CN107476937A - 一种永磁同步风力发电***的自适应滑模控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步风力发电***的自适应滑模控制策略，其技术特点是：建立风力发电***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。本发明基于永磁同步风电***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。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机自动控制技术领域，尤其是一种永磁同步风力发电***的自适应滑模控制策略。
背景技术
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***的安装与维护成本，大幅度提高了***性能，增加了***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***中控制技术占据着核心位置，针对永磁同步风力发电***，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。
发明内容
本发明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***鲁棒性的永磁同步风力发电***的自适应滑模控制策略。
本发明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***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***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。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其基于永磁同步风电***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为本发明的风能利用***与叶尖速比的关系曲线图；
图2为本发明的电机侧变换器控制框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种永磁同步风力发电***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***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
分别以转速、电流的跟踪误差为基础，构建Terminal滑模面，其具体表达式为：
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。
步骤4、构建转速自适应Terminal滑模控制器。
在本步骤中，将不确定项和扰动项合并可以重写为：
假设不确定项Δd1有界，可表示为|Δd1|≤Λ1。
自适应Terminal滑模控制器需要及时修正自身得特性以适应被控对象和扰动动态变化，对有限的参数摄动，仍能够维持良好的控制效果。因此，设计转速自适应Terminal滑模控制器为：
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。。
证明：考虑到转速跟踪误差以及自适应律估计误差，选择Lyapunov函数为：
其中，为Λ1的估计误差。
由于当且仅当sw＝0时，即当时，sw≡0。根据LaSalle不变性原理，闭环***为渐进稳定，即当t→∞时，sw→0。
步骤5、构建电流自适应Terminal滑模控制器。
在步骤中，将不确定项和扰动项合并可以重写为：
假设不确定项Δd3有界，可表示为|Δd3|≤Λ2。
设计电流自适应Terminal滑模控制器为：
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。
证明：考虑到电流跟踪误差以及自适应律估计误差，选择Lyapunov函数为：
其中，为Λ2的估计误差。
由于当且仅当sd＝0时，即当时，sd≡0。根据LaSalle不变性原理，闭环***为渐进稳定，即当t→∞时，sd→0。
说明：为了减弱各控制器中所存在的抖振，采用来代替其中η为正常数。
如图2所示，本发明针对永磁同步风电***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，设计自适应Terminal滑模控制器，实现了对永磁同步风机的最大功率跟踪。当风机叶片运行在额定风速下，使用最大功率点跟踪捕获风能的最大功率，以最佳叶尖速比算法为基础，使用id＝0的矢量控制策略，结合定桨距控制方式，风机的转速可以通过PMSG的q轴定子电流进行控制，进一步可以通过PMSG的q定子电压完成对风机转速的控制。同时为了减少铜损，避免电机过度发热，调整d轴电流为0，并通过d轴定子电压达到控制要求。以此得到转速、电流双闭环的控制器，从而实现额定风速以下的最大风能捕获。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种永磁同步风力发电***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***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***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：
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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***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：
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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。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步风力发电***的自适应滑模控制策略，其特征在于：所述步骤3构建的Terminal滑模面表示为：
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</mrow>
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</mrow>
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。
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步风力发电***的自适应滑模控制策略，其特征在于：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。
6.根据权利要求1所述的一种永磁同步风力发电***的自适应滑模控制策略，其特征在于：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。
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