专利名称：直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机驱动控制系统，特别涉及直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统。
背景技术：
直驱型风力发电机组和双馈型风力发电机组是当前风力发电中最具发展潜力和市场前景的两类机组，直驱型风力发电机组采用永磁同步发电机、不需要升速齿轮箱、不存在电刷和滑环、机组运行的稳定性和可靠性高，已经成为了当前风力发电中最重要的发展方向。图1所示为直驱永磁同步风力发电系统的结构框图，其采用双PWM变流器作为其并网电路，采用机侧变流器控制发电机，该发电系统包括风力机、传动机构、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流侧电容、电网侧变流器、电机侧变流器控制系统10、电网侧变流器控制系统20等组成。通过电机侧变流器对发电机转速的控制，实现发电机输出功率的准确控制和最大风能跟踪控制。永磁同步发电机(permanentmagnet synchronous generator, PMSG)的数学模型是一种强稱合的非线性系统，直接设计电流闭环比例-积分(proportional integral,简称为PI型)控制器，方法复杂、控制器参数难以整定，并且当电机的内部参数发生变化或是系统受到外界干扰、风速变化等影响时，控制器无法发出准确的指令信号，使电机转速和转矩脉动较大。电机的转速控制受到大的影响，也会影响风电的电能质量，不利于风电并网。
发明内容
现有的直驱永磁同步风力发电系统电机侧变流器的控制系统多采用PI型控制器，设计方法复杂，控制系统参数难以整定，并且PI控制器对电机的内部参数变化和外部扰动较为敏感，鲁棒性差。为了克服这一点，本发明提供了一种直驱永磁同步风力发电系统的新型控制系统及其控制方法。本发明的直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统，其特征在于，包括数学模型建立单兀，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型；功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的关系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值；变结构控制单元，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律；伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及
正弦脉宽调制(sinusoidalpulse width modulation, SPWM)单兀,将上述伪线性系统单元输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。本发明的直驱永磁同步风力发电系统，其特征在于，包括风力机，传动机构，永磁同步发电机，电机侧变流器，直流侧电容，电网侧变流器，电机侧变流器控制系统，以及电网侧变流器控制系统，其中，电机侧变流器控制系统包括数学模型建立单兀，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型；功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的关系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值；变结构控制单元，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律；伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及正弦脉宽调制单元，将上述伪线性系统单元输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。本发明的直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统的控制方法，其特征在于，包括数学模型建立步骤，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型；功率控制环设计步骤，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的联系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值；变结构控制步骤，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律，该伪线性系统是求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前而构成的；伪线性系统处理步骤，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及正弦脉宽调制步骤，将上述伪线性系统处理步骤输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。本发明的有益效果是，设计方法简单、控制系统鲁棒性强，当风速发生变化或是系统内部参数发生扰动时，发电机的转速响应性能良好。
下面，结合附图和实施例，对本发明的新型控制系统及其控制方法作进一步详细说明。
图1为直驱永磁同步风力发电系统的结构框图；图2为本发明的直驱永磁同步风力发电系统的在电机侧变流器控制系统中加入变结构控制的结构框图；图3为本发明的直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统的控制方法流程图；图4为逆系统方法线性化原理图。
具体实施方式
图2为电机侧变流器控制系统1 10中加入变结构控制的本发明的直驱永磁同步风力发电系统的原理图。本发明的直驱永磁同步风力发电系统与图1中线有技术同样还包括风力机、传动机构、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流侧电容、电网侧变流器和电网侧变流器控制系统120 (可以与图1中电网侧变流器控制系统20相同)。由于采用电机侧变流器控制发电机，并且永磁同步发电机的数学模型是非线性耦合系统，使得设计电机侧变流器变得较为复杂。本发明采用矢量控制、逆系统方法和滑模变结构控制相结合的控制策略设计其控制系统。首先，采用非线性控制中的逆系统方法求解原系统的逆系统，并将其与原系统一起组成伪线性系统，实现系统的线性化解耦，然后，采用指数趋近律的方法设计伪线性系统的滑模变结构控制单元。下面，结合理论推导和原理图解释本发明所采用的直驱永磁同步风力发电系统的控制系统及其控制方法。电机侧变流器控制系统110包括数学模型建立单元130，功率控制环设计单元140，变结构控制单元150，伪线性系统单元160，以及正弦脉宽调制单元170。下面，结合图3、4，对电机侧变流器控制系统110的各组成部分的工作原理及其控制方法进行详细说明。[数学模型的建立]如图3中步骤101所示，首先，数学模型建立单元130结合转子磁链定向矢量控制建立PMSG在dq坐标系下的数学模型。PMSG采用转子磁链定向矢量控制，在dq坐标系下，q轴超前于d轴90°，将转子永磁体的磁链方向定向于d轴,定子电压、电流正方向遵循电动机惯例,贝U可以得出其在dq坐标系下的定子电压、磁链、电磁转矩及运动方程如下定子电压、磁链方程为
权利要求
1.一种直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统，其特征在于，包括 数学模型建立单元，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型； 功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的关系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值； 变结构控制单元，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律； 伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及 正弦脉宽调制单元，将上述伪线性系统单元输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。
2.一种直驱永磁同步风力发电系统，其特征在于，包括风力机，传动机构，永磁同步发电机，电机侧变流器，直流侧电容，电网侧变流器，电机侧变流器控制系统，以及电网侧变流器控制系统， 其中，电机侧变流器控制系统包括 数学模型建立单元，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型； 功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的关系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值； 变结构控制单元，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律； 伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及 正弦脉宽调制单元，将上述伪线性系统单元输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。
3.一种直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统的控制方法，其特征在于，包括 数学模型建立步骤，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型； 功率控制环设计步骤，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间的联系，得出功率环的指令值，并通过对该指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值； 变结构控制步骤，采用指数趋近律的设计方法设计出伪线性系统的滑模变结构控制律，该伪线性系统是求出永磁同步发电机的逆系统表达式，并将其串联在原系统之前而构成的；伪线性系统处理步骤，将上述滑模变结构控制律代入上述逆系统表达式中，反解出原系统的控制量作为输出；以及 正弦脉宽调制步骤，将上述伪线性系统处理步骤输出的控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出电机侧变流器的驱动控制信号。
全文摘要
一种直驱永磁同步风力发电系统的电机侧变流器控制系统，包括数学模型建立单元，结合转子磁链定向矢量控制，建立永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型；功率控制环设计单元，由最大风能捕获原理和永磁同步发电机功率方程之间关系，得出功率环的指令值，通过对指令值与实测功率反馈值进行PI型调节器运算，得出电流环的指令值；变结构控制单元，采用指数趋近律设计伪线性系统的滑模变结构控制律；伪线性系统单元，求出永磁同步发电机的逆系统表达式并将其串联在原系统之前构成伪线性系统，将滑模变结构控制律代入逆系统的表达式中，反解出原系统的控制量；正弦脉宽调制单元，将上述控制量经Park逆变换和正弦脉宽调制，得出驱动控制信号。
文档编号H02J3/38GK103023071SQ20131000090
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者黄中军, 王奔, 刘向向, 何腾 申请人:四川极度电控系统制造有限责任公司