

令

(3)

及

(4)

將式(2)代入式(4)，并根據式(3)整理：

(5)

令:

(6)

將式(1)代入式(6)并結合式(3)和(4)整理得：

(7)

將式(5)代入式(7)有：

(8)

(9)

整理式(9)可得：

(10)

將式(10)代入式(8)并簡化：

(11)

選擇定子d、q軸電流為狀態變量，整理式(11)：

(12)

(13)

3 滑模觀測器設計

采用恒定誤差反饋增益的全階觀測器，雖可實現傳統觀測，但系統參數矩陣及擾動量變化較大時，其觀測值存在較大誤差。而滑模變結構控制策略，對參數變化、建模誤差及外部干擾等不確定性有較強魯棒性。設計滑模觀測器控制定子電流估計值偏差，可觀測雙饋電機轉子電流，并能有效抑制由雙饋電機運行所引起的系統參數變化及各種擾動的影響，保證狀態觀測精度，動態響應速度較快。滑模觀測器的結構如圖1所示。

圖1 滑模觀測器結構

定義滑模觀測器的滑模面：

(14)

根據雙饋電機在同步旋轉坐標系下的數學模型，由式(12)和(13)可構造如下滑模觀測器：

(15)

(16)

(17)

式中:kd,kq為滑模增益。sign(x)為符號函數：x>0，sign(x)=1；x <0，sign(x)=-1。由式(12)～式(17)可得：

(18)

(19)

定子電流誤差開關信號中包含有轉子電流信息，但滑模過程存在不連續性，開關切換會引入高頻信號，使式(19)中的轉子電流存在失真，可選用一類低通濾波器，只要其截止頻率足夠高，去除控制器輸出信號中的高頻失真信號，進而獲得轉子電流的觀測值：

(20)

式中:ωc為低通濾波器的截止頻率，則有：

(21)

根據式(21)解得：

(22)

由式(20)可知，通過低通濾波器可獲得轉子電流，但存在相位延遲，這與低通濾波器的相位響應直接相關，其截止頻率越低，對應固定頻率的相延遲越大，可用式(23)計算。運行時對應的相移角Δθ：

(23)

4 滑模存在和穩定性證明

(24)

則Lyapunov函數V是正定的，對V求導得：

(25)

將式(18)代入式(25)得：

(26)

(27)

根據系統仿真電機數據，可計算:

(28)

由式(27)、式(28)求解得：

(29)

所以，只要選取合適的kd,kq,即可保證滑模存在，系統能夠到達滑模面，且漸進穩定。

5 仿真驗證

仿真采用雙饋風力發電系統，其轉子側變換器運用磁鏈定向矢量控制技術，實現有功功率和無功功率的解耦，電流控制采用滯環電流PWM控制方案。網側變換器釆用電網電壓定向矢量控制技術，并由此構建電流內環、電壓外環的雙閉環PI-SVPWM控制系統。建立了PSCAD/EMTDC仿真實驗平臺。

由圖2與圖3可知，滑模觀測器控制的定子電流估計值能夠快速地收斂于真實值，為實現轉子電流觀測做好準備。

圖2 滑動模態曲線圖

(a) d軸電流

(b) q軸電流圖3 定子d,q軸電流估計值與實際值的比較

圖4 總運行時段的轉子電流仿真波形

由圖5可知，系統啟動時，電機轉子電流有少許波動并在短時間內進入穩定運行狀態，此時電流觀測器能很快跟蹤上實際轉子電流變化。

圖5 系統啟動時的轉子電流波形

雙饋風力發電系統在0.5 s時由轉速控制切換為轉矩控制，圖6給出了該工況下的雙饋電機轉子電流的實際值與觀測值變化曲線，跟蹤良好。

圖6 電機切換控制方式時的轉子電流波形

如圖7所示，在0.5 s處，雙饋電機切換為轉矩控制，之后在整個運行階段電機轉速均在變化，但可看出，該工況下轉子電流仍能獲得良好的快速跟蹤，以下為系統正常運行時電機轉子電流實際值及其觀測值在電機變轉速下的詳細波形圖。

圖7 電機轉速變化時對應電流波形

圖8～圖10是各時間段內雙饋電機轉子電流觀測值與實際值的對比圖，在雙饋電機轉子電流出現變化時，轉子電流觀測值均能小誤差地快速跟蹤實際值變化，由此驗證了雙饋電機轉子電流滑模變結構觀測策略的可行性。

圖8 0.8～2.4 s的轉子電流實際值與觀測值

圖9 2.0～3.0 s的轉子電流實際值與觀測值

圖10 5.0～7.0 s的轉子電流實際值與觀測值

6 結 論

本文提出了一種基于滑模變結構的雙饋電機轉子電流觀測方法，設計轉子電流滑模狀態觀測器，采用李亞普諾夫理論證明了該算法的收斂性。在PSCAD/EMTDC仿真環境下搭建了其系統模型，仿真結果表明雙饋電機穩定運行時滑模觀測器可以對轉子電流進行正確的估算，能夠快速跟隨電流的變化，具有較強的魯棒性，為傳感器故障下的系統重構控制和不間斷運行奠定了基礎。

[1] 林鶴云,郭玉敬,孫蓓蓓,等.海上風電的若干關鍵技術綜述 [J].東南大學學報(自然科學版),2011,41(4):882-888.

[2] 國家電力監管委員會.風電安全監管報告(2011第4 號)[R].北京:電監會辦公廳,2011.

[3]ROTHENHAGENK,FUCHSFW.Doublyfedinductiongeneratormodel-basedsensorfaultdetectionandcontrolloopreconfiguration[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics, 2009,56(10):4229-4238.

