本发明设计一种基于模糊自抗扰控制的两端电压源型换流器高压直流输电系统控制方法，特别是对于系统中存在不确定性及扰动等问题的两端电压源型换流器高压直流输电系统控制方法。
背景技术：
基于电压源型换流器的高压直流(voltagesourceconverterhighvoltagedirectcurrent,vsc-hvdc)输电技术的风电并网已被普遍认为是实现大型风机群并网的最稳定最有潜力的电能传输方式。因为vsc-hvdc系统是一个多输入、多输出的耦合时变的非线性的系统，运行规则原理尤为复杂，只有通过选择合适的控制方法对换流器进行控制才能提高系统的性能。国内外学者在非线性控制方法以及智能控制方法等方面做了大量卓有成效的工作，包括pi控制，滑模控制及鲁棒控制等。
考虑到基于精确线性化解耦控制策略是强依赖于被控对象的精确数学模型，传统的pi控制器抗干扰能力有限，并且参数无法随系统的机械和电气参数变化而作出调整等特点，不能很好地满足电压源型换流器高压直流输电系统的稳定运行。
技术实现要素：
为了克服现有两端电压源型换流器高压直流输电系统中存在不确定性以及扰动的不足，本发明在系统中设计模糊自抗扰控制器，实现对直轴和交轴电流的解耦。设计扩张状态观测器环节估计系统不确定性及扰动并进行补偿，使得系统的鲁棒性和抗干扰性能力得到提高，同时设计模糊规则对扩张状态观测器参数进行整定，有效提高系统的鲁棒性以及抗干扰性。
为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：
一种基于模糊自抗扰控制的两端电压源型换流器高压直流输电系统控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1,建立两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型；
两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型可表示成如下形式
其中，d轴为电流直轴，q轴为电流交轴；usd，usq分别为交流源电压d和q轴分量；isd，isq分别为交流侧电流的d和q轴分量；ucd，ucq分别为换流站交流侧电压的d和q轴分量；ω为交流系统的角频率；r为换流变压器和电抗器的等效电阻；l为换流变压器和电抗器的等效电感；
步骤2,设计自抗扰控制器，过程如下：
2.1将式(1)变换为自抗扰控制器的规范化形式，即
其中，
在考虑外部扰动以及参数不确定性的情况下，式(3)改写为
其中，定义状态变量x1＝[isd,isq]t；y＝[y1,y2]t为系统的输出电流，y1，y2分别为d轴和q轴的输出电流；f(x)＝[f1,f2]t为系统已知扰动，f1，f2分别为d轴和q轴的系统已知扰动；w(t)为系统未知扰动；u＝[ucd,ucq]t为控制器的输出量；b1＝δb+b0，b0为b1的估计值，一般根据经验获得，δb为参数摄动值；
2.2定义x2＝d＝[d1,d2]t＝w(t)+δbu为系统总扰动；其中d1，d2分别为d轴和q轴的系统扰动及不确定项；
由于式(4)看作两个一阶系统，因此在自抗扰控制器只需设计扩张状态观测器与非线性反馈控制律；
2.3设计扩张状态观测器
其中，z1，z3分别为y1和y2的观测信号；ed，eq为观测误差信号；z2，z4分别为d1和d2的观测信号；β1，β2分别为正的观测器增益系数；g(e)为非线性函数形式，即
2.4设计非线性状态反馈控制器
其中，
其中，sign(·)为符号函数；
d轴一阶非线性状态误差反馈控制律取为
q轴一阶非线性状态误差反馈控制律取为
步骤3,设计模糊规则，过程如下：
以跟踪误差e0以及e0的微分信号e1为性能指标，将e0和e1作为模糊控制器的输入，通过模糊规则在线整定观测器增益参数β1和β2；其中，e0，e1分别为模糊变量；δβ1，δβ2为模糊规则输出量，代表观测器增益参数β1和β2的变化量；并在其各自论域上分别定义5个语言子集为{负大(nb)，负小(ns)，零(zo)，正小(ps)，正大(pb)}；选择输入量e0和e1的隶属度函数为高斯型，输出量δβ1和δβ2的隶属度函数为三角形；由于e0实测值有一定抖动，故微分信号e1先经过增益环节然后输入到模糊控制器中；这里取e0，e1的基本论域分别为[-1,+1]和[-1,+1]；模糊推理采用mamdani型，去模糊化算法采用加权平均法；模糊规则如表1所示；
表1
将表1中修正参数代入如下表达式，则有
其中，β1'，β2'为整定后的观测器增益参数。
进一步，所述步骤3中，选定e0的比例因子为0.01，e1比例因子为0.02，取δβ1，δβ2的基本论域分别为[-200,+200]和[-2000,+2000]；取k3为1/10000。
本发明设计一种基于模糊自抗扰控制的两端电压源型换流器高压直流输电系统控制方法，相比于传统的pi控制，提高了系统的鲁棒性以及抗干扰性。
本发明的技术构思为：针对两端电压源型换流器高压直流输电系统是一个多输入、多输出的耦合时变的非线性的系统，运行规则原理尤为复杂，而传统的pi控制器抗干扰能力有限，并且参数无法随系统的机械和电气参数变化而作出调整等特点。本发明在系统中设计模糊自抗扰控制器，实现对直轴和交轴电流的解耦。设计扩张状态观测器环节估计系统不确定性及扰动并进行补偿，使得系统的鲁棒性和抗干扰性能力得到提高，同时设计模糊规则对扩张状态观测器参数进行整定，有效提高系统的鲁棒性以及抗干扰性。
本发明的有益效果为：相比于传统的pi控制，本发明能实现功率的快速跟踪，提高系统的鲁棒性以及抗干扰性。
附图说明
图1为本发明的控制流程图；
