CN102386832B - 基于等价补偿自抗扰的发电机转子电流控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等价补偿自抗扰（ECADRC）的发电机转子电流控制方法及系统，利用投影修正优化状态观测器确保系统对时变不确定项的观测误差有界，并对系统的未建模动态及外部扰动进行估计并实时补偿，采用带有线性区间的状态误差反馈控制律，通过等价补偿控制将系统已知信息作为补偿条件缩小估计范围，加快估计收敛速度。采用该方法能在保证系统稳定的前提下，有效改善风力发电系统在不同运行条件下的稳态和瞬态性能。

Description

基于等价补偿自抗扰的发电机转子电流控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电机的控制方法及系统装置，具体来说涉及一种风力发电领域中的风力发电机转子电流控制方法及系统装置，是一种基于等价补偿自抗扰控制(Equivalent Compensat ion AutoDisturbance Rejection Control，ECADRC)的发电机转子电流控制方法及系统装置。

背景技术

根据机电能量转换环节所采用的形式，变速风力发电机组可分为双馈机组和全功率变流机组两大类，其中全功率变流机组的变流器容量与机组容量相等或略高于机组容量，而双馈机组的变流器容量则仅为机组容量的30％～50％。由于具有较显著的成本优势，双馈机组目前已成为风电行业的主流机型。

作为机组的核心部件，双馈风力发电机的运行状况和控制方法决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。然而双馈发电机是一个高阶、非线性、强耦合的系统，针对该系统的控制设计具有较大难度，并且在实际运行过程中外部扰动很难事先确定，电机参数也会发生变化，对系统的控制性能造成直接影响。针对这些问题，有些文献提出采用自抗扰控制方法来解决，标准自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器(Tracking Differentiator，TD)，扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)和非线性状态误差反馈控制律(Nonlinear State Error Feedback Law，NSEFL)。跟踪微分器的作用是安排过渡过程，给出合理的控制信号，解决了响应速度与超调之间的矛盾。扩张状态观测器用来解决模型未知部分和外部未知扰动综合对控制对象的影响。虽然叫做扩张状态观测器，但与普通的状态观测器不同。扩张状态观测器设计了一个扩张的状态量来跟踪模型未知部分和外部未知扰动的影响。然后给出控制量补偿这些扰动。将控制对象变为普通的积分串联型控制对象。设计扩张状态观测器的目的就是观测扩张出来的状态变量，用来估计未知扰动和控制对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化，将控制对象变为积分串联型。非线性误差反馈控制律给出被控对象的控制策略。目前检索到的相关专利和研究文章有：

[1]周雪松，问虎龙等，一种基于自抗扰的双馈电机风电并网转子励磁控制系统(专利申请号：200910228077)；

[2]张先勇，吴捷，杨金明，基于自抗扰解耦的变速恒频风力发电功率控制系统，电气传动，2007，37(2)：8-11；

[3]马幼捷，于阳，周雪松等，基于自抗扰控制技术的无刷双馈风力发电机解耦方法，CN 101977010A；

[4]马幼捷，王新志，周雪松等，基于双DSP的自抗扰励磁控制装置，CN 201039069Y；

[5]李季，马幼捷等，风电系统中双馈发电机组的控制，华东电力，2010，38(2)：289-291。

上述文献提出的方法在思路上大致可分为两类，一类是将标准自抗扰控制器直接应用于控制系统，其控制原理如图1所示，第二类是根据应用的特点对标准自抗扰控制器进行适当简化，实质都是将系统模型的不确定性和外部扰动作为综合扰动项，利用扩张状态观测器进行观测并补偿到系统当中，达到抗扰的目的，但实施的前提是能保证ESO的观测误差有界，否则会对系统的稳定性造成严重影响。此外，仅采用ESO对综合扰动进行估计，不考虑系统已知信息，容易导致估计收敛速度变慢，给系统的正常控制带来延时，影响系统的动态性能。因此很有必要对此加以改进。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于等价补偿自抗扰的发电机转子电流控制方法及系统装置，在保证系统渐进稳定的前提下，缩小需要估计的扰动范围，提高双馈风力发电机转子电流控制的稳态和瞬态性能，从而加强风力发电系统的稳定性和可靠性。

