基于微分跟蹤器與模糊PID控制風(fēng)電并網(wǎng)變流器

馬幼捷 洪發(fā)平 周雪松 陶瓏 石雪琦

摘? 要： 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組全功率并網(wǎng)變流器的直流側(cè)母線電壓受網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓三相不平衡擾動(dòng)，在此情況下會(huì)影響直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性。故提出應(yīng)用微分跟蹤器與模糊PID控制電壓環(huán)策略。首先分析在電網(wǎng)電壓不平衡條件下直流母線電壓波動(dòng)原理。運(yùn)用微分跟蹤器TD合理地提取微分信號(hào)，提取的微分信號(hào)與模糊PID控制結(jié)合控制電壓外環(huán)，利用控制理論計(jì)算模糊PID參數(shù)的范圍。與傳統(tǒng)控制方式相比，加入了微分環(huán)節(jié)和模糊控制抑制了直流母線電壓波動(dòng)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了微分跟蹤器與模糊PID控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞： 變流器; PI控制; TD微分跟蹤器; 模糊PID控制; 電網(wǎng)電壓不平衡; 直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制

中圖分類號(hào)： TN876?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0096?06

Abstract： The DC side bus voltage of full?power grid?connected converter of direct?drive permanent magnet synchronous wind turbine is influenced by three?phase unbalanced disturbance of grid side voltage， which will affects the stability of DC side voltage. Therefore， a strategy of controlling voltage loop with differential tracker and fuzzy PID is proposed. The fluctuation principle of DC bus voltage under the condition of imbalanced grid voltage is analyzed. The differential tracker TD is used to extract the differential signal reasonably. The extracted differential signal is combined with fuzzy PID control to control the voltage outer loop. The control theory is used to calculate the range of fuzzy PID parameter. In comparison with the traditional control method， the differential link and fuzzy control are added to suppress the DC bus voltage fluctuation. The simulation results verify that the strategy of differential tracker and fuzzy PID control is effective.

Keywords： converter; PI control; TD differential tracker; fuzzy PID control; grid voltage imbalance; DC side voltage stability control

0? 引? 言

隨著直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)進(jìn)步，制造結(jié)構(gòu)簡單，其在風(fēng)力發(fā)電市場得到廣泛的運(yùn)用。直流母線是實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)，直流母線電壓的穩(wěn)定對于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)的運(yùn)行極其重要[1]。當(dāng)有三相不對稱故障時(shí)，繼續(xù)用雙閉環(huán)PI平衡控制策略則母線電壓有較大的波動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[2]分析風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，通過提高直流側(cè)電容值起到抑制母線電壓作用，但該方法提高了成本，不適合廣泛運(yùn)用。文獻(xiàn)[3]在傳統(tǒng)PI控制下添加額外的控制器、比例諧振控制器，消除復(fù)功率波動(dòng)進(jìn)而消除直流母線電壓。文獻(xiàn)[4]基于李雅普諾夫函數(shù)的控制策略，可以很好地解決不平衡電網(wǎng)條件下多變量控制系統(tǒng)存在的問題。但是這些方式要添加輔助控制器，不僅提高了風(fēng)電系統(tǒng)的成本，還提高了控制器設(shè)計(jì)的難度和處理器運(yùn)算量。

文獻(xiàn)[5]在電壓環(huán)設(shè)計(jì)模糊PI來抑制電壓擾動(dòng)，具有良好效果，但是沒有應(yīng)用微分環(huán)節(jié)，所以不能很好地抑制電壓擾動(dòng)。針對以上問題，本文分析了母線電壓波動(dòng)原理并研究了傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制，在此基礎(chǔ)上研究了一種在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下基于微分跟蹤器與模糊PID電壓外環(huán)控制策略來抑制電壓環(huán)的波動(dòng)，仿真驗(yàn)證有效。

