CN112003525A - 一种矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器,包括跟踪微分器、扩张状态观测器及非线性误差反馈控制律;所述跟踪微分器、扩张状态观测器及非线性误差反馈控制律分别采用一种结合抗抖振因子函数的改进型fal函数,称为Gfal函数,Gfal函数既具有“小误差大增益、大误差小增益”的快速收敛特性,又可提高自抗扰控制器的抗抖振性能,从而克服了风力发电系统转速响应速度和超调性之间的矛盾,缓和用不能连续变化的发电机转速去跟随不连续变化的风机转速阶跃给定的矛盾,提高了风力发电系统在不同风速下的工作稳定性和所发电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域,具体地说是涉及一种矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器。
背景技术
永磁同步电机的控制技术中,矢量控制具有控制灵活、工作效率高等优点,因而获得了广泛应用。矢量控制系统中,自抗扰调节是一种可以估计并补偿不确定因素的控制技术,它具有不依赖于系统模型、使用灵活等优点。目前,自抗扰控制技术已经广泛地应用于电机控制、电力系统等各个领域,具有比传统PI调节器更好的鲁棒性能和动态性能。自抗扰调节器的关键部分是fal函数,传统fal函数在用于自抗扰调节器时对于不同的情况适应性较差,即抗抖振性能较差。
发明内容
为解决上述问题,本发明提出一种矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器,克服了风力发电系统转速响应速度和超调性之间的矛盾,缓和用不能连续变化的发电机转速去跟随不连续变化的风机转速阶跃给定的矛盾,提高了风力发电系统在不同风速下的工作稳定性和所发电能质量。
技术方案:本发明提出一种矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器,包括自抗扰调节模块;所述自抗扰调节模块由跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性误差反馈控制律三部分组成;
所述跟踪微分器采用一阶Gfal函数构造,其表达式为:
式(1)中:Gfal函数为非线性函数,为经过跟踪微分器求出的一阶导数跟踪信号,ω*为跟踪微分器输出信号,a1为跟踪微分器中表征Gfal函数非线性强度的参数,δ1为跟踪微分器中表征Gfal函数线性区间大小的参数;k1为系统参数,决定系统对量测信号的追踪过程。
所述Gfal函数是包含抗抖振因子函数的改进型fal函数,其表达式为:
式(2)中:x为输入信号,a为表征Gfal函数非线性强度的参数,δ为表征Gfal函数线性区间大小的参数,G(x)为抗抖振因子函数,其表达式为:
式(3)中:v为抖振因子,且v>0。
进一步,所述扩张状态观测器状态方程为:
新增状态变量fω表达式为:
式(5)中:Tm为风机机械转矩,B为转动的粘滞系数,J为发电机转动惯量,ω为转子转速,b为转矩系数,b0代表转矩系数b的近似值,为选取的系数,转矩系数b表达式为:
式(6)中:p为电机极对数,ψf为转子永磁体磁链;
式(5)所示新增状态变量fω除包含系统的输出变量,即电机转速ω外,还包括了系统的各项扰动,如外界干扰、转矩系数b取值不准确产生的误差等等。
将式(4)中新增状态变量fω用Gfal函数来实现,扩张状态观测器中设计的非线性状态观测器方程为:
式(7)中,为转子转速ω的观测量,为新增状态变量fω的观测量,k2、k3为系统参数,决定系统对观测量的追踪过程,a2为扩张状态观测器中Gfal函数非线性强度参数;δ2为表征Gfal函数线性区间大小的参数。
进一步,所述非线性误差反馈控制律对跟踪微分器输出的转速给定值ω*和扩张状态观测器输出的转速状态量观测值之间的误差用一阶非线性反馈控制律产生所需的控制量u0,并对扰动量进行前馈补偿,一阶非线性反馈控制律非线性误差反馈控制律为:
式(8)中,k4、a3、δ3分别为非线性误差反馈控制律中Gfal函数的系统参数、非线性强度参数与线性区间大小参数。
前馈补偿后得到的转矩电流给定值iq*为::
进一步,还包括风力机最大功率跟踪模块和电机转速测量模块;所述的风力机最大功率跟踪模块输出风力机获得最大功率所需要的转速,作为电机转速的设定值ωset,电机转速测量模块实时测得电机转速ω;所述自抗扰调节模块对电机转速设定值ωset和实际值ω之间的偏差进行非线性自抗扰调节和前馈补偿处理,最终得到需要控制的电机转矩电流给定值iq*。
