双馈风力发电机最大功率点自适应跟踪控制方法及系统与流程

本公开属于风力发电机最大功率点跟踪控制技术领域，具体涉及一种基于直流并网电阻不确定的双馈风力发电机最大功率点自适应跟踪控制方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

双馈感应发电机(dfig)是最常用的风力发电机。风电场并网有交流和直流两种拓扑方案。当海上风电场与陆地的距离超过80km，必须采用柔性直流并网。然而，传统的dfig系统需要附加设备才能连接到直流电网。因此，各种直接连接直流并网网的dfig变流器系统被提出。一种方法是采用基于igbt的定子侧变流器(statorsideconverterssc)和转子侧变流器(rotorsideconverterrsc)，它们分别将dfig的定子和转子连接到直流电网，如图1所示。这种新结构的优点是有效降低发电过程中电流谐波对电网的影响，并且定子磁通及电流不再受交流电网的限制，可以根据系统需求灵活调整。

然而，新的结构增加了定子侧变流器，因此输入和状态变量是传统结构的2倍。同时，它也带来了更复杂的耦合，原来传统结构时的控制方法不能继续使用。近年来，许多学者致力于研究新结构的控制算法，常见的算法是使用系统线性化模型实现大功率点跟踪。然而，据发明人了解，大多数线性化方法需要精确的电机参数，例如定子和转子电阻。一般情况下，电机运行过程中的温度和集肤效应会改变电机的电阻阻值，对电机的性能产生很大影响，降低系统的可靠性，特别是当风电机组在运行过程中经常遇到随机工况时。因此，当风机的标称参数偏离实际值时，依赖精确参数的线性化控制算法就不能保证系统的运行性能。

为了避免线性化方法带来的负面影响，学者们研究了非线性控制和智能控制方法，并将其应用于传统的基于交流并网的dfig系统，但这些策略不能直接应用于基于直流并网的dfig。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于直流并网双馈风力发电机最大功率点自适应跟踪控制方法及系统，本公开能够对基于直流并网的dfig电阻不确定系统进行自适应控制，以实现最大功率点跟踪控制目标，以达到指定的系统性能。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种直流并网双馈风力发电机最大功率点自适应跟踪控制方法，包括以下步骤：

根据风力机捕获到风能的功率公式，推导出捕获的风能最大功率点与dfig转子角频率关系的公式，得到不同风速下最佳的转子角频率，作为dfig系统最大功率点跟踪对象；

构建d/q同步坐标系下的dfig数学模型，采用自适应控制方法对单环反馈线性化解耦后电阻不确定系统进行最大功率点跟踪控制。

作为可选择的实施方式，构建d/q同步坐标系下的dfig数学模型，并对其进行整理，对输出进行求导，实现了从输出到输入的输入输出线性化。

作为可选择的实施方式，采用模型参考自适应跟踪控制算法实现对给定目标的跟踪，根据最大功率点的控制要求，将输出稳定在预定参考范围内。

作为可选择的实施方式，利用未知的有界常数，表示变化的电阻值。

作为可选择的实施方式，构建基于变化的电阻值的误差模型，针对误差模型设计协同自适应反馈线性化控制器，考虑自适应率，得到最终的控制器。

一种直流并网双馈风力发电机最大功率点自适应跟踪控制系统，包括：

计算模块，被配置为根据风力机捕获到风能的功率公式，推导出捕获的风能最大功率点与dfig转子角频率关系的公式，得到不同风速下最佳的转子角频率，作为dfig系统最大功率点跟踪对象；

跟踪模块，被配置为构建d/q同步坐标系下的dfig数学模型，采用自适应控制方法对单环反馈线性化解耦后电阻不确定的系统进行最大功率点跟踪控制。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种双馈风力发电机最大功率点自适应跟踪控制方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种双馈风力发电机最大功率点自适应跟踪控制方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开针对直流并网双馈发电机的最大功率点跟踪控制，提出了一种基于自适应反馈线性化控制策略的电阻不确定估计方法，在不确定定子和转子电阻值和风速的快速变化的扰动下，可以实现稳定和高效的最大功率点跟踪控制。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是在直流并网中使用基于直流变流器系统的dfig；

