雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法
【專利摘要】本發(fā)明所述的雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法，該控制方法是將滑?？刂婆c模型參考自適應(yīng)控制進行有機的整合，選取雙饋風力發(fā)電機的定子電流測量值作為參考模型，定子電流可調(diào)模型由定子磁鏈及轉(zhuǎn)子電流獲得，利用兩模型輸出的叉積構(gòu)造了滑模面，通過滑模算法獲得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電機的矢量控制策略。本發(fā)明所提出的控制技術(shù)算法較簡，不僅可以降低發(fā)電機的成本、降低硬件的復雜性、對雙饋電機的參數(shù)變化及負載擾動具有較強的魯棒性，并且可靠性好，較易實施，具有較強的工程應(yīng)用價值。
【專利說明】雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控 制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 風能作為一種潔凈無污染的可再生能源，是一種最具有競爭力的非常規(guī)能源。變 速恒頻雙饋風力發(fā)電技術(shù)由于具有風能轉(zhuǎn)換效率高、機電系統(tǒng)柔性連接、功率因數(shù)可調(diào)、 勵磁變換器容量小等特點，成為當前風力發(fā)電流行機組之一。在雙饋電機（doubly-fed induction generator,DFIG)的矢量控制中，需要獲得轉(zhuǎn)子的速度和位置信息。目前，國內(nèi) 外的雙饋機組大多通過安裝光電編碼器等機械傳感器直接進行速度檢測，但高精度的位置 傳感器存在著價格昂貴、安裝復雜、維護工作量大等缺陷，且傳感器和控制器之間需要較長 電纜，因而大大降低了運行環(huán)境比較惡劣的風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。但從理論的角度，可以 通過雙饋電機的電壓、電流獲得電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角度，即雙饋風力發(fā)電機不需要光 電編碼器等機械傳感器仍然可以實現(xiàn)磁場定向的矢量控制。雙饋風力發(fā)電機采用無速度傳 感器的矢量控制技術(shù)能夠省去傳感器和控制器之間電纜，大大提高了運行環(huán)境比較惡劣的 風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，也解決了高精度的位置傳感器存在著價格昂貴、安裝復雜、維護工 作量大等缺陷問題。
[0003] 在中國發(fā)明專利申請公開說明書CN101388639A中公開了一種雙饋風力發(fā)電機無 位置傳感器矢量控制方法，該方法采用的是基于定子磁鏈的模型參考自適應(yīng)速度辨識方 法，該方法具有良好的動靜態(tài)性能，但在工程應(yīng)用過程中存在的主要問題：（1)該方法的前 提條件必須有轉(zhuǎn)子勵磁。原因是當轉(zhuǎn)子電流//為0時，不含估測轉(zhuǎn)子角度是項，無法正確辨 識轉(zhuǎn)子位置。（2)該方法利用"電壓型磁鏈觀測模塊"獲得轉(zhuǎn)子磁鏈《/>,'，為避免轉(zhuǎn)子反電動 勢在低速及零頻率時純積分的初始值和積分漂移，增加了算法的復雜性。（3)該方法在靜止 坐標系中設(shè)計觀測器，PI控制器需要調(diào)節(jié)復雜的增益系數(shù)，在實施上有一定難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法， 該方法所提出的控制技術(shù)算法較簡，不僅可以降低發(fā)電機的成本、降低硬件的復雜性、對雙 饋電機的參數(shù)變化及負載擾動具有較強的魯棒性，并且可靠性好，較易實施，具有較強的工 程應(yīng)用價值。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] 雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法，包括下述步驟：
[0007] (1)檢測定子線電壓usab、usb。，定子兩相相電流i sa、isb以及轉(zhuǎn)子兩相電流iM、iA ;
