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        風(fēng)電并網(wǎng)逆變器的雙閉環(huán)自抗擾控制策略研究

        2022-12-24 07:11:30楊路勇胡延兵段大偉
        山東電力技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:閉環(huán)控制內(nèi)環(huán)線電壓

        楊 霞,李 琛,楊路勇,胡延兵,段大偉

        (國網(wǎng)山東省電力公司禹城市供電公司,山東 禹城 251200)

        0 引言

        并網(wǎng)逆變器是連接風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的核心裝置,其工作性能直接影響風(fēng)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行等重要性能指標(biāo)[1]。由于兩級式并網(wǎng)逆變器具有控制算法簡單、動態(tài)性能好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)的控制系統(tǒng)[2],其中,網(wǎng)側(cè)逆變器對電能輸出的質(zhì)量以及電網(wǎng)在多工況切換控制下都具有較大的影響,所以對網(wǎng)側(cè)逆變器控制策略研究是一個重要課題。

        并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)一般在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下采用基于比例積分(Proportional Integral,PI)控制的電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,由于此控制系統(tǒng)中逆變器的d軸和q軸電流存在耦合現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)的抗擾能力弱。目前,針對dq軸電流耦合現(xiàn)象,許多新的控制算法被提出。文獻(xiàn)[3]采用反饋線性化理論進(jìn)行解耦控制,方法復(fù)雜,魯棒性較差。文獻(xiàn)[4]使用加權(quán)平均電流控制實(shí)現(xiàn)dq軸電流解耦,但輸出電流與電網(wǎng)電壓存在相位差,需要增加補(bǔ)償裝置。文獻(xiàn)[5]采用擾動觀測器的偏差解耦控制方法,但對加速度形式的擾動存在穩(wěn)態(tài)誤差。

        針對強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合等復(fù)雜因素,已有研究提出了自抗擾控制技術(shù)[6-7],一種不依賴于系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型、無需測量系統(tǒng)所受擾動,以擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為核心,通過系統(tǒng)的輸入和輸出來觀測系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動,并對系統(tǒng)進(jìn)行估計和補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)控制技術(shù),然而,這種非線性方法理論分析困難,參數(shù)不易調(diào)節(jié)。為此,高志強(qiáng)教授提出了線性自抗擾控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)技術(shù),對參數(shù)的調(diào)節(jié)以及理論分析都進(jìn)行很大程度上的簡化,而且控制性能和非線性自抗擾控制效果相差不大,具有很好的工程實(shí)用價值[8]。文獻(xiàn)[9]將LADRC 應(yīng)用到并網(wǎng)逆變器的電流環(huán)用于dq軸電流的解耦,而對電壓環(huán)的控制效果未進(jìn)行說明和分析。

        在傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上,結(jié)合LADRC 的思想,提出了基于一階LADRC 技術(shù)的新型雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),以削弱dq軸電流之間的耦合關(guān)系,提高風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓波動的抗擾性能。

        1 風(fēng)電并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

        風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)逆變電路原理如圖1所示。

        圖1 網(wǎng)側(cè)逆變電路的原理

        1.1 風(fēng)電并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

        由圖1,可計算分析出公式(1)。

        式中:ua、ub、uc為逆變器交流側(cè)對N點(diǎn)的相電壓;uga、ugb、ugc為電網(wǎng)電壓;iga、igb、igc為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電流;is為機(jī)側(cè)逆變器輸出電流;ig為流入網(wǎng)側(cè)逆變器的直流電流;Lg為網(wǎng)側(cè)濾波電感;C為逆變器側(cè)電容;Sk(k=a,b,c)為開關(guān)函數(shù),Sk=0 代表k相下橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài),Sk=1 代表k相上橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)。

        三相靜止坐標(biāo)系下逆變器的數(shù)學(xué)模型中包含時變的交流量,不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計,通過Park變換可將交流量變換為直流量,網(wǎng)側(cè)逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

        式中:ud、uq與igd、igq分別為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓、電流在d、q軸上的分量;ugd、ugq為電網(wǎng)電壓在d、q軸上的分量;ω為電網(wǎng)電壓的基波角速度;Sh(h=d,q)為開關(guān)函數(shù)在d、q軸上的分量。

        1.2 逆變器控制系統(tǒng)

