CN107026594B - 基于adrc的双馈风力发电系统转子解耦控制方法 - Google Patents

基于adrc的双馈风力发电系统转子解耦控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法，其特征在于它包括如下步骤：双馈风机建模、简化、控制器设计、参数设定、信号检测及对比、控制输出；其优越性在于：①硬件装置设计简单、易于实现；②可以较好地抑制电网故障所引发的电压骤降对转子电流影响，增强系统对转子电流的控制能力；③不依赖系统的精确模型，增强了对系统的控制精度。

Description

基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于ADRC(Active Disturbance Rejection Control——自抗扰控制器)的双馈风力发电系统转子解耦控制方法，基于自抗扰的本身优越特性及相对应双馈风机装置的特殊算法，对其转子电流进行解耦，属于电力系统中新能源风力发电控制技术领域。
背景技术
PID(Proportional-Integral-Derivative——比例-积分-微分控制器)控制是自动控制理论中历史最久、生命力最强的基本控制方式，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、参数调整方便而成为工业控制不可或缺的技术工具，在过程控制中占据着绝对的主导地位。在现代控制理论飞速发展的今天，运动控制、航天控制及其他工程控制领域仍有近90％的回路在应用PID控制策略。据最新的文献显示，在纸浆和造纸工业中PID控制器的应用甚至超过了98％。PID控制原理是基于过程误差生成消除误差的控制策略，它在工业控制中获得广泛应用的主要原因在于控制目标和对象实际行为之间的误差信号容易获得，基于误差的反馈策略也容易实现且不依赖于系统的精确模型。但是它对目标信号和实际行为信号的处理过于简单。PID控制的误差直接取为参考输入和系统间的差值，这种取法使初始误差较大，易引起超调。同时，在调节过程中参考输入v(t)常常不可微甚至不连续，而输出信号y(t)的测量又常常被噪声污染。因此，误差信号e(t)＝v(t)-y(t)按照经典定义通常不可微或其微分信号被噪声的导数淹没。此外，经典PID一般采用微分或超前网络近似实现微分信号，这种方式对噪声的放大作用很大，所得微分信号品质较差。此外，PID控制简单地采用了误差的比例、微分及积分的线性加权和形式得出控制量，这种线性配置不易解决快速性和超调的矛盾，所得出的控制量也不是全局最优解。同时，PID控制注重于通过消除误差以控制过程却并不针对过程本身，如积分反馈实际上起着补偿被控系统时变量的作用，而并非对这个量进行估计并瞬时补偿，因而积分环节难以做到有的放矢，鲁棒性较差。面对这些问题，设计出一种新型控制器显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法，它可以克服现有技术的不足，采用自抗扰控制技术，极大地改善了风力发电系统在电网正常及电网故障等不同条件下的运行能力。
本发明的技术方案：一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法，其特征在于它包括如下步骤：第1步：双馈风机需进行数学模型化并由以下公式得到构成：采用电动机惯例建立同步旋转坐标系下标么值形式的双馈发电机五阶模型，其中电压方程可以写为：
Figure GDA0002371660460000031
磁链方程标么值形式为：
Figure GDA0002371660460000032
式中
Figure GDA0002371660460000033
us、ur分别为定子、转子端电压；Rs、Rr分别为定子、转子电阻；is、ir分别为定、转子电流；Ls、Lr为定、转子自感；Lm为励磁电感；ψs、ψr分别为定、转子磁链；Wr为转子旋转角速度；Ws为定子电流角频率；Wslip为转差电角速度；
则上述电压方程可改写为：
Figure GDA0002371660460000034
第2步：若不考虑电网电压的动态变化即假定电网电压及定子磁链恒定，则双馈电机五阶模型简化为三阶，简化后转子电压方程为：
Figure GDA0002371660460000035
在忽略定子电阻Rs的情况下，定子电压矢量与定子磁链矢量间有如下的近似关系us＝Rs·is+jψs≈jψs
采用定子电压定向矢量控制方案即同步旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量us时，有
Figure GDA0002371660460000041
从而可以得出转子电流与转子电压间关系为：
Figure GDA0002371660460000042
