本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)機(jī)抑制電網(wǎng)低頻振蕩的方法。

背景技術(shù)：

隨著全球人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的持續(xù)增加，使用傳統(tǒng)能源而面臨的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。煤、石油、天然氣作為當(dāng)今世界三大主力能源，有可能在未來(lái)40-200年內(nèi)逐漸耗盡。為了緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染，許多國(guó)家把大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電作為應(yīng)對(duì)氣候變化、改善能源結(jié)構(gòu)的重要選擇?！笆晃濉睍r(shí)期，我國(guó)風(fēng)電快速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)翻番增長(zhǎng)，設(shè)備制造能力快速提高，已形成了較完善的產(chǎn)業(yè)體系，為更大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電奠定了良好基礎(chǔ)。根據(jù)《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，我國(guó)到2015風(fēng)電發(fā)電量在全部發(fā)電量中的比重超過(guò)3％，2015年后繼續(xù)推動(dòng)風(fēng)電以較大規(guī)模持續(xù)發(fā)展，到2020年力爭(zhēng)風(fēng)電發(fā)電量在全部發(fā)電量中比重超過(guò)5％。顯然，風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展已經(jīng)成為一種全球范圍內(nèi)的必然趨勢(shì)。

隨著風(fēng)電單機(jī)裝機(jī)容量以及在大電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集中接入給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作為主流機(jī)型的變速風(fēng)電機(jī)組因電力電子變流器的隔離作用使得其不能為系統(tǒng)提供功率和慣性支持，在高風(fēng)電滲透率的電網(wǎng)中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障或者大擾動(dòng)時(shí)可能會(huì)引起功率長(zhǎng)時(shí)間振蕩甚至發(fā)散，從而引發(fā)聯(lián)絡(luò)線過(guò)流跳閘或系統(tǒng)與系統(tǒng)或機(jī)組與系統(tǒng)之間的失步而解列，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，為降低風(fēng)電接入電網(wǎng)后的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，有必要進(jìn)一步挖掘基于電力電子變流器的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制潛力。通過(guò)改進(jìn)或者附加變速風(fēng)電機(jī)組的控制策略，增加其對(duì)系統(tǒng)低頻振蕩的抑制能力，改善系統(tǒng)的阻尼特性，將對(duì)高滲透率并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究并取得了豐碩成果，在風(fēng)電機(jī)組側(cè)加裝阻尼控制裝置是改善風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后系統(tǒng)阻尼特性所普遍采用的方法，控制效果顯著，通常將風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)有功功率信號(hào)(專利號(hào)：201110175859.2)、頻率偏差(morrenj，dehaanswh，klingwl，etal.windturbinesemulatinginertiaandsupportingprimaryfrequencycontrol[j].powersystems，ieeetransactionson，2006，21(1)：433-434.)、功角差信號(hào)或者遠(yuǎn)端的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率(專利號(hào)：201310460169.0)、同步發(fā)電機(jī)功角差(張子泳，胡志堅(jiān)，李勇匯.并網(wǎng)型雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)廣域阻尼控制器設(shè)計(jì)[j].高電壓技術(shù).2011(01)：157-163.)、轉(zhuǎn)速差等信號(hào)反饋附加到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功調(diào)制分量上，從而為系統(tǒng)提供功率支持，抑制低頻振蕩。采用遠(yuǎn)端低頻振蕩信號(hào)作為被控量時(shí)，一般要考慮信號(hào)傳輸時(shí)滯的影響，否則設(shè)計(jì)的控制器效果會(huì)大打折扣甚至可能惡化系統(tǒng)的阻尼。目前，研究者對(duì)于風(fēng)機(jī)附加阻尼控制器設(shè)計(jì)大部分集中在有功調(diào)制上，事實(shí)上風(fēng)機(jī)換流器的矢量控制使得有功無(wú)功功率解耦控制，其獨(dú)立的無(wú)功調(diào)節(jié)能力也能為系統(tǒng)提供阻尼，充分利用有功和無(wú)功的調(diào)節(jié)裕度使得其抑制系統(tǒng)低頻振蕩的效果更好。

