基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法。該方法主要包含H∞電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與雙饋電機(jī)定子電流控制。本發(fā)明通過建立雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，將雙饋電機(jī)定子電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼釮∞標(biāo)準(zhǔn)問題；考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速變化、參數(shù)不確定、定轉(zhuǎn)子耦合等因素的影響，構(gòu)造合理的權(quán)函數(shù)，并基于回路成形法對(duì)H∞電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明在定子靜止坐標(biāo)系下，通過采集雙饋電機(jī)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速計(jì)算得到定子電流給定值，并與實(shí)際值進(jìn)行比較后送入H∞電流調(diào)節(jié)器；H∞電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)為轉(zhuǎn)子電壓控制信號(hào)，由轉(zhuǎn)子側(cè)PWM逆變器實(shí)現(xiàn)并施加到轉(zhuǎn)子繞組上，從而起到控制雙饋電機(jī)定子電流以及輸出功率的目的。
【專利說明】基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】的控制方法，具體是一種基于回路成形的雙饋 電機(jī)定子電流魯棒控制方法。 技術(shù)背景
[0002] 隨著全球能源危機(jī)以及氣候環(huán)境問題的不斷發(fā)展，可再生能源發(fā)電技術(shù)日益受到 世界各國(guó)的重視。目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)較為成熟，并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量上升較快，風(fēng)電機(jī)組也 正向著大型化、海上化的方向發(fā)展，這些因素在一定程度上要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有更好的控 制性能。在各種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)以其所需變頻器容量小、系統(tǒng)效率高以 及功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型。雙饋電機(jī)現(xiàn)有控制 方法大致可以分為基于磁場(chǎng)/電壓定向的矢量控制，以及直接功率/轉(zhuǎn)矩控制；一般都是基 于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換與PI較為（比例積分）調(diào)節(jié)器，通過控制雙饋電機(jī)交流側(cè)電流間接控制定 子電流以及輸出功率。
[0003] 現(xiàn)有控制方法在一定程度上解決了雙饋電機(jī)的有關(guān)控制問題。但PI調(diào)節(jié)器的參 數(shù)設(shè)計(jì)往往依賴于工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際中由于電機(jī)參數(shù)與外界擾動(dòng)的并不確定性，造成現(xiàn) 有控制器參數(shù)設(shè)計(jì)存在一定盲目性。為了解決現(xiàn)有控制器魯棒性差、參數(shù)整定繁瑣等不足， 專利CN101388637B提出一種帶前饋補(bǔ)償?shù)碾p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)魯棒控制方法，利用加權(quán)函數(shù) 與回路成形方法設(shè)計(jì)具有良好魯棒性的雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制器。該方法的不足在于：1、 在同步坐標(biāo)系下進(jìn)行控制，須附加前饋補(bǔ)償，降低了魯棒控制器的改善效果；2、通過轉(zhuǎn)子電 流間接控制定子電流，增加了參數(shù)不確定性的干擾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種基于回路成形的雙饋 電機(jī)定子電流魯棒控制方法。本發(fā)明可以設(shè)計(jì)滿足控制要求的H C?電流調(diào)節(jié)器，并可以直 接對(duì)定子電流進(jìn)行控制，提高雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性能，且便于實(shí)現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0006] 本發(fā)明的一種基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，包括以下步驟：
[0007] (1)在定子兩相靜止α β坐標(biāo)系下，建立雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，該模型的輸入為 定子電壓us_a β、轉(zhuǎn)子電壓U1^a β、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速COy輸出為定子電流is_a 0 ;
[0008] (2)根據(jù)控制目標(biāo)、參數(shù)攝動(dòng)以及外界干擾構(gòu)造一組權(quán)函數(shù)，包括性能權(quán)函數(shù)Wp、 輸出權(quán)函數(shù)W y和控制權(quán)函數(shù)Wu，其中性能權(quán)函數(shù)用于滿足定子電流無差跟蹤調(diào)節(jié)的要求， 輸出權(quán)函數(shù)用于增強(qiáng)定子電流控制的魯棒性，控制權(quán)函數(shù)用于限制電流調(diào)節(jié)器的輸出幅 值，權(quán)函數(shù)與雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型一起構(gòu)成廣義控制對(duì)象模型P，廣義控制對(duì)象模型的輸入 為定子電流參考信號(hào)（邱、電網(wǎng)電壓us a e、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電壓0，輸出為性能加 權(quán)Zp、輸出加權(quán)zy、控制加權(quán)Zu與定子電流誤差Λ is_a e ;
