一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略技术方案

本发明专利技术涉及一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略，其技术特点是：建立风力发电系统发电机侧各个组成部分的数学模型；建立受干扰且参数不确定的PMSG模型；构建Terminal滑模面；构建转速自适应Terminal滑模控制器；构建电流自适应Terminal滑模控制器。本发明专利技术基于永磁同步风电系统固有的非线性、不确定性和外界干扰等因素的影响，将Terminal滑模控制理论与自适应技术相结合，形成自适应Terminal滑模控制策略，实现了对永磁同步风机的最大功率跟踪，能够对额定风速以下的最大风能进行捕获，并且能够有效地抑制抖振，具有良好的自适应性和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略
本专利技术属于风力发电机自动控制
，尤其是一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略。
技术介绍
近年来，环境问题日益凸显，开发新能源，实现人类社会的可持续发展成为当前世界的重要议题。风力发电相比于其他能源的开发过程，风能拥有着得天独厚的优势：不像核能需要昂贵的装置和防护设备；也不同于必须建造坝，来推动水轮机运转的水能。而风能设备对当地环境和生态环境影响很小。由于直驱式永磁同步发电机结构简单，不需要齿轮箱的连接，采用永磁体材料，不需要外部励磁电源，也不需要电刷和滑环，显著降低了系统的安装与维护成本，大幅度提高了系统性能，增加了系统寿命，是一种成本与性能最佳的风力发电方式，也成为风电领域非常重要的发展方向。在风电系统中控制技术占据着核心位置，针对永磁同步风力发电系统，由于电网侧与发电机侧的能量交换在直流环节有效的缓冲，因此可对两侧的变换器独立控制。而且由于风能的稳定性较差，能量密度较低，风速、风向随机性变化，风机运行时发热引起的参数不确定性等情况，对风力发电机的控制提出了极高的要求。因此，为了更好的控制直驱式永磁同步电机稳定出力，急需一种兼顾抗干扰的和解决风机运行时参数不确定性的控制策略。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理并且能够提高永磁同步风电系统鲁棒性的永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略，包括以下步骤：步骤1、建立风力发电系统发电机侧各个组成部分的数学模型；步骤2、建立受干扰且参数不确定的PMSG模型；步骤3、构建Terminal滑模面；步骤4、构建转速自适应Terminal滑模控制器；步骤5、构建电流自适应Terminal滑模控制器。所述步骤1建立的数学模型表示如下：其中，ωm代表风机转子转速，Ta代表风机气动转矩，Te代表风机电磁转矩，J代表发电机转动惯量，B代表粘滞摩擦系数，ud和uq分别代表d轴电压和q轴电压，id和iq分别代表d轴电流和q轴电流，Ld和Lq分别代表d轴电导和q轴电导，Rs代表电阻，ψf代表磁通，ωe代表电磁转速。所述步骤2建立的PMSG模型表示为：其中，ωm代表风机转子转速，Ta代表风机气动转矩，Te代表风机电磁转矩，J代表发电机转动惯量，B代表粘滞摩擦系数，ud和uq分别代表d轴电压和q轴电压，id和iq分别代表d轴电流和q轴电流，Ld和Lq分别代表d轴电导和q轴电导，Rs代表电阻，ψf代表磁通，ωe代表电磁转速；d1、d2、d3分别代表外界干扰，式中各Δ变量表示参数变化导致的不确定因素。所述步骤3构建的Terminal滑模面表示为：其中，αi＞0，βi＞0，1＜pi/qi＜2(i＝1,2)且pi,qi为正奇数，eω表示速度跟踪误差，表示速度跟踪误差的一阶导数，ed表示电流跟踪误差，表示电流跟踪误差的一阶导数，Sω表示速度滑模面，Sd表示电流滑模面。所述步骤4构建的转速自适应Terminal滑模控制器表示为：其中γ1均为大于零的待设计参数，Rs代表电阻，id和iq分别代表d轴电流和q轴电流，ωe代表电磁转速，ψf代表磁通，Ld和Lq分别代表d轴电导和q轴电导，np代表电机极对数，代表风机气动转矩一阶导数，B代表粘滞摩擦系数，代表风机转子转速一阶导数，J代表发电机转动惯量，代表参考风机转子转速二阶导数，ud代表d轴电压，α1＞0，β1＞0，1＜p1/q1＜2且p1,q1为正奇数，eω表示速度跟踪误差，表示速度跟踪误差的一阶导数，Sω表示速度滑模面；Δd1通过进行补偿，的自适应律为：a1＞0，为Λ1的估计值，使用自适应的方法估计Λ1。所述步骤5构建的电流自适应Terminal滑模控制器表示为：其中γ2均为大于零的待设计参数，Rs代表电阻，id和iq分别代表d轴电流和q轴电流，ωe代表电磁转速，Ld和Lq分别代表d轴电导和q轴电导，代表d轴参考电流的一阶导数，即0，α2＞0，β2＞0，1＜p2/q2＜2且p2,q2为正奇数，ed表示电流跟踪误差，Sd表示电流滑模面，Δd3通过进行补偿，的自适应律为：a2＞0，为Λ2的估计值，使用自适应的方法估计Λ2。