CN114928281A - 基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法，属于风力发电技术领域。本发明所述自抗扰方法针对电网电压跌落瞬间扩张状态观测器扰动估计不足问题，在扰动估计中引入一定的暂态分量，该方法对扩张状态观测器进行改进，可以实现扰动估计速度与精度的进一步提升，提高故障下电压控制型双馈感应电机的转子过电流抑制能力，降低对暂态磁链观测准确性的依赖，具有较好的鲁棒性。

Description

基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体的，涉及一种基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法。

技术背景

随着可再生能源研究的深入，风力发电也得到了快速发展，其中以双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)为基础的风力发电系统，因其出色的特性得到广泛研究和应用。电压控制型双馈感应发电机(VC-DFIG)具有良好的电压、频率支撑能力，其定子电压、转子电流双闭环结构有助于维持电压稳定，因而更适合弱电网下运行。

而在电网对称故障下电压控制型双馈感应发电机的控制环节无法在短时间内对扰动做出响应，无法产生对应的暂态电压，将会产生较大的转子过电流。

针对电压源型双馈风力发电机电网对称故障下的转子过电流问题，根据已有公开的参考文献，针对扰动的抑制问题已有以下研究：

文献1“Wang S,Shang L.Fault Ride Through Strategy of Virtual-Synchronous-Controlled DFIG-Based Wind Turbines Under Symmetrical Grid Faults[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2020,35(3):1360-1371”(“电网对称故障下基于双馈风力发电机虚拟同步控制的故障穿越策略”，《IEEE能源转换学报》，2020年第35卷第3期1360-1371页)对于电压源型双馈风力发电机的故障电流问题，提出虚拟电阻和限流相结合的方法，保证了双馈电机在电网对称故障下的正常工作,但是该策略主要针对是加快暂态衰减速度，转子过电流抑制效果不理想。

文献2“程雪坤,孙旭东,柴建云,等.电网对称故障下双馈风力发电机的虚拟同步控制策略[J].电力系统自动化,2017,41(20):47-54”针对虚拟同步控制策略下双馈感应电机的在电网对称故障时存在的转子过流问题，提出在转子电压处补偿一定的暂态分量，有效抑制了转子过电流，但是所提策略依赖于暂态磁链观测的准确性，鲁棒性较差。

文献3“王海强,黄海.扩张状态观测器的性能与应用[J].控制与决策,2013,28(07):1078-1082”对扩张状态观测器进行了更深入的探究。扩张状态观测器作为自抗扰的核心组成部分，其通过对输出信息对扰动进行主动估计和补偿从而达到消除扰动的目的。而针对压源型双馈风力发电机电网对称故障下的自抗扰扰动估计和补偿能力还没有进行深入研究。

综上所述，在电压源型双馈风力发电机电网对称故障下，对扰动进行估计并采取抑制措施，现有技术中还存在以下问题：

1、虚拟同步控制可以保证双馈风力发电机在电网对称故障下正常工作，但是转子过电流抑制效果不理想。

2、抑制扰动的同时不能保证暂态磁链观测的准确性。

3、针对使用扩张状态观测器对双馈风力发电机转子过电流抑制的研究并不深入，以往的暂态补偿策略是在转子电压处补偿一定的暂态分量，但是补偿效果受电网稳定性和电机参数影响较大，鲁棒性较差。

发明内容

本发明为解决电网电压跌落瞬间扩张状态观测器扰动估计不足的问题，提出基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法，在扰动估计中引入一定的暂态分量，实现对转子过电流的抑制。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法，包括以下步骤：

步骤1，数据采样和数据转换

采样双馈发电机定子三相电压U_sa,U_sb,U_sc，采样双馈发电机定子三相电流i_sa,i_sb,i_sc，采样双馈发电机转子三相电流i_ra,i_rb,i_rc，采样定子角频率ω_s，采样电网额定角频率ω₀，采样转子角速度ω_r；

将所述双馈发电机定子三相电压U_sa,U_sb,U_sc进行同步旋转坐标变换，得到定子电压d轴分量u_sd和定子电压q轴分量u_sq；将所述双馈发电机定子三相电流i_sa,i_sb,i_sc进行同步旋转坐标变换，得到定子电流d轴分量i_sd和定子电流q轴分量i_sq；将所述双馈发电机转子三相电流i_ra,i_rb,i_rc进行同步旋转坐标变换，得到转子电流d轴分量i_rd和转子电流q轴分量i_rq；对所述转子角速度ω_r进行积分运算，得到转子旋转角度θ_r；