由以上分析可知，在假设电网电压恒定的前提下可忽略定子磁链的动态过程将电机模型由五阶简化为三阶；
第3步：进行自抗扰控制器设计：
自抗扰控制器包括TD、ESO以及NLSEF三部分组成；其具体设计步骤包括：
自抗扰控制器包括TD、ESO以及NLSEF三部分组成；其具体设计步骤包括：
(1)在进行双馈风机模型化时，采用五阶数学模型；将从跟踪微分器TD得出d轴转子电流参考值的跟踪值，ird_ref作为自抗扰控制器的输入端，并与扩张状态观测器ESO估计出来的风电系统模型的输出值z21d做比较；其中，风电系统模型输出端的转子电流ir在d轴分量的实际值ird及控制信号urd_ref的b0倍作为扩张状态观测器ESO的两个输入端；取转子电流反馈得出状态误差构成非线性控制率，参数b0是补偿强弱的补偿因子，作为可调参数来用；并通过前馈环节对扩张状态观测器得出的扰动估计值进行补偿，进而计算得到转子电压的给定值；
(2)步骤(1)中得到的输出信号再经过非线性反馈控制率NLSEF与扩张状态观测器ESO估计出来的风电系统模型的外界和内部总扰动z22d的1/b0做比较，得到风电系统模型的控制信号urd_ref；
第4步：双馈风机的双pwm变换器采用平均值模型，网侧PWM变换器与电网相连，并通过空间矢量调制策略可以实现功率因数为1；而与转子相连侧的功率因数由控制要求决定，这样电网需要的无功功率全部由双馈电机定子侧提供；
第5步：对双馈风力发电系统参数进行设定，将双馈风机输出的有功功率P*作为给定值，而无功功率Q*可根据实际负荷大小而确定，同时也将无功功率Q*作为给定值；
第6步：将检测到的有功功率实际值P、无功功率实际值Q作为自抗扰控制器的反馈，而给定的有功功率P*、无功功率Q*及有功功率实际值P、无功功率实际值Q作为自抗扰控制器中TD环节的输入，而在步骤3当中的风电系统模型的转子电流ir在d轴分量的实际值ird作为自抗扰控制器的输出，然后对双馈风力发电系统的电流矢量ird进行坐标反变换为转子电压，并加在转子上即可实现功率解耦控制。
所述第2步中的的矢量控制技术是利用d-q旋转坐标变换，将定子三相电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，在调速的过程中保持励磁电流分量不变，此时就可以模拟直流电机的转矩控制规律，通过控制转矩电流分量来控制电磁转矩进行调速。
本发明的工作原理：结合基于ADRC风力发电转子解耦控制系统图(见图1)，变频器与电网相连侧通过空间矢量调制策略可以实现功率因数为1，与转子相连侧的功率因数由控制要求决定。这样电网需要的无功功率全部由双馈电机定子侧提供，并通过构建特殊算法，使装置可有效地观测出电网电压的扰动及交叉耦合并加以前馈补偿，削弱其对控制性能的影响；同时在自抗扰控制器中用配置非线性结构代替PID控制中的线性加权和形式，构成非线性状态误差反馈控制率，从而实现了功率解耦控制，并在很大程度上也提高了抑制转子电流波动的能力。
本发明的优越性在于：①硬件装置设计简单、易于实现；②提出基于自抗扰控制理论的双馈风机转子解耦的控制方法，通过自抗扰控制器对d、q轴进行解耦，可以较好地抑制电网故障所引发的电压骤降对转子电流影响，增强系统对转子电流的控制能力；③利用扩张状态观测器，使其不再依赖系统的精确模型，在很大程度上增强了对系统的控制精度。
附图说明
图1为本发明所涉一种基于ADRC的双馈风力发电系统的结构示意图。
图2为本发明所涉一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法中双馈风力发电系统转子电流自抗扰控制器结构示意图。
图3为本发明所涉一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法中定子有功功率、无功功率阶跃相应仿真示意图。
图4为本发明所涉一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法中定子电压扰动时转子电流d轴分量ird动态特性仿真示意图。
图5为本发明所涉一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法中定子电压扰动时转子电流q轴分量ird动态特性仿真示意图。
图6为本发明所涉一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法中定子电压扰动时电磁转矩Te动态特性仿真示意图。
具体实施方式
实施例：一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法(见图1)，其特征在于它包括如下步骤：
第1步：双馈风机需进行数学模型化并由以下公式得到构成：采用电动机惯例建立
同步旋转坐标系下标么值形式的双馈发电机五阶模型，其中电压方程可以写为：
