基于快速收敛滑模观测器的无刷双馈感应风力发电机无位置传感器控制

基于快速收敛滑模观测器的无刷双馈感应风力发电机无位置传感器控制

李长海李新华

李长海李新华

（湖北工业大学电气与电子工程学院）

摘要：为了提高双馈风力发电机工作的可靠性，减少电机的成本和体积，本文提出一种基于滑模观测器的转子角度位置估算方法。所提出的转子位置观测器结合传统的线性滑模观测器和非线性滑模观测器的优点，具有对参数不敏感、高鲁棒性、和快速收敛的特性，能较准确的估算得到转子位置信息，并通过李雅普诺夫稳定性原理证明了系统的稳定性。最后，搭建了基于MATLAB/Simulink的系统仿真平台，验证了所提出的方法的有效性。

关键词：双馈风力发电机；无位置传感器；滑模观测器；

AbstractToimprovethereliabilityofdoubly-fedinductiongenerator(DFIG),reducingthecostandsizeofthemotor,thispaperpresentstherotorangularpositionestimationmethodbasedonslidingmodeobserver.TheproposedrotorpositionobservercombiningtraditionallinearslidingmodeobserverandaslidingmodeobserverfornonlinearadvantagesofhavingparametersarenotsensitivetohighrobustnessandfastconvergencepropertyofbeingabletogiveamoreaccurateestimationoftherotorpositioninformationandbyLyapunovstabilityprincipletoprovethestabilityofthesystem.Finally,webuiltbasedonMATLAB/Simulinksystemsimulationplatform,toverifytheeffectivenessoftheproposedmethod.

keywords：doubly-fedinductiongenerator(DFIG),SensorlessControl,slidingmodeobserver(SMO)

0引言

由于能解耦控制的优点，双馈感应发电机（DFIG）在变速风力发电系统中得到了广泛的应用。目前，双馈感应发电机的变流驱动主要是通过定子磁场定向的矢量控制方法实现的[10-12]，进而实现转子电流有功分量和无功分量的解耦[8]，而采用矢量控制方式中关键是如何获取转子位置信息。而传统的DFIG风力发电系统一般采用编码器来获取转子位置信息。而这种方式在实际应用中具有一定的局限性，比如编码器与控制器之间的距离很长，使得反馈信号容易受到干扰，从而使得转子位置信息不准确，影响了控制效果，严重情况下甚至会导致运行故障；另外，编码器都是安装在电机的转子轴上，当编码器出现问题时，维护起来不太方便。因此，根据以上实际系统中存在的问题，本文提出采用无位置传感器控制策略，从而消除了传感器对系统运行的影响，提高了系统运行的可靠性。

现有的无位置传感器控制算法主要分为四类：开环控制方法，模型参考自适应（MRAS）方法，和信号注入法以及状态观测器法。开环的控制方法，一般没有纠错能力，由于参数不确定性或测量噪声，可能导致系统的不稳定。模型参考自适应方法，通过ＰＩ调节器及定、转子的电流或磁通信号来获得转子速度信息，然后通过积分得到转子的位置信号，但实际的积分器存在积分漂移，严重地影响了位置估计的精度。在文献[5]中，提出了一种基于转子高频信号注入的方法，但是算法比较复杂，不容易实现。状态观测器法通过对系统状态量的观测，实现对转子角度位置的估算，这种方法具有稳定性好、鲁棒性强的特点，应用范围比较广泛。常用的观测方法有状态观测器法、卡尔曼滤波器法、滑模观测器法等。相比其它两种观测方法，滑模观测器对系统数学模型的精确度要求低，并对系统的参数变化及外部扰动具有良好的鲁棒性，成为研究的热点。

滑模观测器以其优良的性能、较强的鲁棒性，在异步电机、正弦波永磁电机及无刷直流电机及双馈风力发电机中都得到了应用[6,7]。然而由于其控制作用的不连续性所引起的抖振现象，会导致出现危险的高频振荡。为了解决抖振问题，文献[2]采取Sigmoid函数代替符号函数，在一定程度上削弱了抖振，然而观测器误差并不能保证在滑模面上收敛到零，使系统的鲁棒性变差，并降低了反应速度。文献[3,6]采取低通滤波器来获得平滑的位置信号，然而低通滤波器导致观测值相位的延迟，降低了估算结果的准确性，难以进行精确的相位补偿。

