專利名稱：一種新型的雙饋風(fēng)力發(fā)電機變流器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連接電網(wǎng)的應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機的雙向變流器系統(tǒng)的控制方 法。其中電網(wǎng)側(cè)變流器采用新型的滑模控制(Sliding mode control)增加了系統(tǒng)的可靠 性，而電機側(cè)變流器采用新型的基于電網(wǎng)同步坐標(biāo)軸的矢量控制算法，降低了系統(tǒng)的復(fù) 雜度。
背景技術(shù)：
一個應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機的變流器的基本硬件拓?fù)淙?br>
圖1所示，主要由電網(wǎng) 側(cè)變流器(含電網(wǎng)側(cè)LCL濾波器)、電機側(cè)變流器(含電機側(cè)dv/dt濾波器)以及直流環(huán) 節(jié)組成。變流器的控制包括電網(wǎng)側(cè)變流器的控制和電機側(cè)變流器的控制。電網(wǎng)側(cè)變流器的控制目的是有效傳遞輸出來自電機側(cè)變流器的有功功率，保持 直流環(huán)節(jié)上直流電壓的穩(wěn)定，并且根據(jù)電網(wǎng)要求輸出無功功率，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。 在電網(wǎng)電壓相對恒定的條件下，有功及無功功率的控制在于控制輸出電網(wǎng)電流Is。目前電網(wǎng)側(cè)變流器的傳統(tǒng)控制方法通常采用矢量控制法，控制結(jié)構(gòu)如圖2所 示。矢量控制法采集直流環(huán)節(jié)的直流電壓進(jìn)行反饋控制，并且同時根據(jù)無功功率需求給 出矢量電流參考值。電流控制模塊對矢量電流進(jìn)行控制，給出脈寬調(diào)制因數(shù)，最后輸出 由PWM模塊給出開關(guān)信號。傳統(tǒng)的矢量控制法可以保證變流器的上述基本功能，并且能夠滿足動態(tài)特性要 求。然而，由于矢量控制法的控制目標(biāo)僅僅在于輸出電流Is，因此不能有效控制電網(wǎng)側(cè) 濾波器的電容回路電流。當(dāng)控制器的擾動頻率與濾波器回路諧振頻率重合時，電網(wǎng)側(cè)輸 出會產(chǎn)生諧振電流，造成電網(wǎng)側(cè)變流器控制器產(chǎn)生振蕩、失穩(wěn)停機甚至造成變流器的損 壞。目前產(chǎn)業(yè)界的解決方法在于增加濾波器回路的阻尼電阻，盡量避免諧振頻率與控制 器擾動頻率的重合。然而過大的阻尼電阻會對變流器系統(tǒng)的效率、成本以及體積都會產(chǎn) 生負(fù)面影響。矢量控制法中的電流控制模塊控制敏感度較高，變流器系統(tǒng)的電路參數(shù)、測量 延時以及鎖相環(huán)性能對電流控制都具有較大的影響，這些因素造成了矢量控制法的魯棒 性偏低。當(dāng)電路參數(shù)，測量延時以及其他系統(tǒng)因素發(fā)生變化時，控制器穩(wěn)定性會發(fā)生 明顯改變，加大了控制器參數(shù)的調(diào)試難度，給具體變流器應(yīng)用的調(diào)試實施帶來了實際困難。電機側(cè)變流器的控制器的目的是控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，從而最終控制系 統(tǒng)的有功功率輸入。電機側(cè)變流器的控制器同時需要控制定子側(cè)的無功功率，使整個 系統(tǒng)在發(fā)電的同時滿足入網(wǎng)要求。雙饋風(fēng)力發(fā)電機變流器系統(tǒng)及其能量流向圖如圖3 所示，雙饋風(fēng)力發(fā)電機的定子和電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子通過電刷和一個轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器相連 接。通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可以達(dá)到控制整個電機的目的。相對于全功率的風(fēng)力發(fā)電方 案，僅僅約1/3到1/2的風(fēng)力發(fā)電機功率的流入或者流出變流器，從而可以大大降低變流 器的容量和損耗，提高變流器的工作效率。
傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機采用基于定子磁鏈同步坐標(biāo)系的矢量控制方法。這種方 法需要一個磁鏈估計器。一個精確的磁鏈估計器需要同時采集定子電壓和電流，并且在 考慮溫度變化的前提下準(zhǔn)確估計定子電阻值，增加了系統(tǒng)的成本和算法復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種魯棒性高的電網(wǎng)側(cè)變流器的控制算法，保證電網(wǎng)側(cè)變流器在正常輸出 功率的同時，對系統(tǒng)內(nèi)濾波器電容回路的諧振現(xiàn)象有充分的抑制作用。提供一種簡單的基于定子電壓軸的電機側(cè)變流器矢量控制算法，控制雙饋風(fēng)力 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和定子側(cè)無功功率。電流環(huán)采用滯回開關(guān)，達(dá)到高動態(tài)特性。為達(dá)到上述目的，發(fā)明的構(gòu)思是此發(fā)明中，電網(wǎng)側(cè)變流器采用魯棒性極高的滑?？刂扑惴ǎ宰兞髌鬏敵鲭妷?為輸出變量，同時對變流器輸出電流、變流器濾波器端輸出電壓以及電網(wǎng)端輸出電流進(jìn) 行控制。