技术领域
[0001] 本
发明涉及控制技术领域，特别是涉及
双馈感应发电机并网过程的分数阶控制方法。
背景技术
[0002] 双馈感应发电机(DFIG)因其变频控制灵活，调节性能良好，具有较好的动态和稳态特性，可以实现有功和无功的解耦控制等优点而广泛应用于变速恒频
风力发电系统和
船舶电力系统中。对双馈感应发电机的控制是通过对
转子交流励磁变换器的控制实现的。双馈感应电机的定、转子系统是一个强耦合系统，为了实现解耦控制，往往采用
定子磁链定向的矢量控制方法，将交流量分解为有功和无功，并采用双闭环PI调节器分别对其进行控制。
[0003] PI控制在双馈发电控制系统中仍是最常用的控制方法，具有结构简单、实现方便、适应性广等优点，但该控制方法是基于精确模型的控制方法，被控对象的工况发生变化后，其控制性能也会随之下降。考虑含有较为复杂的动态部分，双馈发电系统实际上成为一个多变量非线性系统，此时，采用传统的PI控制系统，其动态性能差、超调量大和抗干扰能力弱等缺点就更为突出。
[0004] 针对传统PI控制的不足，国内外文献涉及的改进方案主要有：
[0005] 1、利用RBF神经网络在线调整PID
控制器参数，处理系统参数不确定性和外部干扰对控制性能的影响，但需要较多历史数据且训练过程较长。
[0006] 2、提出了一种基于神经网络的积分滑模控制策略，验证了该方法对扰动具有较强的鲁棒性，有良好的并网性能，然而滑模控制策略带有的抖振现象却未能解决。
[0007] 3、提出一种变参数PI与神经网络协调控制的新型励磁控制策略，其控制效果不依赖系统的参数，具有良好的动态调节和在线解耦能力，但在线参数调节有计算量大、调节有滞后等缺点。
[0008] 4、研究了基于模型参考自适应的无速度
传感器双馈感应发电机控制技术，而此控制思路缺乏系统的设计方法且控制
精度比较低。
[0009] 在电机领域内，也有学者将分数阶比例积分控制器应用于永磁同步发电系统中的最大功率追踪，验证了分数阶PI控制器具有较快的响应速度和较高的功率输出性能。或为永磁
同步发电机的励磁系统设计一种分数阶PID控制器，并用粒子群
算法进行了参数优化。而针对双馈感应发电机的PI控制改良鲜有见报。
发明内容
[0010] 为了解决
现有技术的不足，本发明提供了双馈感应发电机并网过程的分数阶控制方法，本发明引入可调积分阶次λ，增加其控制维度。有效减弱并网暂态过程和故障扰动下的电机功率震荡，具有一定的发展潜力和应用价值。
[0011] 双馈感应发电机并网过程的分数阶控制方法，包括：
[0012] 构造电机控
制模型，所述模型基于同步旋转
坐标系建立，由
电压方程、磁链方程及电磁转矩方程组成；
[0013] 构建分数阶算子：以Grunwald-Letnikov分数阶微积分定义作为理论
基础，确定分数阶微分计算算法，针对分数阶微分计算算法求出函数数值微分的近似值并证明其计算精度，根据Grunwald-Letnikov分数阶微积分定义计算其出分数阶导数；
[0014] 针对双馈
风力发电系统，采用连续传递函数方法对分数阶算子进行有理化实现，即通过一个有理传递函数，使其在幅频特征和相频特征上能有效地模拟分数阶算子；
[0015] 建立分数阶PIλ控制器：对电机控制模型进行控制，控制双馈感应发电机空载并网过程。
[0016] 进一步优选的技术方案，分数阶PIλ控制器中的分数阶
积分项Iλ由改进Oustaloup滤波算法获得。
[0017] 进一步优选的技术方案，采用改进Oustaloup滤波算法构建分数阶算子。
[0018] 进一步优选的技术方案，双馈感应发电机基于同步旋转坐标系的数学模型：
[0019] 电压方程：
[0020]
[0021] 其中，ωs为转差
角速度；ωs＝ω1-ωr，uds：定子电压d轴分量，uqs：定子电压q轴分量，udr：转子电压d轴分量，uqr：转子电压q轴分量，ids：定子
