基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统及方法技术方案

一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于它包括检测模块、A/D模数转换模块、控制器模块和变流器模块；其工作方法包括对电流环的模糊PID控制及对电压环的基于比例谐振控制环节的改进ADRC控制；系统结构简单；既实现了电流内环的解耦控制，又起到了对直流母线电压的抗扰控制；数据计算和处理能力强，大大提高了该控制系统的可靠性；能够有效抑制扰动对母线电压的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统及方法(一)
：本专利技术属于风力发电变流器控制
，具体的是一种基于模糊PID(ProportionalIntegralDerivative，比例积分微分)和ADRC(ActiveDisturbanceRejectionControll，自抗扰控制)的全功率风力发电变流器控制系统及方法。(二)
技术介绍
：在风力发电系统中，当风机功率发生改变，发电功率与储能单元、并网侧吸收的功率不匹配，直流侧电压将发生剧烈波动若直流侧电压发生波动,可能引起电机侧变流器功率失衡,对电网稳定性产生影响。为抑制直流母线电压波动，传统用PI控制。但当有不平衡电压跌落等扰动，导致母线电压不稳。对于变流器是非线性，多变量，强耦合的扰动因素多的系统。急需一个合理的控制方法,能够抑制不平衡电压跌落，电机加载，直流母线电压的波动。(三)
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提出一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统及方法，能够克服现有技术的不足，既能够实现解耦控制又能够抑制扰动对母线电压的影响，该方法简单且容易实现。本专利技术的技术方案：一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于它包括检测模块、A/D模数转换模块、控制器模块和变流器模块；其中，所述检测模块用于检测电网的电压信号及电流信号，其输出端连接A/D模数转换模块，将模拟量信号转换成数字量信号发送给控制器模块；所述控制器通模块输出脉冲信号，发送给变流器模块；所述变流器模块根据接收到的脉冲信号控制其IGBT的导通和关断，从而达到控制变流器直流母线电压和电流。所述检测模块检测到的电网的电压信号及电流信号是指直流母线电压信号、网侧电压信号、网侧电流信号及直流母线电流信号。所述控制器模块是由模糊PID控制单元、ADRC控制单元、3s/2r坐标变换单元、2r/3s坐标变换单元及SVPWM(空间矢量脉宽调制，SpaceVectorPulseWidthModulation)单元构成，如图2所示；其中，所述3s/2r坐标变换单元的输入端用于将采集到的网侧电流信号由3相转换成两轴信号，其输出端与PID控制单元的输入端连接；所述模糊PID控制单元的输入端同时与ADRC控制单元的输出端连接，其输出端连接2r/3s坐标变换单元；所述SVPWM单元的输入端连接2r/3s坐标变换单元，其输出端与变流器模块连接；所述ADRC控制单元的一个输入端接收经锁相环PLL采集到的网侧电压信号，将其作为参考电压信号，另一个输入端则采集直流母线电压信号。所述模糊PID控制单元有两个，分别用于接收经3s/2r坐标变换单元变换后的两轴信号，即d轴信号和q轴信号。所述控制器模块通过DSP芯片实现其控制功能。所述A/D模数转换模块采用TI公司的A/D转换芯片ADS8364，将其生成的数字量经DSP处理，以达到对变流器精确可靠的控制。一种基于模糊PID和自抗扰控制的全功率风力发电变流器控制方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)实时检测永磁同步风电并网系统的母线电压和电流值，将各电压各电流检测的模拟量转换为数字量A/D转换；(2)根据KVL建立变流器网侧数学模型，如式(2.1)所示：其中，Uga、Ugb、Ugc分别为三相网侧逆变器电压；ULa、ULb、ULc分别为三相电网电压；Iga、Igb、Igc分别为三相网侧逆变器电流；Rg、Lg分别为网侧滤波器内阻和滤波电感；(3)将式(2.1)所示的变流器网侧模型经过Park变换，将其变换为dq轴上的电压和电流控制模型，如式(3.1)和式(3.2)：(4)对式(3.2)所示的电流环模型，进行模糊PID控制：(4-1)选取电流误差e和误差变化率ec作为模糊PID控制器的两个输入；(4-2)设定两个输入e和ec的基本论域为(-4，4)，则其模糊集均为(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；并设定模糊推理的三个输出kp，ki，kd的基本论域为(-4，4)，则其模糊集均为(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；子集中元素NB、NM、NS、ZO、PS、PM及PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大；(4-3)在步骤(4-3)确定的论域内进行级数划分，并作模糊化处理；在运行时不断检测电流误差e和误差变化率ec，并确定电流误差e和误差变化率ec是否在已设定好的变化范围(-4,4)内变化(4-4)如果电流误差e和误差变化率ec不在变化区间内，则可以根据PID控制器的三个参数kp、ki和kd与电流误差e和误差变化率ec之间的模糊规则，进行模糊推理及运算，即可解得如式(4-1)的当前时刻的控制参数，从而实现PID参数的自动调整：kp＝kp0+Δkp，ki＝ki0+Δki，kd＝kd0+Δkd(4-1)式中，kp0、ki0、kd0为PID三个参数的初始值；Δkp、Δki及Δkd的模糊规则库如表4-1、表4-2和表4-3所示：表4-1Δkp的模糊规则库表4-2Δki的模糊规则库表4-3Δkd的模糊规则库(4-5)针对于开环对象，考虑了采样，电流内环的开环传递函数如式(4.2)所示，并进行最小惯性环节合并，得到式(4.3)；其中，KPWM是脉宽调制系数，近似取0.75；T为采样周期，Tf为延时时间；R为逆变器的等值输出滤波器电阻；L为逆变器的等值输出滤波器电感；(4-6)将式(4.3)写成状态空间一般表达式，即：其中，(4-7)给定如式(4.5)所示的PID的误差反馈律：得到与式(4.3)对应的闭环系统状态空间：另e(0)＝v0，e0(0)＝0，对其进行拉斯变换，并根据劳斯稳定判据得到如式(4.7)所示的关系：由此可以算出PID参数的选择范围，故可以给模糊PID控制器参数设计上下限，从而使系统运行的稳定性得到保证。(5)对电压环进行自抗扰控制：(5-1)建立变流器网侧数学模型的d、q坐标系下功率方程：其中，PL、QL分别为变频器发出的有功功率和无功功率；由于电网电压定向时，ULd为常数，ULq＝0，式(5.1)可简化为：在实际应用中若忽略变流器自身功率的损耗，那么它交流侧有功功率Pac就与直流侧功率Pdc相等，在实际应用中若忽略变流器自身功率的损耗，那么它交流侧有功功率Pac就与直流侧功率Pdc相等，则有：由此联立式(5.3)和式(5.4)，可得：其中，下标L表示负荷侧，下标g表示网侧，下标i表示逆变器交流测，下标dc表示逆变器直流侧；(5-2)采用电网电压定向控制，另令x＝udc2，f为扰动，则状态空间描述如式(5.6)所示：其中，C＝[10],D＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于它包括检测模块、A/D模数转换模块、控制器模块和变流器模块；其中，所述检测模块用于检测电网的电压信号及电流信号，其输出端连接A/D模数转换模块，将模拟量信号转换成数字量信号发送给控制器模块；所述控制器通模块输出脉冲信号，发送给变流器模块；所述变流器模块根据接收到的脉冲信号控制其IGBT的导通和关断，从而达到控制变流器直流母线电压和电流。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于它包括检测模块、A/D模数转换模块、控制器模块和变流器模块；其中，所述检测模块用于检测电网的电压信号及电流信号，其输出端连接A/D模数转换模块，将模拟量信号转换成数字量信号发送给控制器模块；所述控制器通模块输出脉冲信号，发送给变流器模块；所述变流器模块根据接收到的脉冲信号控制其IGBT的导通和关断，从而达到控制变流器直流母线电压和电流。


