[发明专利]一种基于分数阶滑模控制的无刷双馈电机低压穿越技术

说明书

本发明属于无刷双馈风力发电低压穿越技术领域，涉及一种基于分数阶滑模变结构的无刷双馈风力发电控制系统，包括机侧控制器和网侧控制器。针对传统直接功率控制策略存在的对外部干扰比较敏感和电网电压跌落时出现的无功功率纹波以及直流母线电压较大波动等问题，提出一种基于分数阶滑模变结构控制的无刷双馈风力发电机机侧和网侧控制器策略。机侧控制器在传统直接功率控制的基础上，通过引入分数阶滑模变结构控制实现无刷双馈发电机的有功功率和无功功率控制，不仅有较小的功率跟踪误差，而且能够减小无功功率中的纹波，提高控制系统的动静态性能；网侧控制器采用双闭环控制，外环通过指数滑模变结构控制实现直流母线电压控制，内环通过分数阶滑模变结构控制实现功率侧电流控制，电流跟踪误差较小，而且分数阶滑模变结构能够减小传统滑模控制中存在的抖振问题，使控制系统更加稳定可靠。尤其在电网电压跌落时能够精确控制无刷双馈电机的有功和无功功率，抑制母线电压波动，提升无刷双馈电机的低压穿越能力。

技术领域

本发明涉及一种无刷双馈电机直接功率控制的控制方法，尤其涉及电网电压跌落时一种基于分数阶滑模变结构的无刷双馈风力发电系统机侧和网侧控制器的控制方法。

背景技术

传统的无刷双馈发电系统的控制方法是仅有机侧控制器，网侧变换器直接与电网相连，在机侧控制器中采用直接功率控制，内环采用电流PI控制方法的闭环控制，外环采用有功功率和无功功率PI控制方法的闭环控制，但是PI控制方法不能精确追踪正弦参考信号，并对外部干扰比较敏感，尤其在电网电网跌落时，无功功率存在纹波，直流母线电压出现较大波动。

发明内容

针对传统直接功率控制策略存在的对外部干扰比较敏感和电网电压跌落时出现的无功功率纹波以及直流母线电压较大波动等问题，提出一种基于分数阶滑模变结构控制的无刷双馈风力发电机直接功率控制策略。

为了达到上述目的，本发明解决技术问题采取的技术方案是：

一种基于分数阶滑模变结构控制的无刷双馈电机低压穿越技术，包括下列步骤：

(1)建立无刷双馈电机的数学模型，无刷双馈电机(Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM)在转子坐标系下数学模型表示为：

BDFM的电磁转矩变为：

磁链方程为：

BDFM的有功功率和无功功率可表示为：

采用功率绕组定子磁场定向，

功率绕组在正常工作中电阻压降远小于电机反电势，同时也远小于电抗压降，因此可以假设功率绕组定子磁链保持恒定。功率绕组定子电压方程可以写成下式：

由磁链方程可得绕组定子电流为，

其中当转子阻抗相对较小时，转子磁链可以忽略，联合式(5)-(9)可得，

对上式进一步求导，联合式(3)推出：

(2)机侧滑模变结构控制器设计

滑模变结构控制器是为了消除系统状态变量与参考值之间的误差，定义滑模控制器的输入为系统变量与参考值之差，因此定义无刷双馈电机的滑模变结构控制器的状态变量为有功功率和无功功率的实际值与参考值之间的偏差：

采用分数阶趋近律设计机侧滑模变结构控制器，通过分数阶函数代替传统开关函数以减小滑模切换的高频抖振，现构造如下滑模面S＝[S_P S_Q]^T：