基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法。该方法主要包含H∞电流调节器设计与双馈电机定子电流控制。本发明通过建立双馈电机的数学模型，将双馈电机定子电流调节器的设计问题转变为求解H∞标准问题；考虑电机转速变化、参数不确定、定转子耦合等因素的影响，构造合理的权函数，并基于回路成形法对H∞电流调节器进行优化设计。本发明在定子静止坐标系下，通过采集双馈电机定子电压、电流和转速计算得到定子电流给定值，并与实际值进行比较后送入H∞电流调节器；H∞电流调节器输出信号为转子电压控制信号，由转子侧PWM逆变器实现并施加到转子绕组上，从而起到控制双馈电机定子电流以及输出功率的目的。
【专利说明】基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风力发电【技术领域】的控制方法，具体是一种基于回路成形的双馈 电机定子电流鲁棒控制方法。 技术背景
[0002] 随着全球能源危机以及气候环境问题的不断发展，可再生能源发电技术日益受到 世界各国的重视。目前，风力发电技术较为成熟，并网风电装机容量上升较快，风电机组也 正向着大型化、海上化的方向发展，这些因素在一定程度上要求风力发电机具有更好的控 制性能。在各种风力发电技术中，双馈型感应发电机以其所需变频器容量小、系统效率高以 及功率因数可调等优点，成为了当前变速恒频风力发电机的主流机型。双馈电机现有控制 方法大致可以分为基于磁场/电压定向的矢量控制，以及直接功率/转矩控制；一般都是基 于旋转坐标变换与PI较为（比例积分）调节器，通过控制双馈电机交流侧电流间接控制定 子电流以及输出功率。
[0003] 现有控制方法在一定程度上解决了双馈电机的有关控制问题。但PI调节器的参 数设计往往依赖于工程调试经验，实际中由于电机参数与外界扰动的并不确定性，造成现 有控制器参数设计存在一定盲目性。为了解决现有控制器鲁棒性差、参数整定繁琐等不足， 专利CN101388637B提出一种带前馈补偿的双馈风力发电机鲁棒控制方法，利用加权函数 与回路成形方法设计具有良好鲁棒性的双馈电机转子电流控制器。该方法的不足在于：1、 在同步坐标系下进行控制，须附加前馈补偿，降低了鲁棒控制器的改善效果；2、通过转子电 流间接控制定子电流，增加了参数不确定性的干扰。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于回路成形的双馈 电机定子电流鲁棒控制方法。本发明可以设计满足控制要求的H C?电流调节器，并可以直 接对定子电流进行控制，提高双馈电机控制系统的鲁棒性能，且便于实现。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。
[0006] 本发明的一种基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，包括以下步骤：
[0007] (1)在定子两相静止α β坐标系下，建立双馈电机的数学模型，该模型的输入为 定子电压us_a β、转子电压U1^a β、转子转速COy输出为定子电流is_a 0 ;
[0008] (2)根据控制目标、参数摄动以及外界干扰构造一组权函数，包括性能权函数Wp、 输出权函数W y和控制权函数Wu，其中性能权函数用于满足定子电流无差跟踪调节的要求， 输出权函数用于增强定子电流控制的鲁棒性，控制权函数用于限制电流调节器的输出幅 值，权函数与双馈电机的数学模型一起构成广义控制对象模型P，广义控制对象模型的输入 为定子电流参考信号（邱、电网电压us a e、转子转速与转子电压0，输出为性能加 权Zp、输出加权zy、控制加权Zu与定子电流误差Λ is_a e ;
[0009] (3)利用回路成形法，迭代地求得一个2输入2输出的参数化H c?电流调节器，使 得广义控制对象模型P与H °〇电流调节器构成的闭环回路具有最小的H °〇范数；
[0010] ⑷测量得到双馈电机的三相定子电压Us ab。、三相定子电流is ab。，并转换到定子 两相静止α β坐标系下得到Us α 0和is a 0，计算得到定子有功功率Ps和无功功率Qs，测量 得到转子角速度与位置信号Θ ^
[0011] (5)将有功功率Ps与其参考信号^比较后得到有功功率误差信号Λ Ps，将无功功 率Qs与其参考小信号G比较后得到无功功率误差信号Λ Qs ;
[0012] (6)将功率误差信号Λ Ps和厶Qs通过比例积分调节，得到dq轴同步坐标系下的 定子电流参考信号/1,和
[0013] (7)利用定子电压Us a e将dq轴同步坐标系下的定子电流参考信号G和G转换 到静止坐标系下，得到静止坐标系下的定子电流参考信号
[0014] (8)将静止坐标系下的定子电流isae与参考信号/丨4进行比较，得到电流误差 信号Λ is-a @ ;
[0015] (9)将电流误差信号Λ is ae送入H C?电流调节器，得到定子两相静止坐标系下的 转子电压参考信号
[0016] (10)利用转子位置信号Θ P将转子电压参考信号转换到转子三相静止坐标 系下，得到《^血，并由转子侧PWM逆变器施加到转子绕组，从而实现对双馈电机定子电流及 输出功率的控制。
[0017] 本发明的有益效果是：本发明基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法， 在定子静止坐标系下，建立双馈电机数学模型与权函数，利用回路成形法设计满足控制要 求的H C?电流调节器，能够在定子静止坐标系下对双馈电机的定子电流进行实时控制，并 实现定子输出功率因数的连续可调；通过构造合理的性能权函数，实现了定子电流的无差 跟踪控制；通过构造合理的输出权函数，能够针对电机参数和外部扰动的不确定性影响，提 高定子电流控制的鲁棒稳定性。本发明提高了双馈电机控制系统的鲁棒性能，且便于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的H C?电流调节器设计原理图；
