基于滑模变结构的双馈风力发电机组网侧控制系统研究

袁 鸿，张继勇，徐靖雨，姜 健

(扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000)

0 引 言

随着近年来对新能源的推广，风力这种廉价并且具有很好发展前景的可再生能源发电越来越得到研究者的关注。相比较永磁同步等其他发电机组，双馈风力发电机组能更好的提高系统效率。本文分析网侧PWM控制系统，提出一种滑模变结构控制系统，并与传统的电压定向的矢量PI控制进行比较。用Simulink仿真进行验证，结果表明了本文提出的双馈风力发电机组滑模变结构控制方案的可行性和正确性。

1 数学模型

双馈风力发电机转子和定子都有三相绕组，与绕线式异步电机相似，定子侧直接并入电网，转子侧通过两个PWM变换器接入电网[1]。

双馈风力发电机变换器拓扑结构图如图1所示。

图1 双馈风力发电机变换器拓扑结构图

网侧变换器的数学模型在三相对称的系统，电压的矢量和与电流的矢量和都为0。由基尔霍夫电压和电流定理，以三相电源中点0为参考点，可以得到在三相静止坐标系下的数学模型[2]：

(1)

式中，Udc为直流母线电压；Iload为直流侧电压；Rs、Ls为滤波电容器的电阻与电感；Si(i=a,b,c)为桥臂状态。

(2)

最终得到：

(3)

在三相坐标系下，相电流，相电压，直流母线电压之间存在互相之间都有影响，为了达到理想控制效果，所以进行坐标变换3s/2r变换公式带入式(3)，将数学模型转换到旋转坐标系下，得到[4]：

(4)

由上述的数学模型，可以得出传统的PI控制模型，如图2所示。

图2 基于PI的电网电压定向控制

2 网侧PWM滑模变结构控制系统设计

2.1 电压外环滑模控制器设计

不计网侧变换器的损耗，网侧交流侧的有功功率与直流侧的功率相等，以此进行等功率变换[5]。

(5)

简化得：

(6)

(7)

进行选取滑模变结构的状态变量：

(8)

选取电压模型的滑模面：

su=kux1+x2

(9)

在上面式子中，ku>0为设计常数。将式(7)、式(8)代入式(9)中，可以得到su：

(10)

得出

(11)

在新的滑模面中：

(12)

2.2 电流内环滑模控制器设计

2.2.1d轴电流滑模控制器设计

衔接电压外环，取d轴电流得滑模状态变量为[6]

(13)

d轴的数学模型为

(14)

在上面式子中，γ>0是设计常数，p与q是奇数，而且1

其中：

由式(14)数学模型设计出高阶滑模控制器：

(15)

式中，ηg>0，ag>0都为设计常数。

2.2.2q轴电流滑模控制器设计

q轴电流滑模控制器的设计与d轴设计方法基本相同，选取：

(16)

式中，x1、x2为滑模状态变量[7]。

根据数学模型：

(17)

q轴的高阶滑模控制器为[8]

ugq=-Riq-ωLid-

(18)

根据滑模控制器的数学模型设计，可以计出系统框图如图3所示。

图3 滑模变结构控制原理图

3 仿真测试

为了证明滑模变结构方法的可行性，在Matlab/Simulink上进行仿真软件测试，电网电压为380 V，50 Hz，电阻为0.05 Ω，电感为0.012 H，母线电容为0.0022 F，负载为20 Ω。控制系统设置给定母线电压650 V。

网侧滑模变结构仿真图如图4所示。

图4 网侧滑模变结构仿真图

通过Matlab仿真可以看出滑模变结构比传统的PI控制要有较小的超调量，稳定性也比较好，详见图5、图6所示。从图中可以看出，传统的PI控制在0.4后系统进入稳定，而在改进后的方法，在0.1 s时直流母线上的电压就已经稳定了，表明了滑模变结构的快速性更好。

图5 采用滑模变结构控制的母线电压

图6 采用传统PI控制的母线电压

网侧控制中还需要控制网侧单位功率因素，如图7，图8所示。

图7 有功功率与无功功率

图8 功率因素

本文中采用的滑模变结构控制策略，控制d轴与q轴的电流分量十分重要，d轴分流控制有功功率，q轴分量控制无功功率，网侧dq轴电流分量如图9所示。

图9 网侧dq轴电流分量

4 实验平台测试

为了进一步验证此方法的可行性，在实验室的双馈风力实验平台进行实验。该实验室使用TMS320F28355为主控制器，配置EPIC12Q240I8型FPGA作为辅助控制器。图10、图11为实验平台。

图10 控制柜

图11 主控板

实验结果如图12所示。

图12 网侧相电压和相电流

从图中可以看出网侧电压和电流稳定，谐波量小。图13为直流母线电压。

图13 直流母线电压

从实验结果看出，直流母线电压稳定在650 V左右，且稳定性较高。

5 结 语

本文针对双馈风力发电机组网侧传统PI控制系统的稳定差的缺点，提出了滑模变结构的控制方法，完成了对电压外环与电流内环的设计，最终通过Matlab/Simulink仿真验证了，并进行了实验平台验证。滑模变结构的控制方法具有更好的稳定性，超调量小，反应速度快，这对双馈风力发电系统的研究具有重要意义。