雙饋感應(yīng)電機(jī)是一個(gè)高階、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定的時(shí)變非線性系統(tǒng)，對(duì)外界擾動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化敏感，采用傳統(tǒng)線性控制方法已達(dá)不到理想的控制效果。經(jīng)典pid和傳統(tǒng)pss是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的控制方法，但是基于某一運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的控制器，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)其控制效果可能會(huì)變差。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種算法簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、具有良好的工程應(yīng)用前景的基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組附加阻尼控制新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是基于上述問(wèn)題，提出了基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組有功-無(wú)功附加阻尼控制器，具有不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能自動(dòng)檢測(cè)并補(bǔ)償被控對(duì)象的內(nèi)外擾動(dòng)，即使控制對(duì)象遇到不確定性擾動(dòng)或者參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，也能得到良好的控制效果，相比于經(jīng)典pid控制，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，為抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩提供一個(gè)新的途徑。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組有功-無(wú)功附加阻尼控制方法，其改進(jìn)之處在于充分利用雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功和無(wú)功調(diào)節(jié)裕度，并采用算法簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、自動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償不確定擾動(dòng)的自抗擾控制來(lái)抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，主要分為以下具體步驟：

步驟1：采用電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件，建立含雙饋風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)電力系統(tǒng)的仿真模型；

步驟2：依據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)換流器功率外環(huán)的擾動(dòng)信號(hào)和風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)處頻率偏差和電壓偏差的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，采用狀態(tài)子空間(n4sid)模型辨識(shí)方法辨識(shí)被控對(duì)象二階降階模型；

步驟3：設(shè)計(jì)二階非線性自抗擾控制器的跟蹤微分器(td)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)、非線性狀態(tài)誤差反饋(nlsef)和擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償四個(gè)部分；

步驟4：對(duì)電網(wǎng)施加大擾動(dòng)，校核在不同系統(tǒng)運(yùn)行方式下本發(fā)明所提的自抗擾控制器對(duì)抑制系統(tǒng)低頻振蕩的效果并與傳統(tǒng)pid控制器進(jìn)行對(duì)比。

本發(fā)明所述步驟1中，電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)均采用計(jì)及調(diào)速器和勵(lì)磁器的詳細(xì)模型。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)控制器、換流器控制器和并網(wǎng)控制器，其中，風(fēng)力機(jī)控制器包括兩個(gè)相互耦合的機(jī)械控制：槳距角控制和最大功率追蹤控制，機(jī)側(cè)換流器控制采用定子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)定子有功功率和定子無(wú)功功率解耦獨(dú)立控制，在功率外環(huán)中，定子有功功率參考值由風(fēng)力機(jī)控制層中的最大功率追蹤控制(mppt)給定，而無(wú)功功率參考值q^*s由風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)控制給定，網(wǎng)側(cè)換流器則實(shí)現(xiàn)直流母線電壓和換流器功率因數(shù)控制。

本發(fā)明所述步驟2中，分別在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)換流器功率外環(huán)上實(shí)施一個(gè)持續(xù)時(shí)間0.5s的脈沖信號(hào)，得到風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)處δf和δug的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，將兩組輸入輸出數(shù)據(jù)采用n4sid子空間模型辨識(shí)法得到被控對(duì)象的狀態(tài)空間，再根據(jù)漢克奇異值降階理論將其降到二階數(shù)據(jù)模型。

本發(fā)明所述步驟3中，設(shè)計(jì)二階非線性自抗擾控制器，包括跟蹤微分器(td)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)、狀態(tài)誤差反饋和擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償四個(gè)部分，為了減小高頻震顫，將具有擾動(dòng)跟蹤補(bǔ)償能力的自抗擾控制器離散化，通過(guò)digsilent中dsl語(yǔ)言編寫，以二階被控對(duì)象為例，其數(shù)學(xué)模型如下：

其中，f0(x1，x2)和b0是由步驟2得到的二階被控對(duì)象模型獲得，ω(t)是未建模部分及擾動(dòng)的總和，并取z3＝ω(t)，非線性自抗擾控制的具體離散算法如下：

(1)以設(shè)定值v0為輸入，為了降低起始誤差并緩和過(guò)渡過(guò)程的快速性和超調(diào)性之間的矛盾安排過(guò)渡過(guò)程(td)跟蹤v0得到其光滑的輸入v1以及其微分信號(hào)v2。

其中，r0是速度因子，h0是濾波因子，h是仿真步長(zhǎng)，fhan(x1，x2，r，h)稱為離散最速控制綜合函數(shù)，其算法公式如下：

(2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)以系統(tǒng)輸出y和輸入u得到各個(gè)狀態(tài)變量的估計(jì)z1、z2并把影響被控輸出的擾動(dòng)作用量ω?cái)U(kuò)張成新的狀態(tài)變量z3。

