CN101977010A - 基于自抗扰控制技术的无刷双馈风力发电机解耦方法 - Google Patents

Abstract

基于自抗扰控制技术的无刷双馈风力发电机解耦方法。针对无刷双馈电机结构的复杂性、随环境的可改变性及传统的PID控制在BDFM中应用不理想等，提出了一种基于扩张观测器的非线性PID控制——自抗扰控制方法来实现对风力发电系统有功功率和无功功率的解耦控制。该方法是将风力机的转矩T和定子侧有功功率与无功功率分别作为状态量输入，构成非线性及耦合项，看作自抗扰控制的内部扰动量，在微分跟踪器中设定一个参考量x_ref，经过构造形成非线性反馈控制。NLSEF利用TD和ESO的输出之间的误差来生成控量，使发电机的数学模型经过非线性状态反馈之后，可以分别得到转速和磁链两个子系统，实现两个子系统在动态过程中的完全解耦。

Description

基于自抗扰控制技术的无刷双馈风力发电机解耦方法 

【技术领域】

本发明涉及一种自抗扰控制技术(Active-Disturbance-Rejection Control，ADRC)的无刷双馈风力发电机(DFIG)进行解耦，属于风力发电控制技术领域。 

【背景技术】

风能能量密度较低，目前风力发电面临的一个急待解决的问题-风能利用效率的提高。风力机具有非线性空气动力特性，工作风速范围宽，加之能量传递链的柔性结构和随转速变化的机械阻尼的影响，使风力发电系统的控制成为一个难题。变速恒频发电系统能允许风力机在一定范围内变速运行，由于无刷双馈发电机的部分参数随转子的转速变化，使无刷双馈发电机的动态数学模型复杂，分析和求解困难.其关键在于能否对发电机的有功功率与无功功率实现独立的解耦控制。目前风电系统中的解耦方法有传统的PI控制算法，如图1所示，这种方法的控制效果不是很好，主要是由于基于传统的线性反馈，仅仅实现了动态过程中磁链子系统的部分解耦，而转速子系统中仍然包含磁链项。 

基于扩张状态观测器的自抗扰控制器具有不依赖于被控对象的具体数学模型，并对内外扰动有较强的抗干扰能力的特点，通过非线性配置构成的非线性状态误差反馈控制律，使控制系统具有很好的鲁棒性和可实现性。由于自抗扰控制不依赖于被控对象精确的数学模型，算法简单，在未知强非线性和不确定强扰动作用下能保证控制精度，鉴于风力发电系统的时变非线性特性，基于自抗扰的无刷双馈风力发电机解耦显示出良好的工程应用前景。 

【发明内容】

本发明目的在于提供了一种基于自抗扰控制技术的无刷双馈风力发电机解耦方法，该方法简单，易于控制，不受风速随机性与波动性的影响，可较好地解决无刷双馈风力发电机解耦控制问题。将自抗扰理论引入风能解耦弥补了控制理论在这方面的空白。 

本发明的技术方案： 

本发明提供的基于自抗扰控制技术的无刷双馈风力发电机解耦方法，至少包括以下步骤： 

步骤A、自抗扰控制器由三部分构成：微分跟踪器，非线性组合，扩张状态观测器。 

步骤B、将风力机的转矩T和定子侧有功功率与无功功率分别作为状态量输入，构成非线性及耦合项，看作自抗扰控制的内部扰动量，在微分跟踪器中设定一个参考量x_ref，经过构造非线性反馈控制。 

步骤C、非线性反馈控制率(NLSEF)利用TD和ESO的输出之间的误差来生成控量，使发电机的数学模型经过非线性状态反馈之后，可以分别得到转速和磁链两个子系统，实现两个子系统在动态过程中的完全解耦。 

上述步骤A所说的微分跟踪器(TD)常采用以下离散形式方程设计： 

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1(n+1)=v_1\left(k\right)+{\mathrm{hv}}_2\left(k\right)\\ v_2(n+1)=v_2\left(k\right)+\mathrm{Tfst}(v_1\left(k\right)-v\left(k\right),v_2\left(k\right),r,h)\end{array}\right.$

上述所说的扩张状态观测器(ESO)用以下公式设计： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1=z_1-y\\ \stackrel{\·}{z_1}=z_2-{\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})\\ \stackrel{\·}{z_2}=z_3-{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})-\mathrm{bu}\left(t\right)\\ \stackrel{\·}{z_3}=-{\mathrm{\β}}_3\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})\end{array}\right..$

上述步骤B所述的电磁转矩为 

$T_e=\frac{3}{2}{L}_m(i_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{dr}}-i_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qr}})=\frac{3}{2}{i}_{\mathrm{qs}}\frac{U_s}{{\mathrm{\ω}}_1}$

定子侧有功功率与无功功率分别为 

$P=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}+u_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}})=\frac{3}{2}{U}_s{i}_{\mathrm{qs}}$

