不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)高階滑?？刂品椒?/h1>
2019-06-11 07:37:57張海燕王杰
電機(jī)與控制學(xué)報 2019年4期 關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量
張海燕 王杰
摘 要：旨在提出一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)高階滑模控制方法。首先提出恒定風(fēng)速以及變風(fēng)速下電能質(zhì)量改善策略，并提出六種功率補償策略用于實現(xiàn)選擇性控制目標(biāo)。然后采用高階滑?？刂品椒ㄓ糜诳刂齐p饋風(fēng)機(jī)輸出有功/無功功率;同時，基于super-twisting用于物理實現(xiàn)。在控制器參數(shù)設(shè)計中，采用Lyapunov函數(shù)法用于篩選控制器參數(shù)。最后，通過實驗驗證所提方法的有效性，并與PI控制方法和一階滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行對比。實驗結(jié)果充分驗證了所提方法在提高電能質(zhì)量上的有效性以及優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：高階滑?？刂?雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī);不平衡電網(wǎng)電壓;電能質(zhì)量;lyapunov函數(shù)
中圖分類號：TM 343
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1007-449X（2019）04-0037-12
0 引 言
風(fēng)能作為一種重要的可再生能源正在受到越來越廣泛的關(guān)注。全球風(fēng)能裝機(jī)容量正呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢。現(xiàn)代電力電子器件的使用大大增加了風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性、可用性以及穩(wěn)定性，并使風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不理想、變風(fēng)速以及孤島運行情況下保持穩(wěn)定可靠運行[1-2]。
在現(xiàn)有的商用風(fēng)機(jī)中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)因具有造價低、可變風(fēng)速運行以及可實現(xiàn)有功和無功功率解耦控制的特點，有著舉足輕重的作用。目前，基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流控制方法有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制以及直接功率控制[3-4]。矢量控制方法可以將轉(zhuǎn)子電流分解為有功和無功部分，并通過PI控制器實現(xiàn)優(yōu)越的穩(wěn)態(tài)控制;然而，此控制器的積分部分在一定程度上影響其動態(tài)性能，同時需要采用鎖相環(huán)路用于將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換至同步參考系[5]。直接功率控制方法通過空間矢量的選取用于控制風(fēng)機(jī)輸出有功/無功功率或者電磁轉(zhuǎn)矩。大量工程實踐表明其具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性，并便于實現(xiàn)工程應(yīng)用。 而直接功率的缺陷在于其滯回比較器的使用會導(dǎo)致輸出功率中紋波的出現(xiàn)[6]。
目前關(guān)于雙饋風(fēng)力發(fā)電研究的一個重要課題是如何在并網(wǎng)時控制其輸出有功/無功功率。然而，傳統(tǒng)的控制方法往往忽略了電網(wǎng)電壓不平衡下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行，尤其是遠(yuǎn)離主網(wǎng)孤立運行的小型電網(wǎng)時常發(fā)生不平衡電壓波動以及不對稱故障[7]。 在這種不平衡電網(wǎng)電壓下運行的風(fēng)機(jī)的機(jī)械組件會在一定程度上受到非正弦輸出電流，功率以及轉(zhuǎn)矩的脈動造成的損害。因此，有必要研究并網(wǎng)運行風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的運行[8-11]。文獻(xiàn)[8]研究了不平衡電網(wǎng)電壓下風(fēng)機(jī)的動態(tài)特性并提出一種轉(zhuǎn)子電流控制策略用于控制轉(zhuǎn)子側(cè)正序和負(fù)序電流。文獻(xiàn)[9]通過一個耦合場電路模擬器分析了電網(wǎng)電壓出現(xiàn)擾動情況下雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性。文獻(xiàn)[10]通過在定子磁鏈的矢量電流控制器中引進(jìn)兩個增強控制器用于消除輸出功率中的高頻振蕩。文獻(xiàn)[11]針對不同的控制目標(biāo)，提出一種用于實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)逆變器和機(jī)側(cè)逆變器獨立控制的控制算法。