[0008] ⑵利用定子線電壓usab、usb。獲得定子三相電壓u ga、ugb、ug。,再通過鎖相環(huán)（PLL) 技術(shù)得到定子電壓空間矢量的幅值us及其矢量角0 s，再將定子電壓矢量角03進行微分 運算，得到同步旋轉(zhuǎn)角速度《s;
[0009] (3)將所述定子三相電壓usa、usb、us。再經(jīng)過Clarke變換得到定子兩相靜止α β 坐標系下的定子電壓usa、usfi ;將所述定子兩相相電流isa、isb經(jīng)過Clarke變換得到定子兩 相靜止α β坐標系下的定子電流isa、is0 ;將所述轉(zhuǎn)子兩相相電流1"、iA經(jīng)過Clarke變 換得到轉(zhuǎn)子兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電流ha、仁0 ;
[0010] (4)將所述定子兩相靜止α β坐標系下的定子電壓Usa、use和定子電流isa、ise 及轉(zhuǎn)子兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電流、α、通過變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)觀測器得 到轉(zhuǎn)子位置角堯和轉(zhuǎn)速倉；
[0011] (5)利用定子電壓矢量角0S與轉(zhuǎn)子位置角<相減得到轉(zhuǎn)差角化（^=6-紇）， 以9sl作為Park變換的變換角對所述轉(zhuǎn)子兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電流i"、iu進 行Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的轉(zhuǎn)子電流iri、;
[0012] (6)將所述定子電壓矢量角Θ S作為Park變換的變換角對所述定子兩相靜止α β 坐標系下的定子電流isa、ise進行Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的定子電流i sd、 isq ；
[0013] (7)根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速僉、定子電壓矢量的幅值\、同步旋轉(zhuǎn)dq 坐標系下的定子電流isd、iS(i和轉(zhuǎn)子電流irt、i"，利用交叉稱合項計算出前饋補償項u ri。、 Unj。，并計算有功電流和無功電流的參考值^、％ ;
[0014] (8)將所述轉(zhuǎn)子有功電流和無功電流的參考值0、ζ與轉(zhuǎn)子電流反饋值if 分別相減，其偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到解耦項U' 解耦項u' "分別加上前饋 補償項。得到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的轉(zhuǎn)子電壓參考值將》L、《；；以轉(zhuǎn)差角 9sl為變換角進行Park逆變換得到兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電壓參考值<? 再將、1&進行Clarke逆變換得到轉(zhuǎn)子三相電壓參考值<、心、< ;
[0015] (9)根據(jù)4、<、《：；進行SPWM調(diào)制產(chǎn)生機側(cè)變換器的驅(qū)動信號，實現(xiàn)對DFIG 空載并網(wǎng)及發(fā)電運行控制。
[0016] 所述步驟（4)包括如下步驟：
[0017] (a)將所述兩相靜止α β坐標系下的定子電壓usa、use經(jīng)過直角坐標到極坐標的 坐標變換后得到定子電壓矢量113;將所述兩相靜止α β坐標系下的定子電流isa、ise經(jīng)過 直角坐標到極坐標的坐標變換后得到定子電流矢量is;將所述兩相靜止α β坐標系下的 轉(zhuǎn)子電流、id經(jīng)過直角坐標到極坐標的坐標變換后得到轉(zhuǎn)子電流矢量仁；
[0018] (b)將所述定子電壓矢量us、定子電流矢量is、轉(zhuǎn)子電流矢量h和轉(zhuǎn)子位置角堯送 入可調(diào)模型，得到可調(diào)的定子靜止坐標系下定子電流矢量I.