图2是本公开的输出机械功率、最优功率和转子转速之间关系曲线；

图3是本公开的控制逻辑示意图；

图4是风速性能图；

图5是三种控制算法(反馈线性化flc、自适应反馈线性化控制flc-a、矢量控制vc)的转子角频率性能图；

图6是三种控制算法的转子角频率跟踪误差性能图；

图7是三种控制算法最大功率点跟踪性能图；

图8-9是flc和flc-a在具有不确定电阻的系统的跟踪性能示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

首先，对实施例中的公式参数含义进行解释：

usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq分别为dfig定子d轴和q轴电压、电流、磁通；

urd、urq、ird、irq、ψrd、ψrq分别为dfig转子d轴和q轴电压、电流、磁通ω1为dfig同步角频率；

ωr为dfig转子角频率；

rs,rr分别为定子电阻和转子电阻；

lm,lr,ls分别为分别dfig绕组互感、转子绕组自感、定子绕组自感；

te,tm分别为dfig电磁转矩和负载转矩；

np,j分别为dfig极对数和转动惯量。

本公开的主要目的是对基于直流并网的dfig电阻参数受客观因素影响变化时的最大功率点跟踪控制，以达到指定的系统性能。具体做法是：在反馈线性化解耦的基础上，选择协同自适应控制器实现最大功率点跟踪(mppt)控制，把电阻的变化值作为系统的干扰，设计自适应率来估计干扰项，当干扰出现时，系统仍能准确地跟踪最大功率点；通过matlab/simpowersystems仿真，将本实施例的控制方法自适应反馈线性化控制(flc-a)与矢量控制(vc)和反馈线性化控制(flc)进行了比较，结果表明，在电阻不确定的情况下，该控制器具有较好的mppt性能。

首先，构建基于直流并网dfig数学模型：

d/q同步坐标系下的dfig数学模型为：

其中：ca＝(lrls-lm²)/ls,cb＝lm/ls。

风力机数学模型

当叶尖速比λ等于最佳叶尖速比λopt时，风力涡轮机的输出机械功率pwt等于最佳功率pwtmax。此时，功率系数维持在最大值为cpmax，因此，风力机的最佳角速度值ω^*r公式为：

其中，rwt为风力机半径，vwind是风速。它们的关系如图2所示。

在控制器设计上，包括：

1.协调自适应反馈线性化控制

将方程(1)整理后，变成下面这种形式：

其中：

x＝[x1x2x3x4x5]^t＝[ψsdψsqirdirqωr]^t

u＝[u1u2u3u4]^t＝[usdusqurdurq]^t

y＝[h1(x)h2(x)h3(x)h4(x)]^t＝[x1x2x4x5]^t＝[ψsdψsqirqωr]^t

在公式(3)中，x是5维状态相量，fi(x)(i＝1,2,...,5)和gi(x)(i＝1,2,3,4)分别是5d和4d光滑向量场。每一个输出yi对应一个关系度ri，通过计算是1，1，1和2。于是系统关系度r＝1+1+1+2＝5＝n，满足反馈线性化条件。按照公式(4)对输出yi进行求导，直到输入uj出现。

将方程(3)按照公式(4)计算，得到一个新系统：

其中：

从而实现了从出yi到uj的输入输出线性化，利用线性控制理论求解系统的mppt。考虑到转子和定子的电阻受客观因素的影响，其阻值不是恒定的，本实施例采用模型参考自适应跟踪控制算法实现对给定目标的跟踪。新的控制输入设计如下：

此处，通过方程(17)知ψsq≠0，所以det(e(x))≠0，存在逆矩阵e(x)^-1，u＝e(x)^-1u。系统(5)整理成：

根据mppt控制要求，将输出稳定在其中ψ^*sd，ψ^*sq，i^*rq，ω^*r为系统的mpp参考值。系统跟踪误差定义为：

当t→∞时，eyi→0。对误差模型(8)求导得：

整理为：

同时有：

2.基于干扰观测器的flc-a

由于系统电阻rs和rr对客观环境的变化很敏感，会随着温度等变化引起阻值的改变。我们假设qi(i＝1,2...4)是未知的有界常数，表示变化的电阻值。那么，δrs和δrr分别是定子和转子电阻的变化值。因此，误差模型(9)可以重写为：