为了准确估算DFIG的转子位置信息，并提高系统的鲁棒性，本文结合双馈风力发电系统的特点，提出了一种基于滑模观测器的转速估计方案，实现了无速度传感器双馈风力发电机矢量控制策略的同时，对传统的滑模观测器进行了改进，大大提高了观测器的收敛速度，并有效的减小了系统的高频抖动现象．提高了转子位置与速度的估算精度，利用李雅普诺夫(Lyapunov)方法证明了观测器的稳定性，并通过实验验证了该观测器的有效性。

1数学模型

在静态参考坐标系下的三相双馈电机动态方程可表示为：

(b)本文提出的滑模观测器

图31200r/min时采用转子角度估算值及实际值对比

5结论

本文针对无刷双馈感应发电机，提出了一种改进的快速收敛SMO无传感器矢量控制方案，在实现了对系统参数不敏感的情况下，加快了观测器的收敛速度，提高了转子位置的估算精度。并通过仿真的方式证明了所提出算法有效性和正确性，该方法能有效的提高发电机的可靠性，对风力发电系统具有实际的应用价值。

参考文献

[1]C.Wei,L.Qu,andW.Qiao,“EvaluationofANNestimation-basedMPPTcontrolforaDFIGwindturbine,”inProc.IEEESymposium.PowerElectron.MachinesforWindWaterAppl.,July2014,pp.1-6

[2]D.D.Reigosa,F.Briz,C.B.Charro,A.D.Gioia,P.Garcia,andJ.M.Guerrero,“Sensorlesscontrolofdoublyfedinductiongeneratorsbasedonrotorhigh-frequencysignalinjection,”IEEETrans.Ind.Appl.,vol.49,no.6,pp.2593-2601,Nov./Dec.2013

[3]程帅,姜海博,黄进.基于滑模观测器的单绕组多相无轴承电机无位置传感器控制[J].电工技术学报,2012(7):71-77.

ChengShuai,JiangHaibo,HuangJin.Positionsensorlesscontrolbasedonslidingmodeobserverformultiphasebearinghssmotorwithsinglesetofwindings[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012(7):71-77

[8]F.C.Dezza,G.Foglia,M.F.Iacchetti,andR.Perini,“AnMRASobserverforsensorlessDFIMdriveswithdirectestimationofthetorqueandfluxrotorcurrentcomponents,”IEEETrans.Power

Electron.,vol.27,no.5,pp.2576-2584,May2012.

[5]M.PattnaikandD.Kastha,“Adaptivespeedobserverforastandalonedoublyfedinductiongeneratorfeedingnonlinearandunbalancedloads,”IEEETrans.EnergyConvers.,vol.27,no.4,pp.1018-1026,Dec.2012.

[6]鲁文其,胡育文,杜栩杨,等.永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统[J].中国电机工程学报,2010(33):78-83.LuWenqi,HuYuwen,DuXuyang,HuangWenxin.SensorlessVectorControlUsingaNovelSlidingModeObserverforPMSMSpeedControlSystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2010(33):78-83.

[7]B.Mwinyiwiwa,Y.Zhang,B.Shen,andB.-T.Ooi,“Rotorpositionphase-lockedloopfordecoupledP-QcontrolofDFIGforwindpowergeneration,”IEEETrans.EnergyConvers.,vol.24,no.3,pp.758-765,Sep.2009.

[8]D.G.Forchetti,G.O.Garcia,andM.I.Valla,“Adaptiveobserverforsensorlesscontrolofstand-alonedoubly-fedinductiongenerator,”IEEETrans.Ind.Electron.,vol.56,no.10,pp.4174-4180,Oct.2009.

[9]R.Cardenas,R.Pena,J.Clare,G.Asher,andJ.Proboste,“MRASobserversforsensorlesscontrolofdoubly-fedinductiongenerators,”IEEETrans.PowerElectron.,vol.23,no.3,pp.1075-1084,May2008.

[10]R.DattaandV.T.Ranganathan,“Asimpleposition-sensorlessalgorithmforrotor-sidefield-orientedcontrolofwound-rotorinductionmachine,”IEEETrans.Ind.Electron.,vol.48,no.4,pp.786-793,Aug.2001.

[11]B.Hopfensperger,D.J.Atkinson,andR.A.Lakin,“Stator-fluxorientedcontrolofadoubly-fedinductionmachinewithandwithoutpositionencoder,”IEEProc.-Elect.PowerAppl.,vol.147,no.4,pp.241-250,Jul.2000.

作者简介

李长海（1975.5－），男，国网张掖供电公司变电运检室工作，高级工程师，主要研究方向：电力系统监控、变电站运维管理,E-mail:228965159@qq.com。

李新华（1959.7—），男，湖北工业大学电气与电子工程学院硕士生导师，主要研究方向：新能源汽车电机驱动及控制，新型电机及控制等，E-mail:xhli59@163.com