基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法技術

本發明專利技術公開了一種基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法。該方法主要包含H∞電流調節器設計與雙饋電機定子電流控制。本發明專利技術通過建立雙饋電機的數學模型，將雙饋電機定子電流調節器的設計問題轉變為求解H∞標準問題；考慮電機轉速變化、參數不確定、定轉子耦合等因素的影響，構造合理的權函數，并基于回路成形法對H∞電流調節器進行優化設計。本發明專利技術在定子靜止坐標系下，通過采集雙饋電機定子電壓、電流和轉速計算得到定子電流給定值，并與實際值進行比較后送入H∞電流調節器；H∞電流調節器輸出信號為轉子電壓控制信號，由轉子側PWM逆變器實現并施加到轉子繞組上，從而起到控制雙饋電機定子電流以及輸出功率的目的。

【技術實現步驟摘要】
基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法
本專利技術涉及一種風力發電
的控制方法，具體是一種基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法。技術背景隨著全球能源危機以及氣候環境問題的不斷發展，可再生能源發電技術日益受到世界各國的重視。目前，風力發電技術較為成熟，并網風電裝機容量上升較快，風電機組也正向著大型化、海上化的方向發展，這些因素在一定程度上要求風力發電機具有更好的控制性能。在各種風力發電技術中，雙饋型感應發電機以其所需變頻器容量小、系統效率高以及功率因數可調等優點，成為了當前變速恒頻風力發電機的主流機型。雙饋電機現有控制方法大致可以分為基于磁場/電壓定向的矢量控制，以及直接功率/轉矩控制；一般都是基于旋轉坐標變換與PI較為(比例積分)調節器，通過控制雙饋電機交流側電流間接控制定子電流以及輸出功率。現有控制方法在一定程度上解決了雙饋電機的有關控制問題。但PI調節器的參數設計往往依賴于工程調試經驗，實際中由于電機參數與外界擾動的并不確定性，造成現有控制器參數設計存在一定盲目性。為了解決現有控制器魯棒性差、參數整定繁瑣等不足，專利CN101388637B提出一種帶前饋補償的雙饋風力發電機魯棒控制方法，利用加權函數與回路成形方法設計具有良好魯棒性的雙饋電機轉子電流控制器。該方法的不足在于：1、在同步坐標系下進行控制，須附加前饋補償，降低了魯棒控制器的改善效果；2、通過轉子電流間接控制定子電流，增加了參數不確定性的干擾。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對上述現有技術存在的不足，提出一種基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法。本專利技術可以設計滿足控制要求的H∞電流調節器，并可以直接對定子電流進行控制，提高雙饋電機控制系統的魯棒性能，且便于實現。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的。本專利技術的一種基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法，包括以下步驟：(1)在定子兩相靜止αβ坐標系下，建立雙饋電機的數學模型，該模型的輸入為定子電壓us_αβ、轉子電壓ur_αβ、轉子轉速ωr，輸出為定子電流is_αβ；(2)根據控制目標、參數攝動以及外界干擾構造一組權函數，包括性能權函數Wp、輸出權函數Wy和控制權函數Wu，其中性能權函數用于滿足定子電流無差跟蹤調節的要求，輸出權函數用于增強定子電流控制的魯棒性，控制權函數用于限制電流調節器的輸出幅值，權函數與雙饋電機的數學模型一起構成廣義控制對象模型P，廣義控制對象模型的輸入為定子電流參考信號定子電壓us_αβ、轉子轉速ωr與轉子電壓ur_αβ，輸出為性能加權zp、輸出加權zy、控制加權zu與定子電流誤差Δis_αβ；(3)利用回路成形法，迭代地求得一個2輸入2輸出的參數化H∞電流調節器，使得廣義控制對象模型P與H∞電流調節器構成的閉環回路具有最小的H∞范數；(4)測量得到雙饋電機的三相定子電壓us_abc、三相定子電流is_abc，并轉換到定子兩相靜止αβ坐標系下得到us_αβ和is_αβ，計算得到定子有功功率Ps和無功功率Qs，測量得到轉子轉速ωr與位置信號θr；(5)將有功功率Ps與其參考信號比較后得到有功功率誤差信號ΔPs，將無功功率Qs與其參考小信號比較后得到無功功率誤差信號ΔQs；(6)將功率誤差信號ΔPs和ΔQs通過比例積分調節，得到dq軸同步坐標系下的定子電流參考信號和(7)利用定子電壓us_αβ將dq軸同步坐標系下的定子電流參考信號和轉換到靜止坐標系下，得到靜止坐標系下的定子電流參考信號(8)將靜止坐標系下的定子電流is_αβ與參考信號進行比較，得到電流誤差信號Δis_αβ；(9)將電流誤差信號Δis_αβ送入H∞電流調節器，得到定子兩相靜止坐標系下的轉子電壓參考信號(10)利用轉子位置信號θr，將轉子電壓參考信號轉換到轉子三相靜止坐標系下，得到并由轉子側PWM逆變器施加到轉子繞組，從而實現對雙饋電機定子電流及輸出功率的控制。本專利技術的有益效果是：本專利技術基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法，在定子靜止坐標系下，建立雙饋電機數學模型與權函數，利用回路成形法設計滿足控制要求的H∞電流調節器，能夠在定子靜止坐標系下對雙饋電機的定子電流進行實時控制，并實現定子輸出功率因數的連續可調；通過構造合理的性能權函數，實現了定子電流的無差跟蹤控制；通過構造合理的輸出權函數，能夠針對電機參數和外部擾動的不確定性影響，提高定子電流控制的魯棒穩定性。本專利技術提高了雙饋電機控制系統的魯棒性能，且便于實現。附圖說明圖1是本專利技術的H∞電流調節器設計原理圖；圖2是本專利技術的雙饋電機控制原理圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式作進一步說明。本專利技術一種基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法，主要包含了兩個部分。首先在在定子靜止坐標系下建立雙饋電機數學模型及一組權函數，并利用回路整形方法得到H∞電流調節器。其次，采用雙閉環的矢量控制策略，通過H∞電流調節器直接對電機定子電流進行無差跟蹤調節，從而控制電機輸出功率。圖1是本專利技術的H∞電流調節器設計原理圖，圖中，方框1表示控制對象數學模型，方框2表示控制權函數Wu，方框3表示輸出權函數Wy，方框4表示性能權函數Wp，方框5表示H∞電流調節器。如圖1所示，本專利技術的H∞電流調節器設計方法是，通過迭代尋找得到一個2輸入2輸出的參數化的H∞電流調節器，使得從輸入向量w到輸出向量z的閉環系統的H∞范數最小。本專利技術所述的H∞電流調節器設計過程如下：1、在定子靜止坐標系下，建立雙饋電機的數學模型，數學模型的輸入為定子電壓us_αβ，轉子電壓ur_αβ，轉速ωr；輸出為定子電流is_αβ；中間變量有定子磁鏈ψs_αβ，轉子磁鏈ψr_αβ；模型參數有定子繞組自感Ls，轉子繞組自感Lr，定轉子互感Lm，定子繞組電阻Rs，轉子繞組電阻Rr。采用國際單位制，電機模型的數學表達式為：在公式(1)中，公式(1)(2)可以簡化地表示為：is_αβ＝f(us_αβ,ur_αβ,ωr)(3)2、將定子電流is_αβ與參考信號比較后得到誤差信號Δis_αβ，并與性能權函數Wp相乘得到廣義輸出zp；將定子電流is_αβ與輸出權函數Wy相乘得到廣義輸出zp；將控制信號ur_αβ與控制權函數Wu相乘得到廣義輸出zu。圖1所示的虛線框中從w、uc_αβ到z、y的部分即為廣義控制對象P。其中性能權函數用于滿足定子電流無差跟蹤調節的要求，輸出權函數用于增強定子電流控制的魯棒性，控制權函數用于限制電流調節器的輸出幅值。性能權函數的數學表達式為：...

