一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统，包括：磁链观测模块、转子谐波电压补偿模块、定子频率控制模块、直流电压外环控制模块以及转子电流内环控制模块。所述直流电压外环控制模块的输入端与反馈的直流电压和预设的给定值直流电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述磁链观测模块的输入端与反馈的定子侧电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连。本发明专利技术采用PI控制。能够有效的避免传统PI控制效果易受被控对象参数和扰动的影响的问题。同时通过定子侧存在大量谐波，减少对电机产生损坏，增加系统损耗。同时加入全控型整流器减少了在直流侧不可控整流器带来的谐波。

An Independent Operating Doubly-fed DC Motor Control System Using Sliding Mode Controller

【技术实现步骤摘要】
一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统
本专利技术涉及涉及双馈直流电机控制领域，尤其涉及一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统。
技术介绍
船舶作为最重要的水上载运工具，其节能效果的好坏直接影响着水上交通运输的发展。轴带发电机是由主机驱动发电机的供电装置，能够充分利用主机的剩余功率发电，大幅度降低燃油消耗量，是一种有效的节能方式。主机转速在船舶航行时是变化的，为了能使轴带发电机实现变速恒频运行，必须使用频率补偿装置。相对于传统的同步发电机，双馈异步发电机带变频器，去除了同步补偿器。变频器在发电机的励磁回路上，而不是在主供电电路上，其容量和体积都显著降低，降低了系统的成本。船舶正常航行时，全船电力是由轴带发电机单独提供，因此研究独立运行的轴带发电系统十分有必要。独立运行的双馈直流发电系统可以为全船提供电力，在负载条件和主机转速发生变化时，双馈直流发电系统仍能够在保持稳定同时输出稳定的直流电压，保证船舶电力稳定。同时，双馈直流发电系统的研究对于解决我国偏远地区供电也有重要的意义。滑模控制由于其能够提高鲁棒性并且控制算法简单，非常适合应用于独立运行的双馈直流发电系统。现有专利技术以及控制方法中，目前关于独立运行双馈直流发电系统方面的控制策略较少，关于并网型双馈直流发电系统的控制方面的技术占多数。在直流双馈发电系统中控制器一般采用PI控制器和滞环控制器。在独立运行的双馈直流发电系统中加入全控型整流器获得直流电压，但是这种方案结构复杂，而且成本较高。另一种现有技术方案是在独立运行的双馈直流发电系统中加入不可控整流器。现有技术的研究现状有以下不足：第一、采用PI控制。目前大部分关于独立运行双馈直流发电系统的研究仍是采用PI控制，而传统PI控制效果易受被控对象参数和扰动的影响。而当被控对象参数变化或者受到外界扰动时，系统应该能够保持稳定性，输出稳定电能。第二、定子侧存在大量谐波。因为在独立运行双馈直流发电系统中定子侧加入不可控整流器，所以定子电流中会出现大量的5次和7次谐波，导致转矩脉动较大，对电机产生损坏，增加系统损耗。第三、加入全控型整流器系统结构复杂。为了减少在直流侧不可控整流器带来的谐波，采用全控型整流器，但这种方案会使系统控制复杂，同时增加系统成本。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统，包括：磁链观测模块、转子谐波电压补偿模块、定子频率控制模块、直流电压外环控制模块以及转子电流内环控制模块。进一步地，所述直流电压外环控制模块的输入端与反馈的直流电压和预设的给定值直流电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述磁链观测模块的输入端与反馈的定子侧电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连。更进一步地，所述定子频率控制模块的输入端与预设的给定值以及反馈值相连，输出端与所述直流电压外环控制模块、所述电流内环控制模块相连；所述转子电流内环控制模块的输入端与直流电压模块相连，输出端与转子侧电压源型逆变器相连。进一步地，在两相旋转坐标系下，所述独立运行双馈直流电机控制系统的数学模型为：进一步地，电压模型为：进一步地，磁链模型为进一步地，电磁转矩模型为：Tem＝npL0(iqsidr-idsiqr)(3)更进一步地，采用定子磁链定向的控制方法，使定子磁链与d轴重合，可得：其中，Uds、Uqs、Udr、Uqr分别表示定子d轴电压、定子q轴电压、转子d轴电压、转子q轴电压,Rs、Rr分别表示定子电阻、转子电阻，ids、iqs、idr、iqr分别表示定子d轴电流、定子q轴电流、转子d轴电流、转子q轴电流，分别表示定子d轴磁通、定子q轴磁通、转子d轴磁通、转子q轴磁通，Tem表示电磁转矩，Ls表示定子侧电感，L0表示定转子间的耦合电感，Lr表示转子侧电感，ωs表示定子频率，ωr表示转子频率，ωslip表示转差角频率，ωslip＝ωs-ωr，np表示极对数。更进一步地，所述定子频率控制模块设置有两个输入，一是定子频率给定值，另外一个是通过光耦编码器获得的转子空间电角度反馈值，输出得到定转子转差角，输出送到转子电流内环控制电路，以实现对定子频率的控制：其中，μ*表示定子给定电角度，ε表示转子空间电角度反馈值。更进一步地，由直流电压给定值以及电容两侧的直流电压反馈值输入所述直流电压控制模块，所述直流电压控制模块通过设计滑模控制器，输出转子q轴电流到所述转子电流内环控制电路；所述直流电压控制模块的滑模控制算法为：定义滑模面函数为S1＝e1+k1∫e1dt，其中误差变量为e1＝Vdc*-Vdc，所述滑模控制器表达式为：其中，sat()表示饱和函数，Vdc*、Vdc分别表示直流电压给定值、直流电压值，C定子侧电容值，k1、k1*均表示系数。进一步地，所述内环转子电流控制模块的输入端是分别来自所述外环电压控制模块的输出的iqr*和所述磁链观测器模块的输出的idr*，所述内环转子电流控制模块的输出端接转子侧电压源型逆变器，通过改变励磁电流的频率和幅值，实现双馈电机的变速恒频发电。更进一步地，所述内环转子电流控制模块的d轴电流滑模控制器算法为：由电机数学模型可得定义滑模面为S＝e2+k2∫e2dt，其中误差变量为e2＝idr*-idr，则得到所述内环转子电流控制模块的d轴电流滑模控制器为：Udr＝Rridr+Lrk2(idr*-idr)-ωslipσLriqr+Lrk2*sat(S2)(10)所述内环转子电流控制模块的q轴电流滑模控制器为：由电机数学模型可得定义滑模面为S3＝e3+k3∫e3dt，其中误差为e3＝iqr*-iqr，可得则得到所述内环转子电流控制模块的q轴电流滑模控制器为：Uqr＝Rridr+σLrk3(iqr*-iqr)+ωslipLridr+σLrk3*sat(S3)(13)其中，σ＝1-L02/LrLs，k2、k2*、k3、k3*均表示系数，sat()表示饱和函数，C表示定子侧电容。进一步地，为了减少滑模控制算法中带来的抖振问题，在上述三个滑模控制算法的开关控制函数中加入饱和函数；所述饱和函数为：其中Sj代表滑模面函数，λj代表边界层厚度并且j＝1,2。更进一步地，在转子谐波电压补偿模块设置陷波谐振器，从定子三相电压中分离得到5次、7次定子谐波电压：则转子谐波电压补偿器为：其中，Usabc表示定子三相电压，Usabch表示定子三相谐波电压，Usqh表示两相旋转坐标系下定子q轴谐波电压，Usdh表示两相旋转坐标系下定子d轴谐波电压，Urqh表示两相旋转坐标系下转子q轴谐波电压，Urdh表示两相旋转坐标系下转子d轴谐波电压，ωc是谐振频率；则将通过陷波谐振器获得的5次、7次谐波定子电压，通过坐标变换变换到两相旋转坐标系下，通过谐波电压补偿器得到需要补偿的转子谐波电压，加入到转子控制电压中。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：第一、现有技术一般采用PI控制器，容易在系统负载和转速改变时，会使系统的直流电压波动较大，无法获得稳定电压。本专利技术设计滑模控制器代替PI控制器，设计滑模切换面，通过开关控制函数和等效控制函数，使系统对参数摄动和外界干扰不敏感，具有良好的鲁棒性，从而在受到外界扰动时仍能获得稳定的电压。第二、滑模变结构控制在本质上的不连续开关特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统，其特征在于，包括：磁链观测模块、转子谐波电压补偿模块、定子频率控制模块、直流电压外环控制模块以及转子电流内环控制模块；所述直流电压外环控制模块的输入端与反馈的直流电压和预设的给定值直流电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述磁链观测模块的输入端与反馈的定子侧电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述定子频率控制模块的输入端与预设的给定值以及反馈值相连，输出端与所述直流电压外环控制模块、所述电流内环控制模块相连；所述转子电流内环控制模块的输入端与直流电压模块相连，输出端与转子侧电压源型逆变器相连。