图2本发明的控制器结构图；
图3为启动阶段，有功功率与无功功率的波形图；
图4为三相短路故障阶段，有功功率与无功功率的波形图；
图5为内部参数发生变化时，有功功率的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1-图5，一种基于模糊自抗扰控制的两端电压源型换流器高压直流输电系统控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1,建立两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型；
两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型可表示成如下形式
其中，d轴为电流直轴，q轴为电流交轴；usd，usq分别为交流源电压d和q轴分量；isd，isq分别为交流侧电流的d和q轴分量；ucd，ucq分别为换流站交流侧电压的d和q轴分量；ω为交流系统的角频率；r为换流变压器和电抗器的等效电阻；l为换流变压器和电抗器的等效电感；
步骤2,设计自抗扰控制器，过程如下：
2.1将式(1)变换为自抗扰控制器的规范化形式，即
其中，
由于在实际运行过程中，外部扰动不可避免，因此在考虑外部扰动以及参数不确定性的情况下，式(3)改写为
其中，定义x1＝[isd,isq]t；y＝[y1,y2]t为系统的输出电流，y1，y2分别为d轴和q轴的输出电流；f(x)＝[f1,f2]t为系统已知扰动，f1，f2分别为d轴和q轴的系统已知扰动；w(t)为系统未知扰动；u＝[ucd,ucq]t为控制器的输出量；b1＝δb+b0，b0为b1的估计值，一般根据经验获得，δb为参数摄动值；
2.2定义x2＝d＝[d1,d2]t＝w(t)+δbu为系统总扰动；其中d1，d2分别为d轴和q轴的系统扰动及不确定项；
由于式(4)看作两个一阶系统，因此在自抗扰控制器只需设计扩张状态观测器与非线性反馈控制律；
2.3设计扩张状态观测器
其中，z1，z3分别为y1和y2的观测信号；ed，ey为观测误差信号；z2，z4分别为d1和d2的观测信号；β1，β2分别为正的观测器增益系数，选择适当参数值就能够实现较好的状态估计；g(e)为非线性函数形式，即
2.4设计非线性状态反馈控制器
其中，
其中，sign(·)为符号函数；
d轴一阶非线性状态误差反馈控制律取为
q轴一阶非线性状态误差反馈控制律取为
步骤3,设计模糊规则，过程如下：
以跟踪误差e0以及e0的微分信号e1为性能指标，将e0和e1作为模糊控制器的输入，通过模糊规则在线整定观测器增益参数β1和β2；其中，e0，e1分别为模糊变量；δβ1，δβ2为模糊规则输出量，代表观测器增益参数β1和β2的变化量；并在其各自论域上分别定义5个语言子集为{负大(nb)，负小(ns)，零(zo)，正小(ps)，正大(pb)}；选择输入量e0和e1的隶属度函数为高斯型，输出量δβ1和δβ2的隶属度函数为三角形；由于e0实测值有一定抖动，故微分信号e1先经过增益环节然后输入到模糊控制器中；这里取e0，e1的基本论域分别为[-1,+1]和[-1,+1]，根据实际情况选定e0的比例因子为0.01，e1比例因子为0.02，因此取δβ1，δβ2的基本论域分别为[-200,+200]和[-2000,+2000]；取k3为1/10000；模糊推理采用mamdani型，去模糊化算法采用加权平均法；模糊规则如表1所示；
表1
将表1中修正参数代入如下表达式，则有
其中，β1'，β2'为整定后的观测器增益参数。
为验证所提方法的有效性，通过matlab/simulink搭建了端电压源型换流器高压直流输电系统系统，系统模型采用silvanocasoria(hydro-quebec)模型。2个换流站均连接频率为50hz的交流系统，交流系统的容量为2000mva，电压等级为230kv；等效电阻r＝0.1ω,c＝70μfl＝7.5mh；直流侧电压值udc＝100kv；参数β1＝20000，β2＝100000，b0＝150，k＝1，α＝0.65，δ＝0.2；
针对3种不同内环控制器进行了仿真，自抗扰控制器上文已给出，pi控制器参数p＝0.6，i＝6.0。其中ref为功率参考值；m1代表内环pi控制；m2代表内环自抗扰控制，；m3代表模糊自抗扰控制。
图2为本发明控制器结构图。图3为启动阶段，有功功率与无功功率的波形图，图4为三相短路故障阶段，有功功率与无功功率的波形图，图5为系统内部参数发生变化时，有功功率的波形图。由图3可以看出，在启动阶段，自抗扰控制和模糊自抗扰控制均能快速无超调的跟踪功率参考值，而pi控制则会出现超调，其中无功功率超调明显(峰值约高出20mw)。由图4可以看出，在系统出现三相短路故障时，采用模糊自抗扰控制器的调节时间为0.3s，超调量为13.3％，而传统pi控制器调节时间为0.7s，超调量36.6％，因此本发明方法能够有效提升系统鲁棒性能。由图5看出，当系统内部参数发生变化时，pi控制有很大的波动幅度，而模糊自抗扰控制几乎不会引起变化。证明了模糊自抗扰控制有更强的鲁棒性及抗干扰能力，有效的抑制了系统参数改变带来的影响。
以上阐述的是本发明给出的三个仿真对比实验用以表明所设计方法的优越性，显然本发明不只是限于上述实例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。本发明所设计的控制方案对含有不确定性及扰动的两端电压源型换流器高压直流输电系统具有良好的控制效果，相比于传统pi控制，能实现功率的快速跟踪，并增强系统的鲁棒性以及抗干扰性。