同時，也有關(guān)于在不平衡電網(wǎng)電壓下改進(jìn)直接功率控制算法的報道[12-14]。文獻(xiàn)[12]提出了一種在不平衡電網(wǎng)電壓下基于低復(fù)雜性模型預(yù)測控制的直接功率控制算法。文獻(xiàn)[13]提出一種預(yù)測直接功率控制方法用于改善不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量，這種方法不依賴于坐標(biāo)變換并可實現(xiàn)對順勢有功/無功功率的解耦控制，同時其提出了一種無需提取定子負(fù)序電流序列的功率補償策略。文獻(xiàn)[14]提出了一種改進(jìn)型直接功率控制方法用于在網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)不對稱故障情況下輸出對稱且正弦的定子電流。
此外，文獻(xiàn)[15-17]提出了基于滑?？刂频闹苯庸β士刂撇呗杂糜诳刂齐p饋風(fēng)機(jī)。然而，其未考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對稱故障時的應(yīng)對策略。同時，傳統(tǒng)滑?？刂品椒ū旧頃a(chǎn)生高頻抖振現(xiàn)象，加劇了輸出功率以及電流中存在高頻諧波成分的問題。
本文旨在提出一種基于高階滑模控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制策略（HOSM-DPC）用于提高電網(wǎng)電壓不平衡情況下風(fēng)機(jī)輸出電能質(zhì)量。文章的主要貢獻(xiàn)為：提出了針對恒風(fēng)速以及變風(fēng)速下網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)不平衡情況下的功率補償策略用于提高輸出電能質(zhì)量;采用高階滑?？刂品椒ㄓ糜趯崿F(xiàn)對輸出有功以及無功功率的解耦控制。
1 不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型
電網(wǎng)電壓不平衡下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其中電網(wǎng)電壓不平衡主要由不平衡負(fù)荷導(dǎo)致。此雙饋風(fēng)機(jī)在靜止αβ坐標(biāo)下的等效電路如圖1（b）所示。因此，定子磁鏈與電機(jī)電流方程[16]為：
2 選擇性控制目標(biāo)與電能質(zhì)量
2.1 不平衡電網(wǎng)電壓下功率波動分析
從式（3）中看出電網(wǎng)電壓的不平衡導(dǎo)致定子負(fù)序電流的出現(xiàn)并使得定子電流變得非正弦與對稱。同時，負(fù)序分量的產(chǎn)生導(dǎo)致了有功和無功功率中振蕩分量Ps1、Qs1、Ps2和Qs2的出現(xiàn)。傳統(tǒng)基于滑?？刂频闹苯庸β士刂疲⊿MC-DPC）的原理是根據(jù)一個參考有功和無功功率值對定子輸出有功和無功功率進(jìn)行直接控制并使其追蹤此參考值。當(dāng)風(fēng)機(jī)運行在變風(fēng)速情況下時，參考有功功率值通過最大功率點追蹤（MPPT）方法獲得;而當(dāng)風(fēng)速恒定時，參考有功功率也是恒定的。因此，當(dāng)參考功率為恒定時，SMC-DPC方法需要設(shè)法使如下等式成立，即：
顯然，式（18）中各等式不能同時成立，即有功和無功功率中的波動分量不能被同時消除[16]。因此，在定子電流波形與有功和無功功率追蹤性能之間需做出折衷選擇[12]。
2.2 恒風(fēng)速下選擇性控制目標(biāo)
基于以上分析，消除有功和無功功率中的波動項與輸出正弦對稱定子電流這兩個控制目標(biāo)不可能同時實現(xiàn)，因此，需要定義不同的選擇性控制目標(biāo)并由此得出不同的功率補償策略。
目標(biāo)1：輸出正弦對稱定子電流。
為實現(xiàn)目標(biāo)1，定子電流中的負(fù)序分量|Is-|需要保持為0。通過觀察式（9）以及式（10），這個目標(biāo)可以通過控制Ps1和Qs1同時為0來實現(xiàn)，即：
與控制目標(biāo)3相對應(yīng)，此控制目標(biāo)不能夠消除輸出有功功率中的紋波，且輸出定子電流也為非對稱的。
2.3 變風(fēng)速情況下選擇性控制目標(biāo)
以上所述選擇性控制目標(biāo)都是基于恒風(fēng)速運行情況下的，此時輸出有功功率參考值中的均值分量Ps0被認(rèn)為是恒定的。然而，在變風(fēng)速情況下所產(chǎn)生的有功功率通常情況下是不恒定的，而是與實際的風(fēng)速有關(guān)。圖3表示常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的4個運行區(qū)域。在區(qū)域R1，風(fēng)速低于風(fēng)機(jī)運行啟動值，此時風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài);在區(qū)域R2，風(fēng)速大于風(fēng)機(jī)運行啟動值但小于額定風(fēng)速值;在區(qū)域R3，風(fēng)速介于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速值與風(fēng)機(jī)最大可靠風(fēng)速值之間。此時風(fēng)機(jī)處于全功率運行狀態(tài);在區(qū)域R4，風(fēng)速大于最大可靠風(fēng)速值，此時處于安全考慮風(fēng)機(jī)需處于停機(jī)狀態(tài)。在所有四個區(qū)域中，風(fēng)機(jī)處于區(qū)域R2時的控制是最復(fù)雜的。同時，需要在前述分析的基礎(chǔ)上引進(jìn)功率優(yōu)化程序用于最大化利用風(fēng)能。因此，需要提出額外的選擇性控制目標(biāo)用于電網(wǎng)電壓不平衡情況下優(yōu)化風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程。