[0019] (c)將所述定子靜止坐標系下定子電流矢量is和所述可調(diào)的定子靜止坐標系下定 子電流矢量I作叉積運算；
[0020] (d)將步驟（c)計算得到的叉積結(jié)果作為滑模面進行變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，經(jīng)過低通濾波 后得到辨識轉(zhuǎn)速倉，進而對該辨識轉(zhuǎn)速積分后得到辨識轉(zhuǎn)子位置角堯；
[0021] (e)將辨識轉(zhuǎn)子位置角是作為可調(diào)模型的變換角，重復步驟（b)?（d)，直至可調(diào) 模型輸出的定子電流矢量I能夠跟蹤參考模型輸出的定子電流矢量i s，輸出辨識轉(zhuǎn)速倉和 辨識轉(zhuǎn)子位置角堯，則該辨識轉(zhuǎn)速&即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωρ辨識轉(zhuǎn)子位置角&即為轉(zhuǎn)子位置 角θΓ。
[0022] 所述步驟（b)包括如下步驟：
[0023] ㈧將所述的定子電壓矢量us和定子電流矢量、經(jīng)計算式￥s = / (us_Rsis)dt 得到定子磁鏈矢量;為避免電壓模型中純積分的積累誤差而形成的直流分量，采用一階 慣性環(huán)節(jié)；
[0024] (Β)將所述的定子磁鏈矢量、轉(zhuǎn)子電流矢量h和轉(zhuǎn)子位置角堯經(jīng)計算式 I = +Ζ^·;￡^ )/jLi得到可調(diào)的定子靜止坐標系下定子電流矢量又。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將滑模控制與模型參考自適應(yīng)控制進行有機的整 合，選取雙饋風力發(fā)電機的定子電流測量值作為參考模型，定子電流可調(diào)模型由定子磁鏈 及轉(zhuǎn)子電流獲得，利用兩模型輸出的叉積構(gòu)造了滑模面，通過滑模算法獲得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn) 速，實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電機的矢量控制策略。該方法所提出的控制技術(shù)算法較簡，不僅可以降 低發(fā)電機的成本、降低硬件的復雜性、對雙饋電機的參數(shù)變化及負載擾動具有較強的魯棒 性，并且可靠性好，較易實施，具有較強的工程應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為雙饋電機無速度傳感器矢量控制原理圖；
[0027] 圖2為變結(jié)構(gòu)MRAS速度和轉(zhuǎn)子角度辨識算法原理圖；
[0028] 圖3為交叉耦合項計算的原理圖。

【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0030] 本專利發(fā)明依據(jù)如下：
[0031] (1)變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)辨識轉(zhuǎn)速的主要思想是將定子電流測量值作為參考模 型，定子電流可調(diào)模型由定子磁鏈及轉(zhuǎn)子電流獲得，利用兩個模型輸出量的叉積構(gòu)成滑模 面，通過滑模算法獲得雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，并進行積分運算進而獲得轉(zhuǎn)子電氣角度，再 利用這個估計的角度來修正可調(diào)模型的參數(shù)及參與雙饋電機的矢量變換，使得受到隨機與 不確定性因素影響的實際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速能夠跟蹤給定轉(zhuǎn)速，即使得：
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法，其特征在于：包括下述步驟： (1) 檢測定子線電壓usab、usb。，定子兩相相電流isa、isb以及轉(zhuǎn)子兩相電流i M、iA ; (2) 利用定子線電壓11^、11；313。獲得定子三相電壓11!；￡1、11!；13、11 !；。,再通過鎖相環(huán)（?1^)技術(shù) 得到定子電壓空間矢量的幅值\及其矢量角0s，再將定子電壓矢量角0 3進行微分運算， 得到同步旋轉(zhuǎn)角速度《s; (3) 將所述定子三相電壓usa、usb、us。