[0009] (3)利用回路成形法，迭代地求得一個(gè)2輸入2輸出的參數(shù)化H c?電流調(diào)節(jié)器，使 得廣義控制對(duì)象模型P與H °〇電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)回路具有最小的H °〇范數(shù)；
[0010] ⑷測(cè)量得到雙饋電機(jī)的三相定子電壓Us ab。、三相定子電流is ab。，并轉(zhuǎn)換到定子 兩相靜止α β坐標(biāo)系下得到Us α 0和is a 0，計(jì)算得到定子有功功率Ps和無功功率Qs，測(cè)量 得到轉(zhuǎn)子角速度與位置信號(hào)Θ ^
[0011] (5)將有功功率Ps與其參考信號(hào)^比較后得到有功功率誤差信號(hào)Λ Ps，將無功功 率Qs與其參考小信號(hào)G比較后得到無功功率誤差信號(hào)Λ Qs ;
[0012] (6)將功率誤差信號(hào)Λ Ps和厶Qs通過比例積分調(diào)節(jié)，得到dq軸同步坐標(biāo)系下的 定子電流參考信號(hào)/1,和
[0013] (7)利用定子電壓Us a e將dq軸同步坐標(biāo)系下的定子電流參考信號(hào)G和G轉(zhuǎn)換 到靜止坐標(biāo)系下，得到靜止坐標(biāo)系下的定子電流參考信號(hào)
[0014] (8)將靜止坐標(biāo)系下的定子電流isae與參考信號(hào)/丨4進(jìn)行比較，得到電流誤差 信號(hào)Λ is-a @ ;
[0015] (9)將電流誤差信號(hào)Λ is ae送入H C?電流調(diào)節(jié)器，得到定子兩相靜止坐標(biāo)系下的 轉(zhuǎn)子電壓參考信號(hào)
[0016] (10)利用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)Θ P將轉(zhuǎn)子電壓參考信號(hào)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子三相靜止坐標(biāo) 系下，得到《^血，并由轉(zhuǎn)子側(cè)PWM逆變器施加到轉(zhuǎn)子繞組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電機(jī)定子電流及 輸出功率的控制。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法， 在定子靜止坐標(biāo)系下，建立雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型與權(quán)函數(shù)，利用回路成形法設(shè)計(jì)滿足控制要 求的H C?電流調(diào)節(jié)器，能夠在定子靜止坐標(biāo)系下對(duì)雙饋電機(jī)的定子電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并 實(shí)現(xiàn)定子輸出功率因數(shù)的連續(xù)可調(diào)；通過構(gòu)造合理的性能權(quán)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了定子電流的無差 跟蹤控制；通過構(gòu)造合理的輸出權(quán)函數(shù)，能夠針對(duì)電機(jī)參數(shù)和外部擾動(dòng)的不確定性影響，提 高定子電流控制的魯棒穩(wěn)定性。本發(fā)明提高了雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性能，且便于實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的H C?電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明的雙饋電機(jī)控制原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。
[0021] 本發(fā)明一種基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，主要包含了兩個(gè)部 分。首先在在定子靜止坐標(biāo)系下建立雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型及一組權(quán)函數(shù)，并利用回路整形方 法得到H C?電流調(diào)節(jié)器。其次，采用雙閉環(huán)的矢量控制策略，通過H C?電流調(diào)節(jié)器直接對(duì)電 機(jī)定子電流進(jìn)行無差跟蹤調(diào)節(jié)，從而控制電機(jī)輸出功率。
[0022] 圖1是本發(fā)明的H c?電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理圖，圖中，方框1表示控制對(duì)象數(shù)學(xué)模 型，方框2表不控制權(quán)函數(shù)Wu,方框3表不輸出權(quán)函數(shù)W y,方框4表TjV注能權(quán)函數(shù)Wp,方框5 表示H °°電流調(diào)節(jié)器。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明的H c?電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法是，通過迭代尋找得到一個(gè)2輸入 2輸出的參數(shù)化的H 電流調(diào)節(jié)器，使得從輸入向量w到輸出向量z的閉環(huán)系統(tǒng)的H 范數(shù) 最小。本發(fā)明所述的H c?電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)過程如下：