        由式(2)可知,d軸及q軸電流分量是耦合的,需要進(jìn)行解耦以簡化控制器的設(shè)計[10]。

        由式(3)可知,當(dāng)以vd、vq作為等效電流控制變量時,d軸和q軸電流是獨(dú)立控制的。電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器

        式中:kpi、kii分別為電流環(huán)的比例系數(shù)及積分系數(shù);id為d軸電流實(shí)際值;iq為q軸電流實(shí)際值;id_ref為d軸電流參考值;iq_ref為q軸電流參考值。

        考慮到電流環(huán)d軸和q軸控制的對稱性,以d軸電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計為例,針對脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)的小慣性和電流內(nèi)環(huán)信號采樣的延遲,可設(shè)計出電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

        圖2 d軸電流環(huán)

        圖2 中,kPWM為橋路PWM 等效增益,Ts為電流采樣周期,PI 調(diào)節(jié)器寫成零極點(diǎn)形式,即kpi+kii=kpi(τis+1)(τis),其中τi為電流環(huán)時間常數(shù)。將Ts與小時間常數(shù)0.5Ts合并以簡化分析,得電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)[11]

        按典型I型系統(tǒng)參數(shù)整定關(guān)系,取系統(tǒng)阻尼比為0.707,可求得PI參數(shù)

        將式(5)、式(6)聯(lián)立并忽略s2項(xiàng),得到電流內(nèi)環(huán)等效簡化傳遞函數(shù)為

        式(7)表明電流環(huán)可近似等效為時間常數(shù)為3Ts、良好跟隨性和較快動態(tài)響應(yīng)的一階慣性環(huán)節(jié),但系統(tǒng)抗擾能力較差。

        在電流內(nèi)環(huán)解耦控制的基礎(chǔ)上再引入直流電壓反饋和PI 調(diào)節(jié)器,就構(gòu)成了三相電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),原理如圖3所示。

        圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

        2 一階LADRC的設(shè)計

        2.1 一階LADRC的設(shè)計原理

        LADRC 能將外擾、耦合等視為總和擾動,通過線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Linear Extended State Observer,LESO)進(jìn)行估計和補(bǔ)償,將系統(tǒng)補(bǔ)償為純積分串聯(lián)型,再用一定的線性狀態(tài)誤差反饋控制律(Linear State Error Feedback,LSEF),將其改造成期望的閉環(huán)系統(tǒng),獲得期望的閉環(huán)動態(tài)特性。因此LESO 的設(shè)計在LADRC 的設(shè)計中占有非常重要的地位,是自抗擾控制器的核心[12-13]。因此,被控對象的微分方程可描述為

        式中:u和y分別為系統(tǒng)的輸入和輸出;w為未知擾動;a0為系統(tǒng)的參數(shù);b為未知的輸入控制增益,可對b進(jìn)行估計,假設(shè)估計值為b0。令x1=y,定義f(y,w)=-a0y+w+(b-b0)u為系統(tǒng)廣義擾動,包括系統(tǒng)中所有的不確定因素和外部擾動,并令x2=f(y,w),h=f(y,w),可得系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

        建立二階LESO為

        式中:z1為y的跟蹤信號;z2為跟蹤總和擾動信號;β1、β2為觀測器的系數(shù)。

        取系統(tǒng)的擾動補(bǔ)償環(huán)節(jié)為

        忽略z2對f(y,w)的估計誤差,式(9)可簡化為一個積分環(huán)節(jié)

        由于沒有對狀態(tài)的微分進(jìn)行觀測,故LSEF 采用比例控制為

        式中:kp為比例控制增益;v為輸入信號。由式(12)—式(13)得閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

        由式(14)知,比例控制的帶寬ωc=kp,選取合適的比例增益可使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

        當(dāng)一階線性自抗擾控制器由LESO、LSEF 與擾動補(bǔ)償環(huán)節(jié)構(gòu)成時,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 一階線性自抗擾控制器

        根據(jù)極點(diǎn)配置,將式(10)的極點(diǎn)配置在觀測器的帶寬ω0上,即

        可得二階LESO的增益為

        因此,一階LADRC可簡化為對ω0、ωc的控制。

        2.2 基于一階LADRC電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計

        考慮到系統(tǒng)受擾動時,并網(wǎng)點(diǎn)電壓會受到影響,進(jìn)而導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)的參考輸入信號中含有擾動成分,影響LADRC 的控制性能,基于此仍采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)中將電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償?shù)乃枷胍蕴岣呦到y(tǒng)的動態(tài)性能。將dq軸電流間的耦合等因素作為總擾動,通過LESO與擾動補(bǔ)償環(huán)節(jié)進(jìn)行估計和補(bǔ)償。以d軸電流為例進(jìn)行設(shè)計,根據(jù)式(2)可得電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)對應(yīng)的狀態(tài)空間為

