阅读说明：本技术 一种基于ann自适应滤波的风剪切3倍频纹波抑制方法 (Wind shear 3 frequency multiplication ripple suppression method based on ANN adaptive filtering ) 是由 李志勇 文武斌 王欣 陈有根 于 2021-01-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于ANN自适应滤波的风剪切3倍频纹波抑制方法,将ANN自适应滤波器嵌入转速双闭环控制系统中,并以外环风轮转速参考值为锁相信号,以转子电流指令信号为学习对象；ANN自适应滤波器中神经元输出和学习对象的误差信号不断调节权值,在满足最小均方差情况下得到内环的转子电流指令信号直流量逼近值,即转子恒电流指令；该指令信号结合PID控制器控制实际转子电流经反馈通道跟踪指令信号,3倍频纹波得到抑制。其应用于风剪切效应下的双馈风机控制系统,由于转子电流与电磁转矩及定子功率间的强耦合关系,在抑制转子电流3倍频纹波的同时能够实现恒电磁转矩控制和定子恒功率控制,避免离心转矩损害机械部件和3倍频电能功率波动涌入电网。(The invention discloses a wind shear 3 frequency multiplication ripple wave suppression method based on ANN adaptive filtering, wherein an ANN adaptive filter is embedded into a rotating speed double closed-loop control system, an outer-loop wind wheel rotating speed reference value is used as a phase-locked signal, and a rotor current instruction signal is used as a learning object; continuously adjusting weights of error signals output by neurons and a learning object in the ANN adaptive filter, and obtaining a direct current value approximation value of a rotor current instruction signal of an inner ring under the condition of meeting the minimum mean square error, namely a rotor constant current instruction; the instruction signal is combined with a PID controller to control the actual rotor current to track the instruction signal through a feedback channel, and 3 frequency multiplication ripples are suppressed. The double-fed fan control system is applied to a double-fed fan control system under the wind shear effect, and due to the strong coupling relation among rotor current, electromagnetic torque and stator power, constant electromagnetic torque control and stator constant power control can be realized while rotor current 3 frequency multiplication ripples are restrained, and the damage of mechanical parts by centrifugal torque and the surge of 3 frequency multiplication electric energy power to a power grid are avoided.)

一种基于ANN自适应滤波的风剪切3倍频纹波抑制方法

技术领域

本发明涉及倍频纹波抑制方法，尤其是由风剪切效应引起的3倍频纹波的基于ANN自适应滤波的纹波抑制方法。

背景技术

对纹波进行实时准确的检测是抑制纹波的一个关键技术问题。目前，通常采用基于“瞬时无功功率理论”的纹波电流检测方法，但是这种方法计算复杂，精度不高，实时性和自适应能力较差。因此，有必要借助其他理论或途径寻找新的纹波检测方法。人工神经网络(ANN)具有良好的自学习和自适应能力，利用人工神经网络的拓扑结构和算法，提出一种基于ANN的纹波电流检测方法，能够对对特定次纹波进行实时准确的动态检测，保证纹波抑制效果。

选用ANN实现自适应滤波器的主要原因在于，锁相信号经过PLL电路得到sinωt、cosωt，再倍频得到3次正弦和余弦信号，作为参考信号；人工神经网络的净输入又可以由它们线性组合而成，映射关系比较简单，再考虑到自适应滤波器的易于实现性和纹波电流检测的实时性要求，自适应滤波器的结构应该尽量简单，单个神经元结构简单，而且具有一定的映射和自适应学习能力，所以选用单个神经元作为自适应滤波器。

根据ANN理论，经过若干次迭代学习之后，权值会逼近最优值，此时误差均方趋向于最小值，意味着在最小均方误差意义下，ANN自适应滤波器输出最佳逼近需要检测的电流信号，滤掉了其他电流分量。

发明内容

针对双馈风机中存在风剪切3倍频纹波的问题，本发明提供了一种基于ANN自适应滤波的3倍频纹波抑制方法，其应用对象是风剪切效应下的双馈风机控制系统,由于转子电流与电磁转矩及定子功率间的强耦合关系，在抑制转子电流3倍频纹波的同时能够实现恒电磁转矩控制和定子恒功率控制，避免离心转矩损害机械部件和3倍频电能功率波动涌入电网。

