基於ADRC的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法與流程
2023-12-04 15:50:11
(一)技術領域：
本發明涉及一種基於adrc(activedisturbancerejectioncontrol——自抗擾控制器)的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法，基於自抗擾的本身優越特性及相對應雙饋風機裝置的特殊算法，對其轉子電流進行解耦，屬於電力系統中新能源風力發電控制技術領域。
(二)
背景技術：
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pid(proportional-integral-derivative——比例-積分-微分控制器)控制是自動控制理論中歷史最久、生命力最強的基本控制方式，它以結構簡單、穩定性好、工作可靠、參數調整方便而成為工業控制不可或缺的技術工具，在過程控制中佔據著絕對的主導地位。在現代控制理論飛速發展的今天，運動控制、航天控制及其他工程控制領域仍有近90％的迴路在應用pid控制策略。據最新的文獻顯示，在紙漿和造紙工業中pid控制器的應用甚至超過了98％。pid控制原理是基於過程誤差生成消除誤差的控制策略，它在工業控制中獲得廣泛應用的主要原因在於控制目標和對象實際行為之間的誤差信號容易獲得，基於誤差的反饋策略也容易實現且不依賴於系統的精確模型。但是它對目標信號和實際行為信號的處理過於簡單。pid控制的誤差直接取為參考輸入和系統間的差值，這種取法使初始誤差較大，易引起超調。同時，在調節過程中參考輸入v(t)常常不可微甚至不連續，而輸出信號y(t)的測量又常常被噪聲汙染。因此，誤差信號e(t)＝v(t)-y(t)按照經典定義通常不可微或其微分信號被噪聲的導數淹沒。此外，經典pid一般採用微分或超前網絡近似實現微分信號，這種方式對噪聲的放大作用很大，所得微分信號品質較差。此外，pid控制簡單地採用了誤差的比例、微分及積分的線性加權和形式得出控制量，這種線性配置不易解決快速性和超調的矛盾，所得出的控制量也不是全局最優解。同時，pid控制注重於通過消除誤差以控制過程卻並不針對過程本身，如積分反饋實際上起著補償被控系統時變量的作用，而並非對這個量進行估計並瞬時補償，因而積分環節難以做到有的放矢，魯棒性較差。面對這些問題，設計出一種新型控制器顯得尤為重要。
(三)
技術實現要素：
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本發明的目的在於提供一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法，它可以克服現有技術的不足，採用自抗擾控制技術，極大地改善了風力發電系統在電網正常及電網故障等不同條件下的運行能力。
本發明的技術方案：一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法，其特徵在於它包括如下步驟：
第1步：雙饋風機需進行數學模型化並由以下公式得到構成：採用電動機慣例建立同步旋轉坐標系下標麼值形式的雙饋發電機五階模型，其中電壓方程可以寫為：
磁鏈方程標麼值形式為：
式中
us、ur分別為定子、轉子端電壓；rs、rr分別為定子、轉子電阻；is、ir分別為定、轉子電流；ls、lr為定、轉子自感；lm為勵磁電感；ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈；wr為轉子旋轉角速度；ws為定子電流角頻率；wslip為轉差電角速度；
則上述電壓方程可改寫為：
第2步：若不考慮電網電壓的動態變化即假定電網電壓及定子磁鏈恆定，則雙饋電機五階模型簡化為三階，簡化後轉子電壓方程為：
在忽略定子電阻rs的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈矢量間有如下的近似關係
us＝rs·is+jψs≈jψs
採用定子電壓定向矢量控制方案即同步旋轉坐標系的d軸定向於定子電壓矢量us時，有
從而可以得出轉子電流與轉子電壓間關係為：
由以上分析可知，在假設電網電壓恆定的前提下可忽略定子磁鏈的動態過程將電機模型由五階簡化為三階；
第3步：進行自抗擾控制器設計：
自抗擾控制器包括td(tracking-differentiator——跟蹤微分器)、eso(extended-state-observer——擴張狀態觀測器)以及nlsef(nonlinear-stateerror–feedback——非線性反饋控制率)三部分組成；其具體設計步驟包括：
