基于自抗扰重复控制的永磁同步发电机电流谐波抑制方法与流程

1.本发明属于风力发电系统控制领域，涉及一种基于自抗扰重复控制的永磁同步发电机电流谐波抑制方法，具体涉及包括自抗扰控制方法和重复控制方法。


背景技术：

2.近年来，全球能源消耗急剧增加，风能作为一种无公害和可持续的能源，具有非常广阔的应用前景。随着风电技术的发展和应用，海上风电场的数量也在迅速增加。然而，这些风电场通常远离大陆，这给风力发电机的安装和维护带来了许多不可避免的麻烦。永磁同步发电机因其无需外部激励装置、无变速箱、低噪音、高效率、长寿命等优点，大大降低了发电机的维护成本，在风力发电领域得到了广泛应用。但是，由于逆变器的非线性特性和永磁同步发电机固有的机械结构，相电流中包含大量5次、7次、11次、13次等6k
±
1(k∈n

)次谐波。这将导致永磁同步发电机发生异常抖动，严重影响系统的控制性能，缩短永磁同步发电机的使用寿命。因此，永磁同步发电机电流控制策略需要具备更加精确的控制，有必要研究电流谐波抑制策略，改善闭环系统的稳定性与动态性能。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明将重复控制技术运用于自抗扰控制策略中，利用重复控制器对特定周期信号能实现无误差跟踪的特点，将重复控制与自抗扰控制采用并联方式构成自抗扰重复控制器。因此，该控制器即具有自抗扰控制器动态响应快和不依赖精确模型参数的特点，又具有重复控制器对周期信号无误差跟踪和对周期干扰信号抑制的特点。同时，该方法是从控制算法上对系统进行优化，不需要添加任何硬件结构，控制成本低；该方法思路清晰，结构简单，参数易调整，在工程上可直接应用和实现。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种基于自抗扰重复控制的永磁同步发电机电流谐波抑制方法，包括以下步骤：
6.s1：搭建永磁同步发电机模型；
7.s2：设计自抗扰控制器，过程如下：
8.永磁同步发电机在d-q旋转坐标系中的定子电压方程表示为：
[0009][0010]
式中：ud，uq分别为d、q轴电压；id、iq分别为d、q轴电流；ld、lq分别为d、q轴电感；rs为定子电阻；ψf为永磁体磁链；we为转子电角速度；weldid和wel
qiq
分别为d、q轴间存在的电流耦合；
[0011]
首先以d轴电流为例设计自抗扰控制器，其中设计的扩张状态观测器为：
[0012][0013]
式中，控制增益b0＝1/ld；β1、β2为误差增益系数；z
1d
、z
2d
分别跟踪id和系统内部总扰动；
[0014]
控制率设计为：
[0015][0016]
式中，为d轴电流指令值；k
p
为误差比例系数；
[0017]
控制器输出的表示为：
[0018][0019]
q轴自抗扰电流控制器的设计与d轴一致，并且由上面分析可知：除b0外，控制器的设计与永磁同步发电机参数无关；
[0020]
s3：设计重复控制器；
[0021]
s4：结合自抗扰控制器和重复控制器，应用于永磁同步发电机电流谐波抑制。
[0022]
进一步，所述s3的过程如下：
[0023]
永磁同步发电机在d-q旋转坐标系中的定子三相电流表示为：
[0024][0025]
式中，ia、ib、ic分别为a相、b相、c相电流；θ1、θ5、θ7、θ
11
、θ
13
分别为基波、5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波电流初始相位；
[0026]
补偿后的重复控制器表示为：
[0027][0028]
由上分析可知，永磁同步发电机相电流存在大量6k(k∈n

