带前馈补偿的双馈风力发电机鲁棒控制方法

摘要

本发明涉及一种大型风力发电机组中带前馈补偿的双馈风力发电机鲁棒控制方法，步骤为：第一步，根据电机参数摄动和外界干扰，由环路整形定律设计出鲁棒控制律；第二步，根据给定转速和由转速传感器测量实际转速的误差根据鲁棒控制律给出鲁棒控制信号；第三步，鲁棒控制信号进行转子前馈补偿信号相加，相加后的输出作为控制输出，将控制输出利用电源磁场的旋转速度以及旋转角度进行定子磁场定向的坐标变换，得到变流器控制信号；第四步，用变流器控制信号驱动变流器来控制电机转速。本发明采用定子磁场定向、转子电流前馈补偿，并根据加权函数设计鲁棒控制器，满足控制要求，具有良好的鲁棒性能，且易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种风力发电技术领域的控制方法，具体是一种带前馈补偿的双馈风力发电机鲁棒控制方法。

背景技术

风能等各种可再生能源的利用和研究已日益受到世界各主要发达国家的重视，成为解决能源危机和环境问题的有效手段之一。大型风力发电系统可以将能量巨大的风能转换成为电能，是未来发电的重要方式之一。由于双馈电机本身可以通过直接调节转子端电压、电流的频率和大小来控制定子的电压和频率输出，使其在风力发电领域有着很重要的应用。控制双馈电机实际上就是根据给定转速进行跟踪控制。因此，针对双馈风力发电机系统，研究一种高效的控制方法是非常必要的。现有技术中的电机控制方法，如DTC(直接转矩控制)、磁场解耦控制等，虽然在一定程度上解决了有关控制问题，但都存在鲁棒性差、控制器设计复杂，不易应用于工业等不足。

经对现有技术文献的检索发现，R.Pena，J.C.Clare，G.M Asher.在《Electric Power Applications，IEE Proceedings》.(1996，43(3)：231-241)上发表“Doubly fed induction generator using back-to-back PWM convertersand its application to variable-speed wind energy generation”(使用背靠背变流器的双馈发感应电机系统及其在变速风力发电机上的应用)该文提出了双馈电机的控制方法，具体方法为前馈补偿的PID(比例积分微分)控制律，其不足在对于电机参数的摄动和外界干扰对控制器的影响并没有提及，因而在控制器的设计过程中过于依赖测量估计参数的准确性，同时，因PID控制律的设计过程复杂，对参数摄动和外界干扰抑制不足，使得该方法存在很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种带前馈补偿的双馈风力发电机鲁棒控制方法，采用定子磁场定向、转子电流前馈补偿，并根据加权函数设计鲁棒控制器，满足控制要求，避免了传统的磁场解耦前馈补偿控制器过于依赖测量估计参数的准确性，设计过程复杂、对参数摄动和外界干扰抑制不足，使用局限性大等不足，具有良好的鲁棒性能，且易于实现。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

第一步，根据电机参数摄动和外界干扰，由环路整形定律设计出鲁棒控制律；

第二步，根据给定转速和由转速传感器测量实际转速的误差根据鲁棒控制律给出鲁棒控制信号；

第三步，鲁棒控制信号进行转子前馈补偿信号相加，相加后的输出作为控制输出，将控制输出利用电源磁场的旋转速度以及旋转角度进行定子磁场定向的坐标变换(反park变换)，得到变流器控制信号；

第四步，用变流器控制信号驱动变流器来控制电机转速。

所述第一步，具体实现为：首先测量电源(定子端)电压、电流频率、幅值，测量结果用于判断电源状态并为后续坐标变换提供用于参考的电源磁场的旋转速度以及旋转角度；然后根据分析电机参数摄动和外界干扰的性能加权函数(一组由电机参数摄动和外界干扰对电机性能影响大小的函数所组成)，用环路整形定律设计出鲁棒控制律。

所述的定子磁场定向的坐标变换，是指用定子磁场作为转速参考的一种park坐标变换方法，根据传感器测得的定子端电压、电流信号，先根据磁场定律计算出定子磁场的旋转速度，再根据这个旋转速度进行坐标变换(park变换)。park变换是为了研究简化发电机模型的一种通用坐标变换，它表示的是三相旋转坐标系到两相旋转坐标系的变换，属于一种电机研究的通用技术。

所述的传感器采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，分别检测双馈电机转子侧的电压和电流，从而实现对双馈电机功率的检测，霍尔电流传感器测量直流、交流、脉冲和混合型电流，霍尔电压传感器测量直流、交流和脉冲电压。

所述的电流传感器，其原边额定有效值电流为25mA，采用+15V电源供电，精度为±0.5％，原边电流测量范围为0～±36A。

所述的电压传感器，其原边额定有效值电流为10mA，副边额定有效值电流为25mA，采用+15V电源供电，精度为+0.6％，原边电流测量范围为0～+14mA。

所述的转速传感器为磁电式转速传感器，测量范围为0.3Hz～10kHz，工作电压5V～24V，使用温度—30℃～+150℃，输出波形为近似方波，输出信号幅值大小与转速成正比。

所述前馈补偿，是指根据双馈电机的数学模型，由测量所得的转子电压、电流信号，将模型中的耦合非线性项作为一个前馈补偿输入来补偿控制信号，具体的双馈电机模型以及耦合非线性项可以根据前述文献得知。