其中f0(z1，z2)為被控系統(tǒng)的已知部分模型，z1、z2、z3分別跟蹤y、ω(t)，β01，β02，β03為一組參數(shù)。

(3)合適的反饋機(jī)制可以更加有效地抑制擾動(dòng)并極大地改善閉環(huán)系統(tǒng)的性能

其中為，c為阻尼系數(shù)；r為控制量增益；h1為速度因子。

(4)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)的擾動(dòng)量和狀態(tài)誤差的反饋共同完成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線性化，使閉環(huán)系統(tǒng)具有更加滿意的性能。

本發(fā)明所述步驟3中，非線性自抗擾附加阻尼控制器參數(shù)的整定，包括跟蹤微分器(td)參數(shù)速度因子r0、濾波因子h0和仿真步長(zhǎng)h，狀態(tài)觀測(cè)器(eso)參數(shù)α1、α2、δ、β01、β02、β03，非線性反饋(nlsef)參數(shù)阻尼系數(shù)c、控制量增益r和速度因子h1，擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償參數(shù)b0，其中eso參數(shù)整定方法推導(dǎo)如下：

將估計(jì)的狀態(tài)變量z1、z2、z3與實(shí)際狀態(tài)變量x1、x2、x3相減得到自抗擾狀態(tài)觀測(cè)器誤差的方程如下：

其中，假設(shè)f0(z1，z2)＝a1z1+a2z2，取α1＝0.5，α2＝0.25，δ＝0.05，誤差方程的穩(wěn)態(tài)誤差為

只要β03足夠大于ω0，這些估計(jì)誤差都將足夠的小以趨于零，但是注意β03過(guò)大會(huì)導(dǎo)致估計(jì)值振蕩，因此要選擇合適的β03值，對(duì)穩(wěn)態(tài)方程進(jìn)行拉普拉斯變換得到e03和擾動(dòng)信號(hào)ω的傳遞函數(shù)

本發(fā)明使用帶寬概念來(lái)設(shè)計(jì)觀測(cè)器參數(shù)β01，β02，β03，對(duì)二階被控對(duì)象來(lái)說(shuō)配置成(s+ωc)³的形式，因此依據(jù)β01＝3ωc，4.5β02＝3ωc²，9.46β03＝ωc³，ωc為觀測(cè)器帶寬，來(lái)設(shè)計(jì)eso參數(shù)，通常ωc越大觀測(cè)越精確，但是較大的ωc對(duì)噪聲比較敏感。

與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，本發(fā)明的有益效果為：

1.本發(fā)明在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組附加阻尼控制器中，不僅充分利用了有功調(diào)制環(huán)節(jié)對(duì)電網(wǎng)低頻振蕩的抑制作用，還挖掘了機(jī)側(cè)換流器無(wú)功調(diào)制環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)阻尼的潛力。

2.本發(fā)明針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組高階非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定、時(shí)變的特點(diǎn)，引入非線性自抗擾控制技術(shù)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制的思想，利用受控對(duì)象的i/o數(shù)據(jù)，應(yīng)用子空間模型辨識(shí)法得到數(shù)據(jù)模型，以減輕狀態(tài)觀測(cè)器的負(fù)擔(dān)，提高自抗擾控制器的精度，設(shè)計(jì)了雙饋風(fēng)電機(jī)組有功-無(wú)功附加阻尼控制器，能夠有效抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩。

3.本發(fā)明在帶寬概念的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出一種新的非線性自抗擾控制器的狀態(tài)觀測(cè)器(eso)參數(shù)β01，β02，β03整定方法。

4.本發(fā)明所選擇信號(hào)直接從風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)獲得，無(wú)需添加額外信號(hào)檢測(cè)裝置且信號(hào)傳輸時(shí)滯較短可以忽略，自抗擾控制算法，能自動(dòng)檢測(cè)并補(bǔ)償被控對(duì)象的內(nèi)外擾動(dòng)，即使控制對(duì)象遇到不確定性擾動(dòng)或者參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，也能得到良好的控制效果，增強(qiáng)了控制器的魯棒性。