Figure GDA0002371660460000071
磁链方程标么值形式为：
Figure GDA0002371660460000072
式中
Figure GDA0002371660460000073
us、ur分别为定子、转子端电压；Rs、Rr分别为定子、转子电阻；is、ir分别为定、转子电流；Ls、Lr为定、转子自感；Lm为励磁电感；ψs、ψr分别为定、转子磁链；Wr为转子旋转角速度；Ws为定子电流角频率；Wslip为转差电角速度；
则上述电压方程可改写为：
Figure GDA0002371660460000074
第2步：若不考虑电网电压的动态变化即假定电网电压及定子磁链恒定，则双馈电机五阶模型简化为三阶，简化后转子电压方程为：
Figure GDA0002371660460000081
在忽略定子电阻Rs的情况下，定子电压矢量与定子磁链矢量间有如下的近似关系
us＝Rs·is+jψs≈jψs
采用定子电压定向矢量控制方案即同步旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量us时，有
Figure GDA0002371660460000082
从而可以得出转子电流与转子电压间关系为：
Figure GDA0002371660460000083
由以上分析可知，在假设电网电压恒定的前提下可忽略定子磁链的动态过程将电机模型由五阶简化为三阶；
第3步：进行自抗扰控制器设计(见图2)：
自抗扰控制器包括TD、ESO以及NLSEF三部分组成；其具体设计步骤包括：
(1)将从跟踪微分器TD得出d轴转子电流参考值的跟踪值ird_ref作为自抗扰控制器的输入端，并与扩张状态观测器ESO估计出来的风电系统模型的输出值z21d做比较；其中，风电系统模型输出端的转子电流ir在d轴分量的实际值ird及控制信号urd_ref的b0倍作为扩张状态观测器ESO的两个输入端；参数b0是补偿强弱的补偿因子，作为可调参数来用；
(2)步骤(1)中得到的输出信号再经过非线性反馈控制率NLSEF与扩张状态观测器ESO估计出来的风电系统模型的外界和内部总扰动z22d的1/b0做比较，得到风电系统模型的控制信号urd_ref；
第4步：网侧PWM变换器与电网相连，并通过空间矢量调制策略可以实现功率因数为1；而与转子相连侧的功率因数由控制要求决定，这样电网需要的无功功率全部由双馈电机定子侧提供；
第5步：对双馈风力发电系统参数进行设定，将双馈风机输出的有功功率P*作为给定值，而无功功率Q*可根据实际负荷大小而确定，同时也将无功功率Q*作为给定值；
第6步：将检测到的有功功率实际值P、无功功率实际值Q作为自抗扰控制器的反馈，而给定的有功功率P*、无功功率Q*及有功功率实际值P、无功功率实际值Q作为自抗扰控制器中TD环节的输入，而在步骤3当中的风电系统模型的转子电流ir在d轴分量的实际值ird作为自抗扰控制器的输出，然后对双馈风力发电系统的电流矢量ird进行坐标反变换为转子电压，并加在转子上即可实现功率解耦控制。
所述第2步中的的矢量控制技术是利用d-q旋转坐标变换，将定子三相电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，在调速的过程中保持励磁电流分量不变，此时就可以模拟直流电机的转矩控制规律，通过控制转矩电流分量来控制电磁转矩进行调速。
一种基于自抗扰控制器的双馈风力发电系统转子解耦控制装置(见图1)，以d轴为例的双馈风力发电系统转子电流自抗扰控制器结构图(见图2)，以下结合附图介绍装置通过自抗扰控制器进行定子解耦的具体设计过程。
步骤(1)：在进行双馈风机模型化时，采用五阶数学模型，双馈风机的双pwm变换器采用平均值模型。
步骤(2)：进行自抗扰控制器设计，使得跟踪微分器得出d、q轴转子电流参考值的跟踪值，安排合理的过渡过程以降低输出超调量。同时，取转子电流反馈得出状态误差构成非线性控制率，并通过前馈环节对扩张状态观测器得出的扰动估计值进行补偿，进而计算得到转子电压的给定值。
步骤(3)：变频器与电网相连侧通过空间矢量调制策略可以实现功率因数为1,与转子相连侧的功率因数由控制要求决定。这样电网需要的无功功率全部由双馈电机定子侧提供。
步骤(4)：对双馈风机参数进行设定：额定功率：2MW，额定电压：690v，额定角功率：314rad/s，定子电阻：0.00488p.u，转子电阻：0.00549p.u，定子自感：4.0452p.u，转子自感：4.05234p.u，励磁电感：3.95279p.u，转动惯量时间常数：3.5s。
步骤(5)：在电网电压无扰动时，双馈风力发电系统运行稳定，设其转速为1.1p.u，此时系统运行于超同步状态，电机定子和转子均向电网馈电。由于发电机转动惯量时间常数较大，动态过程中转速变化速度远远小于系统电气量变化速度。因此，在调节过程中转速设为恒定。
