一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，其包括如下步骤：(a)建立双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型并对其严格无源性进行分析；(b)以能量平衡的关系为出发点，在(a)的基础上利用阻尼注入方法设计了电流反馈无源控制器；(c)给出一种改进的积分滑模控制方法，通过积分滑模面的设计完全消除普通滑模的到达阶段，将其作为外环转速控制策略。本发明专利技术的优点在于，保证系统全局稳定并简化了控制结构，实现了电磁转矩、磁链的渐近跟踪；消除了普通滑模的到达阶段，提高了双馈电机转速的跟踪速度和鲁棒性；能保证风电系统安全稳定运行，为提高风力发电系统的工作效率提供了有价值的参考方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双馈风电系统控制方法，尤其是一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，属于风电控制

技术介绍
随着能源危机和环境污染问题的日益严重，风能作为一种绿色可再生能源受到各界高度重视。风力发电技术逐步成熟完善，其中以双馈电机实现变速恒频风力发电的技术因其实用性和高效性得到广泛应用。DFIG是一类典型的非线性、多变量、强耦合的高阶系统，由于存在风速的时变性、负载的不确定性以及机械阻尼随转速变化等影响，实际应用对其控制要求不断提高，传统的反馈线性化方法已很难满足复杂条件下DFIG稳定有效运行的需求。无源性控制(PBC)因其控制器设计简单且具有较强的鲁棒性，已在DFIG的控制中得到广泛应用。它是一种基于能量的控制方法，通过配置无功分量以加快系统能量耗散，来实现系统能量和状态的渐近跟踪。滑模控制因其较强的鲁棒性和良好的动静态响应特性常常被用于DFIG的控制。现有的滑模控制包括到达阶段和滑动阶段两部分，由于系统滑动模型没有到达滑动面，到达阶段系统的状态不确定且易受系统参数变化和外界扰动的影响，系统的动态输出没有处于最佳状态。
技术实现思路
本专利技术的目在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，该方法结构简单，能在保证系统稳定的基础上实现期望的控制性能。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法包括如下步骤：(a)建立双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型，并对建立的双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型严格无源性进行分析；(b)以能量平衡的关系为出发点，在步骤(a)双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型的基础上利用阻尼注入方法构成电流反馈无源控制器；(c)将改进的积分滑模控制方法作为步骤(b)所述电流反馈无源控制器外环转速控制方法，所述改进的积分滑模控制方法是在传统的滑模面中加入具有非零初始点的积分项，保证滑动面一开始就为零。所述步骤(a)中建立双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型的方法如下：首先建立DFIG在同步旋转dq坐标系下的数学模型：usdusqurdurq=Rs+lsp-w1LsLmp-w1Lmw1LsRs+Lspw1LmLmpLmp-wsLmRr+Lrp-wsLrwsLmLmpwsLrRr+Lrpisdisqirdirq---(1)]]>Jpw+D'w＝TL-Te    (2)Te＝npLm(isqird-isdirq)    (3)其中，Rs、Rr分别为定、转子电阻，Ls、Lr分别为定、转子电感，Lm为互感，usd、usq分别为定子电压d、q轴分量，urd、urq分别为转子电压d、q轴分量，isd、isq分别为定子电流d、q轴分量，ird、irq分别为转子电流d、q轴分量，J为转动惯量，D'为阻尼系数，p为微分算子，TL、Te分别为负载转矩和电磁转矩，np是极对数，转差角速度ws＝w1-w，其中w1为定子同步电角速度，w为转子机械角速度；将DFIG模型改为Euler-Lagrange方程形式：Dx·+C(x,ws)x+Rx+u+h---(4)]]>其中，D和R为正定阵，C(x,ws)为反对称矩阵，因C(x,ws)＝-C(x,ws)T，所以xTC(x,ws)x＝0；T表示矩阵转置。u＝[urd urq usd usq 0]T,h＝[0 0 0 0 -TL]T,x＝[ird irq isd isq w]T,D=LrILmI0LmILsI000J,R=RrI000RsI000D′,C(x,ws)=Ce1-CeCeT0,]]>Ce＝[-np(Lrx2+Lmx4) np(Lrx1+Lmx3) 0 0]T，Ce1=LrwsI1LmwsI1LmwsI1LswsI1,I=1001,I1=0-110.]]>所述步骤(a)中，对建立的双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型的严格无源性分析如下：选择双馈风力发电机的能量存储函数对其求导并将式(4)代入得：H·(x)=xTDx·=-xTC(x,ws)x-xTRx+xTu-wTL---(5)]]>设能量供应率S＝xTu，正定矩阵Q＝xTRx,将式(5)两边同时积分：H(x(t))-H(x(0))=∫0tSdt-∫0tQdt-∫0twTLdt<∫0tSdt---(6)]]>式(6)左端为双馈风力发电机系统的能量增量，右边为外部能量供应，可以看出系统是严格无源的；同时将作为Lyapunov函数，能量存储函数的衰减特性也验证了系统的Lyapunov稳定性。所述改进的积分滑模控制方法包括滑动面的选取方法和控制律的设计方法，其中滑动面的选取方法如下：根据式(2)、(3)可得转速导数：w·(t)=-D′Jw(t)+TL(t)J-Te(t)J---(15)]]>设w*(t)为期望的转子转速，则转速误差：ev(t)＝w(t)-w*(t)    (16)则转速误差导数：e·v(t)=w·(t)-w·*(t)=-D′Jw(t)+TL(t)J-Te(t)J-w·*(t)=-D′J(w(t)-w*(t))+TL(t)J-Te(t)J-D′Jw*(t)-w·*(t)=-D′Jev(t)-Te(t)J+TL(t)J-D′Jw*(t)-w·*(t)---(17)]]>在传统的滑模面中加入具有非零初始点的积分项，滑动面如下：s(t)＝ev(t)+C0e0(t)    (18)其中，C0为滑模面系数，e0(t)为误差积累项。e0(t)=∫0tev(τ)dτ+e0(0),e0(0)=-ev(0)C0---(19)]]>其中，ev(0)为转速初始误差，由于存在非零初始值e0(0)，在t＝0时，对于任意给定ev(0)都能使式(18)满足s(0)＝0；将式(19)代入(18)并求导得：s·(t)=e·v(t)+C0ev(t)=(C0-D′J)ev(t)-Te(t)J+TL(t)J-D′Jw*(t)-w·*(t)---(20)]]>令得到理想的等效控制结果：Te*(t)=(C0J-D′)ev(t)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，其特征是，所述补偿控制方法包括如下步骤：(a)建立双馈风力发电机Euler‑Lagrange数学模型，并对建立的双馈风力发电机Euler‑Lagrange数学模型严格无源性进行分析；(b)以能量平衡的关系为出发点，在步骤(a)双馈风力发电机Euler‑Lagrange数学模型的基础上利用阻尼注入方法构成电流反馈无源控制器；(c)将改进的积分滑模控制方法作为步骤(b)所述电流反馈无源控制器外环转速控制方法，所述改进的积分滑模控制方法是在传统的滑模面中加入具有非零初始点的积分项，保证滑动面一开始就为零。