目標(biāo)5：獲取最大有功功率并輸出不對稱非正弦定子電流。
為實現(xiàn)此控制目標(biāo)，需要在等式（19）的基礎(chǔ)上施加其他條件。假設(shè)在風(fēng)速Vt下風(fēng)機(jī)能夠捕捉的最大有功功率為PVmax，此時參考功率值為：
目標(biāo)6：輸出正弦對稱定子電流。
在變風(fēng)速情況下，只有當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出有功功率保持為恒定值時才能持續(xù)穩(wěn)定輸出正弦對稱的定子電流。因此，此控制目標(biāo)下相應(yīng)的參考功率為：
3 基于高階滑模的直接功率控制
傳統(tǒng)的一階滑?？刂品椒ň哂休^強的抖振現(xiàn)象，這種抖振現(xiàn)象是由控制輸入中符號函數(shù)的存在造成其控制輸入不連續(xù)所導(dǎo)致的。盡管有較多研究報道了其對應(yīng)措施，包括指數(shù)趨近律的應(yīng)用[18-19]，采用飽和函數(shù)替換符號函數(shù)的方法[15-16]，以及終端滑模的提出[20-21]，這些方法僅能在一定程度上降低抖振的幅值以及頻率，而不能徹底消除狀態(tài)軌跡的抖振現(xiàn)象。因此，高階滑模的概念被提出來并通過大量理論以及實踐證明能夠徹底消除滑?？刂频亩墩瘳F(xiàn)象。這種方法采用原有控制輸入對時間的導(dǎo)數(shù)作為新的控制輸入以抑制抖振現(xiàn)象[22-23]。
對于V2中控制器參數(shù)的選擇同理，在此省略其具體過程。整個受控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
4 實驗驗證
本節(jié)采用實驗驗證文章所提HOSM-DPC方法的有效性。實驗平臺由一個2 kW感應(yīng)電機(jī)，一對0.7 kW雙饋逆變器和相應(yīng)的電流電壓傳感器構(gòu)成[24]。通過1716數(shù)據(jù)采集卡將傳感器與計算機(jī)進(jìn)行連接，并采用dSPACED1103數(shù)字信號處理器控制機(jī)側(cè)逆變器。同時，采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為微處理器用于產(chǎn)生20 Hz控制信號。實驗平臺如圖5所示。
4.1 平衡電網(wǎng)電壓下對比性實驗
有必要測試所提HOSM-DPC方法在電網(wǎng)電壓處于平衡狀態(tài)時其穩(wěn)態(tài)性能。基于查找表的直接功率控制（LUT-DPC）方法是最重要的一種傳統(tǒng)直接功率控制方法。因而將LUT-DPC方法與文章所采用的HOSM-DPC方法進(jìn)行對比。
圖6為采用兩種方法的實驗結(jié)果。從圖6可以看出較傳統(tǒng)LUT-DPC方法，文章所提HOSM-DPC能夠更加平滑追蹤參考有功和無功功率。同時，采用傳統(tǒng)LUT-DPC方法與文章所提HOSM-DPC方法時，轉(zhuǎn)子側(cè)電流總諧波失真（THD）分別為11.97%和5.12%，而定子側(cè)諧波失真分別為4.38%和4.16%，顯然文章所提方法具有更佳的穩(wěn)態(tài)性能。
圖7對比兩種方法對于有功和無功功率參考值出現(xiàn)階躍變化時的動態(tài)響應(yīng)?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)LUT-DPC對于參考值出現(xiàn)階躍變化時更加敏感，同時其跟蹤性能受到一定程度影響。HOSM-DPC方法仍能夠較穩(wěn)定地追蹤參考值，這也體現(xiàn)出滑?？刂品椒ü逃械妮^強的魯棒性。
4.2 不平衡電網(wǎng)電壓下選擇性控制
為進(jìn)一步測試HOSM-DPC方法在不平衡電網(wǎng)電壓下的控制性能用于實現(xiàn)選擇性控制目標(biāo)，采用文獻(xiàn)[16]所提的一階滑?？刂频闹苯庸β士刂品椒ǎ‵OSM-DPC）進(jìn)行對比性實驗。圖8、圖9為采用HOSM-DPC以及FOSM-DPC方法的為實現(xiàn)控制目標(biāo)1～4的實驗結(jié)果對比圖。圖8（a）和圖8（b）對比兩種方法針對控制目標(biāo)1的實驗結(jié)果。兩種方法都采用前述功率補償策略生成參考有功/無功功率。觀察圖8（a）和圖8（b）可以看出兩種方法都能夠得出正弦對稱定子電流，而輸出有功和無功功率曲線中都存在一定程度的紋波。同時可以發(fā)現(xiàn)采用FOSM-DPC方法得出的功率、定子電流以及轉(zhuǎn)矩曲線較HOSM-DPC對應(yīng)的曲線更加不規(guī)則且出現(xiàn)明顯畸形。除去電網(wǎng)電壓不平衡所帶來的影響外，一階滑?？刂品椒刂戚斎胫械牟贿B續(xù)項所造成的抖振現(xiàn)象是功率、電流以及轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)畸形的主要原因。