步骤2，功率计算与滤波

进行功率计算得到定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′：

利用低通滤波器对定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′进行低通滤波，得到经过低通滤波后的有功功率P和经过低通滤波后的无功功率Q：

式中，ω_f为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；

步骤3，参考值计算

采用以定子电压q轴定向的矢量控制策略，计算网侧变流器自发角频率指令ω^*、d轴电压指令分量

和q轴电压指令分量

式中，P_ref为有功功率给定值，Q_ref为无功功率给定值，U₀为并网点的额定电压，J为惯性系数，D为阻尼系数，K_ω为有功调节系数，n为无功调节系数；

计算得到网侧变流器自发角度θ_s和转差角度θ_ls：

步骤4，电压控制环

通过电压环调节器PI进行电压环控制，得到转子电流指令q轴分量i_rq ^*和转子电流指令d轴分量i_rd ^*：

式中，K_pu为电压环调节器PI的比例控制系数，K_iu为电压环调节器PI的积分控制系数,u_ref为电压参考值；

利用扩张状态观测器获取上一采样周期的转子电流d轴分量观测值

和上一采样周期的转子电流q轴分量观测值

经过比例控制器K_p进行转子状态误差控制，得到转子状态误差控制律d轴分量u_rd0和转子状态误差控制律q轴分量u_rq0：

式中，K_pd为比例控制器K_p的d轴增益系数，K_pq为比例控制器K_p的q轴增益系数；

步骤5，改进自抗扰转子电流环

步骤5.1定义非线性函数fal(e,α,δ)：

式中，α为非线性因子，δ为线性段间隔长度，e为函数误差值；

计算转子电流d轴分量的误差值e_d和转子电流q轴分量的误差值e_q，其计算式分别如下：

计算得到d轴扰动量观测值

和q轴扰动量观测值

式中，β₀₂为观测器d轴扰动增益系数，β₀₄为观测器q轴扰动增益系数，α₂为d轴扰动非线性因子，α₄为q轴扰动非线性因子，δ₂为d轴扰动线性段间隔长度，δ₄为q轴扰动线性段间隔长度；

步骤5.2，引入电网对称故障下的暂态磁链分量，并根据双馈发电机参数计算得到d轴已知扰动f_d0和q轴已知扰动f_q0：

式中，k₁为已知扰动系数，j为方向向量，L_m为互感，L_s为定子电感，ψ_std为暂态磁链d轴分量，ψ_stq为暂态磁链q轴分量；

步骤5.3，计算转子电压d轴分量u_rd和转子电压q轴分量u_rq：

式中，b₀为控制放大系数；

步骤5.4，计算d轴电流环反馈量和q轴电流环反馈量，并分别记为转子电流d轴分量观测值

和转子电流q轴分量观测值

式中，β₀₁为观察器d轴误差处理增益系数、β₀₃为观察器q轴误差处理增益系数，α₁为d轴误差处理扰动非线性因子，α₃为q轴误差处理扰动非线性因子，δ₁为d轴误差处理扰动线性段间隔长度，δ₃为q轴误差处理扰动线性段间隔长度；

所述转子电流d轴分量观测值

和转子电流q轴分量观测值

用于下一采样周期的运算，以形成闭环；

步骤6，开关信号生成

将所述转子电压d轴分量u_rd和转子电压q轴分量u_rq经过PWM调制生成逆变器功率器件的开关信号S_a，S_b，S_c，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、针对电网电压跌落瞬间扩张状态观测器扰动估计不足问题，在扰动估计中引入一定的暂态分量。一方面，实现扰动估计速度与精度的进一步提升，提高故障下压源型双馈风力发电机的转子过电流抑制能力，另一方面，通过扩张状态观测器能对暂态分量变化所引起的扰动进行抑制，降低对暂态磁链观测准确性的依赖，具有较好的鲁棒性。

2、本发明通过扩张状态观测器针对常规自抗扰控制在故障下的扰动估计不足进行改进，将定子磁链获取的暂态分量作为已知扰动引入到扰动补偿中，进一步减小了电网对称故障下扰动补偿量与实际扰动量的偏差，提升故障下的扰动补偿速度和能力。

