雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器運(yùn)行研究

鐘澤航，楊俊華

(廣東工業(yè)大學(xué),廣州 510006)

?

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器運(yùn)行研究

鐘澤航，楊俊華

(廣東工業(yè)大學(xué),廣州 510006)

傳感器故障下，為實(shí)現(xiàn)海上雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的重構(gòu)控制和不間斷運(yùn)行，需要精確的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)信號(hào)，研究參數(shù)魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的轉(zhuǎn)子電流狀態(tài)觀測(cè)策略。在分析同步坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上變換電機(jī)模型，選取定子電流為狀態(tài)向量；通過(guò)控制定子電流估計(jì)值的偏差，設(shè)計(jì)滑模控制器，跟蹤定子電流；系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)后，通過(guò)低通濾波器濾波，去除控制器輸出信號(hào)中的高頻失真信號(hào)，獲得轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值?；赑SCAD/EMTDC仿真平臺(tái)，搭建雙饋電機(jī)滑模觀測(cè)器矢量控制系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明，該觀測(cè)器估算方法能夠快速跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子電流變化，并可在一定程度上抑制參數(shù)誤差對(duì)電流觀測(cè)精度的影響，算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。

雙饋發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)器；滑模變結(jié)構(gòu)；重構(gòu)控制；矢量控制

0 引 言

與陸地相比，海上風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度小、風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)定，但海上風(fēng)電系統(tǒng)的維護(hù)是制約海上風(fēng)電發(fā)展的主要原因之一[1]。根據(jù)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)公布的2010年風(fēng)電系統(tǒng)故障分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，傳感器故障率達(dá)9.4%，在各類部件中排第4位[2]。研究傳感器故障下海上風(fēng)電系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)與重構(gòu)控制策略，實(shí)現(xiàn)故障期間的不間斷運(yùn)行，可提高系統(tǒng)可靠性、降低維護(hù)成本和增加有效發(fā)電時(shí)間。

根據(jù)能觀性標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[3]提出了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)傳感器故障監(jiān)測(cè)、診斷和重構(gòu)控制策略，但過(guò)度依賴于電流、電壓、轉(zhuǎn)速和位置精確觀測(cè)結(jié)果。針對(duì)系統(tǒng)傳感器故障、參數(shù)不確定性以及隨時(shí)間變化的未知輸入等問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]提出一種專用模糊觀察器(FDOS)方案，但需構(gòu)造線性矩陣不等式(LMI)，其設(shè)計(jì)方法較復(fù)雜，不利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]提出了一種電流傳感器容錯(cuò)控制方法，電流觀測(cè)器以電壓信號(hào)為輸入，構(gòu)建改進(jìn)的電流傳感器故障檢測(cè)算法，并可考慮其自適應(yīng)閾值和不同的故障持續(xù)時(shí)間。文獻(xiàn)[6]將雙饋發(fā)電機(jī)非線性模型中的系統(tǒng)矩陣簡(jiǎn)化為兩個(gè)線性矩陣，設(shè)計(jì)雙線性Luenberger電流觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)定、轉(zhuǎn)子電流的觀測(cè)，但要求定、轉(zhuǎn)子電流全部可測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳感器故障下的電流觀測(cè)和重構(gòu)控制。為減小發(fā)電機(jī)參數(shù)變化對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器方法，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了包含參數(shù)估計(jì)的電流觀測(cè)策略，但濾波器收斂速度較慢，難以滿足轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制對(duì)觀測(cè)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求。文獻(xiàn)[8]提出了一種FDI傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用卡爾曼濾波器組設(shè)計(jì)多觀測(cè)策略，檢測(cè)多個(gè)傳感器故障，提高風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，但該電流觀測(cè)策略僅適于系統(tǒng)故障檢測(cè)方面。

滑模變結(jié)構(gòu)方法的一個(gè)重要研究方向是用來(lái)設(shè)計(jì)非線性觀測(cè)器[9]，為解決傳感器故障診斷和重構(gòu)問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一類滑模觀測(cè)器，應(yīng)用H∞理論設(shè)計(jì)滑模運(yùn)動(dòng)，使得一個(gè)對(duì)故障重構(gòu)的不確定性的影響上限將被最小化并應(yīng)用于垂直起落飛機(jī)上。利用傳統(tǒng)的常值切換滑?？刂品椒ǎ墨I(xiàn)[11]進(jìn)行了反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該觀測(cè)器可較為準(zhǔn)確地估算位置，對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)攝動(dòng)及擾動(dòng)有較好的魯棒性。文獻(xiàn)[12-13]設(shè)計(jì)了一種滑模觀測(cè)器用于估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，仿真結(jié)果顯示該觀測(cè)器具有魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。