$Q=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{ds}}-u_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qs}})=\frac{3}{2}{U}_s{i}_{\mathrm{ds}}$

上述步骤C所说的非线性反馈控制率(NLSEF)二阶自抗扰控制器非线性反馈控制率选取： 

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1\left(t\right)=v_1\left(t\right)-z_1\left(t\right)\\ e_2\left(t\right)=v_2\left(t\right)-z_2\left(t\right)\\ u_0={\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}(e_1,{\mathrm{\α}}_{01},{\mathrm{\η}}_0)+{\mathrm{\β}}_{02}\mathrm{fal}(e_2,{\mathrm{\α}}_{02},{\mathrm{\η}}_0)\end{array}\right.$

上述所说的NLSEF利用TD和ESO的输出之间的误差： 

u₀(t)＝k₁fal(ε₁，a，δ)+…+k_nfal(ε_n，a，δ)。 

本发明的工作原理： 

采用定子磁场定向的矢量控制方法，将同步坐标系的d轴与定子磁链重合，忽略定子绕组电阻压降，则定子侧电压矢量落在同步轴系q轴上，与定子磁链矢量相差90°，即 uds＝0，uqs＝Us，Us为定子电压矢量的幅值。自抗扰控制器由非线性跟踪-微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)组成。TD实现对系统输入信号的快速无超调跟踪，并给出参考输入V(t)的各阶导数跟踪信号z1，1，...，z1，n；ESO，估计对象的各阶状态变量z2，1，...，z2，n和对象总扰动的实时作用量z2，n+1；NLSEF利用TD和ESO的输出之间的误差来生成控制量利用状态误差反馈的非线性组合和总的扰动，估计z2，n+1构成系统的控制量将非线性及耦合项看作系统的内扰，根据自抗扰控制器原理设计的无功功率的自抗扰控制器。 

本发明的优点和积极效果： 

本发明提供的自抗扰控制的双馈变速恒频风力发电功率控制系统具有良好的性能，可以提供电网需要的无功功率，实现了自抗扰的功率解耦控制。 

【附图说明】

图1、为ADRC控制框图； 

图2、为无刷双馈风力发电机解耦控制自抗扰控制框图。 

【具体实施方式】

实施例 

有功和无功解耦控制自抗扰控制框图(图2)。对于有功功率，在风速变化时，控制器的功率给定跟随风能变化，当风速增加时，控制器的有功功率给定增大。仿真系统初始条件为输出功率稳定在998W时，在0.5秒风速突变，由12米/秒增加到14米/秒，无功功率给定为0。电机参数选用和并网控制相同。取配置极点为(-5，-5，-5)。本发明方法至少包括以下步骤： 

步骤A、自抗扰控制器由三部分构成：微分跟踪器，非线性组合，扩张状态观测器。对自抗扰参数进行微调，最终参数跟踪微分器r＝10，h＝0.005。扩张状态观测器其他参数取α1＝1，α2＝，0.25η＝0.05。非线性控制率的参数α01＝0.2α02＝0.5，β01＝100，β02＝10，η0＝0.05。 

步骤B、将风力机的转矩T和定子侧有功功率与无功功率分别为作为状态量输入，构成非线性及耦合项，看作自抗扰控制的内部扰动量，在微分跟踪器中设定一个参考量x_ref，经过构造非线性反馈控制。在0.5秒随着风速的上升，定子输出有功功率逐渐上升，在大约0.7秒左右达到与给定风速相一致的输出有功功率1.36KW。在整个过程中，输出功率逐渐上升，没有超调，最后达到无静差。在0.5秒风机输出机械能增加，而转速为一阶惯性环节，速度不会立即变化，风速突变，所以叶尖速比减少。 

步骤C、NLSEF利用TD和ESO的输出之间的误差来生成控量，使发电机的数学模型经过非线性状态反馈之后，可以分别得到转速和磁链两个子系统，实现两个子系统在动态过程中的完全解耦。从0.5秒风速突变到0.7秒定子输出有功功率处于上升调节过程。决定定子有功功率的为定子电流q值分量，定子电流q值分量与定子输出无功功率控制器存在耦合，故出现无功的调节过程，从调节过程中看出，无功波动较小。 

定子输出有功功率控制通过控制定子电流q轴分量完成。扩张状态观测器对定子电流q轴分量估计快速，准确，说明扩张状态观测器工作正常，有功功率控制器工作正常。定子输出无功功率在自抗扰控制器调节下，基本上无超调的上升到380Var，达到了控制要求，实现了无功功率的解耦控制，使无功功率可根据实际运行情况任意调节。 

上述所说的跟踪微分器(TD)常采用以下离散形式方程设计： 

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1(n+1)=v_1\left(k\right)+{\mathrm{hv}}_2\left(k\right)\\ v_2(n+1)=v_2\left(k\right)+\mathrm{Tfst}(v_1\left(k\right)-v\left(k\right),v_2\left(k\right),r,h)\end{array}\right.$