本发明采用的技术方案是：

基于等价补偿自抗扰的发电机转子电流控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤一：采用投影修正优化状态观测器对转子电流反馈信号i_r进行观测，给出相应的全阶状态反馈z₁和对汇总不确定性的估计z₂，其中汇总不确定性是指外部扰动、系统未建模动态和参数摄动作用的汇总；

步骤二：根据z₁、定子电流i_s、滑差角频率ω_sl和双馈发电机参数计算等价补偿控制项u_EC；

步骤三：将转子电流指令信号

和状态观测值z₁之间的误差通过非线性状态误差反馈控制环节，结合z₂与u_EC得到转子电压控制信号

步骤四：根据转子电压控制信号

由硬件控制模块对转子侧变流器进行控制。

上述步骤一中的投影修正优化状态观测器按照如下方程设计：

$\mathrm{PMOSO}=\left\{\begin{array}{c}{e}_P=z_1-i_r\\ \frac{{\mathrm{dz}}_1}{\mathrm{dt}}=z_2-{\mathrm{\β}}_1{e}_P+b{u}_r^{*}+u_{\mathrm{EC}}\\ \frac{{\mathrm{dz}}_2}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Proj}}_{z_2}[-{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}(e_P,{\mathrm{\α}}_P,{\mathrm{\δ}}_P)]\end{array}\right.$

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e\right|>\mathrm{\δ},\\ e/{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}},\left|e\right|\≤\mathrm{\δ},\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0$

式中下标_P表示PMOSO的物理量，β₁和β₂为PMOSO的增益系数，α为fal函数中误差e的指数，δ代表fal函数线性区域的宽度，sgn为符号函数，Proj为投影修正函数，f为汇总不确定性，f_max和f_min分别代表f的上界和下界。

上述步骤2中的等价补偿控制项按如下表达式计算：

ECC： $u_{\mathrm{EC}}=-\frac{R_r}{\mathrm{\σ}{L}_r}{z}_1-j\frac{L_r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}{z}_1-j\frac{L_m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}{i}_s$

式中R_r、L_r、L_m和σ分别为双馈发电机的转子电阻、转子电感、互感和漏磁系数。

上述步骤三中的非线性状态误差反馈控制律按如下方程实现：

$\mathrm{NSEFL}\left\{\begin{array}{c}{e}_N=i_r^{*}-z_1\\ u_r^{*}=\mathrm{kfal}(e_N,{\mathrm{\α}}_N,{\mathrm{\δ}}_N)-\frac{1}{b}(z_2+u_{\mathrm{EC}})\end{array}\right.$

式中下标_N表示NSEFL的物理量，k为NSEFL的增益系数，b是和系统模型相关的参数。

所述步骤四中，转子电压控制指令

经过DSP的坐标变换运算模块和PWM发生器，输出到PWM驱动电路，最后得到IGBT控制信号，控制转子侧变流器运行。

基于上述转子电流控制方法的控制系统，其特征在于，包括驱动模块、控制模块和PC机，所述驱动模块用于为双馈风力发电机提供电能来源，所述控制模块用于监控所述双馈风力发电机的工作状态，并对驱动模块进行控制，所述PC机与所述控制模块通信，主要实现程序调试、数据分析以及图形显示等功能。

所述驱动模块包括直流环节、转子侧变流器、双馈风力发电机和脉冲编码器；所述控制模块包括DSP、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路和PWM驱动电路。

所述直流环节连接所述转子侧变流器，所述转子侧变流器输出接双馈风力发电机，所述双馈风力发电机通过所述脉冲编码器连接所述位置检测电路，所述位置检测电路输出至所述DSP，所述电压、电流检测电路连接所述双馈风力发电机并输出至所述DSP，所述DSP连接所述PWM驱动电路，所述PWM驱动电路控制所述转子侧变流器的IGBT的通断。