附圖說(shuō)明

圖1為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體控制系統(tǒng)框圖

圖2為基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組有功-無(wú)功附加阻尼控制策略框圖

圖3為自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

圖4為擾動(dòng)觀測(cè)器誤差傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)曲線

圖5為仿真電力系統(tǒng)圖

圖6為雙回線路-線路7-9傳輸功率對(duì)比圖

圖7為雙回線路-線路7-9三相短路故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比圖

圖8為單回線路-線路7-9傳輸功率對(duì)比圖

圖9為雙回線路-線路7-9強(qiáng)迫功率振蕩對(duì)比圖

圖10傳統(tǒng)pid控制框圖

圖11為雙回線路-傳統(tǒng)pid和自抗擾控制器故障下線路7-9傳輸功率對(duì)比圖

圖12為單回線路-傳統(tǒng)pid和自抗擾控制器故障下線路7-9傳輸功率對(duì)比圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

步驟1.采用電力系統(tǒng)仿真軟件搭建含雙饋風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)電力系統(tǒng)詳細(xì)模型；

圖1為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體控制系統(tǒng)框圖。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)控制器、換流器控制器和并網(wǎng)控制器，其中，風(fēng)力機(jī)控制器包括兩個(gè)相互耦合的機(jī)械控制：槳距角控制和最大功率追蹤控制。機(jī)側(cè)換流器控制采用定子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)定子有功功率和定子無(wú)功功率解耦獨(dú)立控制，在功率外環(huán)中，定子有功功率參考值由風(fēng)力機(jī)控制層中的最大功率追蹤控制(mppt)給定，而無(wú)功功率參考值q^*s由風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)控制給定。網(wǎng)側(cè)換流器則實(shí)現(xiàn)直流母線電壓和換流器功率因數(shù)控制。

步驟2.依據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)換流器功率外環(huán)的擾動(dòng)信號(hào)和風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)處頻率偏差和電壓偏差的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，采用狀態(tài)子空間(n4sid)模型辨識(shí)方法辨識(shí)被控對(duì)象二階降階模型；

圖2為基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組有功-無(wú)功附加阻尼控制策略框圖，擾動(dòng)信號(hào)δupssp和δupssq位置已在圖2中標(biāo)明，在此信號(hào)上實(shí)施一個(gè)持續(xù)時(shí)間0.5s的脈沖信號(hào)，得到風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)處δf和δug的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，將兩組輸入輸出數(shù)據(jù)采用n4sid子空間模型辨識(shí)法得到被控對(duì)象的狀態(tài)空間，再根據(jù)漢克奇異值降階理論將其降到二階數(shù)據(jù)模型。

步驟3.設(shè)計(jì)非線性自抗擾控制器，包括跟蹤微分器(td)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)、狀態(tài)誤差反饋和擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償四個(gè)部分，圖3為自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖，為了減小高頻震顫，將具有擾動(dòng)跟蹤補(bǔ)償能力的自抗擾控制器離散化，以二階被控對(duì)象為例，其數(shù)學(xué)模型如下：

其中，f0(x1，x2)和b0是由步驟2得到的二階被控對(duì)象模型獲得，ω(t)是未建模部分及擾動(dòng)的總和，并取z3＝ω(t)，非線性自抗擾控制的具體離散算法如下：

(1)以設(shè)定值v0為輸入，為了降低起始誤差并緩和過(guò)渡過(guò)程的快速性和超調(diào)性之間的矛盾安排過(guò)渡過(guò)程(td)跟蹤v0得到其光滑的輸入v1以及其微分信號(hào)v2。

其中，r0是速度因子，h0是濾波因子，h是仿真步長(zhǎng)，fhan(x1，x2，r，h)稱為離散最速控制綜合函數(shù)，其算法公式如下：

(2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)以系統(tǒng)輸出y和輸入u得到各個(gè)狀態(tài)變量的估計(jì)z1、z2并把影響被控輸出的擾動(dòng)作用量ω?cái)U(kuò)張成新的狀態(tài)變量z3。

其中f0(z1，z2)為被控系統(tǒng)的已知部分模型，z1、z2、z3分別跟蹤y、ω(t)，β01，β02，β03為一組參數(shù)。

(3)合適的反饋機(jī)制可以更加有效地抑制擾動(dòng)并極大地改善閉環(huán)系統(tǒng)的性能

其中為，c為阻尼系數(shù)；r為控制量增益；h1為速度因子。

(4)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)的擾動(dòng)量和狀態(tài)誤差的反饋共同完成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線性化，使閉環(huán)系統(tǒng)具有更加滿意的性能。