)次谐波，所以n的计算表示为：
[0029][0030]
式中，fs为系统采样频率，f为电机相电流频率；
[0031]
为了增加重复控制器的鲁棒性，选择q(z)为低通滤波器，表示为q(z)＝2/3 1/3*z-1
。
[0032]
s(z)选择低阶butterworth低通滤波器，表示为：
[0033][0034]
再进一步，所述s4中，采用并联方式将s2中设计的自抗扰控制器与s3中设计的重复控制器结合，并应用于永磁同步发电机相电流谐波抑制。
[0035]
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有以下有益效果：
[0036]
1、利用本发明设计的自抗扰重复控制方法改善了传统自抗扰控制对谐波电流抑制的局限性，抑制了电流中大量的谐波，实现了系统的整体稳定。
[0037]
2、相较于其他观测器，扩张状态观测器将来自于模型内部与外部的扰动视为总扰动进行观测，减少了扰动对控制性能的影响。
[0038]
3、该发明对被控对象模型依赖程度低，在已知系统受到的周期扰动频率情况下，进一步衰减周期扰动、非周期扰动和不确定性等总扰动。
附图说明
[0039]
图1是永磁同步发电机自抗扰重复控制框图。
[0040]
图2是设计的重复控制原理图。
[0041]
图3是d轴电流环自抗扰重复控制原理图。
[0042]
图4是本发明的基于自抗扰重复控制的永磁同步发电机的相电流i
abc
。
[0043]
图5是本发明的永磁同步发电机dq轴电流跟踪效果图，其中，(a)表示q轴电流跟踪效果图，(b)表示d轴电流跟踪效果图。
[0044]
具体实施方法
[0045]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0046]
参照图1～图5，一种基于自抗扰重复的永磁同步发电机电流谐波抑制方法，图1是永磁同步发电机自抗扰重复控制控制框图，包括永磁同步发电机、逆变器和控制系统。根据图3电流环自抗扰重复控制原理图，设计自抗扰重复控制器。
[0047]
所述方法包括以下步骤：
[0048]
s1：搭建永磁同步发电机模型；
[0049]
s2：设计自抗扰控制器，过程如下：
[0050]
永磁同步发电机在d-q旋转坐标系中的定子电压方程表示为：
[0051][0052]
式中：ud，uq分别为d、q轴电压；id、iq分别为d、q轴电流；ld、lq分别为d、q轴电感；rs为定子电阻；ψf为永磁体磁链；we为转子电角速度；weldid和wel
qiq
分别为d、q轴间存在的电流耦合；
[0053]
首先以d轴电流为例设计自抗扰控制器，其中设计的扩张状态观测器为：
[0054][0055]
式中，控制增益b0＝1/ld，β1、β2为误差增益系数；z
1d
、z
2d
分别跟踪id和系统内部总扰动；
[0056]
控制率设计为：
[0057][0058]
式中，为d轴电流指令值；k
p
为误差比例系数；
[0059]
控制器输出的表示为：
[0060][0061]
q轴自抗扰电流控制器的设计与d轴一致，并且由上面分析可知：除b0外，控制器的设计与永磁同步发电机参数无关；
[0062]
s3：设计重复控制器，过程如下：
[0063]
永磁同步发电机在d-q旋转坐标系中的定子三相电流可表示为：
[0064][0065]
式中，ia、ib、ic分别为a相、b相、c相电流；θ1、θ5、θ7、θ
11
、θ
13
分别为基波、5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波电流初始相位；
[0066]
补偿后的重复控制如图2所示表示为：
[0067][0068]
由上分析可知，永磁同步发电机相电流存在大量6k(k∈n

)次谐波，所以n的计算表示为：
[0069][0070]
式中，fs为系统采样频率，f为发电机相电流频率；
[0071]
为了增加重复控制器的鲁棒性，选择q(z)为低通滤波器，表示为q(z)＝2/3 1/3*z-1
；
[0072]
s(z)选择低阶butterworth低通滤波器，表示为：
[0073][0074]
s4：设计自抗扰重复控制器，采用并联方式将s2中设计的自抗扰控制器与s3中设
计的重复控制器结合，如图3所示。
[0075]
为了验证自抗扰重复控制方法的优越性，通过matlab/simulink进行仿真验证。从图4中可以看出永磁同步发电机相电流具有良好的正弦特性，基本不含有5、7、11、13等次谐波，验证了所设计的控制策略对谐波具有良好的抑制特性。图5展示了自抗扰重复控制器对d、q轴电流的跟踪效果。从图5中可以看出，d-q轴上控制量的误差均小于0.4v，说明了自抗扰重复控制策略具有良好的稳态特性。验证了本发明设计的自抗扰控制结合重复控制的正确性，在特定条件下削减风机谐波的有效性。
[0076]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。