圖8（c）和圖8（d）為針對控制目標(biāo)2兩種方法的實驗結(jié)果。此時參考有功和無功功率都設(shè)置為其對應(yīng)的額定值。可以看出兩種方法都能夠較為精確地追蹤對應(yīng)的有功和無功功率參考值。然而，采用FOSM-DPC方法時，輸出有功和無功功率曲線中同樣存在較為明顯的高頻抖振現(xiàn)象，并間接導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子電流中出現(xiàn)較為明顯的諧波。而采用高階滑模控制方法時，輸出有功和無功功率曲線中則不存在明顯的諧波分量。同時可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法下輸出定子電流中都存在幅值較高的三次諧波分量，這與控制目標(biāo)2中的分析是一致的。圖9表示針對控制目標(biāo)3和目標(biāo)4時兩種方法對應(yīng)的實驗結(jié)果。兩種方法同樣可以實現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo);同時，從圖9中也能夠看出文章所提方法對于傳統(tǒng)方法的更加優(yōu)越的控制性能。
采用兩種方法時定子電流以及轉(zhuǎn)子電流的總諧波失真如表1所示。由表1可以看出，在4個不同的控制目標(biāo)下，采用文章所提方法時，定子電流與轉(zhuǎn)子電流的總諧波失真皆小于傳統(tǒng)一階滑?？刂品椒ㄏ聦?yīng)的值。這得益于高階滑模控制方法對于抖震現(xiàn)象的完全抑制作用，由此可見文章所提方法的優(yōu)越性。
此外，文章所采用的基于HOSM-DPC方法的功率補償策略能夠有效提交系統(tǒng)電能質(zhì)量。當(dāng)三相電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡時，無功率補償策略的傳統(tǒng)控制方法不能對輸出定子電流或者有功功率波形進(jìn)行有效控制。當(dāng)需要正弦穩(wěn)定且?guī)缀醪缓C波分量的定子電流時，可采用目標(biāo)1的功率補償策略;當(dāng)需要輸出定量的有功功率時，可采用目標(biāo)2的功率補償策略;當(dāng)需要輸出平穩(wěn)且不含紋波的有功功率時，可采用目標(biāo)3的功率補償策略;當(dāng)需要平穩(wěn)的無功功率輸出時，可采用目標(biāo)4的功率補償策略。相較于無目標(biāo)或單目標(biāo)控制策略，本文提出方法能夠更加全面應(yīng)對實際電能質(zhì)量控制要求，并有效提高不同實際需求下的電能質(zhì)量。
4.3 變風(fēng)速以及不平衡電網(wǎng)電壓下選擇性控制
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個重要優(yōu)點在于其變風(fēng)速運行能力。因此，有必要通過實驗驗證在變風(fēng)速情況下文章所提方法的控制性能。圖10為變風(fēng)速情況下針對控制目標(biāo)5和控制目標(biāo)6采用文章所提HOSM-DPC方法的實驗結(jié)果。圖10（a）為針對控制目標(biāo)5的實驗結(jié)果;圖10（b）為針對控制目標(biāo)6的實驗結(jié)果。從圖10（a）可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)根據(jù)最大功率點跟蹤獲取并輸出最大功率時，輸出的定子電流呈現(xiàn)出高度畸形現(xiàn)象;而從圖10（b）中可以看出，當(dāng)獲取的有功功率穩(wěn)定在一個恒定值時，輸出定子電流為相對正弦對稱的。因此，通過圖10驗證了所提出的控制目標(biāo)的正確性以及所采用HOSM-DPC方法的可行性。
同時，控制目標(biāo)6對于系統(tǒng)電能質(zhì)量也有這明顯提高。在變風(fēng)速情況下，通常很難維持定子電流正弦穩(wěn)定性。不穩(wěn)定風(fēng)速往往會造成定子電流畸形。而采用文章所提功率補償策略，可以實現(xiàn)正弦穩(wěn)定的定子電流輸出，提高輸出電流的電能質(zhì)量。
5 結(jié) 論
文章提出一種基于高階滑模的直接功率控制方法用于控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。此控制方法充分考慮變風(fēng)速情況下電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡時的控制策略。采用6個選擇性控制目標(biāo)用于控制在恒風(fēng)速以及變風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的輸出有功和無功功率，同時針對每個控制目標(biāo)提出對應(yīng)的功率補償策略。同時，采用高階滑模控制用于抑制滑?？刂浦写嬖诘亩墩瘳F(xiàn)象，并采用Lyapunov函數(shù)法用于調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。通過多個實驗驗證文章所提方法的可行性以及對比現(xiàn)有方法的性能差異。實驗結(jié)果充分驗證了文章所提選擇性控制目標(biāo)的可行性以及文章采用的HOSM-DPC方法較傳統(tǒng)LUP-DPC以及FOSM-DPC在控制性能上的優(yōu)越性。