有益效果:本发明中,矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器的跟踪微分器、扩张状态观测器及非线性误差反馈控制律,分别采用一种结合抗抖振因子函数的改进型fal函数,称为Gfal函数,Gfal函数既具有“小误差大增益、大误差小增益”的快速收敛特性,又可提高自抗扰控制器的抗抖振性能;从而克服了风力发电系统转速响应速度和超调性之间的矛盾,缓和用不能连续变化的发电机转速去跟随不连续变化的风机转速阶跃给定的矛盾,提高了风力发电系统在不同风速下的工作稳定性和所发电能质量。
附图说明
图1为速度环采用自抗扰调节器的永磁同步风力发电矢量控制系统原理图;
图2为符号函数sgn(x)的波形;
图3为抗抖振因子函数G(x)的波形;
图4为速度环采用PI调节器的永磁同步风力发电矢量控制系统原理图;
图5为速度环采用自抗扰调节器的永磁同步风力发电矢量控制系统直流母线电压;
图6为速度环采用PI调节器的永磁同步风力发电矢量控制系统直流母线电压。
具体实施方式
图1为速度环采用自抗扰调节器的永磁同步风力发电矢量控制系统原理图,永磁同步风力发电矢量控制系统由风力机、永磁同步风力发电机、机侧变流器和矢量控制器组成。风力机的机械能传给永磁同步风力发电机转换为电能,再经过机侧变流器转换为高压直流电Udc,图中点划线框中的矢量控制器,用于控制电机的交流电能转变为直流电能。永磁同步风力发电机的三相电流ia、ib、ic经过三相到两相旋转变换器变为id、iq,id、iq与给定值id *、iq *比较后,经过PI调节,得到两相旋转坐标中的电压ud、uq,再减去ud、uq的偏差值Δud、Δuq,得到两相旋转坐标中的电压给定值ud *、uq *,再经过两相旋转坐标到两相静止坐标的变换,得到两相静止坐标系中的电压值uα、uβ,空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector PulseWidth Modulation,SVPWM)模块根据uα、uβ组成的电压矢量发出机侧变流器的控制信号。
本发明的一种矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器如图1中粗虚线框内所示,包括风力机最大功率跟踪模块、电机转速测量模块、自抗扰调节模块;所述的风力机最大功率跟踪模块输出风力机获得最大功率所需要的转速,作为电机转速的设定值ωset,测量模块实时测得电机转速ω,自抗扰调节模块对永磁同步电机转速设定值ωset和实际值ω之间的偏差进行非线性自抗扰调节和前馈补偿处理,最终得到需要控制的电机转矩电流给定值iq*;
所述自抗扰调节模块由跟踪微分器(Tracking Differentiator,TD)、扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)、非线性误差反馈控制律(Nonlinear State ErrorFeedback,NLSEF)三部分组成;
选取速度环控制变量即转矩电流给定值iq*作为所述自抗扰调节器的目标控制量,将永磁同步风力发电机转速ω作为扩张状态观测器ESO的输入,经过风力机最大功率跟踪模块得出的转速值ωset作为跟踪微分器TD的输入,跟踪微分器TD用于合理安排ωset的过渡过程,并进行一阶求导,以实现对ωset的快速无超调跟踪,缓和用不能连续变化的发电机转速ω去跟随不连续变化的风机转速阶跃给定ωset的矛盾。
非线性误差反馈控制律NLSEF将TD输出的电机转速给定值ω*和ESO输出的电机转速观测量的误差,利用fal函数的“小误差大增益、大误差小增益”的经验数学拟合及快速收敛特性,进行非线性误差反馈控制和前馈补偿处理,使转速环对外界变化的风速和扰动具有良好的鲁棒性和适应性,最终得到需要控制的转矩电流给定值iq*。
自抗扰控制器的关键部分是fal函数,传统fal函数为:
式中:x为输入信号,sgn(x)为符号函数,定义为:
符号函数sgn(x)的波形表示如图2所示,由于符号函数sgn(x)在x=0时呈现阶跃性,且在零点左右所取值唯一,所以将其用于自抗扰调节器时对于不同的情况适应性较差,即抗抖振性能较差。
本发明提出一种结合抗抖振因子函数的改进型fal函数,称为Gfal函数,分别用于跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈控制律NLSEF中,Gfal函数既具有“小误差大增益、大误差小增益”的快速收敛特性,又可提高自抗扰控制器的抗抖振性能,提高整个风力发电系统的稳定性和可靠性。
所述跟踪微分器TD采用一阶Gfal函数构造,其表达式为:
式(1)中:Gfal函数为非线性函数,为经过跟踪微分器TD求出的一阶导数跟踪信号,ω*为TD输出信号,a1为TD中表征Gfal函数非线性强度的参数,δ1为TD中表征Gfal函数线性区间大小的参数;k1为系统参数,决定系统对量测信号的追踪过程。
