一种永磁同步风机鲁棒预测控制方法及系统

本发明属于风机预测控制，具体涉及一种永磁同步风机鲁棒预测控制方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、永磁同步发电机(pmsg)以永磁体励磁替代励磁绕组励磁，使电动机结构更为简单，具有运行可靠性高、工作风速范围大、能量转换效率高、维护简单等优点，目前已经成为海上风电的主流；而mpc通过不断滚动的局部优化，使模型失配、畸变、干扰等引起的不确定性及时得到弥补，具有良好的动态响应能力、多目标优化能力和对多种工况的适应性，近些年来，在理论推导和实际应用中取得了突飞猛进的进展，并被广泛应用于pmsg背靠背变流器的控制。然而，模型预测控制(mpc)存在对噪声和参数变化敏感的缺点，在实际pmsg中，永磁体磁通、定子电感和滤波器电感等参数存在偏差，并且参数测量会产生噪声，导致mpc控制效果恶化，造成稳态误差和电流纹波。因此，提高mpc对参数失配和传感器噪声的鲁棒性已成为一个重要的研究目标。

3、基于扩张状态观测器的模型预测控制(mpc-eso)框架在传统mpc基础上增加扩张状态观测器(eso)。其实现方案：在mpc控制中，网侧的连续时间模型为：

4、

5、其中x是状态变量，u是控制变量，f是系统的总扰动，y是输出变量。如果检测y的传感器中存在噪声n，mpc的鲁棒性需要考虑参数失配导致误差以及传感器噪声污染导致误差若mpc的正常未扰动状态下状态变量的预测值为xp，则得到的预测误差总和δxp变为：

6、

7、为了使系统对参数失配和噪声具有鲁棒性，有必要使δxp为0。

8、加入eso后，系统控制框图如图1所示。此时，eso系统鲁棒控制的变量估计模型为：

9、

10、其中，y是被测系统输出变量，n是传感器的测量噪声，α是非零输入增益。是{x,f}的估计值，{γ1,γ2}是估计和测量状态变量的eso误差增益，其特征多项式为s2+γ1s+γ2。根据特征多项式选取eso误差增益的参数。控制器带宽与参数γ1，γ2之间的关系为γ1＝2ω0，其中-ω0是eso的极点。该控制方案的机侧、网侧控制框架分别如图2、图3所示。

11、以上mpc-eso方法保证了在存在电流测量噪声时，在参数失配的情况下，也可以较好地实现精确的功率跟踪。但eso无法平衡噪声抑制和参数失配，这是因为eso一方面需要更大的α来提高其对参数失配的鲁棒性，但会产生高频噪声干扰，导致产生高阶谐波，并恶化系统的稳态性能；但是，如果降低α以衰减噪声，则瞬态性能将较差，并且对参数失配的鲁棒性降低。这一矛盾导致mpc-eso在参数失配的情况下可能存在电流纹波、转矩偏移、功率偏差等问题，鲁棒性有待提升。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种永磁同步风机鲁棒预测控制方法及系统，本发明通过多个扩张状态观测器(eso)进行串并联，并对系统扰动和观测值进行加权，具有更强的参数鲁棒性，可以更有效地平衡参数失配、干扰抑制和高频噪声抑制，具有良好的动态和稳态性能，对于风力发电系统在实际工况下的性能提升具有较大的应用意义。

2、根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

3、一种永磁同步风机鲁棒预测控制方法，包括以下步骤：

4、在电机侧或/和电网侧的控制环节中，利用基于扩张状态观测器的模型预测控制方法进行控制，且在控制过程中，使用多级串联、每一级包含若干并联的扩张状态观测器的多层结构，根据电流和电压进行预测，对系统扰动进行估计。

5、作为可选择的实施方式，在电机侧采用pi转速外环，基于扩张状态观测器的模型预测控制内环，内环的控制目标包含定子电流控制、机侧变流器开关频率控制。

6、作为可选择的实施方式，在电网侧，采用直流电压外环，基于扩张状态观测器的模型预测控制内环，对于内环的预测控制，控制目标包含电网电流控制、中性点电压差控制和网侧变流器开关频率的控制。

7、作为可选择的实施方式，所述多层结构含有m个子扩张状态观测器，每个子扩张状态观测器的子频率相同，每一级为两个子扩张状态观测器级联，每个子扩张状态观测器根据状态变量在子频率上进行估计，系统扰动为所有子扩张状态观测器的估计值之和。

8、作为可选择的实施方式，在电机侧的控制过程中，控制目标中电流控制的惩罚项是dq坐标系下的定子电流id和iq，iq的参考由转矩误差获得，通过控制iq，控制转矩，进而控制转速达到参考转速，id根据最大转矩电流控制设置；

9、代价函数中还添加对开关动作的惩罚项，以在保证系统性能的前提下尽可能降低开关频率。

10、作为进一步的，电流控制的优先级高于开关动作频率的优先级。

11、作为可选择的实施方式，在电机侧的控制过程中，以代价函数最小的开关矢量作为最佳开关矢量，以最佳开关矢量在下一控制周期控制电机侧变流器。

12、作为可选择的实施方式，在电网侧的控制过程中，电流控制惩罚项是dq坐标系下的电网侧电流id和iq，id参考由直流母线电压控制外环获得，通过控制id，实现对直流母线电压的控制，iq参考值为设定值；

13、开关频率控制的惩罚项是电网侧变换器的开关频率；

14、电容中性点电压控制的惩罚项是背靠背变流器的电容中性点电压不平衡量。

15、作为可选择的实施方式，选择代价函数最小的开关矢量作为最佳开关矢量，并将选出的开关矢量在下一控制周期打出，控制电网侧变流器。

16、一种永磁同步风机鲁棒预测控制系统，包括：

17、混合多级模型预测模块，被配置为在电机侧或/和电网侧的控制环节中，利用基于扩张状态观测器的模型预测控制方法进行控制，且在控制过程中，使用多级串联、每一级包含若干并联的扩张状态观测器的多层结构，根据电流和电压进行预测，对系统扰动进行估计。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、本发明以mpc在pmsg控制中难以对参数失配和测量噪声具有鲁棒性的问题为出发点，提出混合级联并联扩张状态观测器无模型预测控制方法，通过多个扩张状态观测器(eso)进行串并联，解决仅eso串联结构对参数失配鲁棒性较差的问题，在eso并联结构的基础上进行串联，并对系统扰动和观测值进行加权，具有更强的参数鲁棒性，可以更有效地平衡参数失配、干扰抑制和高频噪声抑制，具有良好的动态和稳态性能，对于风力发电系统在实际工况下的性能提升具有较大的应用意义。

20、本发明在不牺牲计算负担或效率的情况下，具有更好的参数和噪声鲁棒性。在定子电感、网侧电感参数失配的情况下具有优异的动态和稳态性能，可以有效衰减高频噪声，与mpc、mpc-eso相比性能得到提升。

21、本发明应用范围广泛，可推广至双馈异步风力发电系统、四象限电机驱动等场景。

22、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。