一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统的制作方法
本发明涉及涉及双馈直流电机控制领域，尤其涉及一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统。
背景技术：
船舶作为最重要的水上载运工具，其节能效果的好坏直接影响着水上交通运输的发展。轴带发电机是由主机驱动发电机的供电装置，能够充分利用主机的剩余功率发电，大幅度降低燃油消耗量，是一种有效的节能方式。主机转速在船舶航行时是变化的，为了能使轴带发电机实现变速恒频运行，必须使用频率补偿装置。相对于传统的同步发电机，双馈异步发电机带变频器，去除了同步补偿器。变频器在发电机的励磁回路上，而不是在主供电电路上，其容量和体积都显著降低，降低了系统的成本。
船舶正常航行时，全船电力是由轴带发电机单独提供，因此研究独立运行的轴带发电系统十分有必要。独立运行的双馈直流发电系统可以为全船提供电力，在负载条件和主机转速发生变化时，双馈直流发电系统仍能够在保持稳定同时输出稳定的直流电压，保证船舶电力稳定。同时，双馈直流发电系统的研究对于解决我国偏远地区供电也有重要的意义。滑模控制由于其能够提高鲁棒性并且控制算法简单，非常适合应用于独立运行的双馈直流发电系统。
现有专利技术以及控制方法中，目前关于独立运行双馈直流发电系统方面的控制策略较少，关于并网型双馈直流发电系统的控制方面的技术占多数。在直流双馈发电系统中控制器一般采用pi控制器和滞环控制器。在独立运行的双馈直流发电系统中加入全控型整流器获得直流电压，但是这种方案结构复杂，而且成本较高。另一种现有技术方案是在独立运行的双馈直流发电系统中加入不可控整流器。现有技术的研究现状有以下不足：
第一、采用pi控制。目前大部分关于独立运行双馈直流发电系统的研究仍是采用pi控制，而传统pi控制效果易受被控对象参数和扰动的影响。而当被控对象参数变化或者受到外界扰动时，系统应该能够保持稳定性，输出稳定电能。
第二、定子侧存在大量谐波。因为在独立运行双馈直流发电系统中定子侧加入不可控整流器，所以定子电流中会出现大量的5次和7次谐波，导致转矩脉动较大，对电机产生损坏，增加系统损耗。
第三、加入全控型整流器系统结构复杂。为了减少在直流侧不可控整流器带来的谐波，采用全控型整流器，但这种方案会使系统控制复杂，同时增加系统成本。
技术实现要素：
根据上述提出的技术问题，而提供一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统，包括：磁链观测模块、转子谐波电压补偿模块、定子频率控制模块、直流电压外环控制模块以及转子电流内环控制模块。
进一步地，所述直流电压外环控制模块的输入端与反馈的直流电压和预设的给定值直流电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述磁链观测模块的输入端与反馈的定子侧电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连。
更进一步地，所述定子频率控制模块的输入端与预设的给定值以及反馈值相连，输出端与所述直流电压外环控制模块、所述电流内环控制模块相连；所述转子电流内环控制模块的输入端与直流电压模块相连，输出端与转子侧电压源型逆变器相连。
进一步地，在两相旋转坐标系下，所述独立运行双馈直流电机控制系统的数学模型为：
进一步地，电压模型为：
进一步地，磁链模型为
进一步地，电磁转矩模型为：
tem＝npl0(iqsidr-idsiqr)(3)
更进一步地，采用定子磁链定向的控制方法，使定子磁链与d轴重合，可得：
其中，uds、uqs、udr、uqr分别表示定子d轴电压、定子q轴电压、转子d轴电压、转子q轴电压,rs、rr分别表示定子电阻、转子电阻，ids、iqs、idr、iqr分别表示定子d轴电流、定子q轴电流、转子d轴电流、转子q轴电流，