[0019] 图2是本发明的双馈电机控制原理图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0021] 本发明一种基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，主要包含了两个部 分。首先在在定子静止坐标系下建立双馈电机数学模型及一组权函数，并利用回路整形方 法得到H C?电流调节器。其次，采用双闭环的矢量控制策略，通过H C?电流调节器直接对电 机定子电流进行无差跟踪调节，从而控制电机输出功率。
[0022] 图1是本发明的H c?电流调节器设计原理图，图中，方框1表示控制对象数学模 型，方框2表不控制权函数Wu,方框3表不输出权函数W y,方框4表TjV注能权函数Wp,方框5 表示H °°电流调节器。
[0023] 如图1所示，本发明的H c?电流调节器设计方法是，通过迭代寻找得到一个2输入 2输出的参数化的H 电流调节器，使得从输入向量w到输出向量z的闭环系统的H 范数 最小。本发明所述的H c?电流调节器设计过程如下：
[0024] 1、在定子静止坐标系下，建立双馈电机的数学模型，数学模型的输入为定子电压 Us_ae，转子电压U1^ae，转速;输出为定子电流i s_a0 ;中间变量有定子磁链vs_ae，转子 磁链Vp0 ;模型参数有定子绕组自感Ls，转子绕组自感L，定转子互感Lm，定子绕组电阻 Rs，转子绕组电阻&。采用国际单位制，电机模型的数学表达式为：
【权利要求】
1. 一种基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 在定子两相静止a 3坐标系下，建立双馈电机的数学模型，该模型的输入为定子 电压us_a e、转子电压U1^a e、转子转速COp输出为定子电流is_a e ; (2) 根据控制目标、参数摄动以及外界干扰构造一组权函数，包括性能权函数Wp、输出 权函数Wy和控制权函数Wu，其中性能权函数用于满足定子电流无差跟踪调节的要求，输出 权函数用于增强定子电流控制的鲁棒性，控制权函数用于限制电流调节器的输出幅值，权 函数与双馈电机的数学模型一起构成广义控制对象模型P，广义控制对象模型的输入为定 子电流参考信号、电网电压Us a e、转子转速与转子电压a e，输出为性能加权zp、 输出加权Zy、控制加权Zu与定子电流误差A is_a e ; (3) 利用回路成形法，迭代地求得一个2输入2输出的参数化H…电流调节器，使得广 义控制对象模型P与H…电流调节器构成的闭环回路具有最小的H…范数； (4) 测量得到双馈电机的三相定子电压Us ab。、三相定子电流is ab。，并转换到定子两相 静止a P坐标系下得到us a e和is a e，计算得到定子有功功率Ps和无功功率Qs，测量得到 转子角速度与位置信号9 (5) 将有功功率Ps与其参考信号 < 比较后得到有功功率误差信号A Ps，将无功功率Qs 与其参考小信号0=比较后得到无功功率误差信号A Qs ; (6) 将功率误差信号A Ps和八Qs通过比例积分调节，得到dq轴同步坐标系下的定子 电流参考号和匕； (7) 利用定子电压Us a e将dq轴同步坐标系下的定子电流参考信号和转换到静 止坐标系下，得到静止坐标系下的定子电流参考信号; (8) 将静止坐标系下的定子电流isae与参考信号进行比较，得到电流误差信号 i s- a 旦 ? (9) 将电流误差信号A is ae送入H…电流调节器，得到定子两相静止坐标系下的转子 电压参考信号《)_# ; (10) 利用转子位置信号L，将转子电压参考信号转换到转子三相静止坐标系 下，得到并由转子侧PWM逆变器施加到转子绕组，从而实现对双馈电机定子电流及输 出功率的控制。
2. 根据权利要求1所述的基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在 于上述步骤（2)所构造的性能权函数的数学表达式为：
其中，为电网电压角频率；k为增益系数，用于控制跟踪精度；（为防止无穷大增益 的阻尼系数。
3. 根据权利要求1所述的基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在 于上述输出权函数的表达式为：
其中，n为权函数阶数,A为低频段增益上界，M为高频段增益上界，wb为穿越频率。
4. 根据权利要求1所述的基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在 于上述控制权函数的表达式为： Wu = ku (6) 其中，ku为增益系数。
5. 根据权利要求1所述的基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在 于上述H…电流调节器在两相静止坐标系下对定子电流参考信号进行无差跟踪调节，从而 实现对双馈电机输出功率的控制，且对电机参数变化以及外部扰动不敏感。
6. 根据权利要求2所述的基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在 于上述防止无穷大增益的阻尼系数（设为0.001。
7. 根据权利要求3所述的基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在 于上述权函数阶数n为1?2阶；低频段增益上界A典型值为2 ;高频段增益上界M典型值 为0. 001 ;穿越频率c〇b设置在100?500Hz。
8. 根据权利要求4所述的基于回路成形的双馈电机定子电流鲁棒控制方法，其特征在 于上述增益系数ku当使用标幺参数时，ku设为1。
【文档编号】H02P21/12GK104333283SQ201410567661
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】龚文明, 许树楷, 黎小林 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司