所述的转子前馈补偿是指：在定子磁场定向的转子电压电流变换基础上，由DSP(数字信号处理器)控制器根据测量的转子电流信号，对输入的转子电压电流信号进行补偿。

所述的性能加权函数，是指根据系统的跟踪性能和鲁棒性能要求，设计出的影响电机性能评价函数。性能评价函数是根据实际要求设计的，它是用来衡量电机对环境的反应，在本发明中，考虑到双馈电机在实际应用中的要求，性能评价函数主要由两个函数组成，一个是电机对风速变化快速性的评价函数，一个是电机对控制过程中信号干扰的评价函数。

所述环路整形定律是指：根据性能加权函数和鲁棒控制理论，将双馈发电机的伯德(bode)图整形处理，获得需要的曲线。整形处理指的是由性能加权函数的bode图，根据鲁棒控制理论将电机本身传递函数的bode图整形成为所需要的bode图形状。具体的方法可参见鲁棒控制理论书籍。

本发明具有以下效果：(1)有功、无功解耦控制，可以控制双馈电机的输出功率因数从0.5到1；(2)无需对电机运行参数进行精确测量，一般的控制方法如PID控制器，设计过程中需要严格测定电机的各个参数，设计出来的控制器不可避免地对测量器件的要求高；(3)通过对系统的性能进行分析后建立相应的加权函数，并根据加权函数运用环路整形理论，直接设计相应的控制器，以确保系统具有所需跟踪和鲁棒性能；(4)整个控制器设计过程中考虑了系统在实际运行过程中可能出现的各种不稳定情况，控制器具有良好的鲁棒性和实用性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例使用的控制系统框图；

图3为本发明实施例的实施效果仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例按照以下的流程进行实施：

(1)双馈电机获得启动命令时，测量电源端的状态，电源为三相正弦交流电源，其中电源端的正常状态线电压为V_a＝V_b＝V_c＝220V，每相的频率为，f＝50Hz，各相之间的相差为120℃；

(2)当电源状态异常时(交流电源的状态不符合正常状态的要求)或者电机状态异常(转速传感器在1s中无信号动作)或者控制器(DSP预报故障)，控制器发出报警信号(鸣响)，提醒进行检修处理；

(3)当电机和电源状态稳定正常时，控制器启动。根据电源端的输出电压电流计算出电源端磁场的旋转速度ω₁，根据传感器测量出的电机转子的电压电流信号以及转速信号实时计算出前馈补偿信号，其中，补偿信号的计算公式分别为：

$\Delta u_{\mathrm{dr}}=-({\omega }_1-{\omega }_r)(l_r-\frac{l_m^2}{l_s})i_{\mathrm{qr}}$

$\Delta u_{\mathrm{qr}}=({\omega }_1-{\omega }_r)(l_r-\frac{l_m^2}{l_s})i_{\mathrm{dr}}+({\omega }_1-{\omega }_r)\frac{l_m}{l_s}{\psi }_{\mathrm{ds}}$

ω₁＝314rad/s，lr＝0.0227mh，ls＝0.0227mh，lm＝1.37mh；

(4)根据转速传感器测量的转速信号ω_r和给定转速值ω^*比较，，由鲁棒控制律给出鲁棒控制信号(鲁棒控制律的设计过程：首先根据系统需要设计出加权函数为$W_s=\frac{{0.1s}^2+39.738s+3947.86}{s^2+1.25s+0.394786}$和$W_T=\frac{s+31.4159}{31.459},$然后由加权函数根据环路整形定律求解鲁棒控制律的传递函数为$C\left(s\right)=>\frac{{13300s}^2+720010s+31420}{s^3+12500s^2+16500s+5000}>);$

(5)鲁棒控制信号和前馈补偿信号相加，相加后的信号以电源端磁场转速作反坐标变换(反park变换)输出作为变频装置的SPWM(正弦波脉宽调制)控制信号。

(6)SPWM控制三相交交变流器组的电压输出来控制电机的转速。由于转速反馈闭环，因而控制器可以达到控制电机转速的目的。

如图2所示，DFIG(双馈感应发电机)控制系统由测量装置和DSP控制器组成。当电机以及电源状态正常时，DSP控制器根据给定转速及测量信号输出相应的信号，控制SPWM脉冲触发装置，控制电机的转速。图2中ω^*为给定转速。

测量装置由转速传感器和电压互感器组成，转速传感器型号为上海欧丹仪器电子有限公司生产的OD9011高灵敏度、高抗干扰性的磁电式转速传感器，测量范围为0.3Hz～10kHz，工作电压5V～24V，使用温度—30℃～+150℃，输出波形为近似方波，输出信号幅值大小与转速成正比，电压传感器的型号为瑞士莱姆公司(LEM)生产的LV28-P，原边额定有效值电流为10mA，副边额定有效值电流为25mA，采用±15V电源供电，精度为+0.6％，原边电流测量范围为0～+14mA。DSP为TI公司的TMS320LF2407A，内部集成了模/数转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口。

如图3所示，本实例的实施效果仿真图，为了便于分析表示，纵轴中各个量取为标幺值，横轴为时间采样点(每隔0.05s采样一次)，图3由三个部分组成，其中，图3(a)为风速快速变化特性图，纵轴表示的是风速变化的幅度，风速的变化频率f1＝10Hz，图3(b)表示控制过程中的噪声干扰特性，纵轴表示的是噪声的大小，噪声干扰的频率f2＝1000Hz，图3(c)表示转速控制的实施效果仿真图，纵轴表示的是转速，可以看出，转速的变化不受输入端的低频干扰和控制过程中的高频干扰，且能够准确的跟踪给定转速。仿真结果证明，该方法不仅具有良好的转速跟踪控制性能，而且具有优秀的鲁棒性能。