基于微分跟踪器与模糊PID控制风电并网变流器

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　　摘  要： 直驱式永磁同步风电机组全功率并网变流器的直流侧母线电压受网侧电网电压三相不平衡扰动，在此情况下会影响直流侧电压的稳定性。故提出应用微分跟踪器与模糊PID控制电压环策略。首先分析在电网电压不平衡条件下直流母线电压波动原理。运用微分跟踪器TD合理地提取微分信号，提取的微分信号与模糊PID控制结合控制电压外环，利用控制理论计算模糊PID参数的范围。与传统控制方式相比，加入了微分环节和模糊控制抑制了直流母线电压波动。仿真结果验证了微分跟踪器与模糊PID控制策略的有效性。
　　关键词： 变流器; PI控制; TD微分跟踪器; 模糊PID控制; 电网电压不平衡; 直流侧电压稳定控制
　　中图分类号： TN876?34                         文献标识码： A                          文章编号： 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
　　随着直驱永磁同步风力发电机组的技术进步，制造结构简单，其在風力发电市场得到广泛的运用。直流母线是实现电能传输的中间环节，直流母线电压的稳定对于整个风力发电网的运行极其重要[1]。当有三相不对称故障时，继续用双闭环PI平衡控制策略则母线电压有较大的波动，影响系统的稳定性。
　　文献[2]分析风电并网系统，通过提高直流侧电容值起到抑制母线电压作用，但该方法提高了成本，不适合广泛运用。文献[3]在传统PI控制下添加额外的控制器、比例谐振控制器，消除复功率波动进而消除直流母线电压。文献[4]基于李雅普诺夫函数的控制策略，可以很好地解决不平衡电网条件下多变量控制系统存在的问题。但是这些方式要添加辅助控制器，不仅提高了风电系统的成本，还提高了控制器设计的难度和处理器运算量。
　　文献[5]在电压环设计模糊PI来抑制电压扰动，具有良好效果，但是没有应用微分环节，所以不能很好地抑制电压扰动。针对以上问题，本文分析了母线电压波动原理并研究了传统双闭环PI控制，在此基础上研究了一种在旋转坐标下基于微分跟踪器与模糊PID电压外环控制策略来抑制电压环的波动，仿真验证有效。
　　1  母线电压波动原理和传统PI控制分析
　　1.1 母线电压波动原理
　　本文研究风电并变流器网侧部分和电网系统，中性点均不接地。不平衡的电网电压和电网电流[[UgaUgbUgc]T]，[[IgaIgbIgc]T]运用对称分量法分解到正序、负序和零序分量，由于本系统中性点不接地，故零序分量不考虑。[[UPgaUPgbUPgc]T]，[[IPgaIPgbIPgc]T]为电网电压和电流的正序分量，电网电压和电流的负序分量为[[UNgaUNgbUNgc]T]，[[INgaINgbINgc]T]。
　　再将电压、电流正序分量和负序分量经[dq]变换为旋转坐标系下电压和电流矢量，从而计算变流器的复功率。 　　将式（2）拆解成有功功率和无功功率：
　　风机驱动永磁发电机发电再经变流器并网，功率流向图如图1所示。图中[Pdc1]为风机输送的功率，[Pdc2]为直流母线上输送给电网的能量，[ΡC]是母线电容上的能量。
　　由图1根据能量守恒、功率守恒，推断可知，[Pdc1]不变，母线电压上有2倍频的分量，影响风电并网系统的稳定性。
　　1.2  PI电压环设计原理
　　电压环示意图如图2所示。
　　再根据经典控制原理谐振峰值[Mr]设计最小原则，推导整定出电压环PI控制器参数：
　　通过式（7）可以推导出[Kp]，[Ki]参数，使系统具有良好的控制性能。
　　2  设计基于TD与模糊PID控制电压环
　　本文内环电流环仍使用PI控制，外环电压环使用TD微分跟踪器与模糊PID控制。整个电压环控制器框图如图3所示，输入为直流母线电压设定值，输出为跟踪器直流母线电压的真实值，对象是网侧变流器。微分跟踪器输出两个信号：跟踪原始信号滤除噪声、微分信号。
　　如图4所示构建变流器网侧主拓扑与控制框图，控制目标是在电网电压平衡扰动下保证直流母线电压的稳定。给定电压与实际[udc]作差，通过微分跟踪器合理地提取微分信号，经模糊PID运算输出控制信号，经电流内环控制[d]轴电流，进而控制外环电压。与传统双闭环PI控制方式相比，本文加入模糊控制器和微分控制环节提高了电压的稳定性。
　　3  微分跟踪器TD设计
　　在数学上离散微分跟踪器能够合理地提取微分信号，经数学推导和证明，在光电火控系统中的运用取得了很好的效果[6]，在变流量燃气发生器上得到运用[7]。本文运用微分跟踪器合理提取出微分信号。
　　4  模糊PID的设计