为实现上述目的，本发明提供一种基于ANN自适应滤波的风剪切3倍频纹波抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，对风力发电机组转速双闭环控制系统中的风轮转速参考值和转子电流指令信号进行采集，并将采集结果分别作为ANN自适应滤波器的锁相信号和学习对象；

步骤2，ANN自适应滤波器的神经元输出和学习对象的误差信号不断调节神经元的权值；

步骤3，在满足最小方差情况下得到电流内环的转子恒电流指令信号；

步骤4，转子恒电流指令信号取代原转子电流指令信号，参与内环转子电流控制；

步骤5，转子恒电流指令信号结合PID控制器控制实际转子电流经反馈通道跟踪指令信号，转子电流纹波从而得到抑制。

进一步优选的，步骤1中，ANN自适应滤波器将风轮转速参考值当作锁相倍频信号，生成参考信号；将转子电流指令信号当作学习对象；ANN自适应滤波器的信号输入及生成的具体过程为：

步骤1.1，

设定风轮转速参考值，即ANN滤波器锁相信号为ω，ANN自适应滤波器学习对象为i_rref，滤波器输出为

设定学习对象其中是纹波分量，是直流分量；设定神经元函数：f(x)＝x，输出为其中是学习得到的纹波分量，是学习得到的直流分量；设定误差信号为

步骤1.2，锁相倍频

ω锁相倍频后经三角函数得到sin3ωt、cos3ωt信号，即参考信号；

步骤1.3，

设定其中w_s、w_c、w₁为各分量的神经元权值；

进一步优选的，步骤2中，ANN自适应滤波器的输出和学习对象作差得到误差信号，误差信号参与学习规则来调节神经元各权值，在最小均方误差情况下，权值调节到最优；ANN自适应滤波器的神经元权值调节具体过程为：

步骤2.1，

设定权值学习率η＝[η_s η_c η₁]，其中η_s、η_c、η₁分别为调节各权值过程中的学习率；

设定阻尼系数ξ＝[ξ_s ξ_c ξ₁]，其中ξ_s、ξ_c、ξ₁分别为调节各权值过程中的阻尼系数；

设定正交分解分量T＝[sin3ωt cos3ωt 1]'，

设定权值w＝[w_s w_c w₁]；

步骤2.2，

神经元各权值的学习根据方差规则采用最小均方算法，用e(t)来调节权值w；

设定神经元权值调节的公式为：w(t+1)＝w(t)+e(t)η*T+ξ(w(t)-w(t-1))

设定调节权值的方差规则为：

进一步优选的，步骤3中，最小方差情况是指E[e(t)²]动态逼近于0，此时神经元的权值逼近于最优值，神经元的输出逼近于学习对象，神经元输出中的转子恒电流指令信号作为ANN自适应滤波器的输出。

进一步优选的，步骤4，5中，由ANN自适应滤波器输出的转子恒电流指令取代了转速双闭环控制系统中的原内环电流指令来参与内环转子电流的控制；在PID控制器的控制下，实际转子电流跟踪转子恒电流指令信号形成闭环，从而实际转子电流中的3倍频纹波得到抑制。

本发明公开了一种基于ANN自适应滤波的风剪切3倍频纹波抑制方法，将ANN自适应滤波器嵌入转速双闭环控制系统中，并以转速外环中风轮转速参考值为锁相信号，以转子电流指令信号为学习对象；ANN自适应滤波器中神经元的输出和学习对象的误差信号不断调节神经元的权值，在满足最小均方差情况下得到电流内环的转子电流指令信号直流量逼近值，即电流内环的转子恒电流指令；转子恒电流指令信号结合PID控制器控制实际转子电流经反馈通道跟踪指令信号，3倍频纹波得到抑制。其应用对象是风剪切效应下的双馈风机控制系统,由于转子电流与电磁转矩及定子功率间的强耦合关系，在抑制转子电流3倍频纹波的同时能够实现恒电磁转矩控制和定子恒功率控制，避免离心转矩损害机械部件和3倍频电能功率波动涌入电网。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于ANN自适应滤波器的3倍频纹波抑制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中ANN自适应滤波器的结构示意图