為提高觀測(cè)器的魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，本文提出雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)方案，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，設(shè)計(jì)定子電流滑模跟蹤控制器，通過(guò)控制定子電流估計(jì)值的偏差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)。為雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)在傳感器故障期間的重構(gòu)控制和不間斷運(yùn)行提供精確的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)信號(hào)，有助于提高海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

1 雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型

采用發(fā)電機(jī)慣例，雙饋電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[14]的電壓方程:

(1)

磁鏈方程:

(2)

式中:uds，uqs，udr，uqr為定轉(zhuǎn)子繞組的d，q軸電壓；ids，iqs，idr，iqr為定轉(zhuǎn)子繞組的d，q軸電流；ψds，ψqs，ψdr，ψqr為定轉(zhuǎn)子繞組的d，q軸磁鏈；Ls，Lr為dq坐標(biāo)系中等效的兩相定轉(zhuǎn)子繞組自感；Lm為等效定，轉(zhuǎn)子繞組間的互感；rs，rr為定轉(zhuǎn)子電樞繞組電阻；ω1，ωr為d，q軸系統(tǒng)及轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度；p=d/dt為微分算子。

2 狀態(tài)方程變換

令

(3)

及

(4)

將式(2)代入式(4)，并根據(jù)式(3)整理：

(5)

令:

(6)

將式(1)代入式(6)并結(jié)合式(3)和(4)整理得：

(7)

將式(5)代入式(7)有：

(8)

(9)

整理式(9)可得：

(10)

將式(10)代入式(8)并簡(jiǎn)化：

(11)

選擇定子d、q軸電流為狀態(tài)變量，整理式(11)：

(12)

(13)

3 滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)

采用恒定誤差反饋增益的全階觀測(cè)器，雖可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)觀測(cè)，但系統(tǒng)參數(shù)矩陣及擾動(dòng)量變化較大時(shí)，其觀測(cè)值存在較大誤差。而滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，對(duì)參數(shù)變化、建模誤差及外部干擾等不確定性有較強(qiáng)魯棒性。設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器控制定子電流估計(jì)值偏差，可觀測(cè)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，并能有效抑制由雙饋電機(jī)運(yùn)行所引起的系統(tǒng)參數(shù)變化及各種擾動(dòng)的影響，保證狀態(tài)觀測(cè)精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。滑模觀測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滑模觀測(cè)器結(jié)構(gòu)

定義滑模觀測(cè)器的滑模面：

(14)

根據(jù)雙饋電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，由式(12)和(13)可構(gòu)造如下滑模觀測(cè)器：

(15)

(16)

(17)

式中:kd,kq為滑模增益。sign(x)為符號(hào)函數(shù)：x>0，sign(x)=1；x <0，sign(x)=-1。由式(12)～式(17)可得：

(18)

(19)

定子電流誤差開(kāi)關(guān)信號(hào)中包含有轉(zhuǎn)子電流信息，但滑模過(guò)程存在不連續(xù)性，開(kāi)關(guān)切換會(huì)引入高頻信號(hào)，使式(19)中的轉(zhuǎn)子電流存在失真，可選用一類低通濾波器，只要其截止頻率足夠高，去除控制器輸出信號(hào)中的高頻失真信號(hào)，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子電流的觀測(cè)值：

(20)

式中:ωc為低通濾波器的截止頻率，則有：

(21)

根據(jù)式(21)解得：

(22)

由式(20)可知，通過(guò)低通濾波器可獲得轉(zhuǎn)子電流，但存在相位延遲，這與低通濾波器的相位響應(yīng)直接相關(guān)，其截止頻率越低，對(duì)應(yīng)固定頻率的相延遲越大，可用式(23)計(jì)算。運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的相移角Δθ：

(23)

4 滑模存在和穩(wěn)定性證明

(24)

則Lyapunov函數(shù)V是正定的，對(duì)V求導(dǎo)得：

(25)

將式(18)代入式(25)得：

(26)

(27)

根據(jù)系統(tǒng)仿真電機(jī)數(shù)據(jù)，可計(jì)算:

(28)