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（編輯：張 楠）
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張海燕 王杰
摘 要：旨在提出一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)高階滑模控制方法。首先提出恒定風(fēng)速以及變風(fēng)速下電能質(zhì)量改善策略，并提出六種功率補償策略用于實現(xiàn)選擇性控制目標(biāo)。然后采用高階滑?？刂品椒ㄓ糜诳刂齐p饋風(fēng)機(jī)輸出有功/無功功率;同時，基于super-twisting用于物理實現(xiàn)。在控制器參數(shù)設(shè)計中，采用Lyapunov函數(shù)法用于篩選控制器參數(shù)。最后，通過實驗驗證所提方法的有效性，并與PI控制方法和一階滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行對比。實驗結(jié)果充分驗證了所提方法在提高電能質(zhì)量上的有效性以及優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：高階滑?？刂?雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī);不平衡電網(wǎng)電壓;電能質(zhì)量;lyapunov函數(shù)
中圖分類號：TM 343
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1007-449X（2019）04-0037-12
0 引 言
風(fēng)能作為一種重要的可再生能源正在受到越來越廣泛的關(guān)注。全球風(fēng)能裝機(jī)容量正呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢。現(xiàn)代電力電子器件的使用大大增加了風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性、可用性以及穩(wěn)定性，并使風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不理想、變風(fēng)速以及孤島運行情況下保持穩(wěn)定可靠運行[1-2]。
在現(xiàn)有的商用風(fēng)機(jī)中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)因具有造價低、可變風(fēng)速運行以及可實現(xiàn)有功和無功功率解耦控制的特點，有著舉足輕重的作用。目前，基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流控制方法有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制以及直接功率控制[3-4]。矢量控制方法可以將轉(zhuǎn)子電流分解為有功和無功部分，并通過PI控制器實現(xiàn)優(yōu)越的穩(wěn)態(tài)控制;然而，此控制器的積分部分在一定程度上影響其動態(tài)性能，同時需要采用鎖相環(huán)路用于將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換至同步參考系[5]。直接功率控制方法通過空間矢量的選取用于控制風(fēng)機(jī)輸出有功/無功功率或者電磁轉(zhuǎn)矩。大量工程實踐表明其具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性，并便于實現(xiàn)工程應(yīng)用。 而直接功率的缺陷在于其滯回比較器的使用會導(dǎo)致輸出功率中紋波的出現(xiàn)[6]。
目前關(guān)于雙饋風(fēng)力發(fā)電研究的一個重要課題是如何在并網(wǎng)時控制其輸出有功/無功功率。然而，傳統(tǒng)的控制方法往往忽略了電網(wǎng)電壓不平衡下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行，尤其是遠(yuǎn)離主網(wǎng)孤立運行的小型電網(wǎng)時常發(fā)生不平衡電壓波動以及不對稱故障[7]。 在這種不平衡電網(wǎng)電壓下運行的風(fēng)機(jī)的機(jī)械組件會在一定程度上受到非正弦輸出電流，功率以及轉(zhuǎn)矩的脈動造成的損害。因此，有必要研究并網(wǎng)運行風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的運行[8-11]。文獻(xiàn)[8]研究了不平衡電網(wǎng)電壓下風(fēng)機(jī)的動態(tài)特性并提出一種轉(zhuǎn)子電流控制策略用于控制轉(zhuǎn)子側(cè)正序和負(fù)序電流。文獻(xiàn)[9]通過一個耦合場電路模擬器分析了電網(wǎng)電壓出現(xiàn)擾動情況下雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性。文獻(xiàn)[10]通過在定子磁鏈的矢量電流控制器中引進(jìn)兩個增強控制器用于消除輸出功率中的高頻振蕩。文獻(xiàn)[11]針對不同的控制目標(biāo)，提出一種用于實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)逆變器和機(jī)側(cè)逆變器獨立控制的控制算法。