[4]KAMALE,AITOUCHEA.RobustfaulttolerantcontrolofDFIGwindenergysystemswithunknowninputs[J].RenewableEnergy,2013(56):2-15.

[5]LIH,YANGC,HUYG.Fault-tolerantcontrolforcurrentsensorsofdoublyfedinductiongeneratorsbasedonanimprovedfaultdetectionmethod[J].Measurement, 2014，47(1):929-937.

[6]ROTHENHAGENK,FUCHSFW.Currentsensorfaultdetectionbybilinearobserverforadoublyfedinductiongenerator[C] // 32ndIEEEAnnualConferenceonIndustrialElectronics,Paris,France.IEEE,2006:1369-1374.

[7]MANUELGC,MICHELK.Sensorfaultdetectionandisolationindoubly-fedinductiongeneratorsaccountingforparametervariations[J].RenewableEnergy,2011,36(5): 1447-1457.

[8]SARAVANAKUMARAR,MANIMOZHIM,KOTHARIDP.SimulationofsensorfaultdiagnosisforwindturbinegeneratorsDFIGandPMSMusingKalmanfilter[J].EnergyProcedia, 2014,54:494-505.

[9]YUXH,XUJX,Ed.Variablestructuresystems:towardsthe21thCentury[M].BerlinHeidelberg:Spring-Verlag, 2002.

[10]TANCP,EDWARDSC.Slidingmodeobserversforrobustdetectionandreconstructionofactuatorandsensorfaults[J].InternationalJournalofRobustandNonlinearControl,2003, 13(5):443-463.

[11] 吳春華,陳國呈,孫承波.基于滑模觀測器的無傳感器永磁同步電機矢量控制系統 [J].電工電能新技術,2006, 25(2):1-3.

[12] 魯文其,黃文新,胡育文.永磁同步電動機新型滑模觀測器無傳感器控制 [J].控制理論與應用,2009,26(4):429- 432.

[13] 蘇健勇,李鐵才,楊貴杰.PMSM無位置傳感器控制中數字滑模觀測器抖振現象分析與抑制 [J].電工技術學報, 2009,24(8):58-64.

[14] 趙棟利,許洪華,趙斌,等.變速恒頻風力雙饋發電機并網電壓控制研究 [J].太陽能學報,2004,25(5): 587-59.

[15] 王豐堯,滑模變結構控制[M].北京:機械工業出版社,1995.

[16] 楊淑英,張興,張崇巍.基于轉子電流偏差角的雙饋感應電機速度觀測 [J].電力系統自動化,2009,33(4):92-95.

[17] 朱自芳,李先祥,皮佑國.永磁同步電機無位置傳感器的滑模觀測器設計 [J].微特電機,2008,36(3): 29-32.

[18]ELBULUKM,LIChangsheng.Slidingmodeobserverforwide-speedsensorlesscontrolofPMSMdrive[C]//38thIASAnnualMeetingConference,USA.IEEE,2003:480-485.

[19]ZHENGYH,FATTAHHAA,LOPAROKA.Non-linearadaptiveslidingmodeobserver-controllerschemeforinductionmotors[J].InternationalJournalofAdaptiveControlandSignalProcessing,2000,14(3):245-273.

[20]LEESS,PARKJK.Designofpowersystemstabilizerusingobserver/slidingmode，observer/slidingmode-modelfollowingandH/slidingmodecontrollersforsmall-signalstabilitystudy[J].InternationalJournalofElectricalPower&EnergySystems,1998,20(8):543-553.

[21] 尚喆,趙榮祥,竇汝振.基于自適應滑模觀測器的永磁同步電機無位置傳感器控制研究 [J].中國電機工程學報, 2007,27(3):24-27.

[22] 黃晟,廖武,黃科元.雙饋風力發電系統無速度傳感器控制 [J].電氣傳動,2010,40(3):3-5.

[23] 劉叢偉,李崇堅,蘇鵬聲.雙饋電機無速度傳感矢量控制調速系統的研究 [J].清華大學學報(自然科學版),1999, 39(5):54-57.

Operation of DFIG Rotor Current Observer Based on Sliding Mode Variable Structure Controller

ZHONGZe-hang,YANGJun-hua

(Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

To realize reconfiguration control and continuous operation of the offshore doubly-fed wind generator systems, the accurate observation of rotor current signals must be provided under sensor fault. The observation strategy of rotor current status was studied with strong robustness of parameters and fast dynamic response. The mathematical model of DFIG was transformed to select the stator currents as state vectors by analyzing the machine model in synchronous coordinate. The sliding controller was designed to track stator current though regulating the bias of the estimated value of the stator current. The high frequency distortion section of the controller's output signal was removed through a low pass filter to obtain rotor current observation value as the system entered the sliding mode. The simulation model of DFIG vector control system with a sliding mode observer was built in PSCAD/EMTDC simulation environment. The results of simulation show that the changes in the rotor current of DFIG can be quickly tracked in this observer estimation method, and the parameter errors' influence on the accuracy of current observation value is repressed. The algorithm is simple and easy to implement.

doubly-fed induction generator; rotor current observer; sliding mode variable structure control; reconfiguration control； vector control

2015-08-31

國家自然科學基金項目 (51307025,51117050, 51407035); 廣東省高等學校科技創新項目(2013KJCX0059);廣東高校優秀青年創新人才培養計劃項目資助(2013LYM_0019)

TM315

A

1004-7018(2016)07-0072-05

鐘澤航(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為風力發電機控制。