本发明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。
背景技术：
：：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。技术实现要素：本发明针对以上问题，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。本发明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，本发明的有益效果是：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。实施方式本发明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”为扩张观测器，转子侧电流i输入跟踪微分器，输出为i1、i2，分别表示跟踪转子电流值和转子电流的“近似微分”，i1、i2分别与扩张观测器中形成的观测值z1、z2进行比较，得到误差e1和变化率e2，将e1、e2输入非线性状态误差反馈控制率表达式中得到u0(t)，u(t)，将u0(t)，u(t)通过扩张观测器计算后的生成新的观测值z1、z2，将生成新的z1、z2分别与跟踪微分器中下一轮输出的i1、i2，进行比较，计算新的误差e1和变化率e2，再通过非线性状态误差反馈控制率进行计，通过以上循环，跟踪控制电流变化。模糊自抗扰控制系统是自抗扰控制器基础上，增加了模糊控制表，在非线性状态误差反馈率表达式中引入了模糊控制过程。其系统结构如图2所示，误差e1和变化率e2在模糊控制表中进行调整、修改，获得最佳变化率。a.模糊自抗扰控制系统输入参数设计如下：由转子侧变流器的状态方程可知系统中存在部分耦合项，进而使d轴上的分量和q轴上的分量相互影响，这不利于控制系统的暂态性能。本方法采用模糊自抗扰控制估计出耦合量，使系统外部受到干扰时也不易偏离目标。由电网电压不平衡时的功率输出特性可得不平衡时dfig有功p0和无功功率q0为：为减小转子侧电流负序分量，取负序电流为0，即由式(1)、(2)、(3)和式(4)可得出正序转子电流参考值为：因此，在模糊自抗扰控制器中转子侧电流输入时，负序电流为0，正序电流参考值如表达式5所示。b.模糊自抗扰控制器的跟踪微分器设计如下：将未知干扰作用的非线性不确定对象x(n)表示如下：式中，是未知函数，w(t)是未知外部扰动，x(t)是可测量量，b是对象获得的实际控制量。设定安排过渡过程的输入为转子电流参考值输出为i1xy，i2xy；其中i1xy为跟踪转子电流值，i2xy为转子电流的“近似微分”。td参数表达式为：其中x表示d轴或q轴，y表示正序或负序，i1xy为转子电流跟踪值，z1xy为转子电流观测值，h为步长，e为误差。为降低输出的超调量,同时避免跟踪-微分器离散化后系统进入稳态时产生高频震颤的现象，td中非线性函数g根据：①非线性函数g(z)连续可微；②g(0)＝0；③其导数可取为fal函数表达式如下：式中，a为0-1，δ为滤波影响常数(一般取5t≤δ≤10t)，e为状态估计误差。则跟踪微分器参数表达式如下：c.模糊自抗扰控制器的扩张观测器设计如下：对本系统可构建扩张系统的观测方程表示如下：由于zi分别跟踪被扩张的状态量x(i-1)(t)，且参数b0已知，所以控制量可选取为：u＝u0-z3/b0。因非线性函数为fal函数，所以eso的形式为:其中β0i为可选取参数。为实现eso对状态的观测，写出式(9)的补偿矩阵根据系统稳定性的充要条件，令a的特征根均在复平面的左半面上，且充分为负(即λ3+λ2k1+λk2+k3＝0),令a的特征值λ1,λ2,λ3和参数k1,k2,k3满足：s3+k1s2+k2s+k3＝(s-λ1)(s-λ2)(s-λ3)根据待定系数法可得k1,k2,k3的值，由可得到初始值β0i。以ird+,irq+,ird-,irq-为量测输入，w1,w2,w3,w4为器估计扰动量，构建起状态扩张观测器参数表达式如下：其中x表示d轴或q轴，y表示正序或负序，z1xy为转子电流扰动观测值。s22.引入模糊控制表，设计可修改的模糊非线性反馈率引入模糊控制表，将自抗扰控制系统中的非线性状态误差反馈率进行在线修改，再进行参数最佳整定。以e1,e2为输入，则输出为△β，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)”}。以e1，e2为输入，其隶属度函数为gaussmf，e1和e2的模糊子集均为：{pb,pm,ps,zo,ns,nm,nb}，取e1,e2论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。以△β03和△β04为输出，其隶属度函数为trimf，输出子集为{pb,pm,ps,zo,ns,nm,nb}，△β03的论域为：{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}。△β04的论域为：{-0.06,-0.04,-0.02,0.02,0.04,0.06}。△β3、△β4模糊控制表如下：模糊非线性反馈率表达式为β′＝β+δβ，式中，β为初始值，βi、ai、δ均为可调量。s23.通过模糊非线性状态误差反馈控制率控制系统参数采用模糊非线性状态误差反馈控制率控制系统时，将误差e1，变化率e2输入模糊控制表，进行模糊计算，求得输出量△β3、△β4对应参数，将△β3、△β4代入模糊非线性反馈率表达式，计算u0(t)，u(t)；将u0(t)，u(t)通过扩张观测器计算z1、z2。例如，取输入误差e1和变化率e2分别为pb和zo，则pb在论域的值为3、zo在论域的值为0，在模糊计算表查询可知，e1和e2对应的输出为mn/pm，则输出值△β3和△β4分别为mn、pm，在论域里对应的值△β3为0.2、△β4为-0.04。将△β3为0.2、△β4为-0.04代入非线性反馈率表达式计算u0(t)，u(t)，进行模糊控制。s24.循环控制输入的电流参数令负序电流为0，将此时正序电流输入跟踪微分器，形成两个分量i1、i2，与扩张观测器中形成的z1、z2进行比较，得到新的误差e1和变化率e2，将新形成的误差e1和变化率e2再次进行模糊计算，并输入非线性反馈率表计算u0(t)，u(t)，通过扩张观测器影响下一轮电流输入，依次循环。本方法设计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。采用模糊自抗扰控制方法进行如下仿真与实验：建立6mw的dfig风电机组的仿真模型，共4台1.5mw构成的风电场进行仿真。所取仿真电机如下：额定功率1.5mw，定子额定电压690v，定子电阻0.0071(pu)，定子漏感为0.175(pu)。转子电阻0.004(pu)，转子漏感0.154(pu)，励磁电感2.7(pu)，惯性时间常数5.0s,极对数3。对所提方案进行仿真，结果如附图3-11所示。由图3可见，电网电压在0.24s时出现5％的不平衡，0.80s时恢复到电网电压平衡状态。传统矢量控制策略忽略了由电网电压跌落导致的电磁暂态过程中电磁量的负序成分，以至于较小的不平衡电压波动也会产生幅值较大的冲击电流。这种冲击电流会导致风电机组不平衡发热，对风电机组的正常运行存在严重危害。另外，在0.8s电网电压回到常态时，转子侧电流恢复到稳定值所用时间较长，系统动态响应慢。由附图4和附图5可见，本发明采用的模糊自抗扰控制对控制器参数进行在线修改来适应电磁暂态过程中的系统模型，在电网电压不平衡跌落时，所产生转子侧电流幅值较小，有效防止了转子侧过流。由附图6和附图7可见，在电网电压波动时，模糊自抗扰控制方案能更好的抑制转矩的抖动，有利于延长风电机组的运行寿命。由附图8-11可见，电网电压跌落时转子侧功率较小，有利于变流器的安全运行，同时在电网电压恢复后，转子侧电流、转矩、功率恢复到稳定所用时间更短，可见系统具有更强的鲁棒性和更快的动态响应。本发明旨在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，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，所提方案抑制了负序电流，减缓了电流的冲击，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。当前第1页12当前第1页12