[发明专利]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

权利要求书

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k_p，k_i，k_d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k_p、k_i和k_d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：

k_p＝k_p0+Δk_p，k_i＝k_i0+Δk_i，k_d＝k_d0+Δk_d (4-1)

式中，k_p0、k_i0、k_d0为PID三个参数的初始值；Δk_p、Δk_i及Δk_d的模糊规则库如表4-1、表4-2和表4-3所示：

表4-1 Δk_p的模糊规则库

表4-2 Δk_i的模糊规则库

表4-3 Δk_d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，K_PWM是脉宽调制系数；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，P_L、Q_L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，U_Ld为常数，U_Lq＝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P_ac就与直流侧功率P_dc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P_ac就与直流侧功率P_dc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＝u_dc²，f为扰动，则状态空间描述如式(5.6)所示：

其中，C＝[1 0],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＝u_dc²，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：u_c＝[uy]^T是组合输入，y_c是输出，L为需要设计的观测器增益矩阵；

经过参数化，即极点配置，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：

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。