更进一步地，所述定子频率控制模块设置有两个输入，一是定子频率给定值，另外一个是通过光耦编码器获得的转子空间电角度反馈值，输出得到定转子转差角，输出送到转子电流内环控制电路，以实现对定子频率的控制：
其中，μ*表示定子给定电角度，ε表示转子空间电角度反馈值。
更进一步地，由直流电压给定值以及电容两侧的直流电压反馈值输入所述直流电压控制模块，所述直流电压控制模块通过设计滑模控制器，输出转子q轴电流到所述转子电流内环控制电路；所述直流电压控制模块的滑模控制算法为：
定义滑模面函数为s1＝e1+k1∫e1dt，其中误差变量为e1＝vdc*-vdc，
所述滑模控制器表达式为：
其中，sat()表示饱和函数，vdc*、vdc分别表示直流电压给定值、直流电压值，c定子侧电容值，k1、k1*均表示系数。
进一步地，所述内环转子电流控制模块的输入端是分别来自所述外环电压控制模块的输出的iqr*和所述磁链观测器模块的输出的idr*，所述内环转子电流控制模块的输出端接转子侧电压源型逆变器，通过改变励磁电流的频率和幅值，实现双馈电机的变速恒频发电。
更进一步地，所述内环转子电流控制模块的d轴电流滑模控制器算法为：
由电机数学模型可得
定义滑模面为s＝e2+k2∫e2dt，其中误差变量为e2＝idr*-idr，
则得到所述内环转子电流控制模块的d轴电流滑模控制器为：
udr＝rridr+lrk2(idr*-idr)-ωslipσlriqr+lrk2*sat(s2)(10)
所述内环转子电流控制模块的q轴电流滑模控制器为：
由电机数学模型可得
定义滑模面为s3＝e3+k3∫e3dt，其中误差为e3＝iqr*-iqr，可得
则得到所述内环转子电流控制模块的q轴电流滑模控制器为：
uqr＝rridr+σlrk3(iqr*-iqr)+ωsliplridr+σlrk3*sat(s3)(13)
其中，σ＝1-l02/lrls，k2、k2*、k3、k3*均表示系数，sat()表示饱和函数，c表示定子侧电容。
进一步地，为了减少滑模控制算法中带来的抖振问题，在上述三个滑模控制算法的开关控制函数中加入饱和函数；所述饱和函数为：
其中sj代表滑模面函数，λj代表边界层厚度并且j＝1,2。
更进一步地，在转子谐波电压补偿模块设置陷波谐振器，从定子三相电压中分离得到5次、7次定子谐波电压：
则转子谐波电压补偿器为：
其中，usabc表示定子三相电压，usabch表示定子三相谐波电压，usqh表示两相旋转坐标系下定子q轴谐波电压，usdh表示两相旋转坐标系下定子d轴谐波电压，urqh表示两相旋转坐标系下转子q轴谐波电压，urdh表示两相旋转坐标系下转子d轴谐波电压，ωc是谐振频率；
则将通过陷波谐振器获得的5次、7次谐波定子电压，通过坐标变换变换到两相旋转坐标系下，通过谐波电压补偿器得到需要补偿的转子谐波电压，加入到转子控制电压中。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一、现有技术一般采用pi控制器，容易在系统负载和转速改变时，会使系统的直流电压波动较大，无法获得稳定电压。本发明设计滑模控制器代替pi控制器，设计滑模切换面，通过开关控制函数和等效控制函数，使系统对参数摄动和外界干扰不敏感，具有良好的鲁棒性，从而在受到外界扰动时仍能获得稳定的电压。
第二、滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性将会引起系统的抖振，针对滑模控制器存在的抖振问题，本发明设计在开关控制函数中加入饱和函数，能够有效的削弱滑模控制带来的抖振问题。
