基于逆系統(tǒng)的雙饋?zhàn)兯俸泐l發(fā)電機(jī)組的控制研究

張繼勇，張?zhí)K新，卞皓瑋

(揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009)

0 引 言

風(fēng)能是比較廉價(jià)和有很好發(fā)展前景的一種新能源。現(xiàn)在世界很多國(guó)家都很重視對(duì)于風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)已是一種主流，尤其對(duì)于雙饋感應(yīng)電機(jī)的利用尤為突出。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)是強(qiáng)耦合，多變量的非線性機(jī)電系統(tǒng)，經(jīng)典控制難以滿足系統(tǒng)的控制精度及動(dòng)態(tài)性能要求。目前多采用基于矢量控制系統(tǒng)的策略，網(wǎng)側(cè)采用了電網(wǎng)電壓定向矢量控制［3－4］，機(jī)側(cè)則采用了定子磁場(chǎng)定向。但仍存在一些問(wèn)題:(1)對(duì)擾動(dòng)及其參數(shù)變化較敏感;(2)對(duì)直流母線電壓的恒定和單位功率因數(shù)控制的穩(wěn)定性并不是很好。

逆系統(tǒng)方法是一種非線性系統(tǒng)反饋線性化控制的新理論，該方法物理概念清晰，適用面廣，應(yīng)用簡(jiǎn)便，已成功應(yīng)用于一些系統(tǒng)控制。文獻(xiàn)［5，7］針對(duì)矢量控制存在的一些問(wèn)題，提出了一種逆系統(tǒng)方法，為分析和設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變換器控制提供了便利。本文采用基于逆系統(tǒng)方法來(lái)控制雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)性能。

1 DFIG及網(wǎng)側(cè)變換器模型

1.1 DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DFIG發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DFIG風(fēng)力發(fā)電基本結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的雙饋電機(jī)來(lái)說(shuō)，主要運(yùn)行于亞同步和超同步速狀態(tài)，功率流向如圖1所示。系統(tǒng)包含雙PWM變換器，即網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器。

1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要求網(wǎng)側(cè)變換器控制直流母線電壓穩(wěn)定，保持單位功率因數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的解耦。為了實(shí)現(xiàn)三相PWM變換器的高性能控制，首先需要建立并分析它的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)表達(dá)式。圖2為三相PWM變換器網(wǎng)側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2，在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)坐標(biāo)變換原理，實(shí)現(xiàn)abc到dq坐標(biāo)變換，可得三相電壓型PWM變換器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

在dq坐標(biāo)系下，輸入的復(fù)功率為:

由式(5)可知，網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率和無(wú)功功率分別由id和iq控制:

2 DFIG網(wǎng)側(cè)變換器逆系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

所謂逆系統(tǒng)控制方法就是通過(guò)構(gòu)造可實(shí)現(xiàn)的α階逆系統(tǒng)將原系統(tǒng)補(bǔ)償成為具有線性傳遞關(guān)系的且已解耦的偽線性復(fù)合系統(tǒng)，然后對(duì)已線性化的系統(tǒng)或線性化解耦的各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器，形成復(fù)合控制器(復(fù)合控制系統(tǒng))的控制方法，如圖3所示。

根據(jù)上述推導(dǎo)可選取系統(tǒng)狀態(tài)變量:

選取輸出變量:

圖3 由α階逆系統(tǒng)與閉環(huán)控制器構(gòu)成的復(fù)合控制器

選取輸入變量:

三相網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制系統(tǒng)的目標(biāo)是:使系統(tǒng)電流電壓同相位，即單位功率因數(shù)，且直流母線電壓恒定，根據(jù)上述條件，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，可以令:

代入式(1)～式(3)并化簡(jiǎn):

當(dāng)Rs較小時(shí)可將其忽略，則id的穩(wěn)態(tài)值:

