基于自适应谐振调节器的控制策略优化

对于定子磁链（或电压）定向的同步旋转dq坐标系中的矢量控制策略，其PWM控制通常采用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）。SVPWM控制的显著特点是具有相对较高的电压利用率。然而对变速恒频双馈驱动系统而言，其双馈风力发电机的运行范围通常在同步转速的±30%范围内，在此调速范围内电机转子电动势小于转子开路电动势的30%。若背靠背变流器的网侧变流器采用PWM整流器设计，为使网侧PWM整流器正常运行，并且具有较高的电流控制精度，必须提供足够高的直流电压。例如采用三相690V电网时，直流电压高达1100V。因此，针对1100V的直流电压，网侧变流器采用具有较高利用率的SVPWM控制，而转子侧变流器则适合采用SPWM。另外，双馈风力发电机常规矢量控制方案通常需要较复杂的坐标变换和逆变换，如需要对检测到的转子电流进行坐标变换、对电流调节器输出的电压进行坐标逆变换等，使控制结构比较复杂。

鉴于常规矢量控制策略的上述不足，本节分析一种基于自适应调节器的双馈风力发电机矢量控制策略。该控制策略不仅直接采用SVPWM控制，降低了电流谐波，拓宽了电压调制范围，而且实现了转子侧电流在转子abc坐标系中的无静差控制，避免转子电流的坐标变换，简化了控制结构。

1.控制原理

由式（4-7）可推得

可运用式（4-30）在转子坐标系中进行前馈解耦控制。在基于自适应谐振调节器的控制策略中，为了实现有功功率和无功功率的解耦控制，其外环控制即功率环或者速度环的控制仍然在同步旋转坐标系中进行，双馈风力发电机定子侧有功功率、无功功率以及电磁转矩与第4.2.1“定子磁场定向矢量控制”的对应量有相同的表达式。将外环调节器的输出量经过坐标变换后作为双馈风力发电机转子电流的指令值。假定电流调节器的传递函数为GC（s），并用电流调节器的输出量控制式（4-30）中转子电流动态项时，可得转子电流的控制规律为

可运用式（4-30）在转子坐标系中进行前馈解耦控制。在基于自适应谐振调节器的控制策略中，为了实现有功功率和无功功率的解耦控制，其外环控制即功率环或者速度环的控制仍然在同步旋转坐标系中进行，双馈风力发电机定子侧有功功率、无功功率以及电磁转矩与第4.2.1“定子磁场定向矢量控制”的对应量有相同的表达式。将外环调节器的输出量经过坐标变换后作为双馈风力发电机转子电流的指令值。假定电流调节器的传递函数为GC（s），并用电流调节器的输出量控制式（4-30）中转子电流动态项时，可得转子电流的控制规律为

式中　——转子电压指令值。

由此可设计基于自适应谐振调节器的双馈风力发电机控制系统结构。

2.自适应谐振调节器

在双馈风力发电系统中，转子侧变流器为电压型变流器，其通过控制转子侧端电压达到控制转子侧电流的目的。针对αβ坐标系中正弦波电流的控制，常规的PI调节器无法实现电流的无静差控制，而二阶谐振调节器对其谐振频率交流量的控制增益为无穷大，因此可以实现αβ坐标系中正弦电流的无静差控制。考虑到转子电流频率的变化，本控制系统采用了自适应谐振调节器设计，使其谐振频率随转子电流频率的变化而变化，从而实现转子电流的无静差控制。

根据式（4-30），在不考虑扰动的情况下，可得电流内环被控对象的传递函数为

式中　——转子电压指令值。

由此可设计基于自适应谐振调节器的双馈风力发电机控制系统结构。

2.自适应谐振调节器

在双馈风力发电系统中，转子侧变流器为电压型变流器，其通过控制转子侧端电压达到控制转子侧电流的目的。针对αβ坐标系中正弦波电流的控制，常规的PI调节器无法实现电流的无静差控制，而二阶谐振调节器对其谐振频率交流量的控制增益为无穷大，因此可以实现αβ坐标系中正弦电流的无静差控制。考虑到转子电流频率的变化，本控制系统采用了自适应谐振调节器设计，使其谐振频率随转子电流频率的变化而变化，从而实现转子电流的无静差控制。

根据式（4-30），在不考虑扰动的情况下，可得电流内环被控对象的传递函数为

谐振调节器的传递函数为

谐振调节器的传递函数为

式中　a、b——用于配置系统的零点位置的参数；

KC——调节器系数；(www.xing528.com)

ωs——调节器的谐振频率。

在确定被控对象的表达式和调节器表达式后，若忽略功率变换单元延迟和采样延迟，可得电流内环的控制结构图。

基于二阶自适应谐振调节器的电流内环传递函数为

式中　a、b——用于配置系统的零点位置的参数；

KC——调节器系数；

ωs——调节器的谐振频率。

在确定被控对象的表达式和调节器表达式后，若忽略功率变换单元延迟和采样延迟，可得电流内环的控制结构图。

基于二阶自适应谐振调节器的电流内环传递函数为

令s=jωs，并代入式（4-32）得

令s=jωs，并代入式（4-32）得

式（4-33）表明当谐振调节器的谐振频率等于被控对象的频率时，谐振调节器能够实现对被控对象的无静差控制。

扰动信号ura（b）p作用下的闭环传递函数为

式（4-33）表明当谐振调节器的谐振频率等于被控对象的频率时，谐振调节器能够实现对被控对象的无静差控制。

扰动信号ura（b）p作用下的闭环传递函数为

由于扰动量与被控量具有相同的频率，因此，令s=jωs，并代入式（4-34）得

由于扰动量与被控量具有相同的频率，因此，令s=jωs，并代入式（4-34）得

式（4-35）表明基于二阶谐振调节器的电流内环完全抑制同频率的正弦扰动。

式（4-35）表明基于二阶谐振调节器的电流内环完全抑制同频率的正弦扰动。