图3反映的是在0.5s时刻，定子无功功率给定值由0p.u跳升至0.2p.u；0.8s时刻定子有功功率给定值由1p.u降至0.38p.u，并且从图中可以看出，电网电压稳定时，通过算法设计的特殊装置能够准确估计出d、q轴耦合项并予以补偿，实现系统的精确解耦。
图4、图5、图6反映的是与PID控制相比，自抗扰控制对转子电流的控制能力较强，在电网电压骤降时转子电流波动幅值小、调节时间短、稳定速度快，在同等条件下能够避免保护转置动作、保持系统与电网的连接；同时，该设计的特殊装置能够减小电磁转矩波动幅值，削弱传动系统的疲劳负载、降低齿轮箱机械载荷。

Claims (2)

1.一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法，其特征在于它包括如下步骤：
第1步：双馈风机需进行数学模型化并由以下公式得到构成：采用电动机惯例建立同步旋转坐标系下标么值形式的双馈发电机五阶模型，其中电压方程写为：
Figure FDA0002371660450000011
磁链方程标么值形式为：
Figure FDA0002371660450000012
式中
Figure FDA0002371660450000013
us、ur分别为定子、转子端电压；Rs、Rr分别为定子、转子电阻；is、ir分别为定、转子电流；
Ls、Lr为定、转子自感；Lm为励磁电感；ψs、ψr分别为定、转子磁链；Wr为转子旋转角速度；Ws为
定子电流角频率；Wslip为转差电角速度；
则上述电压方程可改写为：
Figure FDA0002371660450000014
第2步：若不考虑电网电压的动态变化即假定电网电压及定子磁链恒定，则双馈电机五阶模型简化为三阶，简化后转子电压方程为：
Figure FDA0002371660450000021
在忽略定子电阻Rs的情况下，定子电压矢量与定子磁链矢量间有如下的近似关系us＝Rs·is+jψs≈jψs
采用定子电压定向矢量控制方案即同步旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量us时，有
Figure FDA0002371660450000022
从而得出转子电流与转子电压间关系为：
Figure FDA0002371660450000023
由以上分析可知，在假设电网电压恒定的前提下可忽略定子磁链的动态过程将电机模型由五阶简化为三阶；
第3步：进行自抗扰控制器设计：
自抗扰控制器包括TD、ESO以及NLSEF三部分组成；其具体设计步骤包括：
(1)在进行双馈风机模型化时，采用五阶数学模型；将从跟踪微分器TD得出d轴转子电流参考值的跟踪值ird_ref作为自抗扰控制器的输入端，并与扩张状态观测器ESO估计出来的风电系统模型的输出值z21d做比较；其中，风电系统模型输出端的转子电流ir在d轴分量的实际值ird及控制信号urd_ref的b0倍作为扩张状态观测器ESO的两个输入端；取转子电流反馈得出状态误差构成非线性控制率，参数b0是补偿强弱的补偿因子，作为可调参数来用；并通过前馈环节对扩张状态观测器得出的扰动估计值进行补偿，进而计算得到转子电压的给定值；
(2)步骤(1)中得到的输出信号再经过非线性反馈控制率NLSEF与扩张状态观测器ESO估计出来的风电系统模型的外界和内部总扰动z22d的1/b0做比较，得到风电系统模型的控制信号urd_ref；
第4步：双馈风机的双pwm变换器采用平均值模型，网侧PWM变换器与电网相连，并通过空间矢量调制策略实现功率因数为1；而与转子相连侧的功率因数由控制要求决定，这样电网需要的无功功率全部由双馈电机定子侧提供；
第5步：对双馈风力发电系统参数进行设定，将双馈风机输出的有功功率P*作为给定值，而无功功率Q*可根据实际负荷大小而确定，同时也将无功功率Q*作为给定值；
第6步：将检测到的有功功率实际值P、无功功率实际值Q作为自抗扰控制器的反馈，而给定的有功功率P*、无功功率Q*及有功功率实际值P、无功功率实际值Q作为自抗扰控制器中TD环节的输入，而在步骤3当中的风电系统模型的转子电流ir在d轴分量的实际值ird作为自抗扰控制器的输出，然后对双馈风力发电系统的电流矢量ird进行坐标反变换为转子电压，并加在转子上即可实现功率解耦控制。
2.根据权利要求1所述一种基于ADRC的双馈风力发电系统转子解耦控制方法，其特征在于所述第2步中的的矢量控制技术是利用d-q旋转坐标变换，将定子三相电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，在调速的过程中保持励磁电流分量不变，此时就能够模拟直流电机的转矩控制规律，通过控制转矩电流分量来控制电磁转矩进行调速。
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