基于滑模和扩张状态观测器对双馈风机低电压穿越的控制研究.pdf

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1、第33卷第1／2期东北电力大学学报Vo1．33．No．1／22013年4月JournalOfNortheastDianliUniversityApr．，2013文章编号：1005—2992(2013)01／02—0109一O6基于滑模和扩张状态观测器对双馈风机低电压穿越的控制研究李振清，王利猛，尹洪全，沈量(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)摘要：为满足双馈式风电机组具有低电压穿越的能力，确保双馈式风电机组在电网电压跌落时不会脱网，并持续向电网提供无功。本文提出采用积分滑动模态控制策略和扩张状态观测器来改善和提高双馈式风电机组的低电压穿越能力

2、。在指数趋近律下，通过积分滑动模态控制与双馈式风电机组模型进行结合，形成系统的控制策略。利用扩张状态观测器对系统状态量进行跟踪并估计扰动。通过仿真实验证实该策略的可行性。关键词：双馈式风力发电机；滑动模态控制；扩张状态观测器；低电压穿越中图分类号：TM614文献标识码：A双馈式风机(DoublyFedInductionGenerator，DFIG)，转矩和转速易于控制，可以在变速恒频下运行，具有独立的励磁电压控制，可以为电网输出无功。风电在电网的供电比例逐年上升，与此同时对电网的影响也越来越显著。因此，电网安全运行要求风电机组要具备一定的低电压穿越能力¨-

3、31(LowVoltageRideThrough，LVRT)。常规的解决办法主要分为添加硬件电路和改善控制策略两类。添加硬件电路方面：添加撬棒电路(Crowbar)，吸收转子中产生的过电流，保护转子侧变流器；增加直流变换器和能量存储系统(Enen．ergyStorageSystem，ESS)，使能量可以在直流侧母线电容和ESS之间进行交换71；改变定子绕组接线方式是通过抑制定子磁链，从而降低转子过电流和转子感应电压J。控制策略方面有矢量控制，在磁场定向旋转坐标系下将双馈风机的电流分解成相互垂直且独立的励磁电流和转矩电流，然后分别进行控制；反馈线性化控制，通

4、过适当的坐标变换，将非线性系统线性化，先求出线性系统的最优控制，从而得到非线性系统的控制。滑模变结构控制一101具有良好的瞬时响应能力、鲁棒性强，与设计对象的参数以及扰动无关等优点。近年来得到广泛应用。文献[11]将变结构控制与永磁无刷直流电机结合，取得了比较好的控制效果。本文首先推导了双馈式风力发电机的五阶数学模型。其次，构造了正定的李雅普诺夫函数以保证系统的稳定性。再次，针对双馈式风机的数学模型，结合滑模变结构控制设计了双馈风机低电压穿越的控制策略。最后，运用扩张观测器跟踪系统运动轨迹，简化设计步骤。通过仿真和实验结果表明控制方法简明、有效。在静止ab

5、c三相坐标系下，对双馈式异步电机及转子侧变流器进行数学建模。通过变换，在同步旋转的dqI)坐标系下得到电压模型。取电网频率为同步角速度。收稿日期：2012—09—14作者简介：李振清(1987一)，男，黑龙江省哈尔滨市人，东北电力大学电气工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：风电场潮流计算、低电压穿越控制策略．110东北电力大学学报第33卷由=一⋯。，㈩=+Rs=出恺式中：，／v由，，为风机定／转子电压d轴和q轴分量；，iq,／i，i为风机定／转子电流d轴和q轴分量；o9，C．O，为风机定／转子转速；出／0为风机定／转子磁链d轴和g轴分量；R／R为风机定／

6、转子绕组电阻。风机磁链方程为dr=Lid，+Li，=Li+Lai，=Li+dr，=Li出+Lmi，．(2)式中：￡=L+，L=L+；／为风机定／转子绕组漏感；／为风机定／转子绕组电感；为励磁绕组电感；双馈异步电机暂态电压源E=E+：，(3)风机的电压源与其磁链关系如下：E'd=(／)，，E：=(／L，)由，(4)转子运动的摇摆方程：=(P一P)／2H，(5)式中：P为机械功率，为总的惯性常数，P为定子输出的有功。其中，P=一E出一E'i，(6)qS=(一E女一E一P)／2H．(7)令X=L一儿，在电压和磁链方程组下，通过双馈风机的电压源与磁链关系以及式(7

7、)，不难推出风机五阶模型：E：SO)E：一(L／L)一[E一(一X)i)i]／，E：=sE+(fit)L／L)dr一[E一(一X)i出]／，=C．O出叩+∞i+(5—1)E'd／X印+E'qJ(7o)一LmvJ(X7o)，一[(09RTo+X一X)(X)]，(8)=／+i出+∞(s一1)E／一E／(7o)一L／(xTo)，一[(Rro+X一X)(Xro)]，=(一E出一E'qi一P)／2H，其中，X=L，ro=Lr／(R，)，s为滑差率。2滑模控制的基本原理滑模变结构控制是一类特殊的非线性控制，它能使系统轨迹快速到达滑动表面，并沿其收敛。设系统的状态方程=

8、l厂()+b()u，(9)第1／2期李振清等：基于滑模和扩张状态观