由式(27)、式(28)求解得：

(29)

所以，只要選取合適的kd,kq,即可保證滑模存在，系統(tǒng)能夠到達(dá)滑模面，且漸進(jìn)穩(wěn)定。

5 仿真驗(yàn)證

仿真采用雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子側(cè)變換器運(yùn)用磁鏈定向矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦，電流控制采用滯環(huán)電流PWM控制方案。網(wǎng)側(cè)變換器釆用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，并由此構(gòu)建電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)PI-SVPWM控制系統(tǒng)。建立了PSCAD/EMTDC仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

由圖2與圖3可知，滑模觀測(cè)器控制的定子電流估計(jì)值能夠快速地收斂于真實(shí)值，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)做好準(zhǔn)備。

圖2 滑動(dòng)模態(tài)曲線圖

(a) d軸電流

(b) q軸電流圖3 定子d,q軸電流估計(jì)值與實(shí)際值的比較

圖4 總運(yùn)行時(shí)段的轉(zhuǎn)子電流仿真波形

由圖5可知，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子電流有少許波動(dòng)并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電流觀測(cè)器能很快跟蹤上實(shí)際轉(zhuǎn)子電流變化。

圖5 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流波形

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在0.5 s時(shí)由轉(zhuǎn)速控制切換為轉(zhuǎn)矩控制，圖6給出了該工況下的雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的實(shí)際值與觀測(cè)值變化曲線，跟蹤良好。

圖6 電機(jī)切換控制方式時(shí)的轉(zhuǎn)子電流波形

如圖7所示，在0.5 s處，雙饋電機(jī)切換為轉(zhuǎn)矩控制，之后在整個(gè)運(yùn)行階段電機(jī)轉(zhuǎn)速均在變化，但可看出，該工況下轉(zhuǎn)子電流仍能獲得良好的快速跟蹤，以下為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流實(shí)際值及其觀測(cè)值在電機(jī)變轉(zhuǎn)速下的詳細(xì)波形圖。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)對(duì)應(yīng)電流波形

圖8～圖10是各時(shí)間段內(nèi)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比圖，在雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)變化時(shí)，轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值均能小誤差地快速跟蹤實(shí)際值變化，由此驗(yàn)證了雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)策略的可行性。

圖8 0.8～2.4 s的轉(zhuǎn)子電流實(shí)際值與觀測(cè)值

圖9 2.0～3.0 s的轉(zhuǎn)子電流實(shí)際值與觀測(cè)值

圖10 5.0～7.0 s的轉(zhuǎn)子電流實(shí)際值與觀測(cè)值

6 結(jié) 論

本文提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)方法，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子電流滑模狀態(tài)觀測(cè)器，采用李亞普諾夫理論證明了該算法的收斂性。在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下搭建了其系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明雙饋電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)滑模觀測(cè)器可以對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行正確的估算，能夠快速跟隨電流的變化，具有較強(qiáng)的魯棒性，為傳感器故障下的系統(tǒng)重構(gòu)控制和不間斷運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

[1] 林鶴云,郭玉敬,孫蓓蓓,等.海上風(fēng)電的若干關(guān)鍵技術(shù)綜述 [J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,41(4):882-888.

[2] 國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì).風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告(2011第4 號(hào))[R].北京:電監(jiān)會(huì)辦公廳,2011.

[3]ROTHENHAGENK,FUCHSFW.Doublyfedinductiongeneratormodel-basedsensorfaultdetectionandcontrolloopreconfiguration[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics, 2009,56(10):4229-4238.

[4]KAMALE,AITOUCHEA.RobustfaulttolerantcontrolofDFIGwindenergysystemswithunknowninputs[J].RenewableEnergy,2013(56):2-15.

[5]LIH,YANGC,HUYG.Fault-tolerantcontrolforcurrentsensorsofdoublyfedinductiongeneratorsbasedonanimprovedfaultdetectionmethod[J].Measurement, 2014，47(1):929-937.

[6]ROTHENHAGENK,FUCHSFW.Currentsensorfaultdetectionbybilinearobserverforadoublyfedinductiongenerator[C] // 32ndIEEEAnnualConferenceonIndustrialElectronics,Paris,France.IEEE,2006:1369-1374.

[7]MANUELGC,MICHELK.Sensorfaultdetectionandisolationindoubly-fedinductiongeneratorsaccountingforparametervariations[J].RenewableEnergy,2011,36(5): 1447-1457.