[0024] 1、在定子靜止坐標(biāo)系下，建立雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的輸入為定子電壓 Us_ae，轉(zhuǎn)子電壓U1^ae，轉(zhuǎn)速;輸出為定子電流i s_a0 ;中間變量有定子磁鏈vs_ae，轉(zhuǎn)子 磁鏈Vp0 ;模型參數(shù)有定子繞組自感Ls，轉(zhuǎn)子繞組自感L，定轉(zhuǎn)子互感Lm，定子繞組電阻 Rs，轉(zhuǎn)子繞組電阻&。采用國(guó)際單位制，電機(jī)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于回路成形的雙饋電機(jī)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a 3坐標(biāo)系下，建立雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，該模型的輸入為定子 電壓us_a e、轉(zhuǎn)子電壓U1^a e、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速COp輸出為定子電流is_a e ; (2) 根據(jù)控制目標(biāo)、參數(shù)攝動(dòng)以及外界干擾構(gòu)造一組權(quán)函數(shù)，包括性能權(quán)函數(shù)Wp、輸出 權(quán)函數(shù)Wy和控制權(quán)函數(shù)Wu，其中性能權(quán)函數(shù)用于滿足定子電流無差跟蹤調(diào)節(jié)的要求，輸出 權(quán)函數(shù)用于增強(qiáng)定子電流控制的魯棒性，控制權(quán)函數(shù)用于限制電流調(diào)節(jié)器的輸出幅值，權(quán) 函數(shù)與雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型一起構(gòu)成廣義控制對(duì)象模型P，廣義控制對(duì)象模型的輸入為定 子電流參考信號(hào)、電網(wǎng)電壓Us a e、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電壓a e，輸出為性能加權(quán)zp、 輸出加權(quán)Zy、控制加權(quán)Zu與定子電流誤差A(yù) is_a e ; (3) 利用回路成形法，迭代地求得一個(gè)2輸入2輸出的參數(shù)化H…電流調(diào)節(jié)器，使得廣 義控制對(duì)象模型P與H…電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)回路具有最小的H…范數(shù)； (4) 測(cè)量得到雙饋電機(jī)的三相定子電壓Us ab。、三相定子電流is ab。，并轉(zhuǎn)換到定子兩相 靜止a P坐標(biāo)系下得到us a e和is a e，計(jì)算得到定子有功功率Ps和無功功率Qs，測(cè)量得到 轉(zhuǎn)子角速度與位置信號(hào)9 (5) 將有功功率Ps與其參考信號(hào) < 比較后得到有功功率誤差信號(hào)A Ps，將無功功率Qs 與其參考小信號(hào)0=比較后得到無功功率誤差信號(hào)A Qs ; (6) 將功率誤差信號(hào)A Ps和八Qs通過比例積分調(diào)節(jié)，得到dq軸同步坐標(biāo)系下的定子 電流參考號(hào)和匕； (7) 利用定子電壓Us a e將dq軸同步坐標(biāo)系下的定子電流參考信號(hào)和轉(zhuǎn)換到靜 止坐標(biāo)系下，得到靜止坐標(biāo)系下的定子電流參考信號(hào); (8) 將靜止坐標(biāo)系下的定子電流isae與參考信號(hào)進(jìn)行比較，得到電流誤差信號(hào) i s- a 旦 ? (9) 將電流誤差信號(hào)A is ae送入H…電流調(diào)節(jié)器，得到定子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子 電壓參考信號(hào)《)_# ; (10) 利用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)L，將轉(zhuǎn)子電壓參考信號(hào)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子三相靜止坐標(biāo)系 下，得到并由轉(zhuǎn)子側(cè)PWM逆變器施加到轉(zhuǎn)子繞組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電機(jī)定子電流及輸 出功率的控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，其特征在 于上述步驟（2)所構(gòu)造的性能權(quán)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
其中，為電網(wǎng)電壓角頻率；k為增益系數(shù)，用于控制跟蹤精度；（為防止無窮大增益 的阻尼系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，其特征在 于上述輸出權(quán)函數(shù)的表達(dá)式為：
其中，n為權(quán)函數(shù)階數(shù),A為低頻段增益上界，M為高頻段增益上界，wb為穿越頻率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，其特征在 于上述控制權(quán)函數(shù)的表達(dá)式為： Wu = ku (6) 其中，ku為增益系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，其特征在 于上述H…電流調(diào)節(jié)器在兩相靜止坐標(biāo)系下對(duì)定子電流參考信號(hào)進(jìn)行無差跟蹤調(diào)節(jié)，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電機(jī)輸出功率的控制，且對(duì)電機(jī)參數(shù)變化以及外部擾動(dòng)不敏感。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，其特征在 于上述防止無窮大增益的阻尼系數(shù)（設(shè)為0.001。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，其特征在 于上述權(quán)函數(shù)階數(shù)n為1?2階；低頻段增益上界A典型值為2 ;高頻段增益上界M典型值 為0. 001 ;穿越頻率c〇b設(shè)置在100?500Hz。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于回路成形的雙饋電機(jī)定子電流魯棒控制方法，其特征在 于上述增益系數(shù)ku當(dāng)使用標(biāo)幺參數(shù)時(shí)，ku設(shè)為1。
【文檔編號(hào)】H02P21/12GK104333283SQ201410567661
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】龔文明, 許樹楷, 黎小林 申請(qǐng)人:南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司