基于模糊自適應的雙饋異步風力發電機控制策略

王昆洋，王旭紅, 李海燕，李娜

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙市 410114)

基于模糊自適應的雙饋異步風力發電機控制策略

王昆洋，王旭紅, 李海燕，李娜

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙市 410114)

為了解決雙饋異步風力發電機(doubly-fed induction wind generator，DFIG)不對稱電網網側變換器采用雙電流閉環控制策略(double current closed loop control strategy，DCCS)時響應速度慢、動態性能差等問題，提出了根據電流差、電流差變化率在線模糊自適應修正比例積分微分(proportion integration differentiation，PID)控制器參數的Fuzzy PID策略，建立了DFIG網側變換器數學模型。基于Matlab/Simulink仿真工具，通過模擬電網側發生不對稱電網故障，仿真得到網側變換器在改進控制策略下的直流側電壓、電流波形。仿真結果表明：與傳統DCCS相比，Fuzzy PID策略進一步改善了直流側電壓、電流的穩定性，減少了直流側電壓、電流紋波分量，改進后的控制系統響應速度更快、動態性能更好。

雙饋異步風力發電機(DFIG)；不對稱故障；模糊自適應；PID控制器

0 引 言

隨著傳統能源的枯竭，新能源的開發和利用在各國能源結構上的比重越來越大，大型風電機組并網發電已成為新能源利用的主要形式，變速恒頻發電技術成為主流風電技術，調速范圍寬、有功和無功能夠獨立調節的雙饋異步風力發電機(doubly-fed induction wind generator，DFIG)現正成為主流風電機組[1]。

目前，國際風電技術的主要研究動向是從正常電網條件下的變速恒頻運行轉向電網故障下的穿越運行，從對稱電網故障轉向不對稱電網故障，電網在發生不對稱故障時會產生負序分量，對網側變換器產生如下影響：(1)交流側存在負序電流，三相電流不平衡；(2)變換器輸出有功、無功功率與直流側電壓出現偶數次紋波尤其是二倍頻率(100 Hz)波動；(4)通過脈沖寬度(pulse width modulation，PWM)調制在交流側產生奇數次電流諧波，反復影響，造成PWM變換器過電壓、過電流[2]。胡家兵針對不對稱電網故障下的DFIG網側變換器提出了完整的正、負序dq軸模型，根據模型提出了增強運行能力控制對策及相應的電流指令算法，即dq旋轉坐標系中的雙電流閉環控制，dq旋轉坐標系中的主、輔電流控制、兩相靜止坐標系中的比例-諧振控制和比例-積分-諧振控制[3]。其中雙電流閉環控制策略(double current closed loop control strategy，DCCS)可以完全消除直流側電壓波動，削弱直流側電壓紋波分量，實現對電流無差跟蹤，但也存在如下局限性：(1)檢測參數多，在線運算大，系統魯棒性差；(2)控制結構復雜，控制系統響應慢[4]。

此外，文獻[5]構建了不對稱電網故障下DFIG網側變換器數學模型及其仿真環境，文獻[6]實現了DCCS在直驅永磁風力發電機組上的仿真，文獻[7]提出了模糊控制策略在DFIG網側變換器上的應用，文獻[8]設計了在不對稱電網故障下轉子側Crowbar電路和直流側Chopper電路相結合的穿越方案。本文基于DCCS提出Fuzzy PID策略，將影響直流側電壓穩定的交流側電流差和電流差變化率引入PID控制器輸入端，利用模糊規則在線優化PID控制器參數，從而達到改進、優化DCCS算法的目的。

1 DFIG及其網側變換器

1.1 DFIG變換器

DFIG變換器是整個風力發電系統的核心，其作用是使風力發電機和電網實現“柔性連接”，根據電網電壓、電流和風輪機轉速調節DFIG變換器勵磁電流，精確調節DFIG輸出電壓，滿足特定質量要求。DFIG變換器由2部分組成，即轉子側變換器(rotor side converter，RSC)和網側變換器(grid-side converter，GSC)，兩者為了充放電的需要，通過背靠背(back-to-back)直流母線電容連接，如圖1所示。RSC可以對DFIG有功功率和無功功率進行獨立調節，控制風輪機轉速來捕獲最大風能；GSC通過對交流側輸入電流的反饋控制，保證直流側電壓穩定，有效減少電網諧波[9]。

