一种不平衡电网下DFIG基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种不平衡电网下DFIG基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制方法，其在不平衡电网下DFIG数学模型的基础上，提出了一种拓展的有功功率，并将这种拓展的有功功率和传统的无功功率作为控制对象，将滑模变结构算法与DPC技术相结合，进而提出了一种改进的基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制策略；本发明专利技术方法在无需电网电压电流正负序分离的前提下，就可以实现DFIG在不平衡电网下的有效控制，得到平稳的电磁转矩和无功功率以及正弦的定子电流；本发明专利技术控制系统实现极为简单，不需要锁相环对电网电压的频率进行实时监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种不平衡电网下DFIG基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制方法。
技术介绍
现代风力发电系统主要采用双馈感应发电机和永磁同步发电机两种类型，为提高发电效率，均采用变速恒频发电运行方式。其中，双馈感应发电机(DFIG)应用最多，技术最为成熟，是当前的主流机型。DFIG系统结构如图1所示，DFIG可实现变速恒频控制，减小变换器的容量，还可实现有功、无功的解耦控制，这种功率控制的灵活性对电网非常有利。然而，在不平衡电网下，由于DFIG的定子侧和电网直接相连，DFIG的运行性能会受到很大影响，因此，研究DFIG在不平衡电网下的改进控制策略具有重要的意义。长期以来矢量控制(VC)都是双馈风力发电系统的主流控制策略。VC通过两个PI控制器分别对有功无功电流进行解耦控制，具有优良的稳态性能，但由于积分环节存在滞后效应，VC的动态性能并不尽如人意。针对VC在不平衡电网下的改进控制策略，有学者提出了一种利用两组PI控制器分别对正负序电流分量进行控制的改进策略。然而，对电压、电流进行正负序分离的过程大大增加了系统的复杂程度，如果分离不准确还会对系统的控制性能造成严重影响。近年来，直接功率控制策略(DPC)受到人们越来越多的关注，其对功率直接有效的控制也更为符合电网对于风力发电系统的要求，有学者针对DPC在不平衡电网下的应用，提出了一种功率补偿措施，通过在功率参考值中加入不同的补偿，可以分别实现不同的控制目标。然而，这种控制策略中功率补偿值的计算过程仍然需要用到电压和电流的正负序分量。谐振控制器(R)由于其只对特定频率的变量具有较大增益的特性，在不平衡电网下改进控制策略的研究中得到广泛应用。在VC和DPC中，都有通过PI控制器和R控制器相结合，分别对直流分量和二倍频脉动分量实施控制，来实现不平衡电网下DFIG的有效控制。然而，在这种控制策略中，电流参考值的计算仍然需要利用电流的负序分量。由以上分析可知，目前众多不平衡电网下DFIG的改进控制策略的研究都是要基于电网电压、电流正负序分离的，不仅会增加系统的复杂程度，对于分离过程的准确性还会有较大依赖。因此，研究如何能够在不需要电网电压、电流正负序分离的前提下实现DFIG的有效控制，对于DFIG在不平衡电网下的改进控制策略的进一步发展具有重要意义。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种不平衡电网下DFIG基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制方法，无需电网电压、电流的正负序分离，且控制结构十分简单，能够在不平衡电网下实现平稳的电磁转矩，无功功率和正弦的定子电流。一种不平衡电网下DFIG基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制方法，包括如下步骤：(1)采集DFIG的三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc，并通过检测计算得到DFIG的转子角频率ωr和转子位置角θr；(2)分别对所述三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc进行Clark变换，对应得到静止α-β坐标系下的定子电压矢量Usαβ和定子电流矢量Isαβ；进而将所述定子电压矢量Usαβ滞后四分之一周期，得到滞后的定子电压矢量U'sαβ；(3)对所述定子电压矢量Usαβ进行积分，得到定子磁链矢量ψsαβ；(4)根据定子电压矢量Usαβ、滞后的定子电压矢量U'sαβ和定子电流矢量Isαβ计算出DFIG定子输出的拓展有功功率Psnew和无功功率Qs；(5)通过对所述拓展有功功率Psnew和无功功率Qs进行滑模变结构直接功率控制，从而计算得到DFIG的调制电压矢量Urαβ；(6)利用转子位置角θ对所述调制电压矢量Urαβ进行Park变换，得到转子参考坐标系下的调制电压矢量Urdq，进而利用SVPWM(空间矢量脉宽调制)算法构造出一组PWM信号以对DFIG的机侧变换器进行控制。所述步骤(2)中根据以下算式对三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc进行Clark变换：其中：Usα和Usβ对应为定子电压矢量Usαβ的α轴分量和β轴分量，Isα和Isβ对应为定子电流矢量Isαβ的α轴分量和β轴分量，Usa、Usb、Usc分别为三相定子电压Usabc对应A、B、C三相上的相电压，Isa、Isb、Isc分别为三相定子电流Isabc对应A、B、C三相上的相电流。所述步骤(3)中根据以下算式对定子电压矢量Usαβ进行积分：其中：ψsα和ψsβ对应为定子磁链矢量ψsαβ的α轴分量和β轴分量，Usα(τ)和Usβ(τ)对应为τ时刻定子电压矢量Usαβ的α轴分量和β轴分量，t为系统运行时长。所述步骤(4)中通过以下公式计算DFIG定子输出的拓展有功功率Psnew和无功功率Qs：其中：Usα和Usβ对应为定子电压矢量Usαβ的α轴分量和β轴分量，Isα和Isβ对应为定子电流矢量Isαβ的α轴分量和β轴分量，U'sα和U'sβ对应为滞后的定子电压矢量U'sαβ的α轴分量和β轴分量。