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摘 要：为了实现双馈异步风力发电机的顺利、安全并网，将滑模变结构控制和矢量控制相结合运用到空载并网控制的风力发电机组中。在建立变参数风力机模型的基础上，采用滑模变结构控制器来控制并网前的转子电流，这样可以以较好的动态性能实现对并网前后扰动的鲁棒性。针对变结构控制的抖振现象，运用饱和函数替代切换函数，并且采用积分型切换面来消除误差实现准滑模变结构控制，从而减小转子控制电压的畸变量。最后通过MATLAB/simulink的仿真表明，滑模变结构控制器能实现对变参数动态风机模型的鲁棒控制。
关键字：滑模变结构控制，双馈异步风力发电机，空载并网，变参数，积分型切换面
中图分类号：TP13 文献标识码：A
１、引言
目前随着化石能源的枯竭和环境污染的加重，人们越来越重视对新能源的开发利用。风能作为一种可大力开发的清洁能源已经进入了高速发展期，风力发电是其中最重要的形式[1]。随着电力电子和控制技术的发展，风力发电技术已经从恒速恒频发展到变速恒频系统，其稳定性和经济性都得到了很大的提高[2]。风力发电机组的控制技术分为并网前的并网控制和并网后的功率控制，机组首先进行并网控制，只有顺利并网才能进行后面的功率控制。文献[3]介绍了几种机组的并网控制，表明变速型机组在并网时要优于恒速型。文献[4]介绍了变速恒频双馈电机的三种并网方式，指出空载并网的经济性和实用性。
双馈电机作为先进的主流机组，其空载并网已有人做过研究，双馈异步电机具有绕线式电机具有的高阶非线性、强耦合、变参数的特点，直接控制具有很大难度，对其进行矢量变换可以消除一些耦合，使系统变得简单。文献[5-9]在矢量控制的基础上对电机空载并网进行了研究。但是磁路饱和和温度变化会引起电感和电阻的变化，使矢量变换得到模型的参数变得不确定。另外，对每一台机组的参数进行测量也是费时费力的。因此设计一种不依赖电机参数的控制器是必要的。文献[10]和文献[11]分别用内膜控制和自抗扰控制算法设计了控制器，对不确定的风机系统进行了控制。滑模变结构本身作为一种不依赖于系统参数，具有强鲁棒性的非线性控制算法已经得到了很广的应用。文献[12]将滑模变结构应用到风力发电的并网控制中，在忽略并网时转子电流t相变化的情况下取得了很好的效果。文献[13]同时考虑了转子电流两个方向的变化，并在变结构中引入了积分环节，但是并没有对积分环节做理论推导，对积分环节的作用也没有提到。文献[14][15]介绍了积分型变结构的应用，但是对积分的作用并没有作理论推导。本文在文献[12-15]的基础上将滑模变结构和矢量控制相结合，对转子电压进行控制，进而实现对转子电流和定子电压的控制，用饱和函数来替代符号函数减小抖振，针对函数替代带来的稳态误差，在理论推导的基础上在切换函数中引入积分环节，消除稳态误差，使电机顺利、安全并网。
2、发电机的数学模型
并网前的双馈异步发电机（DFIG）空载，定子电流为零，提取电网的电压信息（包括频率、相位、幅值）作为依据，来对DFIG系统进行控制，实现励磁调节，使定子电压空载时与电网电压的频率、相位和幅值一致。空载并网方式控制结构方框图如图所示：
图一、空载并网控制结构图
为了研究DFIG空载并网控制的原理，需要推导DFIG的空载数学模型。这里采用矢量变换的原则，在坐标变换的情况下，求出简化的数学模型。
图二、矢量变换图
2.1电压方程
稳态误差消除。
4、实例仿真
在MATLAB中仿真，由文献[16]，参数设置如下：R1=0.397
,R2=0.314 ,L1=0.0438H,L2=0.0449H,Lm=0.0427H, =50Hz, =690V。其中转子电阻R2在0.014-0.914、转子自感L2在0.0249-0.0629中变换。通过对以上的数值进行设定，仿真结果如下：
图三、电网电压（a）、定子电压（b）和误差（c）
图四、定子三相电压误差（a）和a相误差（b）
图五、转差（a）、转子电压（b）和转子电流（c）