下面分析非線性自抗擾控制器對(duì)低頻振蕩的適用性并推導(dǎo)eso參數(shù)整定方法：

將估計(jì)的狀態(tài)變量z1、z2、z3與實(shí)際狀態(tài)變量x1、x2、x3相減得到自抗擾狀態(tài)觀測(cè)器誤差方程如下：

其中，假設(shè)f0(z1，z2)＝a1z1+a2z2，取α1＝0.5，α2＝0.25，δ＝0.05，誤差方程的穩(wěn)態(tài)誤差為

只要β03足夠大于ω0，這些估計(jì)誤差都將足夠的小以趨于零，但是注意β03過(guò)大會(huì)導(dǎo)致估計(jì)值振蕩，因此要選擇合適的β03值。對(duì)穩(wěn)態(tài)方程進(jìn)行拉普拉斯變得到e03和擾動(dòng)信號(hào)ω的傳遞函數(shù)

本發(fā)明使用帶寬概念來(lái)設(shè)計(jì)觀測(cè)器參數(shù)β01，β02，β03，對(duì)二階被控對(duì)象來(lái)說(shuō)配置成(s+ωc)³的形式，因此根據(jù)β01＝3ωc，4.5β02＝3ωc²，9.46β03＝ωc³，ωc為觀測(cè)器帶寬，來(lái)設(shè)計(jì)eso參數(shù)，通常ωc越大觀測(cè)越精確，但是較大的ωc對(duì)噪聲比較敏感。為了分析方便令a1＝a2＝0，當(dāng)β01＝3ωc＝120，4.5β02＝3ωc²＝4800，9.46β03＝ωc³＝64000，ωc＝40時(shí)，擾動(dòng)觀測(cè)誤差傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)如圖4所示。從圖4可以看出，上面所選擇的參數(shù)β01，β02，β03對(duì)低頻段擾動(dòng)觀測(cè)誤差較小，此觀測(cè)器對(duì)抑制低頻振蕩具有較好的控制效果。

步驟4.對(duì)電網(wǎng)施加大擾動(dòng)，校核在不同系統(tǒng)運(yùn)行方式下本發(fā)明所提的自抗擾控制器對(duì)抑制系統(tǒng)低頻振蕩的效果并與傳統(tǒng)pid控制器進(jìn)行對(duì)比。

下面通過(guò)仿真實(shí)例對(duì)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組有功-無(wú)功附加阻尼器，在digsilent中搭建含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的4機(jī)2區(qū)域電力系統(tǒng)。如圖5所示，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100mva，頻率為50hz，系統(tǒng)不加裝pss，g3為系統(tǒng)的平衡機(jī)。風(fēng)電場(chǎng)(50臺(tái)5mw的雙饋風(fēng)電機(jī)組)并網(wǎng)點(diǎn)在區(qū)域1的母線6上。為簡(jiǎn)化分析，采用單機(jī)模型作為風(fēng)電場(chǎng)的集總模型來(lái)代替整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。

仿真實(shí)驗(yàn)一：

線路7-9在5.0s時(shí)發(fā)生三相短路，0.1s后故障消失。圖6到圖7(a)-(d)分別為在有功附加阻尼控制、無(wú)功附加阻尼控制、有功-無(wú)功混合附加阻尼控制和不加控制四種方案下，線路7-9傳輸功率、雙饋風(fēng)電機(jī)組總輸出有功功率、總輸出無(wú)功功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和直流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比圖。

從圖6中可以看出，電網(wǎng)短路故障造成系統(tǒng)功率出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間超過(guò)15s的振蕩，在有功-無(wú)功混合附加阻尼控制器作用下線路7-9傳輸功率的振蕩衰減時(shí)間縮減到5s左右，對(duì)系統(tǒng)功率振蕩具有明顯的抑制作用。在有功附加阻尼控制器作用下，系統(tǒng)7s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，控制效果相較于無(wú)功附加阻尼控制器好。