[8]SARAVANAKUMARAR,MANIMOZHIM,KOTHARIDP.SimulationofsensorfaultdiagnosisforwindturbinegeneratorsDFIGandPMSMusingKalmanfilter[J].EnergyProcedia, 2014,54:494-505.

[9]YUXH,XUJX,Ed.Variablestructuresystems:towardsthe21thCentury[M].BerlinHeidelberg:Spring-Verlag, 2002.

[10]TANCP,EDWARDSC.Slidingmodeobserversforrobustdetectionandreconstructionofactuatorandsensorfaults[J].InternationalJournalofRobustandNonlinearControl,2003, 13(5):443-463.

[11] 吳春華,陳國(guó)呈,孫承波.基于滑模觀測(cè)器的無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng) [J].電工電能新技術(shù),2006, 25(2):1-3.

[12] 魯文其,黃文新,胡育文.永磁同步電動(dòng)機(jī)新型滑模觀測(cè)器無(wú)傳感器控制 [J].控制理論與應(yīng)用,2009,26(4):429- 432.

[13] 蘇健勇,李鐵才,楊貴杰.PMSM無(wú)位置傳感器控制中數(shù)字滑模觀測(cè)器抖振現(xiàn)象分析與抑制 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009,24(8):58-64.

[14] 趙棟利,許洪華,趙斌,等.變速恒頻風(fēng)力雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)電壓控制研究 [J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2004,25(5): 587-59.

[15] 王豐堯,滑模變結(jié)構(gòu)控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[16] 楊淑英,張興,張崇巍.基于轉(zhuǎn)子電流偏差角的雙饋感應(yīng)電機(jī)速度觀測(cè) [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(4):92-95.

[17] 朱自芳,李先祥,皮佑國(guó).永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器的滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì) [J].微特電機(jī),2008,36(3): 29-32.

[18]ELBULUKM,LIChangsheng.Slidingmodeobserverforwide-speedsensorlesscontrolofPMSMdrive[C]//38thIASAnnualMeetingConference,USA.IEEE,2003:480-485.

[19]ZHENGYH,FATTAHHAA,LOPAROKA.Non-linearadaptiveslidingmodeobserver-controllerschemeforinductionmotors[J].InternationalJournalofAdaptiveControlandSignalProcessing,2000,14(3):245-273.

[20]LEESS,PARKJK.Designofpowersystemstabilizerusingobserver/slidingmode，observer/slidingmode-modelfollowingandH/slidingmodecontrollersforsmall-signalstabilitystudy[J].InternationalJournalofElectricalPower&EnergySystems,1998,20(8):543-553.

[21] 尚喆,趙榮祥,竇汝振.基于自適應(yīng)滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制研究 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007,27(3):24-27.

[22] 黃晟,廖武,黃科元.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)速度傳感器控制 [J].電氣傳動(dòng),2010,40(3):3-5.

[23] 劉叢偉,李崇堅(jiān),蘇鵬聲.雙饋電機(jī)無(wú)速度傳感矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的研究 [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999, 39(5):54-57.

Operation of DFIG Rotor Current Observer Based on Sliding Mode Variable Structure Controller

ZHONGZe-hang,YANGJun-hua

(Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

To realize reconfiguration control and continuous operation of the offshore doubly-fed wind generator systems, the accurate observation of rotor current signals must be provided under sensor fault. The observation strategy of rotor current status was studied with strong robustness of parameters and fast dynamic response. The mathematical model of DFIG was transformed to select the stator currents as state vectors by analyzing the machine model in synchronous coordinate. The sliding controller was designed to track stator current though regulating the bias of the estimated value of the stator current. The high frequency distortion section of the controller's output signal was removed through a low pass filter to obtain rotor current observation value as the system entered the sliding mode. The simulation model of DFIG vector control system with a sliding mode observer was built in PSCAD/EMTDC simulation environment. The results of simulation show that the changes in the rotor current of DFIG can be quickly tracked in this observer estimation method, and the parameter errors' influence on the accuracy of current observation value is repressed. The algorithm is simple and easy to implement.

doubly-fed induction generator; rotor current observer; sliding mode variable structure control; reconfiguration control； vector control

2015-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51307025,51117050, 51407035); 廣東省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2013KJCX0059);廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2013LYM_0019)

TM315

A

1004-7018(2016)07-0072-05

鐘澤航(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)控制。