第三、本专利针对由于不可控整流器存在引起定子电流中出现大量5次、7次谐波，本发明设计陷波补偿器获得定子谐波电压，然后设计转子侧谐波补偿器，在转子侧通过补偿谐波电压，从而使定子侧电流正弦化，减少谐波对电机的损坏以及电能的损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统整体结构示意图。
图2为本发明系统在负载改变时采用pi控制器与采用滑模控制直流电压效果对比图像。
图3为本发明系统q轴电流控制器模块在分别采用两种控制器时输出电压的效果对比图像。
图4为本发明系统d轴电流控制器模块在分别采用两种控制器时输出电压的效果对比图像。
图5为本发明系统不采用谐波补偿器与采用谐波补偿器三相定子电流效果对比图像。
图6为本发明系统不采用谐波补偿器定子电流谐波畸变率图像。
图7为本发明系统采用谐波补偿器定子电流谐波畸变率图像
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-7所述为本发明一种采用滑模控制器的独立运行双馈直流电机控制系统包括以下模块：磁链观测模块、转子谐波电压补偿模块、定子频率控制模块、直流电压外环控制模块以及转子电流内环控制模。
在本实施方式中，直流电压外环控制模块的输入端与反馈的直流电压和预设的给定值直流电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连；所述磁链观测模块的输入端与反馈的定子侧电压相连，输出端与转子电流内环控制模块相连。
作为一种优选的实施方式，所述定子频率控制模块的输入端与预设的给定值以及反馈值相连，输出端与所述直流电压外环控制模块、所述电流内环控制模块相连；所述转子电流内环控制模块的输入端与直流电压模块相连，输出端与转子侧电压源型逆变器相连。
作为一种优选的实施方式，在两相旋转坐标系下，所述独立运行双馈直流电机控制系统的数学模型为：
电压模型：
磁链模型
电磁转矩模型：
tem＝npl0(iqsidr-idsiqr)(3)
采用定子磁链定向的控制方法，使定子磁链与d轴重合，可得：
其中，uds、uqs、udr、uqr分别表示定子d轴电压、定子q轴电压、转子d轴电压、转子q轴电压,rs、rr分别表示定子电阻、转子电阻，ids、iqs、idr、iqr分别表示定子d轴电流、定子q轴电流、转子d轴电流、转子q轴电流，
在本实施方式中，所述定子频率控制模块设置有两个输入，一是定子频率给定值，另外一个是通过光耦编码器获得的转子空间电角度反馈值，输出得到定转子转差角，输出送到转子电流内环控制电路，以实现对定子频率的控制：
其中，μ*表示定子给定电角度，ε表示转子空间电角度反馈值。
更进一步地，作为优选的实施方式，由直流电压给定值以及电容两侧的直流电压反馈值输入所述直流电压控制模块，所述直流电压控制模块通过设计滑模控制器，输出转子q轴电流到所述转子电流内环控制电路；所述直流电压控制模块的滑模控制算法为：
定义滑模面函数为s1＝e1+k1∫e1dt，其中误差变量为e1＝vdc*-vdc，
所述滑模控制器表达式为：
其中，sat()表示饱和函数，vdc*、vdc分别表示直流电压给定值、直流电压值，c定子侧电容值，k1、k1*均表示系数。
作为优选的实施方式，所述内环转子电流控制模块的输入端是分别来自所述外环电压控制模块的输出的iqr*和所述磁链观测器模块的输出的idr*，所述内环转子电流控制模块的输出端接转子侧电压源型逆变器，通过改变励磁电流的频率和幅值，实现双馈电机的变速恒频发电；
所述内环转子电流控制模块的d轴电流滑模控制器算法为：
由电机数学模型可得：
定义滑模面为s＝e2+k2∫e2dt，其中误差变量为e2＝idr*-idr，
则得到所述内环转子电流控制模块的d轴电流滑模控制器为：
udr＝rridr+lrk2(idr*-idr)-ωslipσlriqr+lrk2*sat(s2)(10)
所述内环转子电流控制模块的q轴电流滑模控制器为：
由电机数学模型可得