电流d轴分量，iqs：定子电流q轴分量，idr：转子电流d轴分量，iqr：转子电流q轴分量，Rs：定子侧
电阻，Rr：转子侧电阻，Ψqs：定子磁链q轴分量，Ψds：定子磁链d轴分量，Ψqr：转子磁链q轴分量，Ψdr：转子磁链d轴分量，p：微分符号。
[0022] 磁链方程：
[0023]
[0024] 电磁转矩方程：
[0025] Te＝npLm(idsiqr-iqsidr) (3)。
[0026] 进一步优选的技术方案，双馈风力
发电机组的启动阶段，需要进行空载并网控制，使电机平稳切入
电网，要求各电气分量振幅尽可能的小。发电机空载时定子电流分量均为0，即ids＝iqs＝0，双馈感应发电机的空载数学模型如下：
[0027]
[0028]
[0029] Te＝0 (6)
[0030]
[0031] 式中，T0—发电机空载转矩。
[0032] 进一步优选的技术方案，忽略电机定子电阻的电机模型简化方程为：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 进一步优选的技术方案，Grunwald-Letnikov分数阶微积分定义：
[0037]
[0038] 进一步优选的技术方案，分数阶微分计算算法为：
[0039]
[0040] 式中， 为函数的多项式系数，假设步长h足够小，根据(12)可直接求出函数数值微分的近似值，并可以证明其计算精度为o(h)，当f(t)的函数表达式确定时，可以直接由式(11)计算其出分数阶导数。
[0041] 进一步优选的技术方案，PIλ控制器函数为：
[0042]
[0043] 其中，λ为积分阶次。
[0044] 进一步优选的技术方案，PIλ控制器控制步骤为：首先检测电机的定、转子电压电流，再将其进行坐标变换，计算出定子磁链Ψ1、定子有功功率P和
无功功率Q；通过实际需要设定定子有功功率指令P*和无功功率指令Q*，进行比较，所得差值通过分数阶PIλ调节器得到定子电流的有功分量指令iqs*和无功分量指令ids*，随后进入电流内环控制。
[0045] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0046] (1)采用分数阶PIλ控制器可以使双馈风力发电系统的控制系统具有灵活的应对非线性控制对象，可以加强动态过程中的鲁棒性。
[0047] (2)分数阶PIλ控制器能有效降低启动阶段有功功率和无功功率，使系统平稳的进入稳态阶段，避免电网受到过大冲击；在
短路故障状态下，采用分数阶PIλ控制方法亦能对降低系统震荡。
附图说明
[0048] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0049] 图1为双PWM型变换器；
[0051] 图3为双馈感应电机RSC控制结构模型；
[0052] 图4整数阶和分数阶下的有功功率；
[0053] 图5整数阶和分数阶下的无功功率；
[0054] 图6为三相短路故障状态下的有功功率震荡。
具体实施方式
[0055] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0056] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0057] 本申请的一种典型的实施方式中，本发明的步骤为：
[0058] (1)构造电机控制模型
[0059] 双馈感应发电机采用双PWM变换器进行交流励磁，分别称为网侧PWM变换器(GSC)和转子侧PWM变换器(RSC)。如图1所示，从
电路结构上，GSC和RSC通过直流
母线解耦并相互独立，所以可以分别研究网侧和转子侧的数学模型和控制策略。
[0060] GSC具有以下作用：可以确保输入电流的
波形接近正弦，采用GSC可以保证较低的谐波含量和符合要求的功率因数，提供系统功率因数控制方法；控制输入电流以确保
