直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，包括：數(shù)學(xué)模型建立單元，結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，建立永磁同步發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；功率控制環(huán)設(shè)計(jì)單元，由最大風(fēng)能捕獲原理和永磁同步發(fā)電機(jī)功率方程之間關(guān)系，得出功率環(huán)的指令值，通過(guò)對(duì)指令值與實(shí)測(cè)功率反饋值進(jìn)行PI型調(diào)節(jié)器運(yùn)算，得出電流環(huán)的指令值；變結(jié)構(gòu)控制單元，采用指數(shù)趨近律設(shè)計(jì)偽線(xiàn)性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制律；偽線(xiàn)性系統(tǒng)單元，求出永磁同步發(fā)電機(jī)的逆系統(tǒng)表達(dá)式并將其串聯(lián)在原系統(tǒng)之前構(gòu)成偽線(xiàn)性系統(tǒng)，將滑模變結(jié)構(gòu)控制律代入逆系統(tǒng)的表達(dá)式中，反解出原系統(tǒng)的控制量；正弦脈寬調(diào)制單元，將上述控制量經(jīng)Park逆變換和正弦脈寬調(diào)制，得出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，特別涉及直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電中最具發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景的兩類(lèi)機(jī)組，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用永磁同步發(fā)電機(jī)、不需要升速齒輪箱、不存在電刷和滑環(huán)、機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性高，已經(jīng)成為了當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電中最重要的發(fā)展方向。圖1所示為直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其采用雙PWM變流器作為其并網(wǎng)電路，采用機(jī)側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)，該發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變流器、直流側(cè)電容、電網(wǎng)側(cè)變流器、電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)10、電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)20等組成。通過(guò)電機(jī)側(cè)變流器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的準(zhǔn)確控制和最大風(fēng)能跟蹤控制。
[0003]永磁同步發(fā)電機(jī)(permanentmagnet synchronous generator, PMSG)的數(shù)學(xué)模型是一種強(qiáng)稱(chēng)合的非線(xiàn)性系統(tǒng)，直接設(shè)計(jì)電流閉環(huán)比例-積分(proportional integral,簡(jiǎn)稱(chēng)為PI型)控制器，方法復(fù)雜、控制器參數(shù)難以整定，并且當(dāng)電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化或是系統(tǒng)受到外界干擾、風(fēng)速變化等影響時(shí)，控制器無(wú)法發(fā)出準(zhǔn)確的指令信號(hào)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制受到大的影響，也會(huì)影響風(fēng)電的電能質(zhì)量，不利于風(fēng)電并網(wǎng)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]現(xiàn)有的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)多采用PI型控制器，設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，控制系統(tǒng)參數(shù)難以整定，并且PI控制器對(duì)電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)變化和外部擾動(dòng)較為敏感，魯棒性差。為了克服這一點(diǎn)，本實(shí)用新型提供了一種直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的新型控制系統(tǒng)及其控制方法。
[0005]本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，包括:風(fēng)力機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)側(cè)變流器，直流側(cè)電容，電網(wǎng)側(cè)變流器，電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，以及電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，其中風(fēng)力機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接到永磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)連接電機(jī)側(cè)變流器，電機(jī)側(cè)變流器連接到電網(wǎng)側(cè)變流器，直流側(cè)電容安裝在電機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器之間，電網(wǎng)側(cè)變流器連接到電網(wǎng)；電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)連接控制電機(jī)側(cè)變流器，電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)連接控制電網(wǎng)側(cè)變流器。
[0006]本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，包括:
[0007]數(shù)學(xué)模型建立單兀，結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，建立永磁同步發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；
[0008]功率控制環(huán)設(shè)計(jì)單元，由最大風(fēng)能捕獲原理和永磁同步發(fā)電機(jī)功率方程之間的關(guān)系，得出功率環(huán)的指令值，并通過(guò)對(duì)該指令值與實(shí)測(cè)功率反饋值進(jìn)行PI型調(diào)節(jié)器運(yùn)算，得出電流環(huán)的指令值；
[0009]變結(jié)構(gòu)控制單元，采用指數(shù)趨近律的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出偽線(xiàn)性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制律；
[0010]偽線(xiàn)性系統(tǒng)單元，求出永磁同步發(fā)電機(jī)的逆系統(tǒng)表達(dá)式，并將其串聯(lián)在原系統(tǒng)之前構(gòu)成偽線(xiàn)性系統(tǒng)，將上述滑模變結(jié)構(gòu)控制律代入上述逆系統(tǒng)表達(dá)式中，反解出原系統(tǒng)的控制量作為輸出；以及
[0011]正弦脈寬調(diào)制(sinusoidalpulse width modulation, SPWM)單兀,將上述偽線(xiàn)性系統(tǒng)單元輸出的控制量經(jīng)Park逆變換和正弦脈寬調(diào)制，得出電機(jī)側(cè)變流器的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。
[0012]本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括:風(fēng)力機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)側(cè)變流器，直流側(cè)電容，電網(wǎng)側(cè)變流器，電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，以及電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，
[0013]其中，電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)包括:
[0014]數(shù)學(xué)模型建立單兀，結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，建立永磁同步發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；
[0015]功率控制環(huán)設(shè)計(jì)單元，由最大風(fēng)能捕獲原理和永磁同步發(fā)電機(jī)功率方程之間的關(guān)系，得出功率環(huán)的指令值，并通過(guò)對(duì)該指令值與實(shí)測(cè)功率反饋值進(jìn)行PI型調(diào)節(jié)器運(yùn)算，得出電流環(huán)的指令值；
[0016]變結(jié)構(gòu)控制單元，采用指數(shù)趨近律的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出偽線(xiàn)性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制律；