本发明的有益效果是：采用ECADRC对双馈风力发电机的转子电流进行控制，利用投影修正优化状态观测器确保系统对时变不确定项的观测误差有界，并对系统的未建模动态及外部扰动进行估计并实时补偿，因此对时变扰动的鲁棒性好，对系统参数的适应性强；带有线性区间的状态误差反馈控制律，既可利用非线性的特性抵偿内外扰的影响，又可保证系统在原点附近无振颤；通过等价补偿控制将系统已知信息作为补偿条件缩小估计范围，加快估计收敛速度。综上所述，采用该方法能在保证系统稳定的前提下，有效改善风力发电系统在不同运行条件下的稳态和瞬态性能。

附图说明

图1是标准自抗扰控制原理图；

图2是本发明等价补偿自抗扰控制原理图；

图3是采用本发明的双馈风力发电系统结构图；

图4是采用ECADRC的双馈风力发电机转子电流控制方法原理图；

图5本发明控制系统的电路结构图。

其中，PMOSO(Projection Modification Optimized StateObserver)为投影修正优化状态观测器，ECC(EquivalentCompensation Control)为等价补偿控制项，(Nonlinear State ErrorFeedback Law)NSEFL为误差反馈控制律。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，基于等价补偿自抗扰的发电机转子电流控制方法，主要包括以下三个步骤：

步骤一：采用投影修正优化状态观测器对转子电流反馈信号i_r进行观测，给出相应的全阶状态反馈z₁和对汇总不确定性的估计z₂，其中汇总不确定性是指外部扰动、系统未建模动态和参数摄动作用的汇总；

步骤二：根据z₁、定子电流i_s、滑差角频率ω_si和双馈发电机参数计算等价补偿控制项u_EC；

步骤三：将转子电流指令信号

和状态观测值z₁之间的误差通过非线性状态误差反馈控制环节，结合z₂与u_EC得到转子电压控制信号

步骤四：根据转子电压控制信号

由硬件控制模块对转子侧变流器进行控制。

实施例

以1.65MW双馈风力发电系统为例，采用本发明提出的方法进行控制，如图3、图4所示，基于等价补偿自抗扰控制的双馈风力发电机转子电流控制方法，具体实施过程如下：

(1)利用电压和电流传感器采集发电机的三相定子电压信号u_sabc和定、转子电流信号i_sabc、i_rabc。电压信号经过软件锁相环PLL检测获得其相位θ_e和角频率ω_e。

(2)利用光电编码器Encoder检测DFIG的位置，得到其机械位置角θ_m和机械角频率ω_m，并由此算出电气位置角θ_r和电气角频率ω_r，则坐标变换角θ_st＝θ_e-θ_r，滑差角频率ω_sl＝ω_e-ω_r。

(3)三相定子电压和定、转子电流经过abc/dq坐标变换模块得到反馈信号u_sdq、i_sdq和i_rdq，其中坐标变换矩阵为：

$C_{3s\→2r}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \frac{\sqrt{3}}{3}\sin \mathrm{\θ}& \frac{2\sqrt{3}}{3}\sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \frac{\sqrt{3}}{3}\cos \mathrm{\θ}& \frac{2\sqrt{3}}{3}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

(4)定子有功、无功功率指令信号

分别与其反馈P_s、Q_s相比较，再经过PI调节器和解耦，生成转子电流指令

采用定子电压定向矢量控制方式，将定子电压矢量u_s定在旋转坐标系d轴上，即u_sd＝u_s，u_sq＝0，定子有功、无功功率可由如下表达式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=1.5(u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}})=1.5u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}\\ Q_s=1.5(u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sd}}-u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sq}})=-1.5u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.$

(5)采用投影修正优化状态观测器对转子电流反馈信号i_rdq进行观测，得到相应的全阶状态反馈z_1dq和对汇总不确定性的估计z_2dq。其中PMOSO按照如下方程进行设计：