圖1 DFIG系統

1.2 GSC數學模型

GSC實際是一個PWM整流器，其控制目標是保證直流側電壓穩定，實現單位功率因數整流和逆變，其拓撲結構如圖2所示。

圖2 GSC電路拓撲圖

電網電壓波動、不平衡、諧波等各種情況下，必須滿足

(1)

式中：ea、eb、ec分別為三相電壓；ia、ib、ic分別為三相電流；La、Lb、Lc分別為三相電感；Ra、Rb、Rc分別為三相電阻。

若三相進線電抗器的電感、電阻相等，即La=Lb=Lc=L，Ra=Rb=Rc=R,先進行兩相靜止αβ坐標變換，再進行任意速ω旋轉dq坐標變換可得

(2)

式中：ud=sdUdc,uq=sqUdc,iL=Udc/RL；ud、uq為d軸、q軸電壓分量；Udc為直流母線電壓；RL為負載電阻。

2 控制策略分析和PID控制器設計

2.1 改進DCCS分析

(3)

GSC正序、負序電流前饋控制算法為

(4)

GSC整流橋輸入端電壓為

(5)

由整流橋的輸入端電壓進行空間矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation，SVPWM)，達到消除直流側電壓波動的控制目的，控制原理如圖3所示。

圖3 基于模糊自適應的改進雙電流閉環控制

2.2 基于模糊自適應的PID控制器設計

2.2.1 確定模糊控制系統結構

本文通過Matlab/Simulink調用Fuzzy模糊控制工具箱，以|did|和|did/dt|為輸入，Kp、Ki和Kd為輸出，PID控制器原理如圖4所示。Fuzzy logic模糊控制系統結構如圖5所示。

圖4 基于模糊自適應的PID控制器原理

圖5 Fuzzy logic模糊控制系統結構

2.2.2 確定論域、隸屬度函數，模糊化和解模糊

在Matlab/Simulink仿真環境下，人工輸入不同的Kp、Ki和Kd，根據波形情況找到這3個參數的最優配置，其值覆蓋范圍即為其論域。各變量的論域如下：電流差絕對值|did|={0，3，6，10}；電流差變化率絕對值|did/dt|={0，3，6，10}；比例系數Kp={0，0.5，1.0，1.5}；積分系數Ki={0，0.002，0.040，0.006}；微分系數Kd={0，3，6，9}。

本文模糊化采用三角形隸屬度函數，模糊推理為Mamdani方式[11-13]，解模糊采用面積重心法。

2.2.3 確定模糊推理規則

各變量的值域如下。|did|和|did/dt|：大(B)、中(M)、小(S)、零(Z)；Kp、Ki和Kd：很大(VB)、大(B)、中(M)、小(S)。

為了保證輸入不同的|did|和|did/dt|都能使Kp、Ki和Kd出現在論域中，通過仿真環境給定不同輸入，人工調試并分析各種波形后，擬定得到的模糊推理規則[14-15]如表1、2、3所示。

表1 Kp模糊推理規則表

表2Ki模糊推理規則表

Tab.2Kirulesoffuzzyinference

表3Kd模糊推理規則表

Tab.3Kdrulestableoffuzzyinference

3 仿真分析

3.1 不對稱故障下仿真研究

根據圖3所示控制原理，按照圖6所示電路拓撲結構，搭建GSC仿真模型，仿真條件設置為電網發生單相接地故障時，對未采用策略、采用DCCS、采用Fuzzy PID策略分別對GSC進行控制，使電壓恢復并保持穩定，對這3種控制作用下的控制能力和控制效果進行比較和分析。

圖6 交流故障對DFIG變換器影響模型

仿真模型基本參數設置為：網側相電壓有效值U=220 V；Rg=0.1 Ω；Lg=4 mH；負載電阻R=100 Ω；直流側電壓控制目標值Udcref=502 V；直流電容C=400 μF；接地電阻R=0.001 Ω，PWM開關頻率fk=1 800 Hz，電網在0.2 s時發生A相接地短路故障，在0.3 s時故障恢復，仿真結果如圖7、8所示。