图3为本发明实施例中采用本发明方法的转速双闭环控制系统结构框图

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-3所示的一种基于ANN自适应滤波的风剪切3倍频纹波抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，对风力发电机组转速双闭环控制系统中的风轮转速参考值和转子电流指令信号进行采集，并将采集结果分别作为ANN自适应滤波器的锁相信号和学习对象；

步骤2，ANN自适应滤波器神经元输出和学习对象的误差信号不断调节神经元的权值；

步骤3，在满足最小方差情况下自适应滤波器输出电流内环的转子恒电流指令信号；

步骤4，转子恒电流指令信号取代原转子电流指令信号，参与内环转子电流控制；

步骤5，转子恒电流指令信号结合PID控制器控制实际转子电流经负反馈通道跟踪指令信号，转子电流纹波得到抑制。

步骤1中，对风力发电机组转速双闭环控制系统中的风轮转速参考值和转子电流指令信号进行采集，并将采集结果分别作为ANN自适应滤波器的锁相信号和学习对象；风轮转速参考值可由风力发电机组自带的MPPT控制系统得出，不需要额外的传感器设备；转速双闭环控制系统中的转子电流指令信号需要增加传感器进行采集；设定风轮转速参考值，即ANN滤波器锁相信号为ω，转子电流指令信号为ANN自适应滤波器学习对象i_rref，因为转子电流指令信号中含有3倍频纹波，所以令其中是纹波分量，是直流分量；

风轮转速参考值ω作为锁相信号锁相倍频后经三角函数得到sin3ωt、cos3ωt信号，作为ANN自适应滤波器的参考信号；

令作为神经元的输入，其中w_s、w_c、w₁为各分量的神经元权值。

设定神经元函数f(x)＝x，则神经元的输出所以，经过学习得到的神经元输出中也含有3倍频纹波分量，令其中是学习得到的纹波分量，是学习得到的直流分量且为ANN自适应滤波器的输出；此时，误差信号可以表示为

步骤2中，神经元权值的调节需要误差信号e(t)参与，还需要设置学习率，令权值学习率η＝[η_s η_c η₁]，其中η_s、η_c、η₁分别为调节各权值过程中的学习率，且各学习率的取值区间为(0,1]，学习率过大会导致调节过程不收敛，学习率过小会导致学习过程过慢；此外还需要设定阻尼系数项，来动态增加学习效率，设定阻尼系数ξ＝[ξ_s ξ_c ξ₁]，其中ξ_s、ξ_c、ξ₁分别为调节各权值过程中的阻尼系数，且各阻尼系数的取值区间为(0,1]；令权值w＝[w_s w_cw₁]，正交分解分量T＝[sin3ωt cos3ωt 1]'，则结合正余弦信号神经元各权值的调节或者学习公式为：w(t+1)＝w(t)+e(t)η*T+ξ(w(t)-w(t-1))；神经元的权值调节的还要遵守规则保证学习过程中误差e(t)绝对值不断变小。

在步骤3中，最小均方误差是指E[e(t)²]逼近于0，此时神经元的输出逼近于学习对象i_rref，即各权值调节达到最优，ANN自适应滤波器的输出也逼近于学习对象中的纹波分量这表示，如图2所示，ANN自适应滤波器输入的学习对象含直流分量和纹波分量的信号，输出的是只含直流量的信号，完成了滤波，即滤掉纹波分量的目的。

步骤4，5中，如图3所示，原转子电流指令信号i_rref经过自适应滤波器滤除3倍频纹波后生成的新的电流指令，即转子恒电流指令信号结合PID控制器来参与对内环转子电流的控制，通过负反馈通道，实际的转子电流不断跟踪转子恒电流指令信号所以实际转子电流中也只含直流量，完成了对转子电流3倍频纹波的抑制。由于转子电流与电磁转矩及定子功率间的强耦合关系，在抑制转子电流3倍频纹波的同时能够实现恒电磁转矩控制和定子恒功率控制，避免离心转矩损害机械部件和3倍频电能功率波动涌入电网。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。