本发明涉及发电，具体涉及到一种基于机侧速度环、网侧电压环扰动估计补偿的发电系统球形译码多步预测控制方法。
背景技术：
1、随着工业化进程不断推进，环境污染、能源短缺问题也愈发突出。而电力是一种高效、清洁、无污染、管理单一的能源形式，故如何利用自然能高效发电，受到了各国的广泛关注。
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，风力发电系统的复杂特性使得精确建模变得困难，导致传统pid控制方法效果不佳。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、永磁直驱发电系统机侧控制采用的是速度环、电流环双闭环控制。而传统pid控制在永磁直驱发电系统机侧控制中存在一定的局限性，难以满足系统的控制要求。相比之下，有限集模型预测控制具有无需调制器、动态响应快、易于控制约束、非线性目标容易实现等优点。但是传统有限集模型预测控制已经远远满足不了工业快速发展所产生的现代工业要求，因为其计算量大，从而导致开关动作产生延迟，经过延时补偿后还将可能有较大的延迟。因此提出了球形译码算法对传统的有限集模型预测控制策略进行了优化，大大的降低了计算量大的问题，并且球形译码算法是对全局进行预测的算法使得控制精度得到了提升，因此为提高动态响应速度和预测精度，电流内环采用基于球形译码的多步模型预测电流控制，从而实现机侧变换器的控制。然而，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，因此为了提高机侧速度环的抗扰能力，采用广义扰动估计器的方法来补偿扰动，不仅可以补偿非匹配的常值扰动，还可以补偿非匹配扰动的时变扰动。在发电系统网侧控制中，通常与上述相同的双闭环控制策略。而并网逆变器作为风力发电系统能量转换的重要组成部分，其控制效果直接影响整个系统的稳定性和效率。因此，针对风力发电的特性，深入研究并网逆变器的控制策略对于提高风电系统的性能和稳定性具有重要意义。
4、为了提高永磁直驱发电系统并网逆变器直流侧电压的稳定性。这里设计一种广义扰动估计器的电压外环控制器，同时网侧电流内环采用多步功率预测控制，使上述系统的抗扰性能、动态响应得到提升。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，在机侧、网侧的外环均采用广义扰动估计器对扰动进行估计，并在控制器端进行补偿；在机侧内环采用基于球形译码的多步模型预测电流控制，网侧内环采用多步模型功率预测控制，从而解决技术问题。
2、为了解决上述技术问题本发明提供的技术方案为：
3、一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，包括以下步骤：
4、步骤1，采用最大功率点跟踪(mppt)，以此实现在不同风速条件下捕获功率的最大化，确定机侧速度环的给定转速值ω*；
5、步骤2，建立机侧永磁同步发电机数学模型；
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，机侧电流环预测模型确定，过程如下：
9、由于机侧使用的是两电平变换器，其中每个桥臂由两个二极管组成具有两种开关状态，总共得到8种开关状态，分别对应8个输出电压矢量ui(i＝0,...,7)；其中电压零矢量有两种情况产生，分别为三个桥臂的上桥臂全部闭合时或下桥臂全部闭合时对应的输出电压矢量u7、u0，故选用其中一个进行模型预测计算即可，但电压矢量u0和u7的最终选取应根据开关损耗最小的原则；
10、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：
11、
12、其中：ud,uq表示d-q坐标系下的定子电压d,q轴分量；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。
13、根据前向欧拉公式将上述电流方程式进行离散化处理得：
14、
15、其中，id(k),iq(k)表示当前时刻的d-q坐标系下的定子电流d,q轴分量；id(k+1)，iq(k+1)是d-q坐标系下一时刻的定子电流d,q轴分量；ud(k),uq(k)为上一时刻作用于系统的最优电压矢量在d-q坐标系下的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(k)表示当前时刻的电角速度；ts为采样周期。
16、由于系统控制时存在延时，因此需要对控制延时进行补偿，以此来提高计算得到的电机状态预测值的准确性，来保证电压矢量最优：
17、
18、基于延时补偿对下一时刻的电流状态进行预测：
19、