2.根据权利要求1所述一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于所述检测模块检测到的电网的电压信号及电流信号是指直流母线电压信号、网侧电压信号、网侧电流信号及直流母线电流信号。


3.根据权利要求1所述一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于所述控制器模块是由模糊PID控制单元、ADRC控制单元、3s/2r坐标变换单元、2r/3s坐标变换单元及SVPWM单元构成，如图2所示；其中，所述3s/2r坐标变换单元的输入端用于将采集到的网侧电流信号由3相转换成两轴信号，其输出端与PID控制单元的输入端连接；所述模糊PID控制单元的输入端同时与ADRC控制单元的输出端连接，其输出端连接2r/3s坐标变换单元；所述SVPWM单元的输入端连接2r/3s坐标变换单元，其输出端与变流器模块连接；所述ADRC控制单元的一个输入端接收经锁相环PLL采集到的网侧电压信号，将其作为参考电压信号，另一个输入端则采集直流母线电压信号。


4.根据权利要求1所述一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于所述模糊PID控制单元有两个，分别用于接收经3s/2r坐标变换单元变换后的两轴信号，即d轴信号和q轴信号。


5.根据权利要求1所述一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于所述控制器模块通过DSP芯片实现其控制功能。


6.根据权利要求1所述一种基于模糊PID与ADRC的全功率风力发电变流器控制系统，其特征在于所述A/D模数转换模块采用TI公司的A/D转换芯片ADS8364，将其生成的数字量经DSP处理，以达到对变流器精确可靠的控制。


7.一种基于模糊PID和自抗扰控制的全功率风力发电变流器控制方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)实时检测永磁同步风电并网系统的母线电压和电流值，将各电压各电流检测的模拟量转换为数字量A/D转换；
(2)根据KVL建立变流器网侧数学模型，如式(2.1)所示：



其中，Uga、Ugb、Ugc分别为三相网侧逆变器电压；ULa、ULb、ULc分别为三相电网电压；Iga、Igb、Igc分别为三相网侧逆变器电流；Rg、Lg分别为网侧滤波器内阻和滤波电感；
(3)将式(2.1)所示的变流器网侧模型经过Park变换，将其变换为dq轴上的电压和电流控制模型，如式(3.1)和式(3.2)：






(4)对式(3.2)所示的电流环模型，进行模糊PID控制：
(4-1)选取电流误差e和误差变化率ec作为模糊PID控制器的两个输入；
(4-2)设定两个输入e和ec的基本论域为(-4，4)，则其模糊集均为(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；并设定模糊推理的三个输出kp，ki，kd的基本论域为(-4，4)，则其模糊集均为(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；子集中元素NB、NM、NS、ZO、PS、PM及PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大；
(4-3)在步骤(4-3)确定的论域内进行级数划分，并作模糊化处理；在运行时不断检测电流误差e和误差变化率ec，并确定电流误差e和误差变化率ec是否在已设定好的变化范围(-4,4)内变化
(4-4)如果电流误差e和误差变化率ec不在变化区间内，则可以根据PID控制器的三个参数kp、ki和kd与电流误差e和误差变化率ec之间的模糊规则，进行模糊推理及运算，即可解得如式(4-1)的当前时刻的控制参数，从而实现PID参数的自动调整：
kp＝kp0+Δkp，ki＝ki0+Δki，kd＝kd0+Δkd(4-1)
式中，kp0、ki0、...

【专利技术属性】
技术研发人员：马幼捷，洪发平，徐晓宁，周雪松，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12