3、本发明在转子电流闭环控制中采用扩张状态观测器环节，不影响电压外环的控制结构，内环控制与常规的电流环PI调节控制结构类似，实现方式简便有效。

附图说明

图1为本发明自抗扰方法的流程图。

图2为本发明自抗扰方法的控制图。

图3为PI控制无暂态输入的转子三相电流仿真图。

图4为PI控制有暂态输入的转子三相电流仿真图。

图5为自抗扰控制有暂态输入的转子三相电流仿真图。

图6为PI控制无暂态输入的转子dq两相电流仿真图。

图7为PI控制有暂态输入的转子dq两相电流仿真图。

图8为自抗扰控制有暂态输入的转子dq两相电流仿真图。

具体实施方式

下面通过结合附图，对本发明进行详细说明。

在本实施例中，实验平台为11KW电压控制型双馈风电机组实验平台。电压源型双馈风电机组的组成包括风力机、双馈发电机、转子侧变流器和直流侧电容。转子侧变流器连接发电机转子，风力机捕捉的风能通过感应电机转换为电能注入电网。

所述双馈发电机为绕线式感应电动机，其额定参数为：额定转速1200r/min，定子额定电压380V，转子额定电压1070V，定子额定电流13.9A，转子额定电流6.8A，极对数为3对，定子电阻R_s＝0.69Ω，转子电阻R_r＝0.59Ω，定子电感L_s＝0.0748H，转子电感L_r＝0.0768H。该平台的电流波形由上位机采集。

本发明应用在电压源型双馈风电机组中，对于电网对称故障引起的短时间内工频衰减振荡的大扰动，ESO可能存在的扰动估计能力不足的问题，难以对扰动进行有效的估计和补偿，将由定子磁链模型获取的暂态分量作为已知扰动引入到扰动估计中，从而提出基于电压源型双馈风电机组的改进ADRC的控制方法。

图1为本发明自抗扰方法的流程图，图2为本发明自抗扰方法的控制图，由图1和图2可见，本发明基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法包括以下步骤：

步骤1，数据采样和数据转换

采样双馈发电机定子三相电压U_sa,U_sb,U_sc，采样双馈发电机定子三相电流i_sa,i_sb,i_sc，采样双馈发电机转子三相电流i_ra,i_rb,i_rc，采样定子角频率ω_s，采样电网额定角频率ω₀，采样转子角速度ω_r；

将所述双馈发电机定子三相电压U_sa,U_sb,U_sc进行同步旋转坐标变换，得到定子电压d轴分量u_sd和定子电压q轴分量u_sq；将所述双馈发电机定子三相电流i_sa,i_sb,i_sc进行同步旋转坐标变换，得到定子电流d轴分量i_sd和定子电流q轴分量i_sq；将所述双馈发电机转子三相电流i_ra,i_rb,i_rc进行同步旋转坐标变换，得到转子电流d轴分量i_rd和转子电流q轴分量i_rq；对所述转子角速度ω_r进行积分运算，得到转子旋转角度θ_r；

步骤2，功率计算与滤波

进行功率计算得到定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′：

利用低通滤波器对定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′进行低通滤波，得到经过低通滤波后的有功功率P和经过低通滤波后的无功功率Q：