${\mathrm{PMOSO}}_d=\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{Pd}}=z_{1d}-i_{\mathrm{rd}}\\ \frac{{\mathrm{dz}}_{1d}}{\mathrm{dt}}=z_{2d}-{\mathrm{\β}}_1{e}_{\mathrm{Pd}}+b_d{u}_{\mathrm{rd}}^{*}+u_{\mathrm{ECd}}\\ \frac{{\mathrm{dz}}_{2d}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Proj}}_{z_{2d}}[-{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}(e_{\mathrm{Pd}},{\mathrm{\α}}_P,{\mathrm{\δ}}_P)]\end{array}\right.$

${\mathrm{PMOSO}}_q=\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{Pq}}=z_{1q}-i_{\mathrm{rq}}\\ \frac{{\mathrm{dz}}_{1q}}{\mathrm{dt}}=z_{2q}-{\mathrm{\β}}_1{e}_{\mathrm{Eq}}+b_q{u}_{\mathrm{rq}}^{*}+u_{\mathrm{ECq}}\\ \frac{{\mathrm{dz}}_{2q}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Proj}}_{z_{2q}}[-{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}(e_{\mathrm{Pq}},{\mathrm{\α}}_P,{\mathrm{\δ}}_P)]\end{array}\right.$

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e\right|>\mathrm{\δ},\\ e/{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}},\left|e\right|\≤\mathrm{\δ},\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0$

式中下标d和q分别表示各物理量的d轴和q轴分量。

(6)根据PMOSO观测值z_1dq、定子电流i_sdq、滑差角频率ω_sl和双馈发电机参数计算等价补偿控制项u_EC。

ECC_d： $u_{\mathrm{ECd}}=-\frac{R_r}{\mathrm{\σ}{L}_r}{z}_{1d}+\frac{L_r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}{z}_{1q}+\frac{L_m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}{i}_{\mathrm{sq}}$

ECC_q： $u_{\mathrm{ECq}}=-\frac{R_r}{\mathrm{\σ}{L}_r}{z}_{1q}-\frac{L_r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}{z}_{1d}-\frac{L_m{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}{i}_{\mathrm{sd}}$

(7)将转子电流指令信号和状态观测值z_1dq之间的误差通过非线性状态误差反馈控制环节，结合z_2dq与u_ECdq得到转子电压控制信号

NSEFL按如下表达式计算：

${\mathrm{NSEFL}}_d=\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{Nd}}=i_{\mathrm{rd}}^{*}-z_{1d}\\ u_{\mathrm{rd}}^{*}=\mathrm{kfal}(e_{\mathrm{Nd}},{\mathrm{\α}}_N,{\mathrm{\δ}}_N)-\frac{1}{b_d}(z_{2d}+u_{\mathrm{ECd}})\end{array}\right.$

${\mathrm{NSEFL}}_q=\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{Nq}}=i_{\mathrm{rq}}^{*}-z_{1q}\\ u_{\mathrm{rq}}^{*}=\mathrm{kfal}(e_{\mathrm{Nq}},{\mathrm{\α}}_N,{\mathrm{\δ}}_N)-\frac{1}{b_q}(z_{2q}+u_{\mathrm{ECq}})\end{array}\right.$

(8)

经过两相旋转/两相静止坐标变换转化为转子电压参考信号

经过空间矢量PWM调制模块再得到转子侧变流器的控制信号S_abc。其中坐标变换矩阵为：

$C_{2r\→2s}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

如图5所示，基于上述转子电流控制方法的控制系统，其特征在于，包括驱动模块1、控制模块2和PC机，所述驱动模块1用于为双馈风力发电机提供电能来源，所述控制模块2用于监控所述双馈风力发电机的工作状态，并对驱动模块进行控制，所述PC机与所述控制模块2通信，主要实现程序调试、数据分析以及图形显示等功能。

所述驱动模块2包括直流环节3、转子侧变流器4、双馈风力发电机5和脉冲编码器6；所述控制模块包括DSP、电流检测电路8、电压检测电路9、位置检测电路7和PWM驱动电路10。

