[发明专利]一种基于二阶滑模的DFIG控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种基于二阶滑模的DFIG控制方法。

背景技术

双馈异步风力发电机由于其本身的恒速变频运行能力，所需变流器容量较小以及四象限运行能力等优点，是现代大型风力发电机的主要类型。然而，运行于电网电压不平衡及谐波畸变条件下的DFIG（双馈风力发电机）机组的定子电流将发生不平衡及畸变，输出有功、无功功率以及电磁转矩将发生多倍频脉动。上述性能指标恶化将对大规模风力并网发电的稳定可靠运行造成极大危害，甚至进而威胁到电网本身的可靠稳定运行。电磁转矩脉动将对DFIG风力机，齿轮箱等机械部件造成损伤故障，增加维护维修等发电成本及缩短风机寿命。其中，定子电流畸变及不平衡，输出有功、无功功率脉动可由网侧变流器或其他补偿装置给予消除。然而，电磁转矩脉动只能通过对DFIG机侧变流器的控制给予消除。因此，探讨电网电压不平衡及谐波畸变条件下，DFIG机侧变流器的控制技术，以消除由此所引入的电磁转矩脉动具有十分重要的意义。此时，电网电压不平衡及谐波畸变条件下，消除输出无功功率脉动则可以作为变流器的附加控制功能。目前，国内外已经兴起了在考虑电网电压不平衡及谐波畸变出现的条件下对电机转子侧变流器控制技术及实施方法的研究。

Heng Nian和Yu Quan在标题为Improved control strategy of DFIG-based wind power generation systems connected to a harmonically polluted network（Electric Power Systems Research，vol.86,pp.84-97,May2012.）的文献中提出了一种在不平衡和谐波畸变电压条件下的DFIG控制方法，该方法的核心思想是电网电压，定子电流及转子电流中的负序，5次谐波及7次谐波分量分别提取，并将此提取结果作为计算转子电流参考值的依据。将转子电流参考值和实际值得误差通过比例-积分-谐振调节器（14）调节，得到转子电压指令。以针对5、7次谐波电网的控制为例，其实现原理如图1所示。利用锁相环（19），得到电网电压相位和速度。根据编码器（7）获得转子位置之后，通过微分（20）得到转子转速。将电网速度减去转子转速，得到转差速度。其中5次，7次谐波分量的提取过程是这样的：利用三个电压霍尔传感器（5）及六个电流霍尔传感器（4）采集定子三相电压、定子三相电流和转子三相电流，使定子三相电压和电流通过Clark坐标变换模块（6），得到包含所有分量信息的定子电压矢量U_sαβ，将U_sαβ分别通过正转同步速坐标变换模块、反转5倍速坐标变换模块及正转7倍速坐标变换模块（15），得到及使转子三相电流先通过Clark坐标变换模块（6）再通过Park反变化（8），得到包含所有分量信息的转子电流矢量I_rαβ，将I_rαβ分别通过正转转差速坐标变换模块、反转5倍转差速坐标变换模块及正转7倍转差速坐标变换模块（16），及得到及在相应的正序及谐波分量在相应旋转速坐标系下表现为直流量。再将得到及通过陷波频率为6倍频、12倍频的陷波器（17）来滤除其交流量，最后获得正序、5次及7次谐波分量（直流量）。很明显，正序、5次及7次谐波的提取过程使用到了各种坐标变换模块和大量的陷波器，不仅耗费大量计算时间及软件代码空间，还引入了延时及缩小了控制带宽，使控制性能下降。在完成分量提取之后，针对不同目标，还需将正序、5次及7次谐波分量带入参考电流的计算（18），这也将占用大量计算时间和软件空间代码。将各自坐标系下5,7次谐波参考电流，分别通过正转6倍同步速坐标变换模块（21）和反转6倍同步速坐标变换模块（22），得到正转同步速坐标系下谐波参考值。使所有电流参考值相加之后，减去实际转子电流，将其误差信号通过比例-积分-谐振控制器调节（14），再加入补偿项，即可获得转子电压指令。通过SVPWM（空间矢量脉宽调制）模块（2）得到一组开关信号控制转子侧变流器运行。

由上述分析过程可见，弱电网电压条件下的DFIG传统控制方法的实现过程中的定子电压和转子电流正序，负序，5次及7次谐波分量提取占用了大量的大量计算时间和软件空间代码，并引入较大的控制延时，易造成系统不稳定运行，并且降低系统响应的快速性。此外，现有的控制方法只能针对指定次谐波的控制，当电网含有其他次谐波畸变（如11次和13次谐波畸变）时，控制系统将失去消除谐波影响的能力。

发明内容