20、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；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(k+1)近似等于ωre(k)；ts为采样周期。
21、对上式经欧拉离散的电流方程进行整理变为矢量形式：
22、idq(k+1)＝aidq(k)+bpu(k)+c
23、其中，
24、其中，sa,sb,sc分别表示逆变器的三个桥臂上下两个开关的状态，udc表示直流母线电容两端电压。
25、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：
26、
27、
28、
29、从而，可以得到
30、i(k)＝didq(k)+eu(k)+f
31、其中
32、
33、步骤5，构建成本函数j1；
34、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：
35、
36、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。
37、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：
38、
39、其中，
40、对上述成本函数进行进一步的整理，得到成本函数j1形式如下：
41、j1＝u(k)thu(k)+2θ(k)tu(k)+θ(k)＝(u(k)+h-1θ(k))th(u(k)+h-1θ(k))+const(k)其中，h＝ete+λsts,θ(k)＝(-(i*(k)-didq(k)-f)te-λ(qu(k-1)ts)t，const(k)是与u(k)无关的常数，故该常数项与开关切换序列无关，此时可以将优化问题转化为：
42、
43、由于矩阵h为正定对称矩阵，可对式求解得到uunc(k)＝-h-1θ(k)，得到新的成本函数：
44、j1＝(u(k)-uunc(k))th(u(k)-uunc(k))
45、其中，uunc(k)为无约束条件下的最优解。
46、借助矩阵h为正定对称矩阵，可以得出它的逆矩阵也为正定矩阵；因此存在唯一的可逆下三角矩阵v，满足：
47、h-1＝vvt
48、令则将上述成本函数进行变形得到如下式：
49、
50、其中，v-1是下三角矩阵。
51、步骤6，选择最优电压矢量；
52、寻求最优开关序列uopt_1，通过将电流跟踪问题转换为以球心，在有限的控制集内寻找出距离球心最近的最优开关序列。
53、uopt_1＝argmin j1
54、步骤7，构建状态空间模型；
55、在电机的实际调速过程中，转速外环的稳态性能会受到外部扰动和模型参数的不确定影响，机械运动方程为：
56、
57、其中，j表示转子转动惯量；tm表示驱动力矩；b表示摩擦系数；ω表示机械角速度；te表示电磁转矩，且满足
58、由于模型参数的不确定和外部扰动的影响，引入变量dωl，将上述机械运动方程变成该形式：
59、
60、其中，表示机侧集总扰动；bω0是bω的估计值；表示扰动补偿后的机侧控制器端控制量；ω表示机械角速度。
61、令x1＝ω为新的状态变量，则新的状态空间模型表示为：
62、
63、其中，bω0是bω的估计值；表示扰动补偿后的机侧控制器端控制量。
64、步骤8，设计广义扰动估计器；
65、使用luenberger状态观测器以及广义扰动估计器来估计系统状态信息和集总扰动信息，luenberger状态观测器的表示形式为：
66、
67、其中，表示ω的估计值；bω0是bω的估计值；表示扰动补偿后的机侧控制器端控制量；l1为luenberger观测器增益；为广义扰动估计器估计出的集总扰动。根据内模原理，对提高系统的控制精度可以将扰动信息包含在控制器内来设计，因此提出了广义扰动估计器，根据扰动已知信息对内模函数f(s)进行设计，其形式如下：
68、f(s)＝fω(s)+fp(s)
69、
70、
71、其中，l＝[l1ω1 l2ω1 … l1ωn l2ωn l1 … ln+1]为扰动估计器增益，fω(s)和fp(s)分别为针对正弦扰动和多源扰动的内模函数。基于内模原理，设计上述广义扰动估计器，可以将扰动估计出来，该控制方法对非匹配扰动和匹配扰动都能进行有效的处理，并且知道的扰动的信息越多，通过内模原理设计的广义扰动估计器估计精度越高。广义扰动估计器形式如下：
72、
73、其中，为扰动估计值的拉普拉斯变换，y(s)和分别为实际输出和观测输出的拉普拉斯变换。
74、步骤9，设计复合控制律；
75、在控制器输出端对系统所受的扰动进行补偿，得到最终的控制律，其过程为：
76、只要选择好合适的增益参数l1和扰动估计器增益l，通过luenberger观测器可以实时估计出转速的估计值和广义扰动估计器估计出扰动定义误差变量e：
77、
78、得到控制器输出量，形式如下所示：
79、
80、对系统进行扰动补偿，得到最终的控制律：