(1)將從跟蹤微分器td得出d軸轉子電流參考值的跟蹤值ird_ref作為自抗擾控制器的輸入端，並與擴張狀態觀測器eso估計出來的風電系統模型的輸出值z21d做比較；其中，風電系統模型輸出端的轉子電流ir在d軸分量的實際值ird及控制信號urd_ref的b0倍作為擴張狀態觀測器eso的兩個輸入端；參數b0是補償強弱的補償因子，作為可調參數來用；
(2)步驟(1)中得到的輸出信號再經過非線性反饋控制率nlsef與擴張狀態觀測器eso估計出來的風電系統模型的外界和內部總擾動z22d的1/b0做比較，得到風電系統模型的控制信號urd_ref；
第4步：網側pwm變換器與電網相連，並通過空間矢量調製策略可以實現功率因數為1；而與轉子相連側的功率因數由控制要求決定，這樣電網需要的無功功率全部由雙饋電機定子側提供；
第5步：對雙饋風力發電系統參數進行設定，將雙饋風機輸出的有功功率p*作為給定值，而無功功率q*可根據實際負荷大小而確定，同時也將無功功率q*作為給定值；
第6步：將檢測到的有功功率實際值p、無功功率實際值q作為自抗擾控制器的反饋，而給定的有功功率p*、無功功率q*及有功功率實際值p、無功功率實際值q作為自抗擾控制器中td環節的輸入，而在步驟3當中的風電系統模型的轉子電流ir在d軸分量的實際值ird作為自抗擾控制器的輸出，然後對雙饋風力發電系統的電流矢量ird進行坐標反變換為轉子電壓，並加在轉子上即可實現功率解耦控制。
所述第2步中的的矢量控制技術是利用d-q旋轉坐標變換，將定子三相電流分解為勵磁電流分量和轉矩電流分量，在調速的過程中保持勵磁電流分量不變，此時就可以模擬直流電機的轉矩控制規律，通過控制轉矩電流分量來控制電磁磚矩進行調速。
本發明的工作原理：結合基於adrc風力發電轉子解耦控制系統圖(見圖1)，變頻器與電網相連側通過空間矢量調製策略可以實現功率因數為1，與轉子相連側的功率因數由控制要求決定。這樣電網需要的無功功率全部由雙饋電機定子側提供，並通過構建特殊算法，使裝置可有效地觀測出電網電壓的擾動及交叉耦合併加以前饋補償，削弱其對控制性能的影響；同時在自抗擾控制器中用配置非線性結構代替pid控制中的線性加權和形式，構成非線性狀態誤差反饋控制率，從而實現了功率解耦控制，並在很大程度上也提高了抑制轉子電流波動的能力。
本發明的優越性在於：①硬體裝置設計簡單、易於實現；②提出基於自抗擾控制理論的雙饋風機轉子解耦的控制方法，通過自抗擾控制器對d、q軸進行解耦，可以較好地抑制電網故障所引發的電壓驟降對轉子電流影響，增強系統對轉子電流的控制能力；③利用擴張狀態觀測器，使其不再依賴系統的精確模型，在很大程度上增強了對系統的控制精度。
(四)附圖說明：
圖1為本發明所涉一種基於adrc的雙饋風力發電系統的結構示意圖。
圖2為本發明所涉一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法中雙饋風力發電系統轉子電流自抗擾控制器結構示意圖。
圖3為本發明所涉一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法中定子有功功率、無功功率階躍相應仿真示意圖。
圖4為本發明所涉一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法中定子電壓擾動時轉子電流d軸分量ird動態特性仿真示意圖。
圖5為本發明所涉一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法中定子電壓擾動時轉子電流q軸分量irq動態特性仿真示意圖。
圖6為本發明所涉一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法中定子電壓擾動時電磁轉矩te動態特性仿真示意圖。
(五)具體實施方式：
實施例：一種基於adrc的雙饋風力發電系統轉子解耦控制方法(見圖1)，其特徵在於它包括如下步驟：
第1步：雙饋風機需進行數學模型化並由以下公式得到構成：採用電動機慣例建立同步旋轉坐標系下標麼值形式的雙饋發電機五階模型，其中電壓方程可以寫為：
磁鏈方程標麼值形式為：
式中
us、ur分別為定子、轉子端電壓；rs、rr分別為定子、轉子電阻；is、ir分別為定、轉子電流；ls、lr為定、轉子自感；lm為勵磁電感；ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈；wr為轉子旋轉角速度；ws為定子電流角頻率；wslip為轉差電角速度；
