基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法、系统技术方案

本发明专利技术基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法、系统，通过在同步旋转坐标系下建立DFIG的电流、电压和磁链方程，设计出模糊自抗扰控制器，利用跟踪微分器用来实现合理的过渡过程，降低输出的超调量；扩张状态观测器估计出系统总扰动并予以补偿;计算出转设子侧的Fuzzy‑ADRC控制。公开的方案抑制了负序电流，减缓了电流和电压的冲击，减少了系统的可调参数同时使系统对扰动具有更强的鲁棒性和更快的动态响应。

【技术实现步骤摘要】
基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法、系统
本专利技术旨在提供一种基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，适合应用于DFIG并网控制，将定子端的电压跌落归为未知扰动量，并估计出系统总扰动并予以补偿，实现DFIG的低电压穿越控制。
技术介绍
风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具规模也是开发条件和商业化发展前景最好的发电方式之一。双馈风力发电机在风力发电中得到广泛应用，其主要是因为发电机能在定、转子双边馈电下运行，通过控制转子侧的励磁、相位和幅值来实现DFIG的变速恒频发电。因DFIG机组定子侧直接并网，导致机组对电网电压故障较为敏感。当电压发生跌落时，DFIG机组将产生严重的电磁暂态过程，造成定、转子侧的过流和直流母线电压的波动。因此，风电机组低电压穿越能力的研究有着重大意义。国内外的相关学者已在此领域内做了相关研究，且提出了一些相关解决方案。2006年第8期发表在《电力系统自动化》中《电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制》一文建立不平衡电压下的风电机的电压、电流以及磁链的正负序分量变换到dq轴上的数学模型。2012年第6期发表在《电力系统自动化》中《不平衡且谐波畸变电网电压下双馈风电系统控制策略》一文将不平衡电压下的风电机的电压、电流以及磁链的正负序分量变换到dq轴上进行解耦控制，详尽的分析了定子电压跌落后DFIG的定、转子电流的动态特性，并与仿真的结果进行了比较分析，但该控制策略结构过于复杂，所设计控制器依赖参数过多且调节不便，因此鲁棒性差，动态响应慢。2010年第6期的《电力自动化设备》中《双馈型风力发电系统低电压穿越策略仿真》一文阐述了ActiveCrowbar和直流侧卸荷电路来消耗由定子电压跌落带来的过多能量来实现风电机组LVRT，但未考虑电压不平衡时DFIG的控制情况。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题，提出了基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，解决了电网不平衡下转子侧过流的问题。仿真和实验结果都表明，该装置可有效提高风力发电系统的低电压穿越水平，具有较高的工程应用价值。双馈感应风力发电机组结构如图1所示。双馈感应风力发电机组由主要由风力机、双馈感应发电机、变频器和Crowbar电路组成。风力机将风能转化机械能，双馈感应发电机的转子绕组与变频器的转子侧变换器相连，在变频器控制作用下将机械能转化为电能。变频器由转子侧变换器和网侧变换器构成。转子侧变换器为双馈感应发电机提供电源幅值、相位和频率可变的励磁电流。网侧变换器实际是一个电压型PWM整流器，交流侧具有独特的受控电流源特性，可实现四象限运行。转子侧变流器电流模糊自抗扰控制结构如图2所示，由于电网电压跌落情况下DFIG系统内部会发生电磁暂态过程，可以在dq+、dq-坐标系中进行分析，得到在该情况下DFIG电流、电压和磁链的表达式。定子三相电压在低电压不平衡故障情况下的跌落过程，可以当做系统出现扰动，并估计出总扰动。本专利技术提出一种基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，解决了电网不平衡下转子侧过流的问题。可显著提高了风力发电系统的低电压穿越能力，具体原理和做法如下：1.基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，其特征在于它包括以下步骤:第一步，根据不平衡电网电压下DFIG模型，在双同步旋转坐标轴上写出电压、电流、磁链的微分形式。第二步，进行模糊自抗扰控制：取误差为e1xy，变化率为e2xy。根据自抗扰控制原理和电机模型，取跟踪微分器为扩张观测器为以Mamdani型为模糊推理理论，以平均加权法为去模糊化算法,设计出模糊控制表对非线性反馈率进行在线修改，其控制表1如下：表1△β3、△β4模糊控制表Table1deltabeta1，deltabeta2fuzzycontroltable则非线性反馈率为：β′＝β+Δβ，式中β为初始值，βi、ai、δ均为可调量。第三步以功率为外环信号，电流为内环信号，设计出电流的控制方法，为抑制负序电流，令负序电流正序电流为使得电网电压跌落时转子侧不发生较大的冲击电流，并在较短时间内恢复稳定值。进一步地，所述S1步骤DFIG模型公式如下：在dq+、dq-坐标系中的电压方程为：式中，Us和Ur为定、转子电压，ψ为磁链，ω1为角速度，ωslip为转差角速度，Rs和Rr为定、转子电阻；在dq+,dq-坐标系中的DFIG磁链方程为：式中，Ψsd+，Ψsq+，Ψsd-，Ψsq-，Ψrd+，Ψrq+，Ψrd-，Ψrq-为定子，转子磁链的d+,q+,d-,q-轴分量Ls、Lr为定、转子自感，Lm为定转子互感。进一步地，所述模糊自抗扰控制为双电流内环模糊自抗扰控制。进一步地，DFIG系统控制器采用上述基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法。进一步地，DFIG系统定子与电网连接，转子通过转子侧变换器与电网连接。进一步地，DFIG系统控制器通过跟踪微分器将输入信号分解成近似量和状态量与步长的乘积，使系统无超调；通过扩张观测器接收各状态变量的观测值和系统扰动的观测值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：采用模糊自抗扰控制方法，缩短了电流扰动时间，降低了电流波动对系统的冲击。通过对非线性反馈率的改进，设计出模糊控制表对非线性反馈率进行在线修改，当外部故障造成系统电流扰动时，通过参数调整对扰动进行补偿，使电流幅值较小，恢复到稳定值所用的时间短，系统响应提高。附图说明图1为转子侧变流器电流自抗扰控制结构图；图2为转子侧变流器电流模糊自抗扰控制结构图；图3为6MW的DFIG风电机组仿真电压波动图；图4为传统的控制策略dq轴电流；图5模糊自抗扰控制策略dq轴电流；图6传统的控制策略dq轴电压；图7模糊自抗扰控制策略dq轴电压；图8传统的控制策略转矩；图9模糊自抗扰控制策略转矩；图10传统的控制策略功率；图11传统的控制策略功率。实施方式本专利技术提供一种基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，如下步骤：S1.根据不平衡电网电压下DFIG模型，在双同步旋转坐标轴上写出电压、电流、磁链的微分形式。因变压器在星形到三角形连接时可以消除零序电压，所以在分析电网不对称故障时只需要考虑正序和负序分量，DFIG系统结构如图1所示。将ABC坐标系进行定位到dq轴上得DFIG的正序和负序数学模型。DFIG在dq+、dq-坐标系中的电压方程为：式中，Us和Ur为定、转子电压，ψ为磁链，ω1为角速度，ωslip为转差角速度，Rs和Rr为定、转子电阻。在dq+,dq-坐标系中的DFIG磁链方程为：式中，Ψsd+，Ψsq+，Ψsd-，Ψsq-，Ψrd+，Ψrq+，Ψrd-，Ψrq-为定子，转子磁链的d+,q+,d-,q-轴分量Ls、Lr为定、转子自感，Lm为定转子互感。S2.对DFIG模型进行模糊自抗扰控制S21.建立模糊自抗扰控制系统自抗扰控制器(ADRC)是在经典PID控制的基础上进行改进，不需要直接测量外干扰作用，也不需要预知扰动的规律。正是由于ADRC的这种特点，可以把多变量的子系统间的耦合作用当作一种不确定的量，并归为“未知扰动”，因此使用过程中不用依靠被控对象的精确数学模型。如图1所示为自抗扰控制系统图，“TD”为跟踪微分器，“ESO”为扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，其特征在于包括以下步骤:S1.建立不平衡电网电压下DFIG模型公式；S2.设计模糊自抗扰控制系统S21.建立自抗扰控制系统设计跟踪微分器和扩张观测器，以电流为输入参数，取误差为e1xy，变化率为e2xy，根据自抗扰控制原理和电机模型，得到跟踪微分器为：