式中，ω_f为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；

步骤3，参考值计算

采用以定子电压q轴定向的矢量控制策略，计算网侧变流器自发角频率指令ω^*、d轴电压指令分量

和q轴电压指令分量

式中，P_ref为有功功率给定值，Q_ref为无功功率给定值，U₀为并网点的额定电压，J为惯性系数，D为阻尼系数，K_ω为有功调节系数，n为无功调节系数；

计算得到网侧变流器自发角度θ_s和转差角度θ_ls：

步骤4，电压控制环

通过电压环调节器PI进行电压环控制，得到转子电流指令q轴分量i_rq ^*和转子电流指令d轴分量i_rd ^*：

式中，K_pu为电压环调节器PI的比例控制系数，K_iu为电压环调节器PI的积分控制系数,u_ref为电压参考值；

利用扩张状态观测器获取上一采样周期的转子电流d轴分量观测值

和上一采样周期的转子电流q轴分量观测值

经过比例控制器K_p进行转子状态误差控制，得到转子状态误差控制律d轴分量u_rd0和转子状态误差控制律q轴分量u_rq0：

式中，K_pd为比例控制器K_p的d轴增益系数，K_pq为比例控制器K_p的q轴增益系数；

步骤5，改进自抗扰转子电流环

步骤5.1定义非线性函数fal(e,α,δ)：

式中，α为非线性因子，δ为线性段间隔长度，e为函数误差值；

计算转子电流d轴分量的误差值e_d和转子电流q轴分量的误差值e_q，其计算式分别如下：

计算得到d轴扰动量观测值

和q轴扰动量观测值

式中，β₀₂为观测器d轴扰动增益系数，β₀₄为观测器q轴扰动增益系数，α₂为d轴扰动非线性因子，α₄为q轴扰动非线性因子，δ₂为d轴扰动线性段间隔长度，δ₄为q轴扰动线性段间隔长度；

步骤5.2，引入电网对称故障下的暂态磁链分量，并根据双馈发电机参数计算得到d轴已知扰动f_d0和q轴已知扰动f_q0：

式中，k₁为已知扰动系数，j为方向向量，L_m为互感，L_s为定子电感，ψ_std为暂态磁链d轴分量，ψ_stq为暂态磁链q轴分量；

步骤5.3，计算转子电压d轴分量u_rd和转子电压q轴分量u_rq：

式中，b₀为控制放大系数；

步骤5.4，计算d轴电流环反馈量和q轴电流环反馈量，并分别记为转子电流d轴分量观测值

和转子电流q轴分量观测值

式中，β₀₁为观察器d轴误差处理增益系数、β₀₃为观察器q轴误差处理增益系数，α₁为d轴误差处理扰动非线性因子，α₃为q轴误差处理扰动非线性因子，δ₁为d轴误差处理扰动线性段间隔长度，δ₃为q轴误差处理扰动线性段间隔长度；

所述转子电流d轴分量观测值

和转子电流q轴分量观测值

用于下一采样周期的运算，以形成闭环；

在本实施例中，所述闭环为电流控制环，环路中引入暂态分量及扰动。

步骤6，开关信号生成

将所述转子电压d轴分量u_rd和转子电压q轴分量u_rq经过PWM调制生成逆变器功率器件的开关信号S_a，S_b，S_c，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

步骤2-步骤3为图二中的功率外环部分；步骤5为图2中的ESO环节。

在本实施例中，所涉及的参数选择如下：ω_f＝25，K_pu＝0.1，b₀＝168，K_iu＝0.0009，α₁＝0.5，α₂＝0.5，α₃＝0.5，α₄＝0.5。，δ₁＝0.05，δ₂＝0.05，δ₃＝0.05，δ₄＝0.05，J＝0.003，D＝1000，K_ω＝1000，n＝0.04，P_ref＝11000，Q_ref＝0，U₀＝220。

为了佐证本发明的技术效果，对本发明进行了实验。

定义转子三相电流为i_rσ(σ＝a,b,c)，转子两相电流i_rξ(ξ＝d,q)，转子三相电流最大值为i_rmax，运行时间为t。

图3为本发明的PI控制无暂态输入的转子三相电流仿真图，横坐标为时间，纵坐标为转子电流值。

图4为本发明的PI控制有暂态输入的转子三相电流仿真图，横坐标为时间，纵坐标为转子电流值。

图5为本发明的自抗扰控制有暂态输入的转子三相电流仿真图，横坐标为时间，纵坐标为转子电流值。

图6为本发明的PI控制无暂态输入的转子dq两相电流仿真图，横坐标为时间，纵坐标为转子电流值。

图7为本发明的PI控制有暂态输入的转子dq两相电流仿真图，横坐标为时间，纵坐标为转子电流值。

图8为本发明的自抗扰控制有暂态输入的转子dq两相电流仿真图，横坐标为时间，纵坐标为转子电流值。

由图3、图4、图5可见，与未采用本发明的状态相比，采用本发明方法后，转子过电流幅值得到了显著抑制。

由图6、图7、图8可见，与未采用本发明的状态相比，采用本发明方法后，转子过电流抑制时间得到了有效减小。

Claims (1)

1.一种基于改进自抗扰的电压控制型双馈风电机组故障穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，数据采样和数据转换