所述直流环节3连接所述转子侧变流器4，所述转子侧变流器4输出接双馈风力发电机5，所述双馈风力发电机5通过所述脉冲编码器6连接所述位置检测电路7，所述位置检测电路7输出至所述DSP，所述电压检测电路8、电流检测电路9连接所述双馈风力发电机5并输出至所述DSP，所述DSP连接所述PWM驱动电路10，所述PWM驱动电路10控制所述转子侧变流器4的IGBT的通断。

所述DSP内集成有模数转换器和PWM发生器。

结合图3、图4、图5，所述控制系统的工作原理为：

发电机电压、电流和位置信号经过传感器和相应的检测电路处理以后输送到DSP，经过转换后算出这些信号的实际数值；

由DSP执行功率计算和控制，得到转子电流指令信号；

实现等价补偿自抗扰控制算法是用ECADRC对转子电流进行控制，主要由三个部分组成：投影修正优化状态观测器PMOSO、非线性状态误差反馈控制NLSEF、等价补偿控制ECC；采用PMOSO对反馈信号进行观测，给出相应的全阶状态给定z₁，结合等价补偿控制项u_EC和投影修正

计算出z₂；将指令信号和状态观测值z₁之间的误差通过非线性控制，再加上PMOSO对扰动的估计z₂与等价补偿控制项u_EC得到转子电压指令

根据转子电压控制指令

经过DSP的坐标变换运算模块和PWM发生器，输出到PWM驱动电路，最后得到IGBT控制信号，控制转子侧变流器运行。

本领域普通技术人员在不脱离本发明精神的前提下所做的变形，均应视为在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围，视其权利要求书而定。

Claims (6)

1.基于等价补偿自抗扰的双馈风力发电机转子电流控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤一：采用投影修正优化状态观测器对转子电流反馈信号                                                

进行观测，给出相应的全阶状态反馈

和对汇总不确定性的估计

，其中汇总不确定性是指外部扰动、系统未建模动态和参数摄动作用的汇总；

步骤二：根据、定子电流、滑差角频率

和双馈发电机参数计算等价补偿控制项

；

步骤三：将转子电流指令信号

和状态观测值

之间的误差通过非线性状态误差反馈控制环节，结合

与

得到转子电压控制信号

；

步骤四：根据转子电压控制信号

，由硬件控制模块对转子侧变流器进行控制。

2.根据权利要求1所述基于等价补偿自抗扰的双馈风力发电机转子电流控制方法，其特征在于，步骤二中的等价补偿控制项按如下表达式计算：

式中

、

、

和

分别为双馈发电机的转子电阻、转子电感、互感和漏磁系数。

3.根据权利要求1所述基于等价补偿自抗扰的双馈风力发电机转子电流控制方法，其特征在于，所述步骤四中，转子电压控制信号

，经过DSP的坐标变换运算模块和PWM发生器，输出到PWM驱动电路，最后得到IGBT控制信号，控制转子侧变流器运行。

4.基于上述权利要求的1-3任一所述的转子电流控制方法的控制系统，其特征在于，包括驱动模块、控制模块和PC机，所述驱动模块用于为双馈风力发电机提供电能来源，所述控制模块用于监控所述双馈风力发电机的工作状态，并对驱动模块进行控制，所述PC 机与所述控制模块通信，主要实现程序调试、数据分析以及图形显示功能。

5.根据权利要求4所述控制系统，其特征在于，所述驱动模块包括直流环节、转子侧变流器、双馈风力发电机和脉冲编码器；所述控制模块包括DSP、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路和 PWM 驱动电路。

6.根据权利要求5所述控制系统，其特征在于，所述直流环节连接所述转子侧变流器，所述转子侧变流器输出接双馈风力发电机，所述双馈风力发电机通过所述脉冲编码器连接所述位置检测电路，所述位置检测电路输出至所述DSP，所述电压、电流检测电路连接所述双馈风力发电机并输出至所述DSP，所述DSP连接所述PWM 驱动电路，所述PWM 驱动电路控制所述转子侧变流器的IGBT的通断。

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