何荷強，錢祥忠

（溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

基于模型參考自適應(yīng)滑模觀測器的DFIG無速度傳感器控制

何荷強，錢祥忠

（溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

論文為雙饋感應(yīng)發(fā)電機提出一種基于模型參考自適應(yīng)滑模觀測器觀測轉(zhuǎn)子電流的無速度傳感器控制策略。以電機本體作為參考模型，在雙饋感應(yīng)發(fā)電機d-q坐標模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建轉(zhuǎn)子電流估算模型。依據(jù)實轉(zhuǎn)子實際電流和轉(zhuǎn)子估算的電流之間的偏差，通過模型參考自適應(yīng)滑模觀測器來估計電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。該控制策略對電機參數(shù)變化具有很強的魯棒性和快速性。最后搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電仿真平臺，對所提的控制策略進行驗證。仿真結(jié)果驗證了所提方案可行性和正確性。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機；無速度傳感器；模型參考自適應(yīng)；滑模觀測器；風(fēng)力發(fā)電

雙饋感應(yīng)發(fā)電機（Doubly-fed Induction Generator,DFIG）因能在限定的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)變速恒頻，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中備受關(guān)注。在該系統(tǒng)中，DFIG定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過雙PWM變換器進行交流勵磁，實現(xiàn)DFIG輸出有功和無功功率的解耦控制。DFIG的控制策略實施過程中都需得到轉(zhuǎn)子位置角，可通過速度傳感器獲得，由于風(fēng)電機組實際現(xiàn)場工作環(huán)境比較復(fù)雜，速度傳感器的安裝和維護存在一定的困難，而無速度傳感器技術(shù)無需安裝和維護轉(zhuǎn)子位置傳感器，系統(tǒng)成本低，可靠性高，適應(yīng)于在惡劣環(huán)境下工作。因此對DFIG無速度傳感器控制的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[1-3]。文獻[4]采用開環(huán)檢測的方法，通過對雙饋電機的電磁關(guān)系直接求出轉(zhuǎn)子位置的表達式，這種方法較容易受采樣誤差及動態(tài)調(diào)節(jié)過程的擾動。文獻[5]用定子、轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流估算轉(zhuǎn)子位置和速度，對觀測器的設(shè)計和其動態(tài)性能都沒有詳細的闡述。文獻 [6]提出了基于定轉(zhuǎn)子磁鏈關(guān)系的模型參考自適應(yīng)的方法，但是這種方法估算精度受到定轉(zhuǎn)子磁鏈估算精度的影響。

由于對參數(shù)變化不敏感，對外部擾動的魯棒性以及快速的動態(tài)響應(yīng)，滑模控制已經(jīng)在電機控制中得到了很好的應(yīng)用[7]。本文提出基于轉(zhuǎn)子電流的DFIG無速度傳感器控制策略。以電機本體實際測量的轉(zhuǎn)子電流為參考模型，在DFIG的坐標模型基礎(chǔ)上構(gòu)建轉(zhuǎn)子電流估算模型，依據(jù)實際轉(zhuǎn)子電流和估算轉(zhuǎn)子電流的偏差通過模型參考自適應(yīng)滑模觀測器（MRAS-SMO）來估計電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。該控制策略具有很強的魯棒性和快速性，最后用仿真驗證了所提策略的可行性和正確性。

1 基于轉(zhuǎn)子電流MRAS-SMO轉(zhuǎn)子位置估算原理

1.1 DFIG數(shù)學(xué)模型

定子按發(fā)電慣例、轉(zhuǎn)子按電動慣例。DFIG在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下電壓和磁鏈矢量方程為

式中，下標“s”表示定子，“r”表示轉(zhuǎn)子；Lm，Ls，Lr分別為定、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感、定子等效兩相繞組的自感和轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感；ω1為電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)角頻率，ωs為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角頻率，us，ur，is，ir，Ψs，Ψr分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓、電流、及磁鏈矢量。

將式（1）、式（2）寫成d、q分量形式得

由式（3a）可知，將坐標系d軸定向于定子電壓矢量us得

式中，Us為定子電壓矢量的幅值。

1.2 d-q坐標系下轉(zhuǎn)子電流估算模型

在d-q坐標系下，采用電網(wǎng)電壓定向時，忽略定子電阻的穩(wěn)態(tài)情況下，雙饋電機的定子磁鏈完全由定子電壓、電流決定。

由式（3a）、式（4a）及式（5）整理得

1.3 MRAS-SMO轉(zhuǎn)速辨識

由式（7）可得在轉(zhuǎn)子坐標系中，DFIG轉(zhuǎn)子電流估算為

θ1和分別為同步旋轉(zhuǎn)角度和估算轉(zhuǎn)子位置角。式（8）中包含估算的轉(zhuǎn)子位置角，可作為無速度傳感器MRAS中的可調(diào)模型，參考模型為電機本體。