由如圖7可知：A相接地故障時，A相電壓突然降低。由如圖8可知：采用Fuzzy PID策略，直流側電壓最低值為497 V，振蕩幅度最小；0.3 s時，Fuzzy PID策略振蕩基本結束，電壓基本穩定在故障前水平，其他策略還有明顯的振蕩，可見Fuzzy PID策略振蕩時間最短，恢復線形最平滑；Fuzzy PID策略的響應速度和動態性能明顯要好，對于直流側電壓的控制能力，Fuzzy PID策略要明顯優于其余2種策略。

圖7 A相接地短路故障仿真波形

圖8 無控制策略、DSCC、Fuzzy PID作用下，

3.2 直流側電壓紋波分量仿真分析

仿真系統中調入Powergui模塊,選擇FFT analysis進行諧波分析，如圖9，諧波畸變率(total harmonics distortion，THD)從1.35%降低到了0.09%，直流側電壓中的諧波尤其是二倍頻率(100 Hz)紋波,從51%降低到了12%，直流側電壓紋波分量從局部到整體都得到了大幅度的削弱，直流側電壓質量得到了明顯改善。

4 結 論

(1)Fuzzy PID策略能夠在直流側電壓波動前改變PID控制器參數，達到抑制直流側電壓波動的目的，具有電壓波動預判的作用。在電網單相接地故障下的仿真試驗表明，Fuzzy PID策略不僅保持了DCCS的優點，還能克服DCCS動態響應慢、控制效果不理想的缺陷。

圖9 直流側電壓頻譜細節圖

(2)Fuzzy PID策略是一種優化算法，核心是“模糊推理規則表”的建立，剛開始的控制效果也許并不理想，隨著運行經驗的積累，可以根據特定情況不斷補充、完善“模糊推理規則表”，特別是對于影響整個控制系統可靠性的情況，制訂相應處理規則，實際控制效果將會越來越好。

(3)Fuzzy PID策略對系統測量誤差、測量延遲、參數計算錯誤、參數傳遞不暢、內部參數變化等情況，控制器輸入參數出現極大、或者極小(零)數據，這些邊緣數據的影響被及時的過濾、忽略，通過對變量進行正態分布設置，出現邊緣數據時，Kp、Ki和Kd的值還是在論域中，特殊情況發生并不影響整個系統運行可靠性。

(4)Fuzzy PID策略能夠在各種情況下保證波形順滑、平穩，控制能力具有極強的魯棒性，不需要額外增加硬件設備，不會增加控制系統硬件成本，控制算法易于軟件實現。

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(編輯：蔣毅恒)

ControlStrategyofDoubly-FedInductionWindGeneratorBasedonFuzzyAdaptive

WANG Kunyang, WANG Xuhong, LI Haiyan, LI Na

(College of Electrical Engineering and Information, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

To solve the slow response, poor dynamic performance and other problems in the double current closed loop control strategy (DCCS)for grid-side converter in the asymmetric grid of doubly-fed induction wind generator (DFIG), this paper proposed the Fuzzy PID (proportion integration differentiation)strategy for online fuzzy adaptive correction PID controller, and established the mathematical model for DFIG grid-side converter. Through the simulation on the asymmetric fault of power grid with using Matlab/Simulink, the DC voltage, current waveform of grid-side converter in improved control strategy was obtained. The simulation results show that the Fuzzy PID strategy can further improve the stabilities of DC voltage and current, reduce the ripple component of DC voltage and current, and make the control system have faster response and better dynamic performance, compared with the traditional DCCS.

doubly-fed induction wind generator(DFIG); asymmetric fault; fuzzy adaptive; PID controller

湖南省科技計劃項目(2011GK311)；湖南省科普計劃項目(2013KP0106)。

TM 614

： A

： 1000-7229(2014)06-0117-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.022

2013-12-11

：2014-03-31

王昆洋(1981)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發電技術，E-mail：17823932@qq.com；

王旭紅(1969)，女，博士，教授，研究方向為新能源發電技術；

李海燕(1983)，男，碩士研究生，研究方向為電力設備故障診斷與檢測；

李娜(1989)，女，碩士研究生，研究方向為電力設備故障診斷與檢測。