81、
82、其中，ω*为ω的参考值；是ω的估计值；u0是机侧控制器输出；是扰动补偿后的机侧控制器端控制量；kp为外环控制器增益；为广义扰动估计器估计的扰动；kd为扰动补偿增益。
83、步骤10，建立直流环节数学模型；
84、由基尔霍夫电流定律得：
85、
86、其中，c表示直流滤波电容；udc表示直流母线电容两端电压；il表示由机侧传递过来的电流；ig表示传递到网侧的电流。
87、步骤11，建立网侧数学模型；
88、永磁直驱风力发电系统并网逆变器在d-q旋转坐标系下的数学模型表示为：
89、
90、其中，ud,uq表示d-q坐标系下的逆变器输出电压d,q轴分量；ed,eq表示电网电压在d-q坐标系下的电压d,q轴分量；id,iq表示逆变器输出电流在d-q坐标系下的d,q轴分量；l表示网侧滤波电感；r表示输出端等效电阻；ωg表示电网角频率。
91、步骤12，对网侧电流、电压采样和clark-park变换；
92、首先对a-b-c坐标系下的电网电压、逆变器输出电流和电压进行clark变换，将其转换为α-β坐标系。接着对其进行park变换，将这些量转换为d-q坐标系下的直流量。
93、步骤13，建立网侧电流内环预测模型；
94、网侧逆变器数学模型：
95、
96、其中，ud,uq表示d-q坐标系下的逆变器输出电压d,q轴分量；ed,eq表示电网电压在d-q坐标系下的电压d,q轴分量；id,iq表示逆变器输出电流在d-q坐标系下的d,q轴分量；l表示网侧滤波电感；r表示输出端等效电阻；ωg表示电网角频率。
97、在对网侧逆变器的控制中，通常将电网电压矢量定向于d轴，则
98、
99、其中，em表示定向于d轴的电网电压。
100、则可以得到基于电网电压矢量定向的网侧逆变器数学模型：
101、
102、其中，ud,uq表示d-q坐标系下的逆变器输出电压d,q轴分量；ed表示电网电压的d轴电压d,q轴分量；id,iq表示逆变器输出电流在d-q坐标系下的d,q轴分量；l表示网侧滤波电感；r表示输出端等效电阻；ωg表示电网角频率。
103、根据电网电压定向控制和瞬时功率原理，可以将网侧逆变器的有功功率p与无功功率q表示为：
104、
105、其中，ed,eq,id,iq分别为电网电压和电流在d,q轴上的分量。
106、由于网侧内环采用的是多步功率模型预测控制，故需对上述功率计算公式进行离散化处理。
107、在kts时刻可以得到：
108、
109、其中，ed(k),eq(k),id(k),iq(k)分别为电网电压和电流在当前时刻的d,q轴分量；p(k),q(k)表示当前时刻的有功功率和无功功率。
110、在(k+1)ts时刻可以得到：
111、
112、其中，ed(k+1),eq(k+1),id(k+1),iq(k+1)分别为电网电压和电流下一时刻预测值的d,q轴分量；p(k+1),q(k+1)分别表示k+1时刻的有功功率和无功功率预测值。
113、当采样时间ts小于时，可以认为ed(k+1)＝ed(k)，eq(k+1)＝eq(k)，则
114、
115、故
116、
117、根据前向欧拉公式将上述电流方程式进行离散化处理得：
118、
119、其中，id(k),iq(k)表示当前时刻d-q坐标系下逆变器输出电流d,q轴分量；id(k+1),iq(k+1)为下一时刻的d-q坐标系下逆变器输出电流d,q轴分量；ud(k),uq(k)表示8种开关状态对应的d-q坐标系下逆变器输出电压d,q轴分量；ed(k)表示当前时刻电网电压的d轴电压分量；l表示网侧滤波电感；r表示输出端等效电阻；ωg表示电网角频率。
120、对上式整理得到多步功率预测模型：
121、
122、其中，ud(k),uq(k)表示8种开关状态对应的d-q坐标系下逆变器输出电压d,q轴分量。
123、步骤14，构建成本函数j2；
124、网侧的控制目标是功率跟踪准确以及直流侧电压平衡，故成本函数j2可以设计为：
125、
126、其中，p*，q*表示电网侧的有功功率和无功功率的参考值；p(k+1),q(k+1)分别为k+1时刻的有功功率和无功功率预测值。
127、步骤15，选择最优电压矢量；
128、通过枚举的方式分别计算出各个电压矢量下的预测值输出，将其带入构建的成本函数j2中，从中选择使成本函数数值最小的电压矢量uopt_2；
129、
130、其中，p*，q*表示电网侧的有功功率和无功功率的参考值；p(k+1),q(k+1)分别为k+1时刻的有功功率和无功功率预测值：
131、寻求最优开关序列uopt_2，在有限的控制集内寻找出最优开关序列。
132、uopt_2＝argmin j2
133、步骤16，构建新的状态空间模型；
134、由基尔霍夫电流定律可得：
135、
136、其中，c表示直流滤波电容；udc表示直流母线电容两端电压；il表示由机侧传递过来的电流；ig表示传递到网侧的电流。