式（9）中，ε的模表達為

θerror為估算轉(zhuǎn)子位置和實際轉(zhuǎn)子位置角度偏差?？刂痞艦榱悖纯上D(zhuǎn)子位置角度偏差，得到正確的轉(zhuǎn)子角度和轉(zhuǎn)子速度。

把速度推定歸為參考辨識，則可以用自適應(yīng)理論構(gòu)建速度辨識系統(tǒng)，在這種情況下系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，在利用波波夫超穩(wěn)定定理設(shè)計模型參考自適應(yīng)速度辨識的基本思想是選擇合適的自適應(yīng)律，保證系統(tǒng)誤差趨于零，使受控對象參數(shù)趨于參考模型，從而達到自適應(yīng)控制的目的。自適應(yīng)律常采用PI控制，為了減少PI參數(shù)不準確所帶來的轉(zhuǎn)子角度的估算誤差，本文自適應(yīng)律采用滑?？刂疲⊿MO），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下。

圖1 滑?？刂朴^測器結(jié)構(gòu)Fig.1 The control structure of sliding mode

2 MRAS-SMO轉(zhuǎn)子位置觀測器

文章提出的轉(zhuǎn)子位置觀測器結(jié)構(gòu)如圖2所示,滑?？刂谱鳛榭刂破?。控制器的輸入為ε，輸出經(jīng)過低通濾波得到估算轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的滑模控制通過開關(guān)函數(shù)實現(xiàn)，容易引起系統(tǒng)的抖振，為了減小滑?？刂埔鸬亩墩駟栴}，本文滑?？刂撇捎蔑柡秃瘮?shù)實現(xiàn)，滑?？刂破髟砣鐖D2。

圖2中，εH為飽和函數(shù)的寬度。K為飽和函數(shù)輸出最大值，在雙饋發(fā)電系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子運行速度通常為同步轉(zhuǎn)速的上下30%，且K值太小會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，K值過大會引起系統(tǒng)的超調(diào)，因此K取2倍的同步轉(zhuǎn)速以保證觀測器輸出合適的估算速度。

圖2 滑?？刂破髟韴DFig.2 The schematic of sliding mode controller

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗證本文所提出控制策略的有效性，使用MATLAB/SIMULINK搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，仿真框圖如下所示，機側(cè)采用功率閉環(huán)控制[9]。調(diào)節(jié)（圖6(b)中的電流放大10倍顯示）。圖6還可看出，在功率突變的瞬間，觀測器均能正常估算轉(zhuǎn)子位置。

圖3 采用功率閉環(huán)控制DFIG仿真框圖Fig.3 DFIG simulation system based on power closed loop control

4 結(jié)論

本文著重對控制策略中的轉(zhuǎn)子位置觀測器進行了分析和討論。通過仿真分析得到以下結(jié)論：

1)觀測器能在DFIG速度允許范圍內(nèi)的任何工況下穩(wěn)定工作，具有良好的快速性和穩(wěn)定性。

2)影響轉(zhuǎn)子位置估算精度的主要參數(shù)為，當其在內(nèi)變化時對轉(zhuǎn)子位置估算精度沒有顯著影響。觀測器對電機參數(shù)不敏感。

綜上所述，MRAS—SMO觀測器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，通過仿真驗證了該方案的可行性與正確性。

圖4 穩(wěn)態(tài)時實際與估算轉(zhuǎn)子位置Fig.4 Actual and estimated rotor position of steady state

圖5 電機參數(shù)變化對估算精度的影響(K=Ls/Lm)Fig.5 Effect of motor parameters variety on the accuracy of estimation

圖6 功率突變波形Fig.6 The waveforms of power mutation

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Speed sensorless control of DFIG based on MRAS-SMO

HE He-qiang,QIAN Xiang-zhong
（College of Physics and Electronic Information Engineering,Wenzhou University,Wenzhou 325035,China）

The article proposes a rotor current sensorless control strategy of the doubly-fed induction generator based on model reference adaptive sliding mode observer.Based on the d-q coordinate model of doubly-fed induction generator,the motor is regarded as the reference model to construct the rotor current estimate model.According to the deviation between the real current and estimated current of the rotor,the position and speed of the motor rotor can be estimated through the model reference adaptive sliding mode observer.The control strategy have very strong abilities of robustness and rapidity against the variation of motor parameters.Finally,build the doubly-fed wind power generation simulation platform,to verify the proposed control strategy.The simulation results verify the correctness and feasibility of the proposed scheme.

doubly-fed induction generator;speed sensorless;model reference adaptive system(MRAS);sliding mode observer (SMO);wind power generation

TN99

A

1674－6236（2015）07-0126-04

2014-07-18 稿件編號：201407145

浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目（2012R10006－12）

何荷強(1989—)，男，浙江臺州人，碩士研究生。研究方向：電氣傳動與智能控制。