專利名稱：雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基于能量的機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機側(cè) 網(wǎng)側(cè)變換器，以基于能量的觀點，實現(xiàn)機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制的非線性算法。
背景技術(shù)：
目前，隨著并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組大型化的發(fā)展，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其勵磁 變頻器所需容量小、調(diào)速范圍大、有功無功功率獨立調(diào)節(jié)等特點成為大型機的主流。同時， 作為一種典型的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機側(cè)控制目標(biāo)隨風(fēng)速變化而 變化。即，額定風(fēng)速以下，要求保持最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；額定風(fēng)速附近，實現(xiàn) 恒轉(zhuǎn)速運行；額定風(fēng)速以上，采用機械變槳矩控制保證輸出功率平穩(wěn)；網(wǎng)側(cè)控制目標(biāo)為控 制直流電壓恒定以及實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。由于大多數(shù)控制方法(A. D. Hansen, P. Sorensen, and F. Lov, et al. Control of variable speedwind turbines with doubly-fed induction generators. Wind Engineering,2004,28(4) 411-433 ；S.H. Li, T.A.Haskew, and J.Jackson. Integrated power characteristic study of DFIG and its frequencyconverter in wind power generation. Renewable Energy, 2010, 35 :42_51 ；0.Soares,H. Goncalves,and A. Martins, et al.Nonlinear control of the doubly-fed induction generator in wind powersystems. Renewable Energy (in press))對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中背靠背變換器 采用機側(cè)和網(wǎng)側(cè)部分獨立控制，來分別完成機網(wǎng)側(cè)各自控制目的，但簡單地將兩側(cè)變換器 視為完全獨立的個體，實質(zhì)上割裂了整流和逆變過程的物理聯(lián)系。兩部分不能做到協(xié)調(diào)配 合，則會造成機側(cè)與網(wǎng)側(cè)瞬時能量存在較大的差值，引起直流電壓出現(xiàn)較大波動，因此，必 須提高電容容量來穩(wěn)定電壓。而大電容必將使系統(tǒng)成本提高，重量體積增大，故障率增加， 特別是在兆瓦級風(fēng)電系統(tǒng)上體現(xiàn)尤為明顯。機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制則能夠充分利用整流與逆變部 分的關(guān)聯(lián)信息，降低電壓波動。采用負(fù)載電流前饋聯(lián)合控制方法(L. Malesani,L. Rossetto, and P.Tenti, at al. AC/DC/AC PWM converter with reduce energy storage in the DC link. IEEE Transactions onlndustry Application，1995，31 (2) :287_292.)，其優(yōu)點在 于原理簡單，但是其前饋補償項僅包含兩部分相互影響的靜態(tài)信息，而不包含動態(tài)信息，因 此聯(lián)合控制效果有待進(jìn)一步提高。采用反饋線性化方法進(jìn)行聯(lián)合控制(J. Jung，S. K. Lim, and K. Nam. A feedback linearizing controlscheme for a PWM converter-inverter having a very small DC-link capacitor. IEEE Transaction onlndustry Application， 1999,35(5) :1124-1131.)，該方法有效利用兩側(cè)動靜態(tài)信息，控制性能得到較大改善，但此 方法對系統(tǒng)模型精度要求高，魯棒性差。采用功率平衡聯(lián)合控制方法(N.Hur，J. Jung, and K. Nam. A fast dynamic DC-link power-balancing scheme for a PWMconverter-inverter system. