基于自抗擾技術的DFIG 網側換流器直接功率控制策略探究

姚婧娟

（國網四川邛崍供電有限責任公司，邛崍，611500）

0 引言

目前，風力發電技術日益得到重視。雙饋感應發電機（DFIG）具有有功、無功功率可獨立調節的能力，可實現最大風能追蹤的變速恒頻運行?，F在普遍運用的是磁場定向矢量控制策略，該策略會產生多種耦合關系，將控制過程復雜化?；谧钥箶_技術的直接功率控制策略直接利用測量的定子側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 系統進行控制。

本文利用基于自抗擾技術的直接功率控制策略對DFIG 系統網側換流器進行研究，并且對控制器進行仿真，驗證該控制策略的性能。

1 DFIG 網側換流器數學模型分析

三相電源平衡時，DFIG 網側換流器在dq 坐標系下的數學模型如下：

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

換流器交流側有功功率 AP 等于直流側有功功率 DP 。采用dq 坐標變換有：

式中： LR 為直流側電阻。當三相電源平衡時，式(2)簡化為

由式(3)、(4)可見， ( )f t 為系統的總擾動；b 為決定補償強弱的“補償因子”；直流側電壓 dcu 與d 軸電流di 之間能夠用一階ADRC 進行控制。

1.1 一階非線性自抗擾器設計

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

圖1 一階自抗擾控制器系統框圖

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的廣義導數；r 為可調參數；h 為步長。由文獻[8]知：

定義函數a：

則

1.1.2 擴張狀態觀測器（ESO）

對直流側電壓，設計的非線性二階ESO 為

e 為系統的誤差，z1為直流側電壓的狀態估計值，z2為擾動f ( t )的估計值，、為輸出誤差調整系數，fal 函數為最優控制函數，為濾波因子，為非線性因子，b0為b 的估計值。由文獻[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；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框圖

2 仿真分析

本文在MATLAB/ Simulink 中搭建了仿真模型。參數如下：交流側線電壓380V，頻率50Hz，電感L=3mH，電阻R=0.76Ω，直流側電容C=4000μF，負載RL=9Ω，直流側電壓給定參考值 dcru 為500V。t=0.15s 時 dcru 階躍至550V，t=0.25s 時直流側RL 變為0.45Ω。傳統PI 控制器參數：。一階非線性自抗擾器參數為：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 控制的系統在t=0.05s 時達到穩態，有一定的超調量，改進的控制策略控制的系統在t=0.03s 就達到穩態，超調量很小可忽略，改進的策略與原控制策略相比，直流電壓能夠更快速、無超調的達到穩態。由圖3(b)知，換流器一直工作在單位功率因數狀態。由圖3(c)可知，當在t=0.15s 時，直流電壓給定值由500V 階躍至550V，PI 控制的系統在t=0.185s 時再次到穩態，改進的控制策略控制的系統在t=0.165s 時再次到穩態，且無超調量。由圖3(d)可以看出，在t=0.25s 時，RL減半，PI 控制的系統在t=0.27s 時再次到穩態，改進的控制策略控制的系統在t=0.267s 達到穩態。

由以上結果可知，基于一階非線性自抗擾控制器改進的直接功率控制策略與PI 控制相比，能夠使輸出信號快速、無超調的跟蹤給定的參考量，當出現擾動時，能及時觀測擾動給予補償，使輸出能夠快速無超調的重新達到穩態。

3 結論

本文在分析DFIG 網側換流器數學模型基礎上，設計出一階非線性自抗擾控制器來改進直接功率控制策略。仿真結果表明，改進后的控制策略與原控制策略相比，輸出量能快速無超調的跟蹤給定的參考量，當系統出現擾動時，能更快速、且無超調的重新到達穩態，魯棒性強。

圖3 系統仿真曲線

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