通过对图三、四、五的分析可以看出，积分型变结构可以实现在参数不确定时对被控量的控制；在减弱抖振的情况下能够无稳态误差的迅速跟踪参考变量；在控制过程中无超调。
5、总结
针对电机参数变化的情况，本文将滑模变结构和矢量变换相结合，设计出了一种新的双馈异步电机并网的控制器。该控制器在保持矢量控制优良特点的基础上能够不完全依赖于电机参数，基本能够实现风力机在空载情况下的并网操作。仿真表明控制器具有良好的动态性能，不依赖于电机参数的变化，具有很强的鲁棒性。
参考文献
1 叶杭冶．风力发电机组的控制技术[M]。北京：机械工业出版社，2002
2 耿华，杨耕，马小亮. 并网型风力发电机组的控制技术综述[J]. 电力电子技术，2006，40（6）：33～36
3 何东升，刘永强，王亚. 并网型风力发电系统的研究[J]. 高电压技术,2008,34（1）：142～147
4 李建林，赵栋利，李亚西，许洪华. 几种适合变速恒频风力发电机并网方式对比分析[J]. 电力建设，2006，27（5）：8～10
5 赵栋利，许洪华，赵斌，郭金东. 变速恒频风力双馈发电机并网电压控制研究[J]. 太阳能学报，2004，25(5)：587～591
6 刘其辉，贺益康，张建华. 交流励磁变速恒频风力发电机并网控制策略[J]. 电力系统自动化，2006，30（3）：51～55
7 秦涛，宋振红. 交流励磁变速恒頻风力发电系统并网控制技术研究[J]. 电网与水力发电进展，2008，24（2）：48～54
8 刘其辉，贺益康，汴松江. 变速恒频风力发电机空载并网控制[J]. 中国电机工程学报， 2004，24( 3)：6～11
9 苑国锋，伍小杰，柴建云等. 双馈异步发电机矢量控制及并网研究[J]. 中国电机工程学报，2006，30( 3)： 51～55
10 郭金东，李建林，许洪华，赵栋利，徐钦民. 基于内模控制器的变速恒频风力发电并网控制方法[J]. 可再生能源，2007，25（5）：66～70
11 付旺保，赵栋利，潘磊，许洪华. 基于自抗扰控制器的变速恒频风力发电并网控制[J]. 中国电机工程学报，2006，26（3）：13～18
12 于文波，童建东，刘成斌，俞俊民，徐立波. 变速恒频双馈风力发电机空载并网滑模控制[J]. 沈阳工程学院学报，2007，3(1)：10～12
13 侯勇, 童建东. 变速恒频双馈风力发电机并网积分型变结构控制[J]. 电机与控制学报，2008. 12（3）：260～265
关键字：滑模变结构控制，双馈异步风力发电机，空载并网，变参数，积分型切换面
中图分类号：TP13 文献标识码：A
１、引言
目前随着化石能源的枯竭和环境污染的加重，人们越来越重视对新能源的开发利用。风能作为一种可大力开发的清洁能源已经进入了高速发展期，风力发电是其中最重要的形式[1]。随着电力电子和控制技术的发展，风力发电技术已经从恒速恒频发展到变速恒频系统，其稳定性和经济性都得到了很大的提高[2]。风力发电机组的控制技术分为并网前的并网控制和并网后的功率控制，机组首先进行并网控制，只有顺利并网才能进行后面的功率控制。文献[3]介绍了几种机组的并网控制，表明变速型机组在并网时要优于恒速型。文献[4]介绍了变速恒频双馈电机的三种并网方式，指出空载并网的经济性和实用性。
双馈电机作为先进的主流机组，其空载并网已有人做过研究，双馈异步电机具有绕线式电机具有的高阶非线性、强耦合、变参数的特点，直接控制具有很大难度，对其进行矢量变换可以消除一些耦合，使系统变得简单。文献[5-9]在矢量控制的基础上对电机空载并网进行了研究。但是磁路饱和和温度变化会引起电感和电阻的变化，使矢量变换得到模型的参数变得不确定。另外，对每一台机组的参数进行测量也是费时费力的。因此设计一种不依赖电机参数的控制器是必要的。文献[10]和文献[11]分别用内膜控制和自抗扰控制算法设计了控制器，对不确定的风机系统进行了控制。滑模变结构本身作为一种不依赖于系统参数，具有强鲁棒性的非线性控制算法已经得到了很广的应用。文献[12]将滑模变结构应用到风力发电的并网控制中，在忽略并网时转子电流t相变化的情况下取得了很好的效果。文献[13]同时考虑了转子电流两个方向的变化，并在变结构中引入了积分环节，但是并没有对积分环节做理论推导，对积分环节的作用也没有提到。文献[14][15]介绍了积分型变结构的应用，但是对积分的作用并没有作理论推导。本文在文献[12-15]的基础上将滑模变结构和矢量控制相结合，对转子电压进行控制，进而实现对转子电流和定子电压的控制，用饱和函数来替代符号函数减小抖振，针对函数替代带来的稳态误差，在理论推导的基础上在切换函数中引入积分环节，消除稳态误差，使电机顺利、安全并网。
