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)
技术领域：
：本发明属于风力发电变流器控制
技术领域：
，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)
背景技术：
：：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)技术实现要素：：本发明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。本发明的技术方案：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＝[0]，w为扰动，b是实际的控制输入前的系数；进一步有：令f’＝w+(b-b0)u，取状态变量x1＝udc2，x2＝f，对系统进行扩张状态，则有：建立线性扩张状态观测器：其中，z→x，z为观测器的状态向量，l为观测器误差反馈增益矩阵，需要设计。由于未知且通过校正可以估计出来，因而略去则式(5.8)变成：式中：uc＝[uy]t是组合输入，yc是输出，l为需要设计的观测器增益矩阵。经过参数化(极点配置)，即使得：|se-(a-lc)|＝s2+sl1+l2＝(s+w0)2(5.10)且l1＝2ω0，l2＝ω02；(5-3)由电压环的leso可知由于，l1＝2ω0；对其进行laplace变换，得：z2(s)为观测扰动的拉式变换函数，z2(s)的频域特性直接关系到观测扰动的准确性，若只考虑观测量y(s)对z2(s)观测带宽的影响，则可得到观测扰动δ的传递函数为：若只考虑控制量u(s)与观测的扰动噪声z2(s)，则得到的观测噪声的传递函数为：由此可见，随着带宽的增加扰动跟踪的速度和扰动观测的更加精确，但同时随着带宽的增加观测高频的噪声影响系统的控制效果和当adrc参数调的过大会出现高频颤振现象；(5-4)对观测器扰动z2(s)加入比例谐振控制环节，改进的观测器的表达式子，如式(5.15)所示：只考虑观测量y对z2*(s)观测带宽的影响，则得到观测噪声δ的改进观测传递函数为：只考虑观测量u对z2*(s)观测带宽的影响，得到观测噪声δ的改进观测传递函数为：经观测器估计和比例谐振器估计直流侧母线电压，并进行反馈和估计的扰动补偿，提高控制器的控制性能。本发明的工作原理：实时检测永磁同步风电并网系统的各个元件的电压和电流值，将各电压各电流检测的模拟量转换为数字量。根据检测的电压电流数字信号，通过模糊pid控制和自抗扰控制运算出合适的信号。根据运算的信号控制变流器中igbt的开通和关断。计算机软件组成主要涉及到dsp串行口的初始化和芯片的内部参数设置及转换结果的接收，完成a/d转换过程。转换成数字信号通过dsp实现模糊pid运算与自抗扰控制运算。运算出的信号转换成触发脉冲信号，脉冲信号再触发igbt导通和关断，从而控制直流侧母线电压。根据检测的电压电流转换的数字信号，通过模糊pid控制输出控制电流内环和自抗扰控制运算控制电压外环合适的信号。根据运算的信号控制变流器中igbt的开通和关断从而控制直流母线电压。检测单元检测直流侧的电压，和网侧的电流均是模拟量。模数转换要通过软件来实现,其软件流程如下:①启动模数转换信号；②在auto_seq_sr寄存器中装初值；③进行模数转换,每转换一次,auto_seq_sr寄存器中的值就自动减1；④将转换结果保存到相应的寄存器中；⑤判断转换是否完成；若完成，就申请中断，转换结束；否则就继续转换。控制器模块组成主要涉及到dsp串行口的初始化和芯片的内部参数设置及转换结果的接收，串行口的初始化为对mcbsp的控制寄存器的配置，使dsp可以为提供片选、时钟、帧同步信号等控制信号。本发明的优越性在于：①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件装置设计简单，控制器设计简单；②电流内环应用模糊pid控制实现电流的解耦控制；③电压外环应用自抗扰控制实现电压的抗扰；④dsp高速的数据计算和数据处理能力，大大提高了该控制系统的可靠性；⑤在永磁同步风电并网系统的直流侧,通过加入控制器施加合适的控制信号控制igbt的导通和关断，抑制扰动对母线电压的影响。(四)附图说明：图1为本发明所涉一种基于模糊pid与adrc的全功率风力发电变流器控制系统的永磁同步风力发电变流器网侧结构示意图。图2为本发明所涉一种基于模糊pid与adrc的全功率风力发电变流器控制系统中控制器模块的原理结构示意图。图3为本发明所涉一种基于模糊pid与adrc的全功率风力发电变流器控制方法中基于模糊pid的电流内环原理结构示意图。图4为本发明所涉一种基于模糊pid与adrc的全功率风力发电变流器控制方法中模糊规则库的仿真示意图。图5为本发明所涉一种基于模糊pid与adrc的全功率风力发电变流器控制方法中模糊pid参数自整定控制流程图。图6为本发明所涉一种基于模糊pid与adrc的全功率风力发电变流器控制方法中基于自抗扰控制的电压外环原理结构示意图。