1? 母線電壓波動(dòng)原理和傳統(tǒng)PI控制分析

1.1 母線電壓波動(dòng)原理

本文研究風(fēng)電并變流器網(wǎng)側(cè)部分和電網(wǎng)系統(tǒng)，中性點(diǎn)均不接地。不平衡的電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流[[UgaUgbUgc]T]，[[IgaIgbIgc]T]運(yùn)用對稱分量法分解到正序、負(fù)序和零序分量，由于本系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，故零序分量不考慮。[[UPgaUPgbUPgc]T]，[[IPgaIPgbIPgc]T]為電網(wǎng)電壓和電流的正序分量，電網(wǎng)電壓和電流的負(fù)序分量為[[UNgaUNgbUNgc]T]，[[INgaINgbINgc]T]。

再將電壓、電流正序分量和負(fù)序分量經(jīng)[dq]變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓和電流矢量，從而計(jì)算變流器的復(fù)功率。

將式（2）拆解成有功功率和無功功率：

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電再經(jīng)變流器并網(wǎng)，功率流向圖如圖1所示。圖中[Pdc1]為風(fēng)機(jī)輸送的功率，[Pdc2]為直流母線上輸送給電網(wǎng)的能量，[ΡC]是母線電容上的能量。

由圖1根據(jù)能量守恒、功率守恒，推斷可知，[Pdc1]不變，母線電壓上有2倍頻的分量，影響風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2? PI電壓環(huán)設(shè)計(jì)原理

電壓環(huán)示意圖如圖2所示。

再根據(jù)經(jīng)典控制原理諧振峰值[Mr]設(shè)計(jì)最小原則，推導(dǎo)整定出電壓環(huán)PI控制器參數(shù)：

通過式（7）可以推導(dǎo)出[Kp]，[Ki]參數(shù)，使系統(tǒng)具有良好的控制性能。

2? 設(shè)計(jì)基于TD與模糊PID控制電壓環(huán)

本文內(nèi)環(huán)電流環(huán)仍使用PI控制，外環(huán)電壓環(huán)使用TD微分跟蹤器與模糊PID控制。整個(gè)電壓環(huán)控制器框圖如圖3所示，輸入為直流母線電壓設(shè)定值，輸出為跟蹤器直流母線電壓的真實(shí)值，對象是網(wǎng)側(cè)變流器。微分跟蹤器輸出兩個(gè)信號(hào)：跟蹤原始信號(hào)濾除噪聲、微分信號(hào)。

如圖4所示構(gòu)建變流器網(wǎng)側(cè)主拓?fù)渑c控制框圖，控制目標(biāo)是在電網(wǎng)電壓平衡擾動(dòng)下保證直流母線電壓的穩(wěn)定。給定電壓與實(shí)際[udc]作差，通過微分跟蹤器合理地提取微分信號(hào)，經(jīng)模糊PID運(yùn)算輸出控制信號(hào)，經(jīng)電流內(nèi)環(huán)控制[d]軸電流，進(jìn)而控制外環(huán)電壓。與傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制方式相比，本文加入模糊控制器和微分控制環(huán)節(jié)提高了電壓的穩(wěn)定性。

3? 微分跟蹤器TD設(shè)計(jì)

在數(shù)學(xué)上離散微分跟蹤器能夠合理地提取微分信號(hào)，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明，在光電火控系統(tǒng)中的運(yùn)用取得了很好的效果[6]，在變流量燃?xì)獍l(fā)生器上得到運(yùn)用[7]。本文運(yùn)用微分跟蹤器合理提取出微分信號(hào)。

4? 模糊PID的設(shè)計(jì)

當(dāng)研究對象越來越復(fù)雜，存在非線性時(shí)變強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，模糊算法可以很好地應(yīng)用人的思維決策[8]。模糊PI控制已經(jīng)在變流器[9]和電力系統(tǒng)中得到廣泛的運(yùn)用[10]，由于工程中直接獲取的微分信號(hào)不合理，模糊PI沒能運(yùn)用到微分信號(hào)控制。故本文利用微分跟蹤器提取出合理的微分信號(hào)，可以運(yùn)用模糊PID控制變流器。