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2001,48 (4) :794_803.)，使網(wǎng)側(cè) 部分嚴(yán)格匹配機側(cè)部分從而實現(xiàn)兩側(cè)功率平衡，但其控制過程需要計算變換器部分傳遞函 數(shù)，還需另外引入控制輸入量控制兩側(cè)功率相對變化，并不適合風(fēng)電系統(tǒng)非線性強、隨機擾動多、系統(tǒng)參數(shù)不確定的特點。針對現(xiàn)有算法在雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制應(yīng)用中普遍采用機側(cè)網(wǎng)側(cè)獨立控制， 割斷兩者之間物理聯(lián)系，從而使兩部分的瞬時能量存在較大差值，而不得不采用大電容避 免直流電壓波動，導(dǎo)致系統(tǒng)成本提高、體積重量增大、故障率升高的問題，本發(fā)明提出一種 基于能量觀點的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機機側(cè)網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制的非線性算法。該方法物理意義清 晰，算法的非線性魯棒特點更適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，狀態(tài)反饋過程充分利用了機側(cè)與網(wǎng)側(cè) 動靜態(tài)信息，既能夠快速實現(xiàn)機側(cè)網(wǎng)側(cè)各自控制目的，又使直流電壓波動得到了顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實質(zhì)是一個將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的能量變換裝 置，以一種全新的能量成型觀點研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，將風(fēng)電機組和控制器看作多端口的能 量變換裝置，利用端口交互能量來確定控制行為，從而實現(xiàn)系統(tǒng)能量快速平衡在期望狀態(tài)。 此算法物理意義清晰，具有魯棒性，并增強了機側(cè)網(wǎng)側(cè)整流逆變過程間的協(xié)調(diào)與配合，有效 降低了電容容量，同時能夠較好地實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)中機側(cè)網(wǎng)側(cè)各自的控制目標(biāo)。本算法發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的首先將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)能量流動過程 劃分為多個子系統(tǒng)；然后對各個子系統(tǒng)進(jìn)行端口受控哈密頓建模，其中包括確定各子系統(tǒng) 端口變量與設(shè)計各子系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)接結(jié)構(gòu)、耗散阻尼結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)與外部的交互結(jié)構(gòu)；檢驗該 模型是否符合風(fēng)電系統(tǒng)能量變換的物理特性；根據(jù)設(shè)計好的模型計算整個系統(tǒng)能量函數(shù)， 并由不同風(fēng)速下的控制目的分別設(shè)定系統(tǒng)期望平衡點；由系統(tǒng)在平衡點處的期望能量與系 統(tǒng)當(dāng)前能量的偏差來確定控制能量，列能量匹配方程，求解控制變量表達(dá)式，得到基于能量 的控制器；最后驗證系統(tǒng)在該控制下是否能收斂到期望的平衡點，完成效果確認(rèn)。本發(fā)明有以下有益效果1、本發(fā)明以基于能量的觀點，將系統(tǒng)的物理屬性(能量 守恒性、無源性等)作為研究對象，對風(fēng)電系統(tǒng)存在擾動輸入、系統(tǒng)參數(shù)不確定的情況具有 良好的魯棒性能。2、本發(fā)明采用的端口受控哈密頓建模方法，封裝了子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只 需通過控制系統(tǒng)端口變量，注入控制能量，使系統(tǒng)總能量穩(wěn)定在期望平衡點處?？刂品椒ㄎ?理意義明確，結(jié)構(gòu)簡單，收斂速度快。3、算法實現(xiàn)了機側(cè)網(wǎng)側(cè)變換器的聯(lián)合控制，使背靠背 變換器的整流部分與逆變部分可以充分利用相互的信息，提高直流母線電壓的動態(tài)控制性 能，并因此大大減少了對變換器中電容容量的要求，節(jié)約系統(tǒng)成本。4、本發(fā)明控制器不是只 關(guān)注一個或幾個變量反饋閉環(huán)動態(tài)特性而是能夠確保系統(tǒng)全局穩(wěn)定性，使整個風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)可靠性和壽命大大提高。


