基于自抗擾技術(shù)的DFIG 網(wǎng)側(cè)換流器直接功率控制策略探究

姚婧娟

（國網(wǎng)四川邛崍供電有限責(zé)任公司，邛崍，611500）

0 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益得到重視。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）具有有功、無功功率可獨(dú)立調(diào)節(jié)的能力，可實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的變速恒頻運(yùn)行?，F(xiàn)在普遍運(yùn)用的是磁場定向矢量控制策略，該策略會產(chǎn)生多種耦合關(guān)系，將控制過程復(fù)雜化?；谧钥箶_技術(shù)的直接功率控制策略直接利用測量的定子側(cè)電壓電流控制電壓源換流器的橋臂通斷，直接控制有功、無功功率，對DFIG 系統(tǒng)進(jìn)行控制。

本文利用基于自抗擾技術(shù)的直接功率控制策略對DFIG 系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)換流器進(jìn)行研究，并且對控制器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證該控制策略的性能。

1 DFIG 網(wǎng)側(cè)換流器數(shù)學(xué)模型分析

三相電源平衡時(shí)，DFIG 網(wǎng)側(cè)換流器在dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：dcu 為換流器直流側(cè)電壓；C 為直流側(cè)電容；di 、qi 分別為交流側(cè)電流d 軸、q 軸分量；Li 為負(fù)載電流；R 為交流側(cè)等效電阻；ù 為電壓角頻率；dS 、qS 為換流器在dq 坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)。

換流器交流側(cè)有功功率 AP 等于直流側(cè)有功功率 DP 。采用dq 坐標(biāo)變換有：

式中： LR 為直流側(cè)電阻。當(dāng)三相電源平衡時(shí)，式(2)簡化為

由式(3)、(4)可見， ( )f t 為系統(tǒng)的總擾動；b 為決定補(bǔ)償強(qiáng)弱的“補(bǔ)償因子”；直流側(cè)電壓 dcu 與d 軸電流di 之間能夠用一階ADRC 進(jìn)行控制。

1.1 一階非線性自抗擾器設(shè)計(jì)

自抗擾控制器由非線性跟蹤—微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）和誤差非線性控制器（NLSEF）組成。其系統(tǒng)框圖如下。

圖1 一階自抗擾控制器系統(tǒng)框圖

u dcr為被控制量的參考值，udc為被控輸出量，z1為輸出 udc的跟蹤信號，z2為總擾動的觀測值，u 為控制量，b 為補(bǔ)償因子。各模塊的算法如下：

1.1.1 跟蹤—微分器（TD）

給定直流側(cè)電壓值 udcr，安排過渡過程，非線性跟蹤—微分器形式為：

u dc1為安排的過渡過程，跟蹤直流電壓給定值 ud cr；u dc2為 u dc1的廣義導(dǎo)數(shù)；r 為可調(diào)參數(shù)；h 為步長。由文獻(xiàn)[8]知：

定義函數(shù)a：

則

1.1.2 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）

對直流側(cè)電壓，設(shè)計(jì)的非線性二階ESO 為

e 為系統(tǒng)的誤差，z1為直流側(cè)電壓的狀態(tài)估計(jì)值，z2為擾動f ( t )的估計(jì)值，、為輸出誤差調(diào)整系數(shù)，fal 函數(shù)為最優(yōu)控制函數(shù)，為濾波因子，為非線性因子，b0為b 的估計(jì)值。由文獻(xiàn)[9]知：

1.1.3 非線性控制器（NLSEF）

非線性控制形式為：

k 為反饋控制率的比例系數(shù)；drefi 為控制器輸出的d 軸電流參考值。

基于一階非線性自抗擾控制器的直接功率控制系統(tǒng)框圖如下。

圖2 基于非線性自抗擾控制器的直接功率控制系統(tǒng)框圖

2 仿真分析

本文在MATLAB/ Simulink 中搭建了仿真模型。參數(shù)如下：交流側(cè)線電壓380V，頻率50Hz，電感L=3mH，電阻R=0.76Ω，直流側(cè)電容C=4000μF，負(fù)載RL=9Ω，直流側(cè)電壓給定參考值 dcru 為500V。t=0.15s 時(shí) dcru 階躍至550V，t=0.25s 時(shí)直流側(cè)RL 變?yōu)?.45Ω。傳統(tǒng)PI 控制器參數(shù)：。一階非線性自抗擾器參數(shù)為：TD：r=800，h=0.1；ESO：β1=1.8，β2=35，b=1，h=0.1；NLSEF：k=0.5，b=1。仿真圖形如下。

由圖3(a)知，PI 控制的系統(tǒng)在t=0.05s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，有一定的超調(diào)量，改進(jìn)的控制策略控制的系統(tǒng)在t=0.03s 就達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)量很小可忽略，改進(jìn)的策略與原控制策略相比，直流電壓能夠更快速、無超調(diào)的達(dá)到穩(wěn)態(tài)。由圖3(b)知，換流器一直工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。由圖3(c)可知，當(dāng)在t=0.15s 時(shí)，直流電壓給定值由500V 階躍至550V，PI 控制的系統(tǒng)在t=0.185s 時(shí)再次到穩(wěn)態(tài)，改進(jìn)的控制策略控制的系統(tǒng)在t=0.165s 時(shí)再次到穩(wěn)態(tài)，且無超調(diào)量。由圖3(d)可以看出，在t=0.25s 時(shí)，RL減半，PI 控制的系統(tǒng)在t=0.27s 時(shí)再次到穩(wěn)態(tài)，改進(jìn)的控制策略控制的系統(tǒng)在t=0.267s 達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

由以上結(jié)果可知，基于一階非線性自抗擾控制器改進(jìn)的直接功率控制策略與PI 控制相比，能夠使輸出信號快速、無超調(diào)的跟蹤給定的參考量，當(dāng)出現(xiàn)擾動時(shí)，能及時(shí)觀測擾動給予補(bǔ)償，使輸出能夠快速無超調(diào)的重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)論

本文在分析DFIG 網(wǎng)側(cè)換流器數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一階非線性自抗擾控制器來改進(jìn)直接功率控制策略。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的控制策略與原控制策略相比，輸出量能快速無超調(diào)的跟蹤給定的參考量，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時(shí)，能更快速、且無超調(diào)的重新到達(dá)穩(wěn)態(tài)，魯棒性強(qiáng)。

圖3 系統(tǒng)仿真曲線

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