所述Gfal函数是包含抗抖振因子函数的改进型fal函数,其表达式为:
式(2)中:x为输入信号,a为表征Gfal函数非线性强度的参数,δ为表征Gfal函数线性区间大小的参数,G(x)为抗抖振因子函数,其表达式为:
式(3)中:v为抖振因子,且v>0,取v=1,抗抖振因子函数G(x)的波形表示如图3所示。
比较图2和图3可见,抗抖振因子函数G(x)在x=0点两侧的取值呈现渐近性,抗抖振性能优于符号函数sgn(x)。
所述扩张状态观测器ESO状态方程为:
新增状态变量fω表达式为:
式(5)中:Tm为风机机械转矩,B为转动的粘滞系数,J为发电机转动惯量,ω为转子转速,b为转矩系数,b0为选取的系数,代表转矩系数b的近似值,转矩系数b表达式为:
式(6)中:p为电机极对数,ψf为转子永磁体磁链;
式(5)所示新增状态变量fω除包含系统输出变量,即电机转速ω外,还包括了系统的各项扰动,如外界干扰、转矩系数b取值不准确产生的误差等等。
将式(4)中新增状态变量fω用Gfal函数来实现,ESO中设计的非线性状态观测器方程为:
所述非线性误差反馈控制律NLSEF对跟踪微分器TD输出的转速给定值ω*和扩张状态观测器ESO输出的转速观测量之间的误差用一阶非线性误差反馈控制得到所需的控制量u0,非线性误差反馈控制律NLSEF用Gfal函数产生:
式(8)中,k4、a3、δ3分别为NLSEF中Gfal函数的系统参数、非线性强度参数与线性区间大小的参数。
前馈补偿后得到的转矩电流给定值iq*为:
为了证明矢量控制永磁同步风力发电系统转速环采用自抗扰控制器后系统所发电能质量的提高,将永磁同步风力发电系统转速环采用自抗扰控制器和采用PI调节器进行了实验对比。
速度环采用PI调节器的永磁同步风力发电矢量控制系统原理图如图4所示。
速度环采用自抗扰调节器的的永磁同步风力发电矢量控制系统直流母线电压Udc波形如图5所示。
在同样的转速设定值ωset下,速度环采用PI调节器的永磁同步风力发电机矢量控制系统直流母线电压Udc波形如图6所示。
可见将本发明的速度环自抗扰调节器应用于矢量控制永磁同步风力发电系统中,直流母线电压建立过程无超调,稳态运行电压波动小,证明了本发明的有效性。
Claims (4)
1.一种矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器,包括自抗扰调节模块;所述自抗扰调节模块由跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性误差反馈控制律三部分组成;其特征在于:
所述跟踪微分器采用一阶Gfal函数构造,其表达式为:
式(1)中:Gfal函数为非线性函数,为经过跟踪微分器求出的一阶导数跟踪信号,ω*为跟踪微分器输出信号,a1为跟踪微分器中表征Gfal函数非线性强度的参数,δ1为跟踪微分器中表征Gfal函数线性区间大小的参数;k1为系统参数,决定系统对量测信号的追踪过程;
所述Gfal函数是包含抗抖振因子函数的改进型fal函数,其表达式为:
式(2)中:x为输入信号,a为表征Gfal函数非线性强度的参数,δ为表征Gfal函数线性区间大小的参数,G(x)为抗抖振因子函数,其表达式为:
式(3)中:v为抖振因子,且v>0。
2.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器,其特征在于:所述扩张状态观测器状态方程为:
式(4)中:x1为电机转速ω,x2为新增状态变量fω,u为电机转矩电流iq,
新增状态变量fω表达式为:
式(5)中:Tm为风机机械转矩,B为转动的粘滞系数,J为发电机转动惯量,ω为转子转速,b为转矩系数,b0代表转矩系数b的近似值,为选取的系数,转矩系数b表达式为:
式(6)中:p为电机极对数,ψf为转子永磁体磁链;
式(5)所示新增状态变量fω除包含系统的输出变量,即电机转速ω外,还包括了系统的各项扰动,如外界干扰、转矩系数b取值不准确产生的误差等等。
将式(4)中新增状态变量fω用Gfal函数来实现,扩张状态观测器中设计的非线性状态观测器方程为:
4.根据权利要求3所述的矢量控制永磁同步风力发电系统转速环自抗扰调节器,其特征在于:还包括风力机最大功率跟踪模块和电机转速测量模块;所述的风力机最大功率跟踪模块输出风力机获得最大功率所需要的转速,作为电机转速的设定值ωset,电机转速测量模块实时测得电机转速ω;所述自抗扰调节模块对电机转速设定值ωset和实际值ω之间的偏差进行非线性自抗扰调节和前馈补偿处理,最终得到需要控制的电机转矩电流给定值iq*。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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