图7为本发明所涉一种实施例中的实际系统的接线图。图8为本发明所涉一种实施例中上位机软件控制系统界面图。图9为本发明所涉一种实施例中观测扰动的频域特性(其中，9-a为观测扰动对输入量频域特性，9-b为观测扰动对控制量频域特性)图10为本发明所涉一种实施例中加入比例谐振器后观测扰动的频域特性(其中，10-a为观测扰动对输入量频域特性，10-b为观测扰动对控制量频域特性)(五)具体实施方式：实施例：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，如图1所示。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，见图3：(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，如图4所示，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，如图5所示：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，见图6：(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＝[0]，w为扰动，b是实际的控制输入前的系数；进一步有：令f’＝w+(b-b0)u，取状态变量x1＝udc2，x2＝f，对系统进行扩张状态，则有：建立线性扩张状态观测器：其中，z→x，z为观测器的状态向量，l为观测器误差反馈增益矩阵，需要设计。由于未知且通过校正可以估计出来，因而略去则式(5.8)变成：式中：uc＝[uy]t是组合输入，yc是输出，l为需要设计的观测器增益矩阵。经过参数化(极点配置)，即使得：|se-(a-lc)|＝s2+sl1+l2＝(s+w0)2(5.10)且l1＝2ω0，l2＝ω02；(5-3)由电压环的leso可知由于，l1＝2ω0；对其进行laplace变换，得：z2(s)为观测扰动的拉式变换函数，z2(s)的频域特性直接关系到观测扰动的准确性，若只考虑观测量y(s)对z2(s)观测带宽的影响，则可得到观测扰动δ的传递函数为：若只考虑控制量u(s)与观测的扰动噪声z2(s)，则得到的观测噪声的传递函数为：如图9所示，9-a中，分别令ω0＝10，20，30，40，50得到此传函的频域特性曲线，9-b中分别取ω0＝10，20，30，40，50，令b0＝1得到此传函的频域特性曲线，由此可见，随着带宽的增加扰动跟踪的速度和扰动观测的更加精确，但同时随着带宽的增加观测高频的噪声影响系统的控制效果和当adrc参数调的过大会出现高频颤振现象；(5-4)对观测器扰动z2(s)加入比例谐振控制环节，改进的观测器的表达式子，如式(5.15)所示：只考虑观测量y对z2*(s)观测带宽的影响，则得到观测噪声δ的改进观测传递函数为：只考虑观测量u对z2*(s)观测带宽的影响，得到观测噪声δ的改进观测传递函数为：图10中分别对加入比例谐振器后观测噪声对输入量(10-a)和控制量(10-b)的频域特性进行分析，可以看出，在频率为100hz时改进的加入比例谐振控制器的系统，观测器在该频率的幅值并没有降低其观测扰动精确度；经观测器估计和比例谐振器估计直流侧母线电压，并进行反馈和估计的扰动补偿，提高控制器的控制性能。3.6mw功率等级的电机组试验全真风场电网与运行模拟实验平台主要由控制箱、直驱.双馈互拖电机组、电网模拟平台、控制台、监视系统以及对应的保护系统组成。上位机软件显示系统参数如表1所示。表1参数数值额定功率/mw1.5网侧线电压/v690直流母线电压/v1070直流母线电容值/μf240网侧进线等效电阻值/ω0.942直流侧滤波电容/μf147lcl滤波器机侧电感l1/μh20lcl滤波器网侧电感lg/μh120lcl滤波器滤波电容cf/μf94泄放电阻/ω0.3在做永磁直驱风力发电系统相关实验时，双馈感应电机作为电动机，拖动作为风力发电机的永磁直驱电机。通过改变双馈感应电机转速，模拟实际运行时不同风速下的动态过程.该平台的主要特性有：1)电网电压频率可调，电压调节范围为±10％，频率调节范围为45hz～65hz，变化速率5hz/s。谐波注入：thd大于10％。2)具备无功补偿功能，3mw样机pf＝±0.9时，电压保持基本正常，具备最大10％的电压不平衡功能，2％递增五档可调。3)电机平台转速变化率：升200rpm/s，降350rpm/s。4)具备低穿、高穿功能，间隔时间可调。低电压穿越具备10％、20％、35％、50％、75％五档可选，时间可任意设置，并具备两次跌落功能，中间间隔时间可调；高电压穿越具备115％、120％、125％、130％、135％五档可选，时间可任意设置。5)双馈变流器与全功率变流器均试用于本平台，并且可现实0.1h内实验快速切换。6)具备完全自动化的水循环散热系统，无需人为泄放冷却液体；实验设备均远程操控，没有任何安全风险和人身伤害。当前第1页12