定义滑模面为s3＝e3+k3∫e3dt，其中误差为e3＝iqr*-iqr，可得
则得到所述内环转子电流控制模块的q轴电流滑模控制器为：
uqr＝rridr+σlrk3(iqr*-iqr)+ωsliplridr+σlrk3*sat(s3)(13)
其中，σ＝1-l02/lrls，k2、k2*、k3、k3*均表示系数，sat()表示饱和函数，c表示定子侧电容；
为了减少滑模控制算法中带来的抖振问题，在上述三个滑模控制算法的开关控制函数中加入饱和函数；所述饱和函数为：
其中sj代表滑模面函数，λj代表边界层厚度并且j＝1,2。
作为一种优选的实施方式，在转子谐波电压补偿模块设置陷波谐振器，从定子三相电压中分离得到5次、7次定子谐波电压：
则转子谐波电压补偿器为：
其中，usabc表示定子三相电压，usabch表示定子三相谐波电压，usqh表示两相旋转坐标系下定子q轴谐波电压，usdh表示两相旋转坐标系下定子d轴谐波电压，urqh表示两相旋转坐标系下转子q轴谐波电压，urdh表示两相旋转坐标系下转子d轴谐波电压，ωc是谐振频率；
则将通过陷波谐振器获得的5次、7次谐波定子电压，通过坐标变换变换到两相旋转坐标系下，通过谐波电压补偿器得到需要补偿的转子谐波电压，加入到转子控制电压中。
实施例一：
作为本申请的一种实施方式，通过实施方式进行进一步说明，其中双馈电机给定直流电压为vdc*＝250v，给定定子频率为
同时，针对转子谐波电压补偿器的应用进行进一步说明，从定子侧获得三相定子电压，然后通过陷波谐振器，除去基波电压，然后将定子谐波电压通过定转子谐波电压关系转化为转子谐波电压，补偿定子侧由于不可控整流器存在引起的非正弦电流，从而减少转矩脉动。
图2为图2是独立运行双馈直流电压控制系统在负载改变时采用pi控制器与采用滑模控制直流电压效果对比图像，由图2可以看出，采用pi控制器时负载改变时直流电压波动比较明显，鲁棒性弱。采用本发明所设计的滑模控制器时在负载改变时直流电压的变化情况，此时直流电压波动很小，鲁棒性比较好，也说明此时系统对参数变化和外界扰动不敏感的特点。图3为独立运行双馈直流电压控制系统q轴电流控制器模块在分别采用两种控制器时输出电压的效果对比图像，由图像可以看出当采用pi控制器时在外界负载发生改变时，q轴电流控制器模块的输出量受到的影响较大，而采用本发明所设计的滑模控制器，q轴控制器模块的输出量受到负载改变影响较小，能够快速趋于稳定。图4为独立运行双馈直流电压控制系统d轴电流控制器模块在分别采用两种控制器时输出电压的效果对比图像，由图像可以看出当当采用pi控制器时在外界负载发生改变时，d轴电流控制器模块的输出量受到的影响较大，而采用本发明所设计的滑模控制器，d轴控制器模块的输出量受到负载改变影响较小，能够快速趋于稳定。图5为独立运行双馈直流电压控制系统不采用谐波补偿器与采用谐波补偿器三相定子电流效果对比图像,由图像可以看出由于定子侧不可控整流器的存在三相定子电流并不是正弦电流，在转子侧补偿谐波电压后，三相定子电流能够呈正弦变。图六是系统在转子侧未加入谐波补偿器时的三相定子电流和谐波畸变率图和系统在转子侧加入谐波补偿器后的三相定子电流和谐波畸变率图，由图可以看出，由于定子侧不可控整流器的存在三相定子电流并不是正弦电流，谐波畸变率为14.2％，在转子侧补偿谐波电压后，三相定子电流能够呈正弦变化，谐波畸变率仅为1.96％。
由仿真结果可知所设计独立运行双馈直流电压控制系统的滑模控制器能够明显提高系统的鲁棒性，使系统在受到参数变化或者外界扰动的条件下能够保持稳定，同时加入谐波补偿器，能够使定子侧电流正弦化，减少转矩脉动。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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