总结成：

是qi的估计,代进方程(10)得:

显然，控制器u在动态模型中是解耦的。根据式(11)，将协同自适应反馈线性化控制设计为：

其中，ki(i＝1,2...4)是正常数反馈增益，ki>0。自适应率为：

其中，γi(i＝1,2...4)是自适应增益，γi>0。

从方程(6)知，系统的控制器为：

为了验证，利用lyapanov函数(15)证明了控制器(11)可以使基于直流并网的dfig在mppt上运行，对参数变化引起的不确定失配具有较强的鲁棒性。

对方程(15)求导，然后将方程(11)、(12)、(13)代入:

然后定义方程m1(t)为

因为m(t)≥0.，所以，v1(t)可以被定义为：

其中and因为v1(t)≥0,通过方程(16)可以得到如下结论：

因此，按照barbalat'slemma，当t→∞时m1(t)→0，换言之，当t→∞时ei(t)→0。综上所述，即使存在参数不确定性，所提出的控制器仍然具有稳定型和鲁棒型。

4.控制器参考点

在本实施例要求的控制目标中，方程(2)决定了参考值ω^*r。定子磁通和转子电流参考值由定子磁通定向得到，也就是说，定子磁通矢量参考值与q轴方向一致。

其中vs是发电机额定电压幅值,ω1是同步角频率.把方程(17)带入方程(1)，可以得到转子电流参考值：

综上所述，系统控制方案如图3所示。

仿真结果由matlab/simpowersystems给出，并进行了2种不同目的的仿真。首先，在斜坡风速下，将所提出的控制策略与矢量控制(vc)和反馈线性化控制(flc)在系统进行最大功率点跟踪时进行了比较；其次，当系统参数电阻变化时，验证了所提出的控制策略的鲁棒性优于flc。dfig系统参数具体为：

dfig参数

prated＝1.5mw,fnom＝50hz,vs_nom＝1.0pu,ωs＝1.0pu,rs＝0.023pu,rr＝0.016pu,ls＝3.071pu,lr＝3.056pu,lm＝2.9pu,np＝3.

风力机参数

ρ＝1.225kg/m³,rwt＝40m,h＝5.04s；

控制系数

k1＝1500,k2＝1500,k3＝1000,k4＝6000；

γ1＝2000,γ2＝2000,γ3a＝1500,γ3b＝1500,γ4＝4000；

由flc-a、flc和vc控制的基于直流并网的dfig系统最大功率点跟踪性能如图4-7所示。图4描述了斜坡风速，速度在1.5秒和4.8秒时急剧上升，用时0.3秒从8米/秒升至12米/秒。图5为vc、flc-a、flc控制下的dfig转子角频率运行状态，图中虚线为最优转子转速ω^*r，显然，vc提供的转子角频率跟踪值滞后于最优值。跟踪误差如图6所示，其中flc最大跟踪误差为0.08pu,vc最大跟踪误差为0.48pu,flc-a最大跟踪误差为0.017pu。图7是dfig系统捕获风力机输出最大功率系数的情况，采用flc-a时，与vc相比风速快速上升时的cpmax捕捉性能提高了50％，与flc相比提高了2％。因此，所提出的flc-a可以改善随机风速下的快速时变跟踪性能。

参数电阻变化的仿真结果

图8-9显示了由flc和flc-a控制的具有不确定电阻的系统在随机风条件下的跟踪性能，风速取图3中的前4秒。假设电阻随温度增加，假设电阻被估计的最大值是原值的2倍，图8为两个阻值下flc的转子频率跟踪图。当转子频率快速上升时，正常电阻最大跟踪误差为0.08pu，双倍电阻最大跟踪误差为0.17pu。很明显，跟踪误差随电阻的变化而增大。本实施例所提出flc-a在不同电阻下的响应如图9所示，该控制器的自适应率可以实时估计电阻的变化，并补偿跟踪控制中由于阻抗失配而产生的不确定性，定子磁通观测器还可以在线识别电阻变化，提供可靠的磁通状态。因此，图9所示的两个阻值下的转子频率跟踪值相差不大，最大跟踪误差均在0.02pu左右。综上所述，利用flc-a改进了系统在阻值不确定性下的跟踪性能。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。