4.1? 模糊PID控制器的原理

模糊邏輯控制器的計(jì)算過程分為四步：輸入擴(kuò)展和轉(zhuǎn)移、模糊化、模糊推理和解模糊化。結(jié)合研究對象變流器，選取母線電壓誤差[e]和誤差變化率[ec]作為本文所設(shè)計(jì)的模糊PID控制器的兩個(gè)輸入[11]。[e]和[ec]的基本論域?yàn)椋?4，4），其模糊集均為（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）;三個(gè)輸出[ΔKp]，[ΔKi]，[ΔKd]的基本論域?yàn)椋?4，4），其模糊集均為（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。設(shè)直流母線電壓偏差[e]和[ec]的變化范圍為（-4，4），如果不在此區(qū)間，可以通過數(shù)學(xué)變換到（-4，4）。控制器通過進(jìn)行模糊推理運(yùn)算出控制參數(shù)[ΔKp]，[ΔKi]，[ΔKd]，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定。模糊推理原理圖如圖5所示，其中運(yùn)用增量方法。

解模糊是將模糊量通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換用于控制系統(tǒng)參數(shù)的變量[12]。

4.2? 模糊PID參數(shù)設(shè)計(jì)范圍

PID參數(shù)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故要控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，基于經(jīng)典控制理論推導(dǎo)PID參數(shù)調(diào)整的范圍。

針對開環(huán)對象，考慮采用電流內(nèi)環(huán)電容的開環(huán)傳遞函數(shù)。

通過上述計(jì)算可以得出PID參數(shù)的范圍，故可以給模糊PID控制器參數(shù)設(shè)計(jì)上下限，使系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到保證。

5? 仿真研究

運(yùn)用Matlab/Simulink仿真TD與模糊PID控制器，輸出曲面關(guān)系圖，如圖6所示，輸出曲面關(guān)系圖直接展示出輸出[Kp]隨輸入[e]和[ec]的變化形態(tài)。

建立風(fēng)電并網(wǎng)仿真模型，并對比在電網(wǎng)電壓不平衡下應(yīng)用傳統(tǒng)PI控制方式與本文提出的應(yīng)用微分跟蹤器與模糊PID控制器效果。風(fēng)電并網(wǎng)仿真模型額定功率為1.5 MW，風(fēng)電并網(wǎng)仿真模型的主要參數(shù)見表4。

圖7為電網(wǎng)電壓單相跌落60%時(shí)PI的仿真圖，0.3 s電網(wǎng)電壓[Uabc]單相跌落60%，電流[iabc]變?yōu)?.4 pu，此時(shí)，[Udc]的波動(dòng)最大幅值為1.1 pu，故電壓波動(dòng)較大影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0.5 s繼電保護(hù)動(dòng)作使電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，0.55 s直流母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定，母線電壓[Udc]穩(wěn)定需要50 ms。與之相比，采用微分跟蹤器TD與模糊PID控制策略，網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓單相跌落60%的波形如圖8所示。從圖8可以看出，由于微分跟蹤器的作用引入微分環(huán)節(jié)和模糊控制使得控制效果加強(qiáng)，此時(shí)，電網(wǎng)電流幅值約為1.65 pu，相對于傳統(tǒng)控制方式電網(wǎng)電流幅值1.4 pu增大且電網(wǎng)電壓波形相同，使得直流側(cè)母線波動(dòng)能量轉(zhuǎn)移至網(wǎng)側(cè)，從而抑制了直流母線電壓的劇烈震蕩，直流母線電壓的波動(dòng)范圍降低到1.02 pu。0.5 s繼電保護(hù)動(dòng)作使電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，0.53 s直流母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定，只需要30 ms，保證了整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行。