采样双馈发电机定子三相电压U_sa,U_sb,U_sc，采样双馈发电机定子三相电流i_sa,i_sb,i_sc，采样双馈发电机转子三相电流i_ra,i_rb,i_rc，采样定子角频率ω_s，采样电网额定角频率ω₀，采样转子角速度ω_r；

将所述双馈发电机定子三相电压U_sa,U_sb,U_sc进行同步旋转坐标变换，得到定子电压d轴分量u_sd和定子电压q轴分量u_sq；将所述双馈发电机定子三相电流i_sa,i_sb,i_sc进行同步旋转坐标变换，得到定子电流d轴分量i_sd和定子电流q轴分量i_sq；将所述双馈发电机转子三相电流i_ra,i_rb,i_rc进行同步旋转坐标变换，得到转子电流d轴分量i_rd和转子电流q轴分量i_rq；对所述转子角速度ω_r进行积分运算，得到转子旋转角度θ_r；

步骤2，功率计算与滤波

进行功率计算得到定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′：

利用低通滤波器对定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′进行低通滤波，得到经过低通滤波后的有功功率P和经过低通滤波后的无功功率Q：

式中，ω_f为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；

步骤3，参考值计算

采用以定子电压q轴定向的矢量控制策略，计算网侧变流器自发角频率指令ω^*、d轴电压指令分量

和q轴电压指令分量

式中，P_ref为有功功率给定值，Q_ref为无功功率给定值，U₀为并网点的额定电压，J为惯性系数，D为阻尼系数，K_ω为有功调节系数，n为无功调节系数；

计算得到网侧变流器自发角度θ_s和转差角度θ_ls：

步骤4，电压控制环

通过电压环调节器PI进行电压环控制，得到转子电流指令q轴分量i_rq ^*和转子电流指令d轴分量i_rd ^*：

式中，K_pu为电压环调节器PI的比例控制系数，K_iu为电压环调节器PI的积分控制系数,u_ref为电压参考值；

利用扩张状态观测器获取上一采样周期的转子电流d轴分量观测值

和上一采样周期的转子电流q轴分量观测值

经过比例控制器K_p进行转子状态误差控制，得到转子状态误差控制律d轴分量u_rd0和转子状态误差控制律q轴分量u_rq0：

式中，K_pd为比例控制器K_p的d轴增益系数，K_pq为比例控制器K_p的q轴增益系数；

步骤5，改进自抗扰转子电流环

步骤5.1定义非线性函数fal(e,α,δ)：

式中，α为非线性因子，δ为线性段间隔长度，e为函数误差值；

计算转子电流d轴分量的误差值e_d和转子电流q轴分量的误差值e_q，其计算式分别如下：

计算得到d轴扰动量观测值

和q轴扰动量观测值

式中，β₀₂为观测器d轴扰动增益系数，β₀₄为观测器q轴扰动增益系数，α₂为d轴扰动非线性因子，α₄为q轴扰动非线性因子，δ₂为d轴扰动线性段间隔长度，δ₄为q轴扰动线性段间隔长度；

步骤5.2，引入电网对称故障下的暂态磁链分量，并根据双馈发电机参数计算得到d轴已知扰动f_d0和q轴已知扰动f_q0：

式中，k₁为已知扰动系数，j为方向向量，L_m为互感，L_s为定子电感，ψ_std为暂态磁链d轴分量，ψ_stq为暂态磁链q轴分量；

步骤5.3，计算转子电压d轴分量u_rd和转子电压q轴分量u_rq：

式中，b₀为控制放大系数；

步骤5.4，计算d轴电流环反馈量和q轴电流环反馈量，并分别记为转子电流d轴分量观测值

和转子电流q轴分量观测值

式中，β₀₁为观察器d轴误差处理增益系数、β₀₃为观察器q轴误差处理增益系数，α₁为d轴误差处理扰动非线性因子，α₃为q轴误差处理扰动非线性因子，δ₁为d轴误差处理扰动线性段间隔长度，δ₃为q轴误差处理扰动线性段间隔长度；

所述转子电流d轴分量观测值

和转子电流q轴分量观测值

用于下一采样周期的运算，以形成闭环；

步骤6，开关信号生成

将所述转子电压d轴分量u_rd和转子电压q轴分量u_rq经过PWM调制生成逆变器功率器件的开关信号S_a，S_b，S_c，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

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