直流母线电压的稳定。
[0061] RSC的控制目标是为电机转子提供励磁电流，以调节定子侧输出的无功功率以及通过控制DFIG转子电流、转矩电流来控制电机转速或电机输出的有功功率，以此实现最大
风能追踪的变速恒频运行。
[0062] 此方案分数阶PIλ控制器应用于双馈异步感应电机控制策略中的转子侧功率控制外环，使并网动态过程具有更好的鲁棒性，所以，此建模着重于RSC和空载并网控制。
[0063] 由于电机输出的有功功率和无功功率与转子d、q轴电流分量密切相关，因此转子电流的d、q分量就是主要控制目标。
[0064] 双馈感应发电机基于同步旋转坐标系的数学模型如下：
[0065] 电压方程：
[0066]
[0067] 其中，ωs为转差角速度；ωs＝ω1-ωr，uds：定子电压d轴分量，uqs：定子电压q轴分量，udr：转子电压d轴分量，uqr：转子电压q轴分量，ids：定子电流d轴分量，iqs：定子电流q轴分量，idr：转子电流d轴分量，iqr：转子电流q轴分量，Rs：定子侧电阻，Rr：转子侧电阻，Ψqs：定子磁链q轴分量，Ψds：定子磁链d轴分量，Ψqr：转子磁链q轴分量，Ψdr：转子磁链d轴分量，p：微分符号。
[0068] 磁链方程：
[0069]
[0070] Ls：定子自感，Lr：转子自感，Lm：互感。
[0071] 电磁转矩方程：
[0072] Te＝npLm(idsiqr-iqsidr) (3)
[0073] Te：电磁转矩，np：极对数。
[0074] 双馈
风力发电机组的启动阶段，需要进行空载并网控制，使电机平稳切入电网，要求各电气分量振幅尽可能的小。发电机空载时定子电流分量均为0，即ids＝iqs＝0，DFIG的空载数学模型如下：
[0075]
[0076]
[0077] Te＝0 (6)
[0078]
[0079] 式中，T0—发电机空载转矩。
[0080] 由于此矢量控制是定子磁链定向，且工频下定子电阻压降远低于电抗压降和电机反电动势，因此可以在计算中忽略电机定子电阻。
[0081] 由此，可得简化方程如下：
[0082]
[0083]
[0084]
[0085] 由(8)～(10)可以确定DFIG空载并网控制的基本原理。双馈发电机并入电网后，电机主要进行有功和无功的调整。
[0086] (2)分数阶算子及有理化实现
[0087] 准确来讲，分数阶微积分应称为“非整数阶”积分。分数阶微积分的阶次可以是分数形式，理论上可以扩充至复数乃至无理数阶次，但目前对复数阶和无理数阶微积分的相关研究甚少，尚未进行工程应用，一般只在有理数范畴内对分数阶的应用进行探讨。
[0088] 本实施例子以Grunwald-Letnikov分数阶微积分定义作为理论基础：
[0089]
[0090] 基于此定义进行分数阶有理化，根据式(11)，确定分数阶微分计算算法为：
[0091]
[0092] 式中， 为函数的多项式系数。假设步长h足够小，根据(12)可直接求出函数数值微分的近似值，并可以证明其计算精度为o(h)。当f(t)的函数表达式确定时，可以直接由式(11)计算其出分数阶导数。
[0093] 由于双馈风力发电系统是一个强耦合、非线性系统，难以获得其准确的函数表达式。针对双馈风力发电系统，采用连续传递函数方法对分数阶算子进行有理化实现，即通过一个有理传递函数，使其在幅频特征和相频特征上能有效地模拟分数阶算子。
[0094] 本实施例子采用改进Oustaloup滤波算法构建分数阶算子：
[0095]
[0096] 上述分数阶算子为现有技术，理论基础取自Oustaloup的系列论文。
[0097] 按照惯例，加权参数取值b＝10，d＝9。上述分数阶微分算子的零极点和增益可由下式计算：
[0098]
[0099] 为保证算法
稳定性，一般选取其截止
频率和参数N分别为[0.01,100]和N＝4。