同時，也有關(guān)于在不平衡電網(wǎng)電壓下改進(jìn)直接功率控制算法的報道[12-14]。文獻(xiàn)[12]提出了一種在不平衡電網(wǎng)電壓下基于低復(fù)雜性模型預(yù)測控制的直接功率控制算法。文獻(xiàn)[13]提出一種預(yù)測直接功率控制方法用于改善不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量，這種方法不依賴于坐標(biāo)變換并可實現(xiàn)對順勢有功/無功功率的解耦控制，同時其提出了一種無需提取定子負(fù)序電流序列的功率補償策略。文獻(xiàn)[14]提出了一種改進(jìn)型直接功率控制方法用于在網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)不對稱故障情況下輸出對稱且正弦的定子電流。
此外，文獻(xiàn)[15-17]提出了基于滑?？刂频闹苯庸β士刂撇呗杂糜诳刂齐p饋風(fēng)機(jī)。然而，其未考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對稱故障時的應(yīng)對策略。同時，傳統(tǒng)滑?？刂品椒ū旧頃a(chǎn)生高頻抖振現(xiàn)象，加劇了輸出功率以及電流中存在高頻諧波成分的問題。
本文旨在提出一種基于高階滑模控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制策略（HOSM-DPC）用于提高電網(wǎng)電壓不平衡情況下風(fēng)機(jī)輸出電能質(zhì)量。文章的主要貢獻(xiàn)為：提出了針對恒風(fēng)速以及變風(fēng)速下網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)不平衡情況下的功率補償策略用于提高輸出電能質(zhì)量;采用高階滑?？刂品椒ㄓ糜趯崿F(xiàn)對輸出有功以及無功功率的解耦控制。
1 不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型
電網(wǎng)電壓不平衡下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其中電網(wǎng)電壓不平衡主要由不平衡負(fù)荷導(dǎo)致。此雙饋風(fēng)機(jī)在靜止αβ坐標(biāo)下的等效電路如圖1（b）所示。因此，定子磁鏈與電機(jī)電流方程[16]為：
2 選擇性控制目標(biāo)與電能質(zhì)量
2.1 不平衡電網(wǎng)電壓下功率波動分析
從式（3）中看出電網(wǎng)電壓的不平衡導(dǎo)致定子負(fù)序電流的出現(xiàn)并使得定子電流變得非正弦與對稱。同時，負(fù)序分量的產(chǎn)生導(dǎo)致了有功和無功功率中振蕩分量Ps1、Qs1、Ps2和Qs2的出現(xiàn)。傳統(tǒng)基于滑?？刂频闹苯庸β士刂疲⊿MC-DPC）的原理是根據(jù)一個參考有功和無功功率值對定子輸出有功和無功功率進(jìn)行直接控制并使其追蹤此參考值。當(dāng)風(fēng)機(jī)運行在變風(fēng)速情況下時，參考有功功率值通過最大功率點追蹤（MPPT）方法獲得;而當(dāng)風(fēng)速恒定時，參考有功功率也是恒定的。因此，當(dāng)參考功率為恒定時，SMC-DPC方法需要設(shè)法使如下等式成立，即：
顯然，式（18）中各等式不能同時成立，即有功和無功功率中的波動分量不能被同時消除[16]。因此，在定子電流波形與有功和無功功率追蹤性能之間需做出折衷選擇[12]。
2.2 恒風(fēng)速下選擇性控制目標(biāo)
基于以上分析，消除有功和無功功率中的波動項與輸出正弦對稱定子電流這兩個控制目標(biāo)不可能同時實現(xiàn)，因此，需要定義不同的選擇性控制目標(biāo)并由此得出不同的功率補償策略。
目標(biāo)1：輸出正弦對稱定子電流。
為實現(xiàn)目標(biāo)1，定子電流中的負(fù)序分量|Is-|需要保持為0。通過觀察式（9）以及式（10），這個目標(biāo)可以通過控制Ps1和Qs1同時為0來實現(xiàn)，即：
與控制目標(biāo)3相對應(yīng)，此控制目標(biāo)不能夠消除輸出有功功率中的紋波，且輸出定子電流也為非對稱的。
2.3 變風(fēng)速情況下選擇性控制目標(biāo)
以上所述選擇性控制目標(biāo)都是基于恒風(fēng)速運行情況下的，此時輸出有功功率參考值中的均值分量Ps0被認(rèn)為是恒定的。然而，在變風(fēng)速情況下所產(chǎn)生的有功功率通常情況下是不恒定的，而是與實際的風(fēng)速有關(guān)。圖3表示常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的4個運行區(qū)域。在區(qū)域R1，風(fēng)速低于風(fēng)機(jī)運行啟動值，此時風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài);在區(qū)域R2，風(fēng)速大于風(fēng)機(jī)運行啟動值但小于額定風(fēng)速值;在區(qū)域R3，風(fēng)速介于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速值與風(fēng)機(jī)最大可靠風(fēng)速值之間。此時風(fēng)機(jī)處于全功率運行狀態(tài);在區(qū)域R4，風(fēng)速大于最大可靠風(fēng)速值，此時處于安全考慮風(fēng)機(jī)需處于停機(jī)狀態(tài)。在所有四個區(qū)域中，風(fēng)機(jī)處于區(qū)域R2時的控制是最復(fù)雜的。同時，需要在前述分析的基礎(chǔ)上引進(jìn)功率優(yōu)化程序用于最大化利用風(fēng)能。因此，需要提出額外的選擇性控制目標(biāo)用于電網(wǎng)電壓不平衡情況下優(yōu)化風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程。