圖9為電網(wǎng)電壓兩相跌落60%時(shí)PI的仿真圖，0.3 s電網(wǎng)電壓[Uabc]兩相跌落60%電流[iabc]變?yōu)?.5 pu，此時(shí)電壓[Udc]的波動(dòng)最大幅值為1.13 pu，故電壓波動(dòng)較大影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0.5 s繼電保護(hù)動(dòng)作使電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，0.56 s直流母線電壓恢復(fù)，[Udc]穩(wěn)定需要60 ms。與之相比，采用微分跟蹤器TD與模糊PID控制策略，電網(wǎng)電壓兩相跌落60%的波形如圖10所示。

如圖10所示，由于微分跟蹤器的作用，引入微分環(huán)節(jié)和模糊控制使得控制效果加強(qiáng)，此時(shí)，電網(wǎng)電流幅值約為1.75 pu，相對于傳統(tǒng)控制方式電網(wǎng)電流幅值1.5 pu更大且電網(wǎng)電壓波形相同，使得直流側(cè)母線波動(dòng)能量轉(zhuǎn)移至網(wǎng)側(cè)，從而抑制了直流母線電壓的劇烈震蕩，直流母線電壓穩(wěn)定的波動(dòng)范圍降低到1.03 pu。0.5 s繼電保護(hù)動(dòng)作使電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，0.54 s直流母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定，母線電壓[Udc]只需要40 ms恢復(fù)了穩(wěn)定，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行。

6? 結(jié)? 論

本文分析了電網(wǎng)電壓不平衡下母線電壓波動(dòng)原理和電壓外環(huán)PI控制，提出一種基于微分跟蹤器和模糊PID控制策略來有效抑制直流側(cè)母線電壓振蕩，根據(jù)經(jīng)典自控制原理推導(dǎo)了模糊PID參數(shù)的邊界，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)用Matlab/Simulink對微分跟蹤器TD與模糊PID控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，電網(wǎng)電壓不平衡下上述控制策略抑制母壓波動(dòng)對比傳統(tǒng)PI效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 王成山，李微，王議鋒，等.直流微電網(wǎng)母線電壓波動(dòng)分類及抑制方法綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（1）：84?98.

[2] 譚樹成.直流微電網(wǎng)蓄電池功率均衡及母線電壓穩(wěn)定控制研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2017.

[3] 王成悅，汪令祥，謝震.全功率風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器多次采樣的并網(wǎng)電流諧波抑制策略[J].電器與能效管理技術(shù)，2018（8）：70?78.

[4] SUN Weisha， CHENG Qiming， CHENG Yinman， et al. A new control strategy for MMC under grid voltage unbalance condition [J]. International transactions on electrical energy systems， 2019， 29（5）： e2829.

[5] 袁凱，胡平，張志濤.基于模糊PI控制的雙向變流器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動(dòng)化，2018，40（2）：1?3.

[6] 張志剛，蘇耀國，樊鵬，等.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)諧波的抑制[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，49（6）：1424?1431.

[7] 李靜，楊文光，武亮明，等.跟蹤微分器在光電火控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2019，44（3）：173?175.

[8] 柴金寶，陳雄，何坤，等.跟蹤微分器在變流量燃?xì)獍l(fā)生器上的應(yīng)用研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2019，40（5）：1153?1161.

[9] 張洪帥，王平，韓邦成.基于模糊PI模型參考自適應(yīng)的高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（12）：1889?1896.

[10] 趙煜華.基于模糊PI控制的三相PWM變流器研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[11] 韓禮冬，隋先超，姜威達(dá)，等.基于GrHDP模糊PI的風(fēng)電電力系統(tǒng)頻率控制[J].電氣應(yīng)用，2016，35（18）：24?30.

[12] 張蕾，劉小河.遺傳算法優(yōu)化模糊PI的網(wǎng)側(cè)變流器的控制[J].自動(dòng)化與儀表，2016，31（12）：31?34.