2、发电机的数学模型
并网前的双馈异步发电机（DFIG）空载，定子电流为零，提取电网的电压信息（包括频率、相位、幅值）作为依据，来对DFIG系统进行控制，实现励磁调节，使定子电压空载时与电网电压的频率、相位和幅值一致。空载并网方式控制结构方框图如图所示：
图一、空载并网控制结构图
为了研究DFIG空载并网控制的原理，需要推导DFIG的空载数学模型。这里采用矢量变换的原则，在坐标变换的情况下，求出简化的数学模型。
图二、矢量变换图
2.1电压方程
稳态误差消除。
4、实例仿真
在MATLAB中仿真，由文献[16]，参数设置如下：R1=0.397
,R2=0.314 ,L1=0.0438H,L2=0.0449H,Lm=0.0427H, =50Hz, =690V。其中转子电阻R2在0.014-0.914、转子自感L2在0.0249-0.0629中变换。通过对以上的数值进行设定，仿真结果如下：
图三、电网电压（a）、定子电压（b）和误差（c）
图四、定子三相电压误差（a）和a相误差（b）
图五、转差（a）、转子电压（b）和转子电流（c）
通过对图三、四、五的分析可以看出，积分型变结构可以实现在参数不确定时对被控量的控制；在减弱抖振的情况下能够无稳态误差的迅速跟踪参考变量；在控制过程中无超调。
5、总结
针对电机参数变化的情况，本文将滑模变结构和矢量变换相结合，设计出了一种新的双馈异步电机并网的控制器。该控制器在保持矢量控制优良特点的基础上能够不完全依赖于电机参数，基本能够实现风力机在空载情况下的并网操作。仿真表明控制器具有良好的动态性能，不依赖于电机参数的变化，具有很强的鲁棒性。
参考文献
1 叶杭冶．风力发电机组的控制技术[M]。北京：机械工业出版社，2002
2 耿华，杨耕，马小亮. 并网型风力发电机组的控制技术综述[J]. 电力电子技术，2006，40（6）：33～36
3 何东升，刘永强，王亚. 并网型风力发电系统的研究[J]. 高电压技术,2008,34（1）：142～147
4 李建林，赵栋利，李亚西，许洪华. 几种适合变速恒频风力发电机并网方式对比分析[J]. 电力建设，2006，27（5）：8～10
5 赵栋利，许洪华，赵斌，郭金东. 变速恒频风力双馈发电机并网电压控制研究[J]. 太阳能学报，2004，25(5)：587～591
6 刘其辉，贺益康，张建华. 交流励磁变速恒频风力发电机并网控制策略[J]. 电力系统自动化，2006，30（3）：51～55
7 秦涛，宋振红. 交流励磁变速恒頻风力发电系统并网控制技术研究[J]. 电网与水力发电进展，2008，24（2）：48～54
8 刘其辉，贺益康，汴松江. 变速恒频风力发电机空载并网控制[J]. 中国电机工程学报， 2004，24( 3)：6～11
9 苑国锋，伍小杰，柴建云等. 双馈异步发电机矢量控制及并网研究[J]. 中国电机工程学报，2006，30( 3)： 51～55
10 郭金东，李建林，许洪华，赵栋利，徐钦民. 基于内模控制器的变速恒频风力发电并网控制方法[J]. 可再生能源，2007，25（5）：66～70
11 付旺保，赵栋利，潘磊，许洪华. 基于自抗扰控制器的变速恒频风力发电并网控制[J]. 中国电机工程学报，2006，26（3）：13～18
12 于文波，童建东，刘成斌，俞俊民，徐立波. 变速恒频双馈风力发电机空载并网滑模控制[J]. 沈阳工程学院学报，2007，3(1)：10～12
13 侯勇, 童建东. 变速恒频双馈风力发电机并网积分型变结构控制[J]. 电机与控制学报，2008. 12（3）：260～265