圖1為本發(fā)明對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的子系統(tǒng)劃分示意圖。圖2為本發(fā)明對劃分的四個子系統(tǒng)的輸入輸出端口變量設(shè)計圖。其中，圖2(201) 為機械子系統(tǒng)的端口變量示意圖，圖2(202)為電磁子系統(tǒng)端口變量示意圖，圖2(203)為直 流子系統(tǒng)端口變量示意圖，圖2(204)為網(wǎng)側(cè)電磁子系統(tǒng)端口變量示意圖，圖2(205)為四個 子系統(tǒng)通過端口變量進(jìn)行反饋互聯(lián)，構(gòu)成整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖3為本發(fā)明實現(xiàn)機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制過程的結(jié)構(gòu)框圖。圖4為該算法應(yīng)用于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺，在無擾動階躍風(fēng)速下，經(jīng)歷亞同步、同步、超同步三種工作狀態(tài)時，聯(lián)合控制的效果圖。其中，圖4(401)為無擾動階 躍風(fēng)速曲線，圖4(402)為電機轉(zhuǎn)差率曲線，圖4(403)為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率曲線，圖4(404)為直 流電壓變化曲線，圖4(405)為電機定子側(cè)有功無功功率曲線，圖4(406)為電機三相轉(zhuǎn)子電 流變化曲線，圖4(407)為風(fēng)電系統(tǒng)中變換器機側(cè)與網(wǎng)側(cè)功率曲線。圖5為該算法應(yīng)用于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺，在隨機擾動階躍風(fēng)速下， 經(jīng)歷亞同步、同步、超同步三種工作狀態(tài)時，聯(lián)合控制的效果圖。其中，圖5(501)為帶有隨 機擾動的階躍風(fēng)速曲線，圖5(502)為電機轉(zhuǎn)差率曲線，圖5(503)為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率曲線，圖 5(504)為直流電壓變化曲線，圖5 (505)為電機定子側(cè)有功無功功率曲線，圖5 (506)為電機 三相轉(zhuǎn)子電流變化曲線，并在右側(cè)附細(xì)節(jié)放大圖，圖5(507)為風(fēng)電系統(tǒng)中變換器機側(cè)與網(wǎng) 側(cè)功率曲線。
具體實施例方式為了更好地了解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步 描述。第一步，將整個雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)能量流動分成為四個子系統(tǒng)機械子 系統(tǒng)(E m)、電磁子系統(tǒng)(E e)、直流子系統(tǒng)(E d。)、網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)(E g)，如圖1所示。封裝 子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(其中包括確定各子系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)接結(jié)構(gòu)矩陣、耗散阻尼結(jié)構(gòu)矩陣、子系 統(tǒng)與外部的交互結(jié)構(gòu)矩陣)。然后，設(shè)計各個子系統(tǒng)的端口變量，使子系統(tǒng)相對應(yīng)的輸入與 輸出端口變量的內(nèi)積為單位時間的子系統(tǒng)與外界的交互能量。如圖2(201)中，機械子系統(tǒng) 的輸入端口變量為電磁轉(zhuǎn)矩(TJ與機械轉(zhuǎn)矩OY)的矢量和，輸出端口變量為(《m)，其兩者 內(nèi)積為機械功率。圖2(202)中，電磁子系統(tǒng)中對應(yīng)電壓輸入端口的輸出端口變量為電流， 兩者內(nèi)積為電功率。圖2(203)、(204)中設(shè)計原則相同。最后，遵循能量流動過程，構(gòu)建出 子系統(tǒng)之間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2(205)所示，子系統(tǒng)間滿足反饋互聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而完成整個系 統(tǒng)端口受控哈密頓建模過程。第二步，計算系統(tǒng)總的能量函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)在額定風(fēng)速以下系統(tǒng)轉(zhuǎn)速期望實現(xiàn)最 佳葉尖速比，額定風(fēng)速附近系統(tǒng)期望轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速的不同控制目標(biāo)分別設(shè)定系統(tǒng)期 望轉(zhuǎn)速值。