[發明專利]一種基于分數階滑模控制的無刷雙饋電機低壓穿越技術

在審

• 申請號: 201910804834.0
• 申請日: 2019-08-29
• 公開（公告）號: CN112448409A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 侯曉鑫;張志強;游國棟
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于分數階滑模變結構控制的無刷雙饋電機低壓穿越技術，其特征在于，包括下列步驟：

(1)建立無刷雙饋電機的數學模型，無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM)在轉子坐標系下數學模型表示為：

BDFM的電磁轉矩變為：

磁鏈方程為：

BDFM的有功功率和無功功率可表示為：

采用功率繞組定子磁場定向，

功率繞組在正常工作中電阻壓降遠小于電機反電勢，同時也遠小于電抗壓降，因此可以假設功率繞組定子磁鏈保持恒定。功率繞組定子電壓方程可以寫成下式：

由磁鏈方程可得繞組定子電流為，

其中當轉子阻抗相對較小時，轉子磁鏈可以忽略，聯合式(5)-(9)可得，

對上式進一步求導，聯合式(3)推出：

(2)機側滑模變結構控制器設計

滑模變結構控制器是為了消除系統狀態變量與參考值之間的誤差，定義滑模控制器的輸入為系統變量與參考值之差，因此定義無刷雙饋電機的滑模變結構控制器的狀態變量為有功功率和無功功率的實際值與參考值之間的偏差：

采用分數階趨近律設計機側滑模變結構控制器，通過分數階函數代替傳統開關函數以減小滑模切換的高頻抖振，現構造如下滑模面S＝[S_P S_Q]^T：

式中λ_P，λ_Q，γ₁，γ₂為待調控制器參數，sig(e)^λ＝|e|^λsgn(e)，sgn(e)為e的符號函數。對式(13)兩邊求微分可得：

其中

將替換為如下趨近律：

式中：∑和Γ為對角陣；0＜ζ＜1，而ΔS＝χ+(1+χ)e^-β|S|，0＜χ＜1。由此得到如下的控制律：

根據功率繞組dq軸電壓和電流和和計算無刷雙饋電機的有功和無功功率P和Q，與給定的有功和無功功率P^*和Q^*作差值經過上述分數階滑模變結構控制律后輸出控制繞組電壓和經過反帕克變換得到控制繞組三相電壓，再經過SVPWM輸出控制信號給機側變換器。

(3)網側滑模變結構控制器設計

網側滑模變結構控制器采用雙閉環控制，外環采用電壓環，內環采用電流環。網側變換器在dq坐標系下的數學模型如式(17)所示。

式中u_dc為直流母線電壓，i_lood為直流側負載電流，u_s為電網電壓，i_s為電網電流，R_s和L_s為濾波電容器的電阻和電感，s_i(i＝d，q)為網側變換器中各相橋臂的開關函數的dq分量，ω為dq軸系統的旋轉速度。

網側電壓環滑模變結構控制器設計采用指數趨近律進行設計，電壓環滑模變結構設計，網側PWM交流側有功功率P_s可表示為：

直流側有功功率P_dc可表示為：

在忽略損耗的情況下，有P_s＝P_dc，可推導出：

假設為直流母線電壓的平方值，由式(8)可知，式(20)可以寫出：

直流母線電壓平方的誤差為：

e_dc＝U-U^* (22)

式(22)兩端取微分得：

根據指數趨近律滑模變結構理論，將滑模面設計為：

其中k為赫爾維茨判據條件且k＞0。

將式(24)兩端取微分得：

采用指數趨近律，將替換為如下趨近律：

其中k_dc1為收斂速度，k_dc2為系統得運動點趨近切換面S＝0的速率。

母線電壓u_de和給定的母線電壓作差值經過上述指數滑模變結構控制輸出功率繞組d軸電流

網側電流環滑模變結構控制器設計采用分數階趨近律進行設計，構造如下滑模面S_is＝[S_isd S_isq]^T：

其中

與機側滑模變結構控制器設計方法類似，根據網側逆變器的數學模型，推導出對于網側逆變器的控制輸入為：

其中

∑₂，K₂和σ為控制參數，χ₂＞0，τ＜1。

根據指數滑模變結構控制輸出功率繞組d軸電流和檢測到的功率繞組dq軸電流和與母線電壓滑模控制器輸出的d軸電流和給定的q軸電流作差值經過上述分數階滑模變結構控制輸出功率繞組電壓和經過反帕克變換得到功率繞組三相電壓，再經過SVPWM輸出控制信號給網側側變換器。

(4)在電網電壓跌落時能夠精確控制無刷雙饋電機的有功和無功功率，抑制母線電壓波動，提升無刷雙饋電機的低壓穿越能力。