圖7(a)-(d)顯示有功附加阻尼控制器需調(diào)節(jié)其定子有功功率ps以抑制風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)處頻率偏差波動(dòng)，從而引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)，同時(shí)由于直流母線兩側(cè)有功功率不匹配，引起直流電壓不穩(wěn)定，因此雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要投入crowbar保護(hù)電路，避免轉(zhuǎn)子側(cè)變流器過(guò)流，同時(shí)利用直流側(cè)卸荷電路保護(hù)直流側(cè)電容，防止直流電壓越限。當(dāng)無(wú)功附加阻尼控制器作用時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組通過(guò)調(diào)節(jié)定子無(wú)功功率qs輸出，使風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)處電壓迅速穩(wěn)定，從而減小系統(tǒng)功率振蕩的幅值和時(shí)間，由于機(jī)側(cè)變流器矢量控制使得有功功率和無(wú)功功率解耦導(dǎo)致無(wú)功功率的變化對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和直流電壓影響不大。但有功-無(wú)功附加阻尼控制器作用時(shí)，同時(shí)具有有功附加阻尼控制器和無(wú)功附加阻尼控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)，從圖7可見(jiàn)，其雙饋風(fēng)電機(jī)組總輸出有功功率、總輸出無(wú)功功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和直流側(cè)電壓相較于單獨(dú)附加阻尼控制器幅值波動(dòng)減小。

仿真實(shí)驗(yàn)二：

線路7-9其中一條斷線變成單回線路，此時(shí)系統(tǒng)電氣聯(lián)系變?nèi)?，通過(guò)特征值分析可以看到電力系統(tǒng)區(qū)間振蕩模式阻尼比減小到0.0211，已經(jīng)達(dá)到弱阻尼模式。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的自抗擾附加阻尼控制器，保持參數(shù)不變，線路7-9單回線路在5.0s時(shí)發(fā)生三相短路，0.1s故障消失。

圖8給出仿真過(guò)程中有功附加阻尼控制器、無(wú)功附加阻尼控制器、有功-無(wú)功混合附加阻尼控制器和不加控制器作用時(shí)線路7-9傳輸功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比圖。從圖8可以看出，由于區(qū)域間電氣聯(lián)系變?nèi)酰?0s時(shí)無(wú)附加阻尼控制器的系統(tǒng)傳輸線功率振蕩幅值依然很大。有功-無(wú)功附加阻尼控制器作用時(shí)，5s左右系統(tǒng)傳輸線功率振蕩基本平穩(wěn)，電力系統(tǒng)阻尼明顯提高，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的自抗擾附加阻尼控制器具有良好的魯棒性，在電力系統(tǒng)發(fā)生較大變化時(shí)仍然具有良好的控制性能。

仿真實(shí)驗(yàn)三：

5.0s時(shí)在dfig電磁轉(zhuǎn)矩上施加一個(gè)持續(xù)20s的0.1sin(0.574t)的正弦擾動(dòng)。

從圖9中可以看出有功-無(wú)功附加阻尼控制器起作用時(shí)，強(qiáng)迫功率振蕩的幅值減小到原幅值的1/2，電磁轉(zhuǎn)矩上的擾動(dòng)消失后，附加控制器作用下的傳輸線功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，3s左右到達(dá)穩(wěn)定，因此有功-無(wú)功附加阻尼控制器顯著提高了電力系統(tǒng)阻尼，對(duì)系統(tǒng)負(fù)阻尼低頻振蕩和強(qiáng)迫功率振蕩均具有較好的抑制性能。

仿真實(shí)驗(yàn)四：

將圖2中自抗擾控制器(adrc)換成圖10所示的傳統(tǒng)pid控制器，線路7-95.0s時(shí)發(fā)生持續(xù)時(shí)間0.1s的三相短路故障，圖11和圖12分別給出兩種運(yùn)行方式下在傳統(tǒng)pid有功-無(wú)功附加阻尼控制器和自抗擾有功-無(wú)功附加阻尼控制器作用下線路7-9傳輸功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比圖。

從圖11和圖12中可以看出，基于自抗擾控制設(shè)計(jì)的附加阻尼控制器在兩種運(yùn)行方式下均5s左右到達(dá)穩(wěn)態(tài)，而傳統(tǒng)pid附加阻尼控制器在雙回線路下10s內(nèi)穩(wěn)定，單回線路下15s內(nèi)依然沒(méi)有穩(wěn)定，由于說(shuō)明傳統(tǒng)pid控制器抑制傳輸線功率振蕩的能力因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行方式的改變而變差，從而也驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的自抗擾控制器具有更強(qiáng)的魯棒性。

最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。