        式中:b0i=1g;x1i為d軸電流實(shí)際值;yi為電流環(huán)的輸出;ui為電壓外環(huán)輸出的d軸參考電流id_ref;x2i為LESO 擴(kuò)張出的新的狀態(tài)變量,用來描述電流環(huán)的總擾動,包括系統(tǒng)內(nèi)部不確定性和外部擾動,記為fi=,并且=hi。

        根據(jù)式(10)、式(16)可得電流內(nèi)環(huán)的二階LESO為

        式中:z1i為電流環(huán)輸出的估計值;為z1i的微分值;z2i為電流環(huán)總擾動的估計值為z2i的微分值;ω0i為電流環(huán)觀測器的帶寬。

        比例控制的LESF以及擾動補(bǔ)償環(huán)節(jié)為

        式中:ωci為電流環(huán)控制器的帶寬;u0i為電流環(huán)控制器的輸出。

        2.3 基于一階LADRC電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

        電壓外環(huán)采用LADRC 時,首先建立其對應(yīng)的LESO,根據(jù)式(4)可得電壓外環(huán)對應(yīng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為

        式中:b0u=3/(2C);x1u為母線電壓實(shí)際值;yu為電壓環(huán)的輸出;uu為直流母線電壓的參考值;x2u為LESO 擴(kuò)張出的新的狀態(tài)變量,用來描述電壓環(huán)的總擾動,記為fu=is/C-3Sqigq/(2C),并且=hu。

        電壓外環(huán)的二階LESO為

        式中:z1u為電壓環(huán)輸出的估計值為z1u的微分值;z2u為電壓環(huán)總擾動的估計值;為z2u的微分值;ω0u為電壓環(huán)觀測器的帶寬。選取合適的ω0u,可使z1u、z2u快速的跟蹤udc以及系統(tǒng)的總擾動。

        LESF以及擾動補(bǔ)償環(huán)節(jié)為

        式中:ωcu為電壓環(huán)控制器的帶寬;u0u為電壓環(huán)控制器的輸出。

        據(jù)上述分析,得網(wǎng)側(cè)逆變器控制系統(tǒng)如圖5所示[14-18]。

        圖5 并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)

        3 仿真分析

        利用MATLAB/Simulink 對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,系統(tǒng)部分參數(shù):永磁直驅(qū)電機(jī)額定功率1.5 MW,額定電壓690 V,直流側(cè)母線電壓、電容分別為1 070 V、240 μF,網(wǎng)側(cè)進(jìn)線等效電阻0.942 Ω,網(wǎng)側(cè)濾波器電感、電容為147 μF、120 μF。兩種控制方式下,控制器的參數(shù)如表1所示。

        表1 控制器參數(shù)

        3.1 穩(wěn)態(tài)性能仿真對比

        圖6 所示分別為風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,電流內(nèi)環(huán)d、q軸輸出電流實(shí)際值、直流母線電壓在傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制與LADRC 雙閉環(huán)控制中的波形對比??梢钥闯觯捎肔ADRC 雙閉環(huán)控制,d、q軸實(shí)際輸出電流的穩(wěn)態(tài)精度更高,直流母線電壓跟蹤給定參考值的響應(yīng)速度更快。

        圖6 穩(wěn)態(tài)時仿真波形

        3.2 解耦控制仿真對比

        圖7 所示分別為d軸參考電流在0.6 s 時在原參考電流的基礎(chǔ)上增加1 000 A,在1 s時又減少500 A,d軸和q軸輸出電流、直流母線電壓波形對比。

        圖7 d軸參考電流突變時仿真波形

        圖8 所示分別為q軸參考電流在0.6 s 時從0 階躍至1 000 A,在1 s時又從1 000 A階躍至500 A時,q軸和d軸輸出電流、直流母線電壓波形。表2 為兩種控制方式下,直流母線電壓的動態(tài)性能指標(biāo)。

