袁 鴻，張繼勇，徐靖雨，姜 健

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引 言

隨著近年來對新能源的推廣，風(fēng)力這種廉價(jià)并且具有很好發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電越來越得到研究者的關(guān)注。相比較永磁同步等其他發(fā)電機(jī)組，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能更好的提高系統(tǒng)效率。本文分析網(wǎng)側(cè)PWM控制系統(tǒng)，提出一種滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)的電壓定向的矢量PI控制進(jìn)行比較。用Simulink仿真進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明了本文提出的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑模變結(jié)構(gòu)控制方案的可行性和正確性。

1 數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子都有三相繞組，與繞線式異步電機(jī)相似，定子側(cè)直接并入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過兩個(gè)PWM變換器接入電網(wǎng)[1]。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型在三相對稱的系統(tǒng)，電壓的矢量和與電流的矢量和都為0。由基爾霍夫電壓和電流定理，以三相電源中點(diǎn)0為參考點(diǎn)，可以得到在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[2]：

(1)

式中，Udc為直流母線電壓；Iload為直流側(cè)電壓；Rs、Ls為濾波電容器的電阻與電感；Si(i=a,b,c)為橋臂狀態(tài)。

(2)

最終得到：

(3)

在三相坐標(biāo)系下，相電流，相電壓，直流母線電壓之間存在互相之間都有影響，為了達(dá)到理想控制效果，所以進(jìn)行坐標(biāo)變換3s/2r變換公式帶入式(3)，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，得到[4]：

(4)

由上述的數(shù)學(xué)模型，可以得出傳統(tǒng)的PI控制模型，如圖2所示。

圖2 基于PI的電網(wǎng)電壓定向控制

2 網(wǎng)側(cè)PWM滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電壓外環(huán)滑模控制器設(shè)計(jì)

不計(jì)網(wǎng)側(cè)變換器的損耗，網(wǎng)側(cè)交流側(cè)的有功功率與直流側(cè)的功率相等，以此進(jìn)行等功率變換[5]。

(5)

簡化得：

(6)

(7)

進(jìn)行選取滑模變結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變量：

(8)

選取電壓模型的滑模面：

su=kux1+x2

(9)

在上面式子中，ku>0為設(shè)計(jì)常數(shù)。將式(7)、式(8)代入式(9)中，可以得到su：

(10)

得出

(11)

在新的滑模面中：

(12)

2.2 電流內(nèi)環(huán)滑模控制器設(shè)計(jì)

2.2.1d軸電流滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

銜接電壓外環(huán)，取d軸電流得滑模狀態(tài)變量為[6]

(13)

d軸的數(shù)學(xué)模型為

(14)

在上面式子中，γ>0是設(shè)計(jì)常數(shù)，p與q是奇數(shù)，而且1

其中：

由式(14)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出高階滑?？刂破鳎?/p>

(15)

式中，ηg>0，ag>0都為設(shè)計(jì)常數(shù)。

2.2.2q軸電流滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

q軸電流滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)與d軸設(shè)計(jì)方法基本相同，選?。?/p>

(16)

式中，x1、x2為滑模狀態(tài)變量[7]。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型：

(17)

q軸的高階滑?？刂破鳛閇8]

ugq=-Riq-ωLid-

(18)

根據(jù)滑模控制器的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)，可以計(jì)出系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 滑模變結(jié)構(gòu)控制原理圖

3 仿真測試

為了證明滑模變結(jié)構(gòu)方法的可行性，在Matlab/Simulink上進(jìn)行仿真軟件測試，電網(wǎng)電壓為380 V，50 Hz，電阻為0.05 Ω，電感為0.012 H，母線電容為0.0022 F，負(fù)載為20 Ω?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置給定母線電壓650 V。

網(wǎng)側(cè)滑模變結(jié)構(gòu)仿真圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)滑模變結(jié)構(gòu)仿真圖

通過Matlab仿真可以看出滑模變結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的PI控制要有較小的超調(diào)量，穩(wěn)定性也比較好，詳見圖5、圖6所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)的PI控制在0.4后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定，而在改進(jìn)后的方法，在0.1 s時(shí)直流母線上的電壓就已經(jīng)穩(wěn)定了，表明了滑模變結(jié)構(gòu)的快速性更好。

圖5 采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的母線電壓

圖6 采用傳統(tǒng)PI控制的母線電壓

網(wǎng)側(cè)控制中還需要控制網(wǎng)側(cè)單位功率因素，如圖7，圖8所示。

圖7 有功功率與無功功率

圖8 功率因素

本文中采用的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，控制d軸與q軸的電流分量十分重要，d軸分流控制有功功率，q軸分量控制無功功率，網(wǎng)側(cè)dq軸電流分量如圖9所示。

圖9 網(wǎng)側(cè)dq軸電流分量

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此方法的可行性，在實(shí)驗(yàn)室的雙饋風(fēng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室使用TMS320F28355為主控制器，配置EPIC12Q240I8型FPGA作為輔助控制器。圖10、圖11為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖10 控制柜

圖11 主控板

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 網(wǎng)側(cè)相電壓和相電流

從圖中可以看出網(wǎng)側(cè)電壓和電流穩(wěn)定，諧波量小。圖13為直流母線電壓。

圖13 直流母線電壓

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，直流母線電壓穩(wěn)定在650 V左右，且穩(wěn)定性較高。

5 結(jié) 語

本文針對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)的穩(wěn)定差的缺點(diǎn)，提出了滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法，完成了對電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)，最終通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)的控制方法具有更好的穩(wěn)定性，超調(diào)量小，反應(yīng)速度快，這對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究具有重要意義。