137、网侧的功率可以表示为：
138、p＝udcig
139、可以得到以下等式：
140、
141、在d-q坐标系中，网侧变流器对于电网的有功功率p和无功功率q分别为
142、
143、故
144、
145、对上式进行整理可以得到：
146、
147、其中，表示网侧集总扰动；bu0是bu的估计值；表示扰动补偿后的网侧控制器端控制量；udc表示直流母线电容两端电压。
148、选择x3＝udc为新的状态变量，则其状态空间形式为：
149、
150、其中，bu0是bu的估计值；表示扰动补偿后的网侧控制器端控制量。
151、步骤17，设计广义扰动估计器；
152、将集总扰动扩张为一个新的状态变量后，利用luenberger状态观测器以及广义扰动估计器来估计系统状态信息和集总扰动信息，luenberger观测器的表示形式为：
153、
154、其中，bω0是bω的估计值；表示udc的估计值；表示dul的估计值；表示扰动补偿后的网侧控制器端控制量；l3为观测器增益；为广义扰动估计器估计出的集总扰动。根据内模原理，对提高系统的控制精度可以将扰动信息包含在控制器内来设计，因此提出了广义扰动估计器，根据扰动已知信息对内模函数f(s)进行设计，其形式如下：
155、f(s)＝fω(s)+fp(s)
156、
157、
158、其中，l＝[l1ω1 l2ω1 … l1ωn l2ωn l1 … ln+1]为扰动估计器增益，fω(s)和fp(s)分别为针对正弦扰动和多源扰动的内模函数。基于内模原理，设计上述广义扰动估计器，可以将扰动估计出来，该控制方法对非匹配扰动和匹配扰动都能进行有效的处理，并且知道的扰动的信息越多，通过内模原理设计的广义扰动估计器估计精度越高。广义扰动估计器形式如下：
159、
160、其中，为扰动估计值的拉普拉斯变换，y(s)和分别为实际输出和观测输出的拉普拉斯变换。
161、步骤18，设计控制律；
162、
163、其中，表示udc的估计值；表示直流侧母线电压参考值；u1表示网侧控制器输出,是扰动补偿后的网侧控制器端控制量；kp2为控制器增益；bω0为bω的估计值；为广义扰动估计器估计的扰动；kd为扰动补偿增益。
164、本发明的有益效果为：
165、本发明对于两电平发电系统的外环采用luenberger状态观测器和广义扰动估计器进行状态和扰动估计并且在控制器端进行增益补偿，可以很好的抑制扰动带来的负面影响，并将提高外环的动态响应性能，电流环采用多步球形译码模型电流预测控制来代替传统的pi控制器，其无需调制器的优点，使得两电平发电系统的动态响应速度提高，并相比于传统的fcs-mpc大大降低了计算量。
166、本发明对传统的有限集模型预测控制策略进行了优化，大大的降低了计算量大的问题并有效地增强了系统的抗扰性能。
1.一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于，所述步骤10具体如下，由基尔霍夫电流定律得：
3.如权利要求1所示的一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤11具体如下，发电系统并网逆变器在d-q坐标系下的数学模型表示为：
4.如权利要求1所示的一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤13具体如下，为实现单位功率因数并网，在对网侧逆变器的控制中，将电网电压矢量定向于d轴，则
5.如权利要求1所示的一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤14具体如下，构建出一个成本函数，成本函数j2形式如下：
6.如权利要求5所示的一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤15具体如下，依次计算出不同电压矢量下的预测值输出，并将其带入到构建出的成本函数矢量j2中，从中选择出使得成本函数值最小的最优电压矢量uopt_2；
7.如权利要求1所示的一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤16中，引入状态变量，构建新的状态空间模型；
8.如权利要求1所示的一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤17具体如下，将集总扰动扩张为一个新的状态变量后，借助luenberger状态观测器以及广义扰动估计器来估计系统状态信息和集总扰动信息，luenberger状态观测器的表示形式为：
9.如权利要求1所示的一种基于广义扰动估计的发电系统球形译码多步预测控制方法，其特征在于：所述步骤18中，网侧电压环控制律设计如下所示：