由于系統(tǒng)在平衡點處能量具有最小值，保持穩(wěn)定不再變化，所以總的能量函數(shù)在 平衡點處時導(dǎo)數(shù)為零，因此可解出系統(tǒng)運行在期望轉(zhuǎn)速時，其它狀態(tài)變量的期望值，以此得 到系統(tǒng)所有狀態(tài)變量 期望值，完成系統(tǒng)平衡點設(shè)定。第三步，求解系統(tǒng)平衡點處能量函數(shù)值，并用當(dāng)前總的能量函數(shù)值減去平衡點處 的能量函數(shù)值，即可得到當(dāng)前系統(tǒng)達(dá)到平衡點時所需的控制能量。根據(jù)系統(tǒng)是期望達(dá)到平 衡點狀態(tài)，所以系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)變量表達(dá)式應(yīng)等于系統(tǒng)在期望點時的狀態(tài)變量表達(dá)式，即列 能量匹配方程，并將控制能量帶入能量匹配方程，可求出控制變量表達(dá)式，得到整個系統(tǒng)基 于能量的機側(cè)網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制策略。該非線性控制器的控制閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中 Vsd，Vsq為定子側(cè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d，q軸電壓，V' gd，V' gq為網(wǎng)側(cè)變換器所接d，q軸電壓，系 統(tǒng)在額定風(fēng)速以下時，通過保持最佳葉尖速比實現(xiàn)最大功率追蹤，可得到對應(yīng)風(fēng)速下的期 望轉(zhuǎn)速《_；，額定風(fēng)速附近時，期望轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。通過系統(tǒng)平衡點計算，和基于能量的 控制器，最終同時得到背靠背變換器機側(cè)開關(guān)函數(shù)smd，s胃和網(wǎng)側(cè)的開關(guān)函數(shù)sgd，sgq。在Matlab/Simul ink仿真環(huán)境中，搭建2麗雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺，按照以上步驟得到基于能量的聯(lián)合控制策略下背靠背變換器機側(cè)和網(wǎng)側(cè)開關(guān)函數(shù)，并將該開關(guān) 函數(shù)在仿真平臺上進(jìn)行驗證。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)注入 無擾動的階躍風(fēng)，風(fēng)速為圖4(401)中所示，前20秒10. 2m/s，中間20秒為10. 226m/s，后20 秒為10.3m/s。圖4(402)電機的轉(zhuǎn)差率s顯示，在該風(fēng)速下，風(fēng)機運行在同步工作狀態(tài)附 近，即前20秒，s大于零，為亞同步工作狀態(tài)，中間20秒，s等于0，為同步工作狀態(tài)，后20 秒，s小于零，風(fēng)機工作在超同步狀態(tài)。在這種情況下轉(zhuǎn)子功率由從網(wǎng)側(cè)向機側(cè)流動轉(zhuǎn)變?yōu)?由機側(cè)向網(wǎng)側(cè)流動，此時若是傳統(tǒng)的機網(wǎng)側(cè)獨立控制，電容電壓穩(wěn)定性最差，機網(wǎng)側(cè)瞬時能 量會有較大差值。然而應(yīng)用基于能量的聯(lián)合控制，機側(cè)控制效果如圖4 (403)，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 依然保持最大值0. 44，網(wǎng)側(cè)控制效果如圖4(404)，直流電壓基本保持恒定在1200V。電機定 子側(cè)有功功率隨風(fēng)速變化，無功功率保持在零附近，如圖4 (405)，因此，單位功率因數(shù)得到 保證，機網(wǎng)側(cè)控制效果非常理想。圖4(406)顯示了轉(zhuǎn)子電流在這個過程的變化狀況，特別 是在風(fēng)機同步運行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子電流呈直流勵磁。圖4(407)對比了變換器機側(cè)與網(wǎng)側(cè)功率 大小，結(jié)果顯示在聯(lián)合控制下，機網(wǎng)側(cè)功率基本保持平衡，這樣避免了直流電壓波動，降低 了對濾波電容的容量要求。由于在實際環(huán)境中，風(fēng)速具有隨機擾動，圖5顯示了該控制算法 在隨機擾動風(fēng)速下，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制效果。此時風(fēng)速如圖5 (501)所示，轉(zhuǎn)差率s如圖 5 (502)所示，其表明電機由亞同步過渡到超同步工作狀態(tài)。在擾動風(fēng)速下，該算法機側(cè)控制 仍然可使風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率快速收斂在最大值0. 44處，如圖5(503)，實現(xiàn)最大功率追蹤；網(wǎng)側(cè) 控制使電壓幾近穩(wěn)定在1200￥，如圖5(504)，并無大波動；定子側(cè)有功功率隨風(fēng)速增加而升 高，無功功率保持在零附近，如圖5(505)。可見該控制仍可得到良好的效果。圖5(506)顯 示了三相轉(zhuǎn)子勵磁電流，并配有細(xì)節(jié)放大圖。圖5(507)顯示了隨機擾動風(fēng)速下的變換器機 側(cè)與網(wǎng)側(cè)功率曲線，可以看出兩者幾近重合，功率平衡，兩側(cè)功率得到了協(xié)調(diào)控制。