對以上三個變量的控制既能夠有效地保證變流器的正常功率輸出，也能間接抑 制濾波器電容回路的諧振電流。此發(fā)明中，電機側(cè)變流器的控制外環(huán)采用簡單的基于電網(wǎng)電壓同步坐標(biāo)系的矢 量控制算法，以變流器輸出電壓為輸出變量，同時對雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及雙饋風(fēng)力 發(fā)電機的定子側(cè)無功功率進(jìn)行解耦控制。控制內(nèi)環(huán)采用滯回控制，達(dá)到較高的動態(tài)性 能。根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的技術(shù)方案如下電網(wǎng)側(cè)變流器的控制采用滑?？刂品椒?Sliding mode control)。與傳統(tǒng)的矢量控 制算法不同，滑?？刂扑惴ㄒ宰兞髌鞯拿恳幌嘧鳛橐粋€獨立的控制單元。根據(jù)滑?？刂?的基本設(shè)計理念，本發(fā)明將電網(wǎng)側(cè)變流器整體電路以狀態(tài)空間方程(State space)的方式表達(dá)。
權(quán)利要求
1.一種連接電網(wǎng)的雙向變流器系統(tǒng)的控制方法。其特征在于包括一個電網(wǎng)側(cè)變流器的控制方法，采用新型的滑?？刂?Sliding mode control)，將電網(wǎng) 的交流能量和直流側(cè)的直流能量互相轉(zhuǎn)換；一個電機側(cè)變流器的控制方法，采用新型的基于電網(wǎng)同步坐標(biāo)軸的矢量控制算法， 對雙饋風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行轉(zhuǎn)速和定子側(cè)無功功率的解耦控制。
2.按照權(quán)利要求1所述，其特征在于電網(wǎng)側(cè)變流器采用滑?？刂?，由控制變量參考值 計算模塊、滑模平面函數(shù)計算模塊、電網(wǎng)側(cè)滯回比較模塊和開關(guān)頻率控制模塊組成。
3.按照權(quán)利要求2所述的控制變量參考模塊，其特征在于通過電網(wǎng)側(cè)變流器的模型給 出控制變量的參考值Is—ref、Idjef以及Um—ref。
4.按照權(quán)利要求2所述的滑模平面函數(shù)計算模塊，其特征在于根據(jù)控制變量參考值Is— ref、Id—re以及Um ref以及實測控制變量值Is、Id以及Um最終確定滑模平面函數(shù)S(x)，實現(xiàn) 對于控制變量Is、Id以及Um的有效控制。此方法在保證電網(wǎng)側(cè)變流器在正常輸出功率的 同時，對系統(tǒng)內(nèi)濾波器電容回路的諧振現(xiàn)象有充分的抑制作用。
5.按照權(quán)利要求2所述的滯回比較模塊，其特征在于根據(jù)比較S(X)及士Sband決定電 網(wǎng)側(cè)變流器的開關(guān)輸出。
6.按照權(quán)利要求2所述的開關(guān)頻率控制模塊，其特征在于根據(jù)開關(guān)信號反饋實時控制 調(diào)整滯回比較閾值Sband，達(dá)到預(yù)設(shè)的開關(guān)頻率。
7.按照權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于電機側(cè)變流器由控制變量計算模塊、控 制外環(huán)、控制內(nèi)環(huán)和開關(guān)頻率控制模塊組成。
8.按照權(quán)利要求7所述，其特征在于通過對相關(guān)測量輸入的綜合計算給定雙饋電機的 定子側(cè)無功功率Qs和電機轉(zhuǎn)矩I；。
9.按照權(quán)利要求7所述的控制外環(huán)，其特征在于采用基于電網(wǎng)電壓的同步坐標(biāo)系，根 據(jù)控制變量參考值Qs—&和ω。rf以及實測控制變量值Qs和??；，最終確定雙饋電機轉(zhuǎn)子的 三相參考電壓 rf?？刂仆猸h(huán)采用兩個獨立的控制環(huán)，實現(xiàn)對于定子側(cè)無功功率Qs和電 機轉(zhuǎn)速的解耦控制。
10.按照權(quán)利要求7所述的控制內(nèi)環(huán)，其特征在于根據(jù)比較轉(zhuǎn)子參考電流Iurf和轉(zhuǎn)子 測量電流l·及士Sband決定機網(wǎng)側(cè)變流器的開關(guān)輸出，使電機控制系統(tǒng)滿足高動態(tài)性能。
11.按照權(quán)利要求7所述的開關(guān)頻率控制模塊，其特征在于根據(jù)開關(guān)信號反饋實時控 制調(diào)整滯回比較閾值Sband，達(dá)到預(yù)設(shè)的開關(guān)頻率。
全文摘要
一種連接電網(wǎng)的雙向變流器系統(tǒng)的控制方法，包括一個電網(wǎng)側(cè)變流器的控制方法和一個電機側(cè)變流器的控制方法。電網(wǎng)側(cè)變流器采用新型的滑模控制(Sliding mode control)，實現(xiàn)對于電網(wǎng)側(cè)控制變量IS、Id以及Um的有效控制。此方法在保證電網(wǎng)側(cè)變流器在正常輸出功率的同時，對系統(tǒng)內(nèi)濾波器電容回路的諧振現(xiàn)象有充分的抑制作用。電機側(cè)變流器的控制方法取消了傳統(tǒng)矢量控制中使用的磁鏈估計器，而是采用新型的基于電網(wǎng)電壓的同步坐標(biāo)系，采用兩個獨立的控制環(huán)，實現(xiàn)對于雙饋電機定子側(cè)無功功率Qs和電機轉(zhuǎn)速ωr的解耦控制。
文檔編號H02P21/00GK102013698SQ201010516808
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者烏云翔, 邵詩逸 申請人:烏云翔, 邵詩逸