【技术特征摘要】
1.一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统，其特征在于，包括：磁链观测模块、转子谐波电压补偿模块、定子频率控制模块、直流电压外环控制模块以及转子电流内环控制模块；所述直流电压外环控制模块的输入端与反馈的直流电压和预设的给定值直流电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述磁链观测模块的输入端与反馈的定子侧电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述定子频率控制模块的输入端与预设的给定值以及反馈值相连，输出端与所述直流电压外环控制模块、所述电流内环控制模块相连；所述转子电流内环控制模块的输入端与直流电压模块相连，输出端与转子侧电压源型逆变器相连。2.根据权利要求1所述的一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统结构，其特征还在于：在两相旋转坐标系下，所述独立运行双馈直流电机控制系统的数学模型为：电压模型：磁链模型电磁转矩模型：Tem＝npL0(iqsidr-idsiqr)(3)采用定子磁链定向的控制方法，使定子磁链与d轴重合，可得：其中，Uds、Uqs、Udr、Uqr分别表示定子d轴电压、定子q轴电压、转子d轴电压、转子q轴电压,Rs、Rr分别表示定子电阻、转子电阻，ids、iqs、idr、iqr分别表示定子d轴电流、定子q轴电流、转子d轴电流、转子q轴电流，分别表示定子d轴磁通、定子q轴磁通、转子d轴磁通、转子q轴磁通，Tem表示电磁转矩，Ls表示定子侧电感，L0表示定转子间的耦合电感，Lr表示转子侧电感，ωs表示定子频率，ωr表示转子频率，ωslip表示转差角频率，ωslip＝ωs-ωr，np表示极对数。3.根据权利要求1所述的一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统结构，其特征还在于：所述定子频率控制模块设置有两个输入，一是定子频率给定值，另外一个是通过光耦编码器获得的转子空间电角度反馈值，输出得到定转子转差角，输出送到转子电流内环控制电路，以实现对定子频率的控制：其中，μ*表示定子给定电角度，ε表示转子空间电角度反馈值。4.根据权利要求1所述的一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统结构，其特征还在于：由直流电压给定值以及电容两侧的直流电压反馈值输入所述直流电压控制模块，所述直流电压控制模块通过设计滑模控制器，输出转子q轴电流到所述转子电流内环控制电路；所述直流电压控制模块的滑模控制算法为：定义滑模面函数为S1＝e1+k1∫e1dt，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丹，刘陆，李豪杰，王浩亮，周鑫，彭周华，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21