【技术特征摘要】
1.基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，其特征在于包括以下步骤:S1.建立不平衡电网电压下DFIG模型公式；S2.设计模糊自抗扰控制系统S21.建立自抗扰控制系统设计跟踪微分器和扩张观测器，以电流为输入参数，取误差为e1xy，变化率为e2xy，根据自抗扰控制原理和电机模型，得到跟踪微分器为：扩张观测器为：S22.引入模糊控制表，设计可修改的模糊非线性反馈率将模糊控制应用于自抗扰控制模型中，以e1、e2为输入，△β03和△β04为输出；定义7条语言子集，分别为{“正大(PB)”、“正中(PM)”，“正小(PS)”、“零(ZO)”、“负大(NB)”、“负中(NM)”，“负小(NS)”}；建立模糊控制表如下：在模糊表中，根据输入参数计算出输出参数；将输出参数△β03和△β04代入非线性反馈率公式，计算U0(t)和U(t)，通过扩张观测器观测电流误差e1和变化率e2；所述非线性变化率公式为：式中βi,ai,δ均为可调量；S3.对DFIG模型进行模糊自抗扰控制S31.以功率为外环信号，电流为内环信号，令负序电流正序电流为：将各坐标轴上的正序和负序电流输入模糊自抗扰控制系统的跟踪微分器，将输出的参数与扩展观测器生成的观测参数比较，形成电流误差e1和变化率e2，将e1、e2通过模糊非线性反馈率跟踪，生成新的观测参数；S32.循环以上步骤。2.根据权利要求1所述基于模糊自抗扰的不平衡电压下DFIG低电压穿越控制方法，其特征在于，所述模糊控制表中e1,e2论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3}...

【专利技术属性】
技术研发人员：李圣清，刘境雨，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43