[0017]偽線(xiàn)性系統(tǒng)單元，求出永磁同步發(fā)電機(jī)的逆系統(tǒng)表達(dá)式，并將其串聯(lián)在原系統(tǒng)之前構(gòu)成偽線(xiàn)性系統(tǒng)，將上述滑模變結(jié)構(gòu)控制律代入上述逆系統(tǒng)表達(dá)式中，反解出原系統(tǒng)的控制量作為輸出；以及
[0018]正弦脈寬調(diào)制單元，將上述偽線(xiàn)性系統(tǒng)單元輸出的控制量經(jīng)Park逆變換和正弦脈寬調(diào)制，得出電機(jī)側(cè)變流器的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。
[0019]本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括:
[0020]數(shù)學(xué)模型建立步驟，結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，建立永磁同步發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；
[0021]功率控制環(huán)設(shè)計(jì)步驟，由最大風(fēng)能捕獲原理和永磁同步發(fā)電機(jī)功率方程之間的聯(lián)系，得出功率環(huán)的指令值，并通過(guò)對(duì)該指令值與實(shí)測(cè)功率反饋值進(jìn)行PI型調(diào)節(jié)器運(yùn)算，得出電流環(huán)的指令值；
[0022]變結(jié)構(gòu)控制步驟，采用指數(shù)趨近律的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出偽線(xiàn)性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制律，該偽線(xiàn)性系統(tǒng)是求出永磁同步發(fā)電機(jī)的逆系統(tǒng)表達(dá)式，并將其串聯(lián)在原系統(tǒng)之前而構(gòu)成的；
[0023]偽線(xiàn)性系統(tǒng)處理步驟，將上述滑模變結(jié)構(gòu)控制律代入上述逆系統(tǒng)表達(dá)式中，反解出原系統(tǒng)的控制量作為輸出；以及
[0024]正弦脈寬調(diào)制步驟，將上述偽線(xiàn)性系統(tǒng)處理步驟輸出的控制量經(jīng)Park逆變換和正弦脈寬調(diào)制，得出電機(jī)側(cè)變流器的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。[0025]本實(shí)用新型的有益效果是，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化或是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)性能良好。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的新型控制系統(tǒng)及其控制方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0027]圖1為直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2為本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的在電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)中加入變結(jié)構(gòu)控制的結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖3為本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)的控制方法流程圖；
[0030]圖4為逆系統(tǒng)方法線(xiàn)性化原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]圖2為電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)110中加入變結(jié)構(gòu)控制的本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理圖。本實(shí)用新型的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與圖1中線(xiàn)有技術(shù)同樣還包括風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變流器、直流側(cè)電容、電網(wǎng)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)120 (可以與圖1中電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)20相同)。由于采用電機(jī)側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)，并且永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是非線(xiàn)性耦合系統(tǒng)，使得設(shè)計(jì)電機(jī)側(cè)變流器變得較為復(fù)雜。
[0032]本實(shí)用新型采用矢量控制、逆系統(tǒng)方法和滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的控制策略設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。首先，采用非線(xiàn)性控制中的逆系統(tǒng)方法求解原系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，并將其與原系統(tǒng)一起組成偽線(xiàn)性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的線(xiàn)性化解耦，然后，采用指數(shù)趨近律的方法設(shè)計(jì)偽線(xiàn)性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制單元。下面，結(jié)合理論推導(dǎo)和原理圖解釋本實(shí)用新型所采用的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)及其控制方法。
[0033]電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)110包括:數(shù)學(xué)模型建立單元130，功率控制環(huán)設(shè)計(jì)單元140，變結(jié)構(gòu)控制單元150，偽線(xiàn)性系統(tǒng)單元160，以及正弦脈寬調(diào)制單元170。
[0034]下面，結(jié)合圖3、4，對(duì)電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)110的各組成部分的工作原理及其控制方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0035][數(shù)學(xué)模型的建立]
[0036]如圖3中步驟101所示，首先，數(shù)學(xué)模型建立單元130結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制建立PMSG在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。
[0037]PMSG采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，在dq坐標(biāo)系下，q軸超前于d軸90°，將轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈方向定向于d軸,定子電壓、電流正方向遵循電動(dòng)機(jī)慣例,貝U可以得出其在dq坐標(biāo)系下的定子電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩及運(yùn)動(dòng)方程如下:
[0038]定子電壓、磁鏈方程為
[0039]
【權(quán)利要求】
1.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:風(fēng)力機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)側(cè)變流器，直流側(cè)電容，電網(wǎng)側(cè)變流器，電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，以及電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，其中風(fēng)力機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接到永磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)連接電機(jī)側(cè)變流器，電機(jī)側(cè)變流器連接到電網(wǎng)側(cè)變流器，直流側(cè)電容安裝在電機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器之間，電網(wǎng)側(cè)變流器連接到電網(wǎng)；電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)連接控制電機(jī)側(cè)變流器，電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)連接控制電網(wǎng)側(cè)變流器。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK203377608SQ201320000963
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月4日
【發(fā)明者】黃中軍, 王奔, 劉向向, 何騰 申請(qǐng)人:四川極度電控系統(tǒng)制造有限責(zé)任公司