則上述電壓方程可改寫為：
第2步：若不考慮電網電壓的動態變化即假定電網電壓及定子磁鏈恆定，則雙饋電機五階模型簡化為三階，簡化後轉子電壓方程為：
在忽略定子電阻rs的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈矢量間有如下的近似關係
us＝rs·is+jψs≈jψs
採用定子電壓定向矢量控制方案即同步旋轉坐標系的d軸定向於定子電壓矢量us時，有
從而可以得出轉子電流與轉子電壓間關係為：
由以上分析可知，在假設電網電壓恆定的前提下可忽略定子磁鏈的動態過程將電機模型由五階簡化為三階；
第3步：進行自抗擾控制器設計(見圖2)：
自抗擾控制器包括td、eso以及nlsef三部分組成；其具體設計步驟包括：
(1)將從跟蹤微分器td得出d軸轉子電流參考值的跟蹤值ird_ref作為自抗擾控制器的輸入端，並與擴張狀態觀測器eso估計出來的風電系統模型的輸出值z21d做比較；其中，風電系統模型輸出端的轉子電流ir在d軸分量的實際值ird及控制信號urd_ref的b0倍作為擴張狀態觀測器eso的兩個輸入端；參數b0是補償強弱的補償因子，作為可調參數來用；
(2)步驟(1)中得到的輸出信號再經過非線性反饋控制率nlsef與擴張狀態觀測器eso估計出來的風電系統模型的外界和內部總擾動z22d的1/b0做比較，得到風電系統模型的控制信號urd_ref；
第4步：網側pwm變換器與電網相連，並通過空間矢量調製策略可以實現功率因數為1；而與轉子相連側的功率因數由控制要求決定，這樣電網需要的無功功率全部由雙饋電機定子側提供；
第5步：對雙饋風力發電系統參數進行設定，將雙饋風機輸出的有功功率p*作為給定值，而無功功率q*可根據實際負荷大小而確定，同時也將無功功率q*作為給定值；
第6步：將檢測到的有功功率實際值p、無功功率實際值q作為自抗擾控制器的反饋，而給定的有功功率p*、無功功率q*及有功功率實際值p、無功功率實際值q作為自抗擾控制器中td環節的輸入，而在步驟3當中的風電系統模型的轉子電流ir在d軸分量的實際值ird作為自抗擾控制器的輸出，然後對雙饋風力發電系統的電流矢量ird進行坐標反變換為轉子電壓，並加在轉子上即可實現功率解耦控制。
所述第2步中的的矢量控制技術是利用d-q旋轉坐標變換，將定子三相電流分解為勵磁電流分量和轉矩電流分量，在調速的過程中保持勵磁電流分量不變，此時就可以模擬直流電機的轉矩控制規律，通過控制轉矩電流分量來控制電磁磚矩進行調速。
一種基於自抗擾控制器的雙饋風力發電系統轉子解耦控制裝置(見圖1)，以d軸為例的雙饋風力發電系統轉子電流自抗擾控制器結構圖(見圖2)，以下結合附圖介紹裝置通過自抗擾控制器進行定子解耦的具體設計過程。
步驟(1)：在進行雙饋風機模型化時，採用五階數學模型，雙饋風機的雙pwm變換器採用平均值模型。
步驟(2)：進行自抗擾控制器設計，使得跟蹤微分器得出d、q軸轉子電流參考值的跟蹤值，安排合理的過渡過程以降低輸出超調量。同時，取轉子電流反饋得出狀態誤差構成非線性控制率，並通過前饋環節對擴張狀態觀測器得出的擾動估計值進行補償，進而計算得到轉子電壓的給定值。
步驟(3)：變頻器與電網相連側通過空間矢量調製策略可以實現功率因數為1,與轉子相連側的功率因數由控制要求決定。這樣電網需要的無功功率全部由雙饋電機定子側提供。
步驟(4)：對雙饋風機參數進行設定：額定功率：2mw，額定電壓：690v，額定角功率：314rad/s，定子電阻：0.00488p.u.，轉子電阻：0.00549p.u，定子自感：4.0452p.u，轉子自感：4.05234p.u，勵磁電感：3.95279p.u，轉動慣量時間常數：3.5s。
步驟(5)：在電網電壓無擾動時，雙饋風力發電系統運行穩定，設其轉速為1.1p.u，此時系統運行於超同步狀態，電機定子和轉子均向電網饋電。由於發電機轉動慣量時間常數較大，動態過程中轉速變化速度遠遠小於系統電氣量變化速度。因此，在調節過程中轉速設為恆定。
圖3反映的是在0.5s時刻，定子無功功率給定值由0p.u跳升至0.2p.u；0.8s時刻定子有功功率給定值由1p.u降至0.38p.u，並且從圖中可以看出，電網電壓穩定時，通過算法設計的特殊裝置能夠準確估計出d、q軸耦合項並予以補償，實現系統的精確解耦。
圖4、圖5、圖6反映的是與pid控制相比，自抗擾控制對轉子電流的控制能力較強，在電網電壓驟降時轉子電流波動幅值小、調節時間短、穩定速度快，在同等條件下能夠避免保護轉置動作、保持系統與電網的連接；同時，該設計的特殊裝置能夠減小電磁轉矩波動幅值，削弱傳動系統的疲勞負載、降低齒輪箱機械載荷。