綜上所述，對于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基于能量的機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制算法不僅可 以快速實現(xiàn)系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)下的機側(cè)和網(wǎng)側(cè)各自的控制目的，而且還能夠良好地協(xié)調(diào) 變換器機側(cè)與網(wǎng)側(cè)的功率，提高直流電壓動態(tài)控制特性，降低系統(tǒng)對電容的容量要求。
權(quán)利要求
一種針對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制算法，其特征在于，控制雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)背靠背變換器開關(guān)函數(shù)，使系統(tǒng)在額定風(fēng)速以下時，機側(cè)控制實現(xiàn)最大功率追蹤，網(wǎng)側(cè)控制實現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定，并保證單位功率因數(shù)；在額定風(fēng)速附近時，機側(cè)控制使風(fēng)機轉(zhuǎn)速恒定在額定轉(zhuǎn)速，網(wǎng)側(cè)控制仍實現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定，保證單位功率因數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制算法，其特征是，基于系統(tǒng)的物理屬性如能量守恒性、無 源性，來對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析與建模，首先依據(jù)能量流動劃分子系統(tǒng)，并通過子系統(tǒng)反 饋互聯(lián)得到整個系統(tǒng)端口受控哈密頓模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制算法，其特征是，通過系統(tǒng)當(dāng)前能量函數(shù)與期望平衡點 處能量函數(shù)之差確定控制能量，列出能量匹配方程，求解基于能量的控制器表達(dá)式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制算法，其特征是，同時得到機側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器的開關(guān)函 數(shù)，并且兩者開關(guān)函數(shù)中包含充分的機側(cè)網(wǎng)側(cè)的物理聯(lián)系。
全文摘要
一種針對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基于能量的機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制算法，屬于風(fēng)電控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明依據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)能量流動將整個系統(tǒng)劃分為四個子系統(tǒng)；設(shè)計各個子系統(tǒng)端口變量，確定子系統(tǒng)間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)；根據(jù)子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)間的反饋互聯(lián)得到整個系統(tǒng)端口受控哈密頓模型；設(shè)定系統(tǒng)期望平衡點；由系統(tǒng)在平衡點處的期望能量與當(dāng)前能量的偏差確定控制能量，列能量匹配方程，求解控制變量，得到基于能量的機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制器。本發(fā)明物理意義清晰，魯棒性強，協(xié)調(diào)控制變換器機側(cè)與網(wǎng)側(cè)功率，不但能較好地實現(xiàn)機側(cè)網(wǎng)側(cè)各自的控制目標(biāo)，同時提高了直流電壓的動態(tài)控制性能，從而降低了變換器中對電容容量要求，節(jié)約了系統(tǒng)成本，并增強了整個系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號G06F17/50GK101854064SQ20101016038
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者宋蕙慧, 曲延濱 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)