所述步骤(5)中基于以下方程对拓展有功功率Psnew和无功功率Qs进行滑模变结构直接功率控制：其中：Urα和Urβ对应为调制电压矢量Urαβ的α轴分量和β轴分量，Usα和Usβ对应为定子电压矢量Usαβ的α轴分量和β轴分量，Isα和Isβ对应为定子电流矢量Isαβ的α轴分量和β轴分量，U'sα和U'sβ对应为滞后的定子电压矢量U'sαβ的α轴分量和β轴分量，ψsα和ψsβ对应为定子磁链矢量ψsαβ的α轴分量和β轴分量，Kp和Kq对应为扩展有功功率和无功功率给定的积分调节参数，Kps和Kqs对应为扩展有功功率和无功功率给定的开关函数调节参数，Lm为DFIG的定转子互感，Lr和Ls分别为DFIG的转子电感和定子电感，和Qsref分别为给定的拓展有功功率参考值和无功功率参考值，ep(τ)和eq(τ)对应为τ时刻扩展有功功率和无功功率的误差值，ω1为电网电压的角频率，j＝1或2，λj为开关函数给定的边界值，t为系统运行时长。所述步骤(6)中根据以下算式对调制电压矢量Urαβ进行Park变换：其中：Urα和Urβ对应为调制电压矢量Urαβ的α轴分量和β轴分量，Urd和Urq对应为调制电压矢量Urdq的d轴分量和q轴分量。本专利技术是在不平衡电网下DFIG数学模型的基础上，提出了一种拓展的有功功率，并将这种拓展的有功功率和传统的无功功率作为控制对象，将滑模变结构算法与DPC技术相结合，进而提出了一种改进的基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制策略；本专利技术方法在无需电网电压电流正负序分离的前提下，就可以实现DFIG在不平衡电网下的有效控制，得到平稳的电磁转矩和无功功率以及正弦的定子电流；本专利技术控制系统实现极为简单，不需要锁相环对电网电压的频率进行实时监测。本专利技术中提出的拓展功率理论，不仅可以与滑模变结构直接功率控制策略相结合，还可以与多种直接功率控制策略相结合形成不平衡电网下的改进控制策略。其控制思想具有较为广泛的适用性。附图说明图1为DFIG系统的结构示意图。图2为本专利技术控制方法的系统实现原理示意图。图3为本专利技术基于拓展有功功率的DFIG滑模变结构直接功率控制系统在定子电压单向跌落50％的不平衡电网下的稳态响应波形图；其中，Usabc为三相定子电压，Isabc为三相定子电流，Irabc为三相转子电流，P为有功功率，Q为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不平衡电网下DFIG基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制方法，包括如下步骤：(1)采集DFIG的三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc，并通过检测计算得到DFIG的转子角频率ωr和转子位置角θr；(2)分别对所述三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc进行Clark变换，对应得到静止α‑β坐标系下的定子电压矢量Usαβ和定子电流矢量Isαβ；进而将所述定子电压矢量Usαβ滞后四分之一周期，得到滞后的定子电压矢量U'sαβ；(3)对所述定子电压矢量Usαβ进行积分，得到定子磁链矢量ψsαβ；(4)根据定子电压矢量Usαβ、滞后的定子电压矢量U'sαβ和定子电流矢量Isαβ计算出DFIG定子输出的拓展有功功率Psnew和无功功率Qs；(5)通过对所述拓展有功功率Psnew和无功功率Qs进行滑模变结构直接功率控制，从而计算得到DFIG的调制电压矢量Urαβ；(6)利用转子位置角θ对所述调制电压矢量Urαβ进行Park变换，得到转子参考坐标系下的调制电压矢量Urdq，进而利用SVPWM算法构造出一组PWM信号以对DFIG的机侧变换器进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种不平衡电网下DFIG基于拓展有功功率的滑模变结构直接功率控制方法，包括如下步骤：(1)采集DFIG的三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc，并通过检测计算得到DFIG的转子角频率ωr和转子位置角θr；(2)分别对所述三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc进行Clark变换，对应得到静止α-β坐标系下的定子电压矢量Usαβ和定子电流矢量Isαβ；进而将所述定子电压矢量Usαβ滞后四分之一周期，得到滞后的定子电压矢量U'sαβ；(3)对所述定子电压矢量Usαβ进行积分，得到定子磁链矢量ψsαβ；(4)根据定子电压矢量Usαβ、滞后的定子电压矢量U'sαβ和定子电流矢量Isαβ计算出DFIG定子输出的拓展有功功率Psnew和无功功率Qs；(5)通过对所述拓展有功功率Psnew和无功功率Qs进行滑模变结构直接功率控制，从而计算得到DFIG的调制电压矢量Urαβ；(6)利用转子位置角θ对所述调制电压矢量Urαβ进行Park变换，得到转子参考坐标系下的调制电压矢量Urdq，进而利用SVPWM算法构造出一组PWM信号以对DFIG的机侧变换器进行控制。2.根据权利要求1所述的滑模变结构直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据以下算式对三相定子电压Usabc和三相定子电流Isabc进行Clark变换：UsαUsβ=231-12-12032-32UsaUsbUscIsαIsβ=231-12-12032-32IsaIsbIsc]]>其中：Usα和Usβ对应为定子电压矢量Usαβ的α轴分量和β轴分量，Isα和Isβ对应为定子电流矢量Isαβ的α轴分量和β轴分量，Usa、Usb、U...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丹，王霄鹤，蒋天龙，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33