        表2 參考值突變時兩種控制的動態(tài)性能指標(biāo)

        圖8 q軸參考電流突變時仿真波形

        由圖7、圖8 和表2 可知,d軸或q軸參考電流突變時,對應(yīng)q軸或d軸的輸出電流采用LADRC 雙閉環(huán)控制時會在突變瞬間產(chǎn)生較大的波動,之后q軸或d軸的輸出電流基本保持原來的穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行,直流母線電壓在參考電流突變時會產(chǎn)生波動,暫態(tài)過渡過程時間極短。而采用傳統(tǒng)的PI 雙閉環(huán)控制時,d軸或q軸參考電流突變會導(dǎo)致q軸或d軸的輸出電流產(chǎn)生較大波動,直流母線電壓會產(chǎn)生較長的過渡過程時間,說明采用傳統(tǒng)的PI控制d軸和q軸仍存在耦合關(guān)系,而使用LADRC 策略基本實(shí)現(xiàn)電流解耦,提高系統(tǒng)的魯棒性。

        3.3 抗擾性能仿真對比

        圖9 分別為電網(wǎng)電壓在0.6 s 時對稱跌落60%,在1 s 時故障恢復(fù),d軸和q軸輸出電流、直流母線電壓、并網(wǎng)點(diǎn)電壓在兩種控制方式下的波形對比。

        圖9 網(wǎng)側(cè)電壓跌落60%

        由圖9 知,電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時,采用傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制時d軸和q軸輸出電流會產(chǎn)生很大的波動,導(dǎo)致控制器控制效果變差[19-20],影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波形,使直流母線電壓的控制受到影響。兩種控制方式下,直流母線電壓的動態(tài)性能指標(biāo)如表3。

        表3 電網(wǎng)電壓突變時兩種控制的動態(tài)性能指標(biāo)

        綜上可得,基于LADRC 的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)d軸和q軸參考電流之間的解耦,且在穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能特別是抗擾性能上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PI雙閉環(huán)控制效果。如在電壓跌落60%時,PI控制技術(shù)的最大偏差為2.991%,而LADRC 控制技術(shù)的偏差僅僅為1.121%,后者在性能上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前者。所以,通過上述一系列的理論、仿真分析可清楚說明本文針對風(fēng)電并網(wǎng)逆變器所設(shè)計的控制器具有一定的優(yōu)越性。

        4 結(jié)語

        以三相電壓型PWM 逆變器為研究對象,建立其數(shù)學(xué)模型以及傳統(tǒng)PI 雙閉環(huán)控制策略,在此基礎(chǔ)上對一階自抗擾控制器進(jìn)行了推導(dǎo)與分析,提出了基于LADRC 的電壓電流雙閉環(huán)控制策略,內(nèi)環(huán)用于對d軸和q軸電流進(jìn)行解耦,外環(huán)用于提高系統(tǒng)的抗擾性及響應(yīng)速度。仿真結(jié)果表明,基于LADRC 的電壓電流雙閉環(huán)控制策略在解耦效果、動態(tài)響應(yīng)速度、抗擾性能方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的PI 雙閉環(huán)控制效果。由此可知,在大型風(fēng)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)中利用本文所設(shè)計的控制器,其控制穩(wěn)定性上可能會優(yōu)于傳統(tǒng)的控制技術(shù)。

        由此可以說明,新型雙閉環(huán)控制策略在并網(wǎng)逆變器的控制方面具有很好的控制效果。那么,在接下來的研究中就可以把理論設(shè)計用于實(shí)際制造,把本文所設(shè)計的新型雙閉環(huán)控制策略用于電力線桿警示標(biāo)識自動噴涂裝置的設(shè)計中,對自動噴涂裝置進(jìn)行深一步的優(yōu)化與改進(jìn),提高該裝置在多場合、多環(huán)境、多條件下的廣泛應(yīng)用,進(jìn)一步提高實(shí)際工作過程中的效率,真正意義上的達(dá)到自動裝置的智能化,為電力事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

        本文的控制器在實(shí)驗(yàn)仿真時只是針對風(fēng)電并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了低電壓穿越故障的設(shè)計,在接下來的研究中將具體的設(shè)計風(fēng)機(jī)的加減載、高電壓穿越、滿載等一系列工況來對本文所設(shè)計的控制器進(jìn)行有效的驗(yàn)證。

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