本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术设计合理，其基于永磁同步风电系统固有的非线性、不确定性和外界干扰等因素的影响，将Terminal滑模控制理论与自适应技术相结合，形成自适应Terminal滑模控制策略，实现了对永磁同步风机的最大功率跟踪，能够对额定风速以下的最大风能进行捕获，并且能够有效地抑制抖振，具有良好的自适应时和鲁棒性。附图说明图1为本专利技术的风能利用系统与叶尖速比的关系曲线图；图2为本专利技术的电机侧变换器控制框图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例作进一步详述：一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略，包括以下步骤：步骤1、建立风力发电系统发电机侧各个组成部分的数学模型。在本步骤中，根据空气动力学贝茨(Betz)理论可知，永磁同步电机风力发电电机从空气中捕获的能量Pa表示为：式中，ρ：空气密度(kg/m3)；R：风轮半径(m)；Vw：风速(m/s)；Cp(β,λ)功率因数，表示风能转换成机械能的转换效率，其表达式为：其中c1＝0.5176，c2＝116，c3＝0.4，c4＝5，c5＝21，c6＝0.0068在风机工作时当风速未达到额定风速时，变桨机构不发生动作，即假设在风机定桨距角即β＝0°的条件下，风电机组做动态动作，随着风速的变化，风力发电机通过永磁同步发电机定子电压控制发电机的定子电流，进而控制发电机的电磁转矩，最后控制风机的转速，是风轮转速达到期望转速，捕获的功率达到期望功率。那么功率因数可以表示为关于λ的非线性函数。当β＝0°时，可以取得最优叶尖速比λ＝λopt＝8.1，此时风能转换系数Cp(λ)取最大值Cp-max(λopt)≈0.48，如图1所示。风电机的叶尖速比λ定义如下：式中：ωm：风机转子的转速(rad/s)；根据气动功率与风机转子转速的关系，气动转矩Ta可表示为：最佳功率为：永磁同步电机的定子电压模型可以采用d-q轴旋转参考系表示如下：式中，ud和uq分别代表d，q轴电压；id和iq分别代表d，q轴电流；Ld和Lq分别代表d，q轴电导；Rs代表电阻；ψf代表磁通；ωe代表电磁转速，电磁转速和机械转速的关系如下：ωe＝npωm式中，np代表电机极对数。在永磁同步电机中存在这样的关系，Ld＝Lq＝L。那么，电磁转矩Te可以表示如下：风机的机械转矩平衡方程如下：式中：ωm：风机转子转速；Ta：风机气动转矩；Te：风机电磁转矩；J：发电机转动惯量(kg·m2)；B：粘滞摩擦系数(N·m·s)根据以上可以得到永磁同步电机的主要参数模型如下：步骤2、建立受干扰且参数不确定的PMSG模型。在本步骤中，考虑到外界干扰和参数变化导致的不确定因素，永磁同步电机的非线性模型表示为：其中，d1，d2，d3表示外界干扰，式中各Δ变量表示参数变化导致的不确定因素。步骤3、构建Terminal滑模面。在本步骤中，定义速度跟踪误差为：eω＝ωm-opt-ωm其中ωm-opt由MMPT控制器产生：定义电流跟踪误差为：ed＝id-ref-id分别以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略，其特征在于包括以下步骤：步骤1、建立风力发电系统发电机侧各个组成部分的数学模型；步骤2、建立受干扰且参数不确定的PMSG模型；步骤3、构建Terminal滑模面；步骤4、构建转速自适应Terminal滑模控制器；步骤5、构建电流自适应Terminal滑模控制器。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略，其特征在于包括以下步骤：步骤1、建立风力发电系统发电机侧各个组成部分的数学模型；步骤2、建立受干扰且参数不确定的PMSG模型；步骤3、构建Terminal滑模面；步骤4、构建转速自适应Terminal滑模控制器；步骤5、构建电流自适应Terminal滑模控制器。2.根据权利要求1所述的一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略，其特征在于：所述步骤1建立的数学模型表示如下：其中，ωm代表风机转子转速，Ta代表风机气动转矩，Te代表风机电磁转矩，J代表发电机转动惯量，B代表粘滞摩擦系数，ud和uq分别代表d轴电压和q轴电压，id和iq分别代表d轴电流和q轴电流，Ld和Lq分别代表d轴电导和q轴电导，Rs代表电阻，ψf代表磁通，ωe代表电磁转速。3.根据权利要求1所述的一种永磁同步风力发电系统的自适应滑模控制策略，其特征在于：所述步骤2建立的PMSG模型表示为：其中，ωm代表风机转子转速，Ta代表风机气动转矩，Te代表风机电磁转矩，J代表发电机转动惯量，B代表粘滞摩擦系数，ud和uq分别代表d轴电压和q轴电压，id和iq分别代表d轴电流和q轴电流，Ld和Lq分别代表d轴电导和q轴电导，Rs代表电阻，ψ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冬辉，郑博文，尹海燕，刘玲玲，李林，姚乐乐，高峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12