目標(biāo)5：獲取最大有功功率并輸出不對稱非正弦定子電流。
為實現(xiàn)此控制目標(biāo)，需要在等式（19）的基礎(chǔ)上施加其他條件。假設(shè)在風(fēng)速Vt下風(fēng)機(jī)能夠捕捉的最大有功功率為PVmax，此時參考功率值為：
目標(biāo)6：輸出正弦對稱定子電流。
在變風(fēng)速情況下，只有當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出有功功率保持為恒定值時才能持續(xù)穩(wěn)定輸出正弦對稱的定子電流。因此，此控制目標(biāo)下相應(yīng)的參考功率為：
3 基于高階滑模的直接功率控制
傳統(tǒng)的一階滑?？刂品椒ň哂休^強的抖振現(xiàn)象，這種抖振現(xiàn)象是由控制輸入中符號函數(shù)的存在造成其控制輸入不連續(xù)所導(dǎo)致的。盡管有較多研究報道了其對應(yīng)措施，包括指數(shù)趨近律的應(yīng)用[18-19]，采用飽和函數(shù)替換符號函數(shù)的方法[15-16]，以及終端滑模的提出[20-21]，這些方法僅能在一定程度上降低抖振的幅值以及頻率，而不能徹底消除狀態(tài)軌跡的抖振現(xiàn)象。因此，高階滑模的概念被提出來并通過大量理論以及實踐證明能夠徹底消除滑?？刂频亩墩瘳F(xiàn)象。這種方法采用原有控制輸入對時間的導(dǎo)數(shù)作為新的控制輸入以抑制抖振現(xiàn)象[22-23]。
對于V2中控制器參數(shù)的選擇同理，在此省略其具體過程。整個受控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
4 實驗驗證
本節(jié)采用實驗驗證文章所提HOSM-DPC方法的有效性。實驗平臺由一個2 kW感應(yīng)電機(jī)，一對0.7 kW雙饋逆變器和相應(yīng)的電流電壓傳感器構(gòu)成[24]。通過1716數(shù)據(jù)采集卡將傳感器與計算機(jī)進(jìn)行連接，并采用dSPACED1103數(shù)字信號處理器控制機(jī)側(cè)逆變器。同時，采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為微處理器用于產(chǎn)生20 Hz控制信號。實驗平臺如圖5所示。
4.1 平衡電網(wǎng)電壓下對比性實驗
有必要測試所提HOSM-DPC方法在電網(wǎng)電壓處于平衡狀態(tài)時其穩(wěn)態(tài)性能。基于查找表的直接功率控制（LUT-DPC）方法是最重要的一種傳統(tǒng)直接功率控制方法。因而將LUT-DPC方法與文章所采用的HOSM-DPC方法進(jìn)行對比。
圖6為采用兩種方法的實驗結(jié)果。從圖6可以看出較傳統(tǒng)LUT-DPC方法，文章所提HOSM-DPC能夠更加平滑追蹤參考有功和無功功率。同時，采用傳統(tǒng)LUT-DPC方法與文章所提HOSM-DPC方法時，轉(zhuǎn)子側(cè)電流總諧波失真（THD）分別為11.97%和5.12%，而定子側(cè)諧波失真分別為4.38%和4.16%，顯然文章所提方法具有更佳的穩(wěn)態(tài)性能。
圖7對比兩種方法對于有功和無功功率參考值出現(xiàn)階躍變化時的動態(tài)響應(yīng)?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)LUT-DPC對于參考值出現(xiàn)階躍變化時更加敏感，同時其跟蹤性能受到一定程度影響。HOSM-DPC方法仍能夠較穩(wěn)定地追蹤參考值，這也體現(xiàn)出滑?？刂品椒ü逃械妮^強的魯棒性。
4.2 不平衡電網(wǎng)電壓下選擇性控制
為進(jìn)一步測試HOSM-DPC方法在不平衡電網(wǎng)電壓下的控制性能用于實現(xiàn)選擇性控制目標(biāo)，采用文獻(xiàn)[16]所提的一階滑?？刂频闹苯庸β士刂品椒ǎ‵OSM-DPC）進(jìn)行對比性實驗。圖8、圖9為采用HOSM-DPC以及FOSM-DPC方法的為實現(xiàn)控制目標(biāo)1～4的實驗結(jié)果對比圖。圖8（a）和圖8（b）對比兩種方法針對控制目標(biāo)1的實驗結(jié)果。兩種方法都采用前述功率補償策略生成參考有功/無功功率。觀察圖8（a）和圖8（b）可以看出兩種方法都能夠得出正弦對稱定子電流，而輸出有功和無功功率曲線中都存在一定程度的紋波。同時可以發(fā)現(xiàn)采用FOSM-DPC方法得出的功率、定子電流以及轉(zhuǎn)矩曲線較HOSM-DPC對應(yīng)的曲線更加不規(guī)則且出現(xiàn)明顯畸形。除去電網(wǎng)電壓不平衡所帶來的影響外，一階滑?？刂品椒刂戚斎胫械牟贿B續(xù)項所造成的抖振現(xiàn)象是功率、電流以及轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)畸形的主要原因。圖8（c）和圖8（d）為針對控制目標(biāo)2兩種方法的實驗結(jié)果。