【技術保護點】
一種基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法，其特征在于包括以下步驟：(1)在定子兩相靜止αβ坐標系下，建立雙饋電機的數學模型，該模型的輸入為定子電壓us_αβ、轉子電壓ur_αβ、轉子轉速ωr，輸出為定子電流is_αβ；(2)根據控制目標、參數攝動以及外界干擾構造一組權函數，包括性能權函數Wp、輸出權函數Wy和控制權函數Wu，其中性能權函數用于滿足定子電流無差跟蹤調節的要求，輸出權函數用于增強定子電流控制的魯棒性，控制權函數用于限制電流調節器的輸出幅值，權函數與雙饋電機的數學模型一起構成廣義控制對象模型P，廣義控制對象模型的輸入為定子電流參考信號電網電壓us_αβ、轉子轉速ωr與轉子電壓ur_αβ，輸出為性能加權zp、輸出加權zy、控制加權zu與定子電流誤差△is_αβ；(3)利用回路成形法，迭代地求得一個2輸入2輸出的參數化H∞電流調節器，使得廣義控制對象模型P與H∞電流調節器構成的閉環回路具有最小的H∞范數；(4)測量得到雙饋電機的三相定子電壓us_abc、三相定子電流is_abc，并轉換到定子兩相靜止αβ坐標系下得到us_αβ和is_αβ，計算得到定子有功功率Ps和無功功率Qs，測量得到轉子角速度ωr與位置信號θr；(5)將有功功率Ps與其參考信號比較后得到有功功率誤差信號△Ps，將無功功率Qs與其參考小信號比較后得到無功功率誤差信號△Qs；(6)將功率誤差信號△Ps和△Qs通過比例積分調節，得到dq軸同步坐標系下的定子電流參考信號和(7)利用定子電壓us_αβ將dq軸同步坐標系下的定子電流參考信號和轉換到靜止坐標系下，得到靜止坐標系下的定子電流參考信號(8)將靜止坐標系下的定子電流is_αβ與參考信號進行比較，得到電流誤差信號△is_αβ；(9)將電流誤差信號△is_αβ送入H∞電流調節器，得到定子兩相靜止坐標系下的轉子電壓參考信號(10)利用轉子位置信號θr，將轉子電壓參考信號轉換到轉子三相靜止坐標系下，得到并由轉子側PWM逆變器施加到轉子繞組，從而實現對雙饋電機定子電流及輸出功率的控制。...

【技術特征摘要】
1.一種基于回路成形的雙饋電機定子電流魯棒控制方法，其特征在于包括以下步驟：(1)在定子兩相靜止αβ坐標系下，建立雙饋電機的數學模型，該模型的輸入為定子電壓us_αβ、轉子電壓ur_αβ、轉子轉速ωr，輸出為定子電流is_αβ；(2)根據控制目標、參數攝動以及外界干擾構造一組權函數，包括性能權函數Wp、輸出權函數Wy和控制權函數Wu，其中性能權函數用于滿足定子電流無差跟蹤調節的要求，輸出權函數用于增強定子電流控制的魯棒性，控制權函數用于限制電流調節器的輸出幅值，權函數與雙饋電機的數學模型一起構成廣義控制對象模型P，廣義控制對象模型的輸入為定子電流參考信號定子電壓us_αβ、轉子轉速ωr與轉子電壓ur_αβ，輸出為性能加權zp、輸出加權zy、控制加權zu與定子電流誤差Δis_αβ；(3)利用回路成形法，迭代地求得一個2輸入2輸出的參數化H∞電流調節器，使得廣義控制對象模型P與H∞電流調節器構成的閉環回路具有最小的H∞范數；(4)測量得到雙饋電機的三相定子電壓us_abc、三相定子電流is_abc，并轉換到定子兩相靜止αβ坐標系下得到us_αβ和is_αβ，計算得到定子有功功率Ps和無功功率Qs，測量得到轉子轉速ωr與位置信號θr；(5)將有功功率Ps與其參考信號比較后得到有功功率誤差信號ΔPs，將無功功率Qs與其參考小信號比較后得到無功功率誤差信號ΔQs；(6)將功率誤差信號ΔPs和ΔQs通過比例積分調節，得到dq軸同步坐標系下的定子電流參考信號和(7)利用定子電壓us_αβ將dq軸同步坐標系下的定子電流參考信號和轉換到靜止坐標系下，得到靜止坐標系下的定子電流參考信號(8)將靜止坐標系下的定子電流is_αβ與參考信號進行比較，得到電流誤差信號Δis_αβ；(9)將電流誤差信號Δis_αβ送入H∞電流調節器，得到定子兩相靜止坐標系下的轉子電壓參考信號(10)利用...

【專利技術屬性】
技術研發人員：龔文明，許樹楷，黎小林，
申請(專利權)人：南方電網科學研究院有限責任公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44