　　当研究对象越来越复杂，存在非线性时变强耦合等特点，模糊算法可以很好地应用人的思维决策[8]。模糊PI控制已经在变流器[9]和电力系统中得到广泛的运用[10]，由于工程中直接获取的微分信号不合理，模糊PI没能运用到微分信号控制。故本文利用微分跟踪器提取出合理的微分信号，可以运用模糊PID控制变流器。
　　4.1  模糊PID控制器的原理
　　模糊逻辑控制器的计算过程分为四步：输入扩展和转移、模糊化、模糊推理和解模糊化。结合研究对象变流器，选取母线电压误差[e]和误差变化率[ec]作为本文所设计的模糊PID控制器的两个输入[11]。[e]和[ec]的基本论域为（-4，4），其模糊集均为（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）;三个输出[ΔKp]，[ΔKi]，[ΔKd]的基本论域为（-4，4），其模糊集均为（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。设直流母线电压偏差[e]和[ec]的变化范围为（-4，4），如果不在此区间，可以通过数学变换到（-4，4）。控制器通过进行模糊推理运算出控制参数[ΔKp]，[ΔKi]，[ΔKd]，从而实现参数的自整定。模糊推理原理图如图5所示，其中运用增量方法。
　　解模糊是将模糊量通过数学转换用于控制系统参数的变量[12]。
　　4.2  模糊PID参数设计范围
　　PID参数影响系统的稳定性，故要控制在适当范围内，基于经典控制理论推导PID参数调整的范围。
　　针对开环对象，考虑采用电流内环电容的开环传递函数。
　　通过上述计算可以得出PID参数的范围，故可以给模糊PID控制器参数设计上下限，使系统运行的稳定性得到保证。
　　5  仿真研究
　　运用Matlab/Simulink仿真TD与模糊PID控制器，输出曲面关系图，如图6所示，输出曲面关系图直接展示出输出[Kp]随输入[e]和[ec]的变化形态。
　　建立风电并网仿真模型，并对比在电网电压不平衡下应用传统PI控制方式与本文提出的应用微分跟踪器与模糊PID控制器效果。风电并网仿真模型额定功率为1.5 MW，风电并网仿真模型的主要参数见表4。
　　图7为电网电压单相跌落60%时PI的仿真图，0.3 s电网电压[Uabc]單相跌落60%，电流[iabc]变为1.4 pu，此时，[Udc]的波动最大幅值为1.1 pu，故电压波动较大影响整个系统的稳定性。0.5 s继电保护动作使电网电压恢复正常，0.55 s直流母线电压恢复稳定，母线电压[Udc]稳定需要50 ms。与之相比，采用微分跟踪器TD与模糊PID控制策略，网侧电网电压单相跌落60%的波形如图8所示。从图8可以看出，由于微分跟踪器的作用引入微分环节和模糊控制使得控制效果加强，此时，电网电流幅值约为1.65 pu，相对于传统控制方式电网电流幅值1.4 pu增大且电网电压波形相同，使得直流侧母线波动能量转移至网侧，从而抑制了直流母线电压的剧烈震荡，直流母线电压的波动范围降低到1.02 pu。0.5 s继电保护动作使电网电压恢复正常，0.53 s直流母线电压恢复稳定，只需要30 ms，保证了整个系统稳定安全的运行。
　　图9为电网电压两相跌落60%时PI的仿真图，0.3 s电网电压[Uabc]两相跌落60%电流[iabc]变为1.5 pu，此时电压[Udc]的波动最大幅值为1.13 pu，故电压波动较大影响整个系统的稳定性。0.5 s继电保护动作使电网电压恢复正常，0.56 s直流母线电压恢复，[Udc]稳定需要60 ms。与之相比，采用微分跟踪器TD与模糊PID控制策略，电网电压两相跌落60%的波形如图10所示。
　　如图10所示，由于微分跟踪器的作用，引入微分环节和模糊控制使得控制效果加强，此时，电网电流幅值约为1.75 pu，相对于传统控制方式电网电流幅值1.5 pu更大且电网电压波形相同，使得直流侧母线波动能量转移至网侧，从而抑制了直流母线电压的剧烈震荡，直流母线电压稳定的波动范围降低到1.03 pu。0.5 s继电保护动作使电网电压恢复正常，0.54 s直流母线电压恢复稳定，母线电压[Udc]只需要40 ms恢复了稳定，保证整个系统稳定安全的运行。 　　6  结  论
　　本文分析了电网电压不平衡下母线电压波动原理和电压外环PI控制，提出一种基于微分跟踪器和模糊PID控制策略来有效抑制直流侧母线电压振荡，根据经典自控制原理推导了模糊PID参数的边界，保证系统安全稳定运行。运用Matlab/Simulink对微分跟踪器TD与模糊PID控制策略进行仿真验证，结果表明，电网电压不平衡下上述控制策略抑制母压波动对比传统PI效果明显。
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