[0100] (3)分数阶PIλ控制器(用此分数阶控制器对风机并网模型进行控制)
[0101] 分数阶PID控制器可记为PIλDμ。在分数阶控制器中引入微分、积分阶次μ和λ后，扩充了可调参数，使其整定范围变大，能更灵活地控制受控对象。PIλDμ的传递函数为：
[0102]
[0103] 由于PIλDμ控制的微分项主要进行超前和滞后的校正，在并网控制中并不需要该项校正，因而简化采用PIλ控制器，其控制框图如图2所示。分数阶积分项Iλ由步骤(2)中改进Oustaloup滤波算法进行实现。
[0104] PIλ控制器函数为：
[0105]
[0106] 其中，λ为积分阶次。
[0107] 整个系统采用双闭环控制结构——功率外环和电流内环。首先检测电机的定、转子电压电流，再将其进行坐标变换，计算出定子磁链Ψ1、定子有功功率P和无功功率Q；通过实际需要设定定子有功功率指令P*和无功功率指令Q*，进行比较，所得差值通过分数阶PIλ调节器得到定子电流的有功分量指令iqs*和无功分量指令ids*，随后进入电流内环控制。
[0108] 构建详尽RSC控制模型，Simulink框图，见附图3所示，将分数阶控制理论应用于双馈感应发电机空载并网过程，增强其鲁棒性。
[0109] 在双馈异步感应电机控制策略中的转子侧功率控制外环的PI控制器，引入可调积分项阶次λ，增加其控制维度，设计为分数阶控制器。使该控制系统更灵活的应对非线性控制对象，并有效减弱并网暂态过程和故障扰动下的电机功率震荡。
[0110] 仿真验证
[0111] 本申请在MATLAB/simulink平台下，构建双馈感应电机并网模型，其RSC控制结构模型如图3。经过仿真实验测试，得结果如表1所示：
[0112] 表1不同阶次下并网情况
[0113]
[0114]
[0115] 综合对比，最终确定分数阶控制选用阶次为0.8次阶，对发电机系统并网过程进行仿真，有功功率和无功功率如图4、图5所示。
[0116] 图4为并网过程中的有功功率图形，由图可见，使用分数阶PIλ控制，虽然完全进入稳态的时间略高于整数阶PIλ控制，但是分数阶控制在0.17s时即开始趋于稳定，而整数阶PI控制则于0.46s才结束大幅震荡，开始进入稳态。整数阶PIλ控制下的震荡峰值区间为[-4.47×106，6.25×106]，而分数阶PIλ控制下的峰值区间远低于此，仅为[-3.11×106，2.43×106]。从而，使系统更加平稳的进入正常工作状态，降低并网时对电网的冲击。
[0117] 图5为并网过程中的无功功率图形。整数阶和分数阶无功功率PIλ控制下的无功功率状态和有功功率一致。使用分数阶PIλ控制时，完全进入稳态的时间比使用整数阶PIλ控制略有延长，但是震荡峰值下降显著，从[-4.77×106，8.41×106]下降到了[-1.018×104，7.55×106]。
[0118] 图6显示了在系统稳态运行中，发生三相短路故障，在两种控制器作用下的有功功率震荡情况。
[0119] 如图6所示，整数阶PIλ控制下的有功震荡区间为[-1.349×106，3.352×106]，在分数阶PIλ控制下，震荡区间变为[-1.349×106，3.352×106]。由此证明，使用分数阶控制，可以有效的抑制震荡。
[0120] 本申请针对传统双馈感应发电机转子侧通常采用双闭环PQ解耦控制，功率外环所用的PI控制器存在控制粗糙、超调量较大等缺点，影响了双馈电机的动态性能。本文将分数阶理论与PI控制控制技术相结合，引入了积分项的可调阶次，增加了控制维度，改进了双馈感应电机的控制性能并进行了并网和短路故障仿真研究。仿真结果表明：采用分数阶PI控制能有效降低启动阶段有功和无功的震荡，使系统平稳的进入稳态阶段；在短路故障状态下，采用分数阶PI控制方法亦能对降低系统震荡。
[0121] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