再經(jīng)過Clarke變換得到定子兩相靜止α β坐標 系下的定子電壓usa、usfi ;將所述定子兩相相電流isa、isb經(jīng)過Clarke變換得到定子兩相靜 止α β坐標系下的定子電流isa、is0 ;將所述轉(zhuǎn)子兩相相電流1"、irt經(jīng)過Clarke變換得 到轉(zhuǎn)子兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電流ha、仁0 ; (4) 將所述定子兩相靜止α β坐標系下的定子電壓usa、use和定子電流isa、ise及轉(zhuǎn) 子兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電流i"、通過變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)觀測器得到轉(zhuǎn) 子位置角堯和轉(zhuǎn)速氧； (5) 利用定子電壓矢量角es與轉(zhuǎn)子位置角&相減得到轉(zhuǎn)差角A 是），以e sl 作為Park變換的變換角對所述轉(zhuǎn)子兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電流進行Park 變換，得到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的轉(zhuǎn)子電流hd、; (6) 將所述定子電壓矢量角9s作為Park變換的變換角對所述定子兩相靜止α β坐 標系下的定子電流isa、isfi進行Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的定子電流i sd、isq ; (7) 根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?,、定子電壓矢量的幅值Us、同步旋轉(zhuǎn)dq坐標 系下的定子電流isd、is(i和轉(zhuǎn)子電流利用交叉稱合項計算出前饋補償項u^j。、!^。，并 計算有功電流和無功電流的參考值C Cg. 、 1 (8) 將所述轉(zhuǎn)子有功電流和無功電流的參考值〇、'與轉(zhuǎn)子電流反饋值iri、分別相 減，其偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到解耦項u' 解耦項u' "分別加上前饋補償項 uri。、、得到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的轉(zhuǎn)子電壓參考值";：/、<;將心、< 以轉(zhuǎn)差角0sl 為變換角進行Park逆變換得到兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子電壓參考值<α、再將 <"、4進行Clarke逆變換得到轉(zhuǎn)子三相電壓參考值<、<、4 ; (9) 根據(jù)4、<進行SpwM調(diào)制產(chǎn)生機側(cè)變換器的驅(qū)動信號，實現(xiàn)對DFIG空載并 網(wǎng)及發(fā)電運行控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法，其特征在于：所 述步驟（4)包括如下步驟： (a)將所述兩相靜止α β坐標系下的定子電壓usa、use經(jīng)過直角坐標到極坐標的坐標 變換后得到定子電壓矢量1;將所述兩相靜止α β坐標系下的定子電流isa、ise經(jīng)過直角 坐標到極坐標的坐標變換后得到定子電流矢量i s;將所述兩相靜止α β坐標系下的轉(zhuǎn)子 電流、id經(jīng)過直角坐標到極坐標的坐標變換后得到轉(zhuǎn)子電流矢量仁； (b)將所述定子電壓矢量us、定子電流矢量is、轉(zhuǎn)子電流矢量L和轉(zhuǎn)子位置角堯送入可 調(diào)模型，得到可調(diào)的定子靜止坐標系下定子電流矢量I. (C)將所述定子靜止坐標系下定子電流矢量is和所述可調(diào)的定子靜止坐標系下定子電 流矢量/5,作叉積運算； (d) 將步驟（C)計算得到的叉積結(jié)果作為滑模面進行變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，經(jīng)過低通濾波后得 到辨識轉(zhuǎn)速倉，進而對該辨識轉(zhuǎn)速0,積分后得到辨識轉(zhuǎn)子位置角 (e) 將辨識轉(zhuǎn)子位置角堯作為可調(diào)模型的變換角，重復步驟（b)?（d)，直至可調(diào)模 型輸出的定子電流矢量I能夠跟蹤參考模型輸出的定子電流矢量i s，輸出辨識轉(zhuǎn)速4和辨 識轉(zhuǎn)子位置角堯，則該辨識轉(zhuǎn)速&即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωρ辨識轉(zhuǎn)子位置角&即為轉(zhuǎn)子位置角 Θ r〇
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋風力發(fā)電機組無速度傳感器控制方法，其特征在于：所 述步驟（b)包括如下步驟： ㈧將所述的定子電壓矢量us和定子電流矢量、經(jīng)計算式ii/s = / (us-Rsis)dt得到 定子磁鏈矢量;為避免電壓模型中純積分的積累誤差而形成的直流分量，采用一階慣性 環(huán)節(jié)； (Β)將所述的定子磁鏈矢量、轉(zhuǎn)子電流矢量^和轉(zhuǎn)子位置角?.經(jīng)計算式 &得到可調(diào)的定子靜止坐標系下定子電流矢量I。
【文檔編號】H02P21/14GK104065320SQ201410270651
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】王慶龍, 楊淑英, 譚敏, 王俊, 王敬生 申請人:合肥學院