基于模糊自适应的双馈异步风力发电机控制策略

王昆洋，王旭红, 李海燕，李娜

(长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙市 410114)

基于模糊自适应的双馈异步风力发电机控制策略

王昆洋，王旭红, 李海燕，李娜

(长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙市 410114)

为了解决双馈异步风力发电机(doubly-fed induction wind generator，DFIG)不对称电网网侧变换器采用双电流闭环控制策略(double current closed loop control strategy，DCCS)时响应速度慢、动态性能差等问题，提出了根据电流差、电流差变化率在线模糊自适应修正比例积分微分(proportion integration differentiation，PID)控制器参数的Fuzzy PID策略，建立了DFIG网侧变换器数学模型。基于Matlab/Simulink仿真工具，通过模拟电网侧发生不对称电网故障，仿真得到网侧变换器在改进控制策略下的直流侧电压、电流波形。仿真结果表明：与传统DCCS相比，Fuzzy PID策略进一步改善了直流侧电压、电流的稳定性，减少了直流侧电压、电流纹波分量，改进后的控制系统响应速度更快、动态性能更好。

双馈异步风力发电机(DFIG)；不对称故障；模糊自适应；PID控制器

0 引 言

随着传统能源的枯竭，新能源的开发和利用在各国能源结构上的比重越来越大，大型风电机组并网发电已成为新能源利用的主要形式，变速恒频发电技术成为主流风电技术，调速范围宽、有功和无功能够独立调节的双馈异步风力发电机(doubly-fed induction wind generator，DFIG)现正成为主流风电机组[1]。

目前，国际风电技术的主要研究动向是从正常电网条件下的变速恒频运行转向电网故障下的穿越运行，从对称电网故障转向不对称电网故障，电网在发生不对称故障时会产生负序分量，对网侧变换器产生如下影响：(1)交流侧存在负序电流，三相电流不平衡；(2)变换器输出有功、无功功率与直流侧电压出现偶数次纹波尤其是二倍频率(100 Hz)波动；(4)通过脉冲宽度(pulse width modulation，PWM)调制在交流侧产生奇数次电流谐波，反复影响，造成PWM变换器过电压、过电流[2]。胡家兵针对不对称电网故障下的DFIG网侧变换器提出了完整的正、负序dq轴模型，根据模型提出了增强运行能力控制对策及相应的电流指令算法，即dq旋转坐标系中的双电流闭环控制，dq旋转坐标系中的主、辅电流控制、两相静止坐标系中的比例-谐振控制和比例-积分-谐振控制[3]。其中双电流闭环控制策略(double current closed loop control strategy，DCCS)可以完全消除直流侧电压波动，削弱直流侧电压纹波分量，实现对电流无差跟踪，但也存在如下局限性：(1)检测参数多，在线运算大，系统鲁棒性差；(2)控制结构复杂，控制系统响应慢[4]。

此外，文献[5]构建了不对称电网故障下DFIG网侧变换器数学模型及其仿真环境，文献[6]实现了DCCS在直驱永磁风力发电机组上的仿真，文献[7]提出了模糊控制策略在DFIG网侧变换器上的应用，文献[8]设计了在不对称电网故障下转子侧Crowbar电路和直流侧Chopper电路相结合的穿越方案。本文基于DCCS提出Fuzzy PID策略，将影响直流侧电压稳定的交流侧电流差和电流差变化率引入PID控制器输入端，利用模糊规则在线优化PID控制器参数，从而达到改进、优化DCCS算法的目的。

1 DFIG及其网侧变换器

1.1 DFIG变换器

DFIG变换器是整个风力发电系统的核心，其作用是使风力发电机和电网实现“柔性连接”，根据电网电压、电流和风轮机转速调节DFIG变换器励磁电流，精确调节DFIG输出电压，满足特定质量要求。DFIG变换器由2部分组成，即转子侧变换器(rotor side converter，RSC)和网侧变换器(grid-side converter，GSC)，两者为了充放电的需要，通过背靠背(back-to-back)直流母线电容连接，如图1所示。RSC可以对DFIG有功功率和无功功率进行独立调节，控制风轮机转速来捕获最大风能；GSC通过对交流侧输入电流的反馈控制，保证直流侧电压稳定，有效减少电网谐波[9]。

图1 DFIG系统

1.2 GSC数学模型

GSC实际是一个PWM整流器，其控制目标是保证直流侧电压稳定，实现单位功率因数整流和逆变，其拓扑结构如图2所示。

图2 GSC电路拓扑图

电网电压波动、不平衡、谐波等各种情况下，必须满足

(1)

式中：ea、eb、ec分别为三相电压；ia、ib、ic分别为三相电流；La、Lb、Lc分别为三相电感；Ra、Rb、Rc分别为三相电阻。

若三相进线电抗器的电感、电阻相等，即La=Lb=Lc=L，Ra=Rb=Rc=R,先进行两相静止αβ坐标变换，再进行任意速ω旋转dq坐标变换可得

(2)

式中：ud=sdUdc,uq=sqUdc,iL=Udc/RL；ud、uq为d轴、q轴电压分量；Udc为直流母线电压；RL为负载电阻。

2 控制策略分析和PID控制器设计

2.1 改进DCCS分析

(3)

GSC正序、负序电流前馈控制算法为

(4)

GSC整流桥输入端电压为

(5)

由整流桥的输入端电压进行空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)，达到消除直流侧电压波动的控制目的，控制原理如图3所示。

