【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风力发电，具体涉及一种基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法。
技术介绍
1、随着工业化的迅速发展，环境污染、能源短缺问题也愈发突出。而电力作为一种高效、清洁、无污染、管理单一的能源形式，如何利用自然能高效发电成为了各国广泛关注的研究热点。
2、近年来，永磁直驱发电系统在风力发电领域受到了广泛关注。该系统具有低风速下发电效率高、直接驱动(无齿轮箱)等优点，然而传统pid控制方法需要对风力发电系统进行精确建模，而风力发电系统的复杂特性使得精确建模变得困难，导致其控制效果不佳。针对这些问题，国内外学者提出了多种先进控制策略。如预测电流控制、滑模变结构控制、自抗扰控制等。
3、相比于pid控制，有限集模型预测控制的控制器的设计更加的灵活，可以根据实际的控制目标构建出成本函数，另一方面有限集模型预测控制可以根据构建的成本函数输出直接作用于变换器的最优开关状态而无需调制环节，大大加快了系统的动态响应；自抗扰控制由于是采用二自由度的结构，能够很好地均衡跟踪性能和抗扰性能。利用dq轴差分观测器实时估计系统的外部扰动、不确定性因素，并在控制器端进行补偿，在满足跟踪控制性能的同时增强了系统的扰动抑制能力。
4、为改善永磁直驱风力发电系统的动态响应以及抗扰性能，在三电平的拓扑结构下，在外环采用预测控制进行预测估计；内环采用基于球形译码的多步预测控制，并设计相应的dq轴差分观测器进行补偿。传统的自抗扰控制只能较好的估计并补偿常值非匹配扰动，对于非匹配扰动的时变扰动时不能很好的估计并进行补偿，
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法。在三电平的拓扑结构下，外环采用预测控制进行预测估计；内环采用基于球形译码的多步预测控制，并设计相应的dq轴差分观测器进行补偿，从而解决技术问题。
2、为了解决上述技术问题本专利技术提供的技术方案为：
3、基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，包括以下步骤：
4、步骤1：通过风速捕捉，确定机侧速度环的给定转速值ωref；
5、步骤2：建立机侧数学模型；
6、步骤3：对机侧电流、速度采样和clark-park变换，过程如下：
7、首先实时采集机侧变换器三相电流ia,ib,ic，然后对采集到的ia,ib,ic进行clark变换得到α-β坐标系下的分量值iα,iβ，并在α-β坐标系下进行park变换，就可将α-β坐标系下的分量值iα,iβ转换为d-q坐标系下的分量值id,iq；
8、步骤4：建立离散的永磁同步发电机速度预测模型，过程如下：
9、永磁同步发电机的动态数学方程为：
10、
11、其中pn为表贴式永磁同步发电机极对数，ψf为表贴式永磁同步发电机磁链，tm为表贴式永磁同步发电机转矩，j为转动惯量，b为电机摩擦系数。
12、对进行拉普拉斯变换得出一阶模型，再进行欧拉离散，得到离散时间模型：
13、ωr(k)＝aiq(k-1)-bωr(k-1)
14、ωr(k+1)＝aiq(k)-bωr(k)
15、其中ωr(k)为kt时刻电机的实际转速，b＝-e-tb/j，对上式进行整理得速度预测模型如下：
16、
17、其中，ωm(k+1)为(k+1)t时刻的预测输出，为kt时刻表贴式永磁同步发电机的q轴电流控制增量。
18、当预测步长扩展到n步时，可以得到：
19、
20、其中，a＝-b，b＝a；δiq(k)为kt时刻表贴式永磁同步发电机的q轴电流控制增量，ai表示对矩阵a进行i次方后得到的矩阵。
21、可以简化为：
22、wωm(k)＝wωr(k)+gδiq(k)
23、其中，
24、
25、步骤5：建立离散的永磁同步发电机电流预测模型，过程如下：
26、根据坐标变换理论可以得到d-q坐标系下的表贴式pmsg数学模型其电压方程为：
27、
28、其中：ud,uq为27种开关状态对应下定子电压d,q轴电压分量；id,iq表示d-q坐标系下的定子电流d,q轴分量；ls为表贴式永磁同步发电机中d-q坐标系下定子电感；rs表示定子电阻；ψf表示永磁体磁链；ωre表示电角速度。
29、采用前向欧拉公式对电流状态方程进行离散化并经过一步延迟后得到离散永磁同步发电机电流预测模型如下形式：
30、
31、其中，id(k+1)，iq(k+1)为经过延时补偿后d-q坐标系下的定子电流d,q轴分量；id(k+2)，iq(k+2)分别为k+1时刻d,q轴定子电流预测值；ωre(k+1)近似等于ωre(k)；
32、考虑到系统参数的不确定以及外部扰动的影响，对上式经欧拉离散的电流方程进行整理变为矢量形式：
33、idq(k+1)＝aidq(k)+bpu(k)+c+bdd(k)
34、其中，其中，
35、idq＝[id iq]t，u(k)＝[sa sb sc],
36、d(k)＝[dd(k) dq(k)]t，
37、其中sa,sb,sc分别表示逆变器的三个桥臂上下三个开关的状态，udc表示直流母线电容两端电压。
38、当预测步长扩展到n步时，假设预测范围内电机的转子速度不变，并且定义：
39、
40、其中，i(k)代表在kt时刻对未来n个时间步长的dq轴电流预测值的矩阵，i*(k)代表在kt时刻对未来n个时间步长的dq轴参考电流矩阵，代表在kt时刻对未来n个时间步长的集总扰动估计值的矩阵。
41、从而，可以得到：
42、
43、其中
44、步骤6，构建成本函数；
45、构建出一个成本函数，来更好地表示出预测值对于期望值的跟踪效果，其成本函数j1形式如下：
46、
47、其中，表示定子电流d,q轴分量的参考值；idq(l+1)分别为l+1时刻d,q轴定子电流预测值，u为开关频率预测，λ表示权重系数。
48、为了符合球形译码算法的计算规律，将其整理变形为如下j1形式：
49、
50、其中，把带入成本函数j1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于，所述步骤2中，具体过程如下：
3.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于，所述步骤11中，直流侧电容节点P、O、N处电流表示为：
4.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤12中，在d-q坐标系下的网侧数学模型为：
5.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤14中，网侧逆变器采用电压定向控制的方法，故基于电网电压矢量定向的网侧逆变器电流方程表示为：
6.根据权利要求1基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤15中，构建出一个成本函数，成本函数J3形式如下：
7.根据权利要求6所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤16中，从
8.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤17中，引入状态变量dul，构建新的状态空间模型；
9.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤18中，外环的改进扩张状态观测器表示形式如下所示：
10.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤19中，外环环控制律设计如下所示：
...【技术特征摘要】
1.一种基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于，所述步骤2中，具体过程如下：
3.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于，所述步骤11中，直流侧电容节点p、o、n处电流表示为：
4.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤12中，在d-q坐标系下的网侧数学模型为：
5.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的三电平发电系统多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤14中，网侧逆变器采用电压定向控制的方法，故基于电网电压矢量定向的网侧逆变器电流方程表示为：
6.根据权利要求1基于滚动时域...
【专利技术属性】
技术研发人员：王军晓，王若丞，陈自豪，杨朋霄，博莹，何德峰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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