【技术特征摘要】
1.一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，其特征是，所述补偿控制方法包括如下
步骤：
(a)建立双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型，并对建立的双馈风力发电机
Euler-Lagrange数学模型严格无源性进行分析；
(b)以能量平衡的关系为出发点，在步骤(a)双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型的基
础上利用阻尼注入方法构成电流反馈无源控制器；
(c)将改进的积分滑模控制方法作为步骤(b)所述电流反馈无源控制器外环转速控制方法，
所述改进的积分滑模控制方法是在传统的滑模面中加入具有非零初始点的积分项，保证滑动
面一开始就为零。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，其特征是，所述
步骤(a)中建立双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型的方法如下：
首先建立DFIG在同步旋转dq坐标系下的数学模型：
usdusqurdurq=Rs+Lsp-w1LsLmp-w1Lmw1LsRs+Lspw1LmLmpLmp-wsLmRr+Lrp-wsLrwsLmLmpwsLrRr+Lrpisdisqirdirq---(1)]]>Jpw+D'w＝TL-Te  (2)
Te＝npLm(isqird-isdirq)  (3)
其中，Rs、Rr分别为定、转子电阻，Ls、Lr分别为定、转子电感，Lm为互感，usd、usq分
别为定子电压d、q轴分量，urd、urq分别为转子电压d、q轴分量，isd、isq分别为定子电流d、q
轴分量，ird、irq分别为转子电流d、q轴分量，J为转动惯量，D'为阻尼系数，p为微分算子，
TL、Te分别为负载转矩和电磁转矩，np是极对数，转差角速度ws＝w1-w，其中w1为定子同步
电角速度，w为转子机械角速度；
将DFIG模型改为Euler-Lagrange方程形式：
Dx.+C(x,ws)x+Rx=u+h---(4)]]>其中，D和R为正定阵，C(x,ws)为反对称矩阵，因C(x,ws)＝-C(x,ws)T，所以xTC(x,ws)x＝0；T
表示矩阵转置。
u=urdurqusdusq0T,h=0000-TLT,x=irdirqisdisqwT,]]>D=LrILmI0LmILsI000J,R=RrI000RsI000D′,C(x,ws)=Ce1-CeCeT0,]]>Ce=-np(Lrx2+Lmx4)np(Lrx1+Lmx3)00T,]]>Ce1=LrwsILmwsI1LmwsI1LswsI1,I=1001,I1=0-110.]]>3.根据权利要求1所述的一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，其特征是，所述
步骤(a)中，对建立的双馈风力发电机Euler-Lagrange数学模型的严格无源性分析如下：选择双
馈风力发电机的能量存储函数对其求导并将式(4)代入得：
H.(x)=xTDx.=-xTC(x,ws)x-xTRx+xTu-wTL---(5)]]>设能量供应率S＝xTu，正定矩阵Q＝xTRx,将式(5)两边同时积分：
H(x(t))-H(x(0))=∫0tSdt-∫0tQdt-∫0twTLdt<∫0tSdt---(6)]]>式(6)左端为双馈风力发电机系统的能量增量，右边为外部能量供应，可以看出系统是严
格无源的；同时将作为Lyapunov函数，能量存储函数的衰减特性也验证了系统的
Lyapunov稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种双馈风电系统的无源积分滑模控制方法，其特征在于，
所述步骤(c)中改进的积分滑模控制方法包括滑动面的选取方法和控制律的设计方法，其中滑

【专利技术属性】
技术研发人员：李泰，侯小燕，盖志强，赵黎，曾庆军，李传宏，张永林，杨德亮，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32