上述所说的扩张状态观测器(ESO)以下公式设计： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1=z_1-y\\ \stackrel{\·}{z_1}=z_2-{\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})\\ \stackrel{\·}{z_2}=z_3-{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})-\mathrm{bu}\left(t\right)\\ \stackrel{\·}{z_3}=-{\mathrm{\β}}_3\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})\end{array}\right.$

上述所说的非线性反馈控制率(NLSEF)二阶自抗扰控制器非线性反馈控制率选取： 

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1\left(t\right)=v_1\left(t\right)-z_1\left(t\right)\\ e_2\left(t\right)=v_2\left(t\right)-z_2\left(t\right)\\ u_0={\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}(e_1,{\mathrm{\α}}_{01},{\mathrm{\η}}_0)+{\mathrm{\β}}_{02}\mathrm{fal}(e_2,{\mathrm{\α}}_{02},{\mathrm{\η}}_0)\end{array}\right.$

上述所说的电磁转矩为 

$T_e=\frac{3}{2}{L}_m(i_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{dr}}-i_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qr}})=\frac{3}{2}{i}_{\mathrm{qs}}\frac{U_s}{{\mathrm{\ω}}_1}$

定子侧有功功率与无功功率分别为 

$P=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}+u_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}})=\frac{3}{2}{U}_s{i}_{\mathrm{qs}}$

$Q=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{ds}}-u_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qs}})=\frac{3}{2}{U}_s{i}_{\mathrm{ds}}$

上述所说的NLSEF利用TD和ESO的输出之间的误差来生成控量： 

u₀(t)＝k₁fal(ε₁，a，δ)+…+k_nfal(ε_n，a，δ) 。

Claims (5)

1.一种基于自抗扰控制技术的无刷双馈风力发电机解耦方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤A、自抗扰控制器由三部分构成：微分跟踪器TD，非线性组合，扩张状态观测器ESO；

步骤B、将风力机的转矩T和定子侧有功功率与无功功率分别作为状态量输入，构成非线性及耦合项，看作自抗扰控制的内部扰动量，在微分跟踪器中设定一个参考量x_ref，经过构造非线性反馈控制；

步骤C、非线性反馈控制率NLSEF利用TD和ESO的输出之间的误差来生成控量，使发电机的数学模型经过非线性状态反馈之后，可以分别得到转速和磁链两个子系统，实现两个子系统在动态过程中的完全解耦。

2.根据权利要求1所说的方法，其特征在于，步骤A所述的微分跟踪器TD采用以下离散形式方程设计：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1(n+1)=v_1\left(k\right)+{\mathrm{hv}}_2\left(k\right)\\ v_2(n+1)=v_2\left(k\right)+\mathrm{Tfst}(v_1\left(k\right)-v\left(k\right),v_2\left(k\right),r,h)\end{array}\right.;$

所述的扩张状态观测器(ESO)用以下公式设计：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1=z_1-y\\ \stackrel{\·}{z_1}=z_2-{\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})\\ \stackrel{\·}{z_2}=z_3-{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})-\mathrm{bu}\left(t\right)\\ \stackrel{\·}{z_3}=-{\mathrm{\β}}_3\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_1,{\mathrm{\α}}_1,\mathrm{\η})\end{array}\right..$

3.根据权利要求1所说的方法，其特征在于，步骤B所述的转矩为

$T_e=\frac{3}{2}{L}_m(i_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{dr}}-i_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qr}})=\frac{3}{2}{i}_{\mathrm{qs}}\frac{U_s}{{\mathrm{\ω}}_1}$

定子侧有功功率与无功功率分别为

$P=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}+u_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}})=\frac{3}{2}{U}_s{i}_{\mathrm{qs}}$

$Q=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{ds}}-u_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qs}})=\frac{3}{2}{U}_s{i}_{\mathrm{ds}}.$

4.根据权利要求1所说的方法，其特征在于，步骤C所述的非线性反馈控制率(NLSEF)二阶自抗扰控制器非线性反馈控制率选取：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1\left(t\right)=v_1\left(t\right)-z_1\left(t\right)\\ e_2\left(t\right)=v_2\left(t\right)-z_2\left(t\right)\\ u_0={\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}(e_1,{\mathrm{\α}}_{01},{\mathrm{\η}}_0)+{\mathrm{\β}}_{02}\mathrm{fal}(e_2,{\mathrm{\α}}_{02},{\mathrm{\η}}_0)\end{array}\right..$

5.根据权利要求1所说的方法，其特征在于，步骤C所述的NLSEF利用TD和ESO的输出之间的误差是：

u₀(t)＝k₁fal(ε₁，a，δ)+…+k_nfal(ε_n，a，δ)。

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