此時參考有功和無功功率都設(shè)置為其對應(yīng)的額定值。可以看出兩種方法都能夠較為精確地追蹤對應(yīng)的有功和無功功率參考值。然而，采用FOSM-DPC方法時，輸出有功和無功功率曲線中同樣存在較為明顯的高頻抖振現(xiàn)象，并間接導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子電流中出現(xiàn)較為明顯的諧波。而采用高階滑模控制方法時，輸出有功和無功功率曲線中則不存在明顯的諧波分量。同時可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法下輸出定子電流中都存在幅值較高的三次諧波分量，這與控制目標(biāo)2中的分析是一致的。圖9表示針對控制目標(biāo)3和目標(biāo)4時兩種方法對應(yīng)的實驗結(jié)果。兩種方法同樣可以實現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo);同時，從圖9中也能夠看出文章所提方法對于傳統(tǒng)方法的更加優(yōu)越的控制性能。
采用兩種方法時定子電流以及轉(zhuǎn)子電流的總諧波失真如表1所示。由表1可以看出，在4個不同的控制目標(biāo)下，采用文章所提方法時，定子電流與轉(zhuǎn)子電流的總諧波失真皆小于傳統(tǒng)一階滑?？刂品椒ㄏ聦?yīng)的值。這得益于高階滑模控制方法對于抖震現(xiàn)象的完全抑制作用，由此可見文章所提方法的優(yōu)越性。
此外，文章所采用的基于HOSM-DPC方法的功率補償策略能夠有效提交系統(tǒng)電能質(zhì)量。當(dāng)三相電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡時，無功率補償策略的傳統(tǒng)控制方法不能對輸出定子電流或者有功功率波形進(jìn)行有效控制。當(dāng)需要正弦穩(wěn)定且?guī)缀醪缓C波分量的定子電流時，可采用目標(biāo)1的功率補償策略;當(dāng)需要輸出定量的有功功率時，可采用目標(biāo)2的功率補償策略;當(dāng)需要輸出平穩(wěn)且不含紋波的有功功率時，可采用目標(biāo)3的功率補償策略;當(dāng)需要平穩(wěn)的無功功率輸出時，可采用目標(biāo)4的功率補償策略。相較于無目標(biāo)或單目標(biāo)控制策略，本文提出方法能夠更加全面應(yīng)對實際電能質(zhì)量控制要求，并有效提高不同實際需求下的電能質(zhì)量。
4.3 變風(fēng)速以及不平衡電網(wǎng)電壓下選擇性控制
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個重要優(yōu)點在于其變風(fēng)速運行能力。因此，有必要通過實驗驗證在變風(fēng)速情況下文章所提方法的控制性能。圖10為變風(fēng)速情況下針對控制目標(biāo)5和控制目標(biāo)6采用文章所提HOSM-DPC方法的實驗結(jié)果。圖10（a）為針對控制目標(biāo)5的實驗結(jié)果;圖10（b）為針對控制目標(biāo)6的實驗結(jié)果。從圖10（a）可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)根據(jù)最大功率點跟蹤獲取并輸出最大功率時，輸出的定子電流呈現(xiàn)出高度畸形現(xiàn)象;而從圖10（b）中可以看出，當(dāng)獲取的有功功率穩(wěn)定在一個恒定值時，輸出定子電流為相對正弦對稱的。因此，通過圖10驗證了所提出的控制目標(biāo)的正確性以及所采用HOSM-DPC方法的可行性。
同時，控制目標(biāo)6對于系統(tǒng)電能質(zhì)量也有這明顯提高。在變風(fēng)速情況下，通常很難維持定子電流正弦穩(wěn)定性。不穩(wěn)定風(fēng)速往往會造成定子電流畸形。而采用文章所提功率補償策略，可以實現(xiàn)正弦穩(wěn)定的定子電流輸出，提高輸出電流的電能質(zhì)量。
5 結(jié) 論
文章提出一種基于高階滑模的直接功率控制方法用于控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。此控制方法充分考慮變風(fēng)速情況下電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡時的控制策略。采用6個選擇性控制目標(biāo)用于控制在恒風(fēng)速以及變風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的輸出有功和無功功率，同時針對每個控制目標(biāo)提出對應(yīng)的功率補償策略。同時，采用高階滑模控制用于抑制滑?？刂浦写嬖诘亩墩瘳F(xiàn)象，并采用Lyapunov函數(shù)法用于調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。通過多個實驗驗證文章所提方法的可行性以及對比現(xiàn)有方法的性能差異。實驗結(jié)果充分驗證了文章所提選擇性控制目標(biāo)的可行性以及文章采用的HOSM-DPC方法較傳統(tǒng)LUP-DPC以及FOSM-DPC在控制性能上的優(yōu)越性。
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（編輯：張 楠）
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