图3 基于模糊自适应的改进双电流闭环控制

2.2 基于模糊自适应的PID控制器设计

2.2.1 确定模糊控制系统结构

本文通过Matlab/Simulink调用Fuzzy模糊控制工具箱，以|did|和|did/dt|为输入，Kp、Ki和Kd为输出，PID控制器原理如图4所示。Fuzzy logic模糊控制系统结构如图5所示。

图4 基于模糊自适应的PID控制器原理

图5 Fuzzy logic模糊控制系统结构

2.2.2 确定论域、隶属度函数，模糊化和解模糊

在Matlab/Simulink仿真环境下，人工输入不同的Kp、Ki和Kd，根据波形情况找到这3个参数的最优配置，其值覆盖范围即为其论域。各变量的论域如下：电流差绝对值|did|={0，3，6，10}；电流差变化率绝对值|did/dt|={0，3，6，10}；比例系数Kp={0，0.5，1.0，1.5}；积分系数Ki={0，0.002，0.040，0.006}；微分系数Kd={0，3，6，9}。

本文模糊化采用三角形隶属度函数，模糊推理为Mamdani方式[11-13]，解模糊采用面积重心法。

2.2.3 确定模糊推理规则

各变量的值域如下。|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)。

为了保证输入不同的|did|和|did/dt|都能使Kp、Ki和Kd出现在论域中，通过仿真环境给定不同输入，人工调试并分析各种波形后，拟定得到的模糊推理规则[14-15]如表1、2、3所示。

表1 Kp模糊推理规则表

表2Ki模糊推理规则表

Tab.2Kirulesoffuzzyinference

表3Kd模糊推理规则表

Tab.3Kdrulestableoffuzzyinference

3 仿真分析

3.1 不对称故障下仿真研究

根据图3所示控制原理，按照图6所示电路拓扑结构，搭建GSC仿真模型，仿真条件设置为电网发生单相接地故障时，对未采用策略、采用DCCS、采用Fuzzy PID策略分别对GSC进行控制，使电压恢复并保持稳定，对这3种控制作用下的控制能力和控制效果进行比较和分析。

图6 交流故障对DFIG变换器影响模型

仿真模型基本参数设置为：网侧相电压有效值U=220 V；Rg=0.1 Ω；Lg=4 mH；负载电阻R=100 Ω；直流侧电压控制目标值Udcref=502 V；直流电容C=400 μF；接地电阻R=0.001 Ω，PWM开关频率fk=1 800 Hz，电网在0.2 s时发生A相接地短路故障，在0.3 s时故障恢复，仿真结果如图7、8所示。

由如图7可知：A相接地故障时，A相电压突然降低。由如图8可知：采用Fuzzy PID策略，直流侧电压最低值为497 V，振荡幅度最小；0.3 s时，Fuzzy PID策略振荡基本结束，电压基本稳定在故障前水平，其他策略还有明显的振荡，可见Fuzzy PID策略振荡时间最短，恢复线形最平滑；Fuzzy PID策略的响应速度和动态性能明显要好，对于直流侧电压的控制能力，Fuzzy PID策略要明显优于其余2种策略。

图7 A相接地短路故障仿真波形

图8 无控制策略、DSCC、Fuzzy PID作用下，

3.2 直流侧电压纹波分量仿真分析

仿真系统中调入Powergui模块,选择FFT analysis进行谐波分析，如图9，谐波畸变率(total harmonics distortion，THD)从1.35%降低到了0.09%，直流侧电压中的谐波尤其是二倍频率(100 Hz)纹波,从51%降低到了12%，直流侧电压纹波分量从局部到整体都得到了大幅度的削弱，直流侧电压质量得到了明显改善。

4 结 论

(1)Fuzzy PID策略能够在直流侧电压波动前改变PID控制器参数，达到抑制直流侧电压波动的目的，具有电压波动预判的作用。在电网单相接地故障下的仿真试验表明，Fuzzy PID策略不仅保持了DCCS的优点，还能克服DCCS动态响应慢、控制效果不理想的缺陷。

图9 直流侧电压频谱细节图

(2)Fuzzy PID策略是一种优化算法，核心是“模糊推理规则表”的建立，刚开始的控制效果也许并不理想，随着运行经验的积累，可以根据特定情况不断补充、完善“模糊推理规则表”，特别是对于影响整个控制系统可靠性的情况，制订相应处理规则，实际控制效果将会越来越好。

(3)Fuzzy PID策略对系统测量误差、测量延迟、参数计算错误、参数传递不畅、内部参数变化等情况，控制器输入参数出现极大、或者极小(零)数据，这些边缘数据的影响被及时的过滤、忽略，通过对变量进行正态分布设置，出现边缘数据时，Kp、Ki和Kd的值还是在论域中，特殊情况发生并不影响整个系统运行可靠性。

(4)Fuzzy PID策略能够在各种情况下保证波形顺滑、平稳，控制能力具有极强的鲁棒性，不需要额外增加硬件设备，不会增加控制系统硬件成本，控制算法易于软件实现。

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(编辑：蒋毅恒)

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

湖南省科技计划项目(2011GK311)；湖南省科普计划项目(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，硕士研究生，研究方向为新能源发电技术，E-mail：17823932@qq.com；

王旭红(1969)，女，博士，教授，研究方向为新能源发电技术；

李海燕(1983)，男，硕士研究生，研究方向为电力设备故障诊断与检测；

李娜(1989)，女，硕士研究生，研究方向为电力设备故障诊断与检测。