為了消除系統(tǒng)濾波電阻Rs的影響，消除直流電，:壓穩(wěn)態(tài)誤差 將 修改

閉環(huán)控制器可以通過(guò)傳遞函數(shù)來(lái)求取。設(shè)傳遞函數(shù):

為了實(shí)現(xiàn)其傳遞函數(shù)，變換控制系統(tǒng)的表達(dá)式:

上式表明系統(tǒng)的輸出可以通過(guò)傳遞函數(shù)G(s)追蹤系統(tǒng)的輸入。如果輸入取參考值，那么期望的電流輸出就能取得。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制框圖

3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于逆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于逆系統(tǒng)控制方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

用電壓、電流傳感器測(cè)得的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算，得到有功無(wú)功功率。圖中變換的角度可以通過(guò)角度檢測(cè)器檢測(cè)。SVPWM模塊為電壓空間矢量模塊，控制變流器六個(gè)橋的導(dǎo)通或關(guān)斷。該模塊的使用使變流橋開(kāi)關(guān)頻率恒定，便于交流側(cè)濾波電感的設(shè)計(jì)。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的偽線性逆系統(tǒng)控制方案的正確性，本文使用Matlab/Simulink軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)為:雙饋電機(jī)額定功率2.5 kW，定子電阻0.435Ω，轉(zhuǎn)子漏感2 mH，轉(zhuǎn)子電阻0.816 Ω，轉(zhuǎn)子漏感 69.31 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.089 kg/m2;網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值75 V，直流母線電壓140 V，進(jìn)線電阻Rs=0.05Ω，進(jìn)線電感Ls=6 mH，直流母線電容C=2 200μF。

當(dāng)DFIG穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子側(cè)向電網(wǎng)輸出的有功功率一定，根據(jù)最大功率捕捉和功率平衡，當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸入功率發(fā)生變化時(shí)，變換器功率也發(fā)生變化。如果風(fēng)速減小使轉(zhuǎn)差率變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，則變換器向風(fēng)機(jī)提供的有功功率|S|P1增大到原來(lái)的兩倍。

圖6a為直流母線電壓圖。在0.2 s前，發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓穩(wěn)定。0.2 s后風(fēng)速減小有功功率增加，母線電壓有所波動(dòng)。但過(guò)段時(shí)間后電壓又保持恒定，實(shí)現(xiàn)了直流母線電壓的穩(wěn)定。

圖6b為相電壓相電流的仿真圖，電壓與電流同相位，實(shí)現(xiàn)了交流側(cè)單位功率因數(shù)，在0.2 s時(shí)有功功率增加一倍，相電流近似為原來(lái)的兩倍。

圖6c～圖6f分別為無(wú)功功率、有功功率、功率因數(shù)和相電流頻譜的仿真圖，從圖中可以看出，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功和有功的解耦，無(wú)功功率在有功功率變化時(shí)依然等于零，且能維持單位功率因數(shù)，且諧波分量非常小。仿真結(jié)果可以看出該控制方法具有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

圖6 轉(zhuǎn)子輸入電能有功功率增加，逆系統(tǒng)仿真波形

圖7a、圖7b分別為A相電壓在0.25 s跌落10%時(shí)，A相電壓及電流和直流母線電壓的仿真圖，并且相電壓在0.3 s恢復(fù)。從圖中可以看出，電壓跌落時(shí)，相電流增加，但依然能保持同相位，而直流母線電壓有所波動(dòng)，一段時(shí)間后直流母線電壓仍能穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明該控制方法具有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

圖7 A相電壓在0.25 s跌落10%時(shí)逆系統(tǒng)仿真模型

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)逆系統(tǒng)理論及控制模型，構(gòu)造了偽線性控制系統(tǒng)，通過(guò)dq電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了有功無(wú)功功率的解耦，利用閉環(huán)控制器控制提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)Matlab/Simulink仿真對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明本文所提出的偽線性逆系統(tǒng)控制策略具有較好的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性。

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