CN101783642A - 双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法，所述方法包括：首先建立双馈型风力发电机的数学模型；再根据所建立的数学模型，通过离散域的变换器对所述数学模型的分量进行Z变换，得到离散域下电流内环传递函数的特征方程；然后根据所述离散域下电流内环传递函数的特征方程，得到电流内环的比例积分PI参数；再将得到的PI参数代入控制系统中的PI调节器，优化PI调节器的调节能力，从而提高对双PWM变换器的电流控制效果，优化提升双馈型风力发电系统的运行性能。

Description

双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统技术领域，尤其涉及一种双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法。

背景技术

目前，在双馈型风力发电系统中，需要对双PWM变换器进行很好的控制，以保证直流母线电压的稳定，并控制转子的电流，使其跟随参考电流而变化，其中双馈型风力发电系统中的比例积分PI控制环节是实现这些控制功能的重要部分。

在对网侧脉宽调制变换器(PWM，Pulse Width Modulation)的电流控制方案中，主要功能是由控制系统实现的，除了对有功分量和无功分量的解耦控制外，主要是利用比例积分PI控制来得到系统所需要的稳定直流电压和能够维持电压恒定的并且已经解耦的输入电流，因此一般是将整个网侧PWM变换器的控制系统分为两个环节：电压外环控制和电流内环控制；机侧PWM变换器的主要作用是利用直流电压来产生需要的转子电压，PI环节在机侧控制系统中的作用是使转子电流能够很好地跟随参考电流的变化，以实现最大风能追踪和恒功率控制，要求其具有很好的跟随性。机侧电流内环PI控制的设计与网侧电流内环PI控制的设计方法相同，采用类似的传递函数，都能达到跟随参考电流变化的效果。

合适的PI参数的设计需要建立合理的传递函数，在现有技术中，PI参数的设计方法均是在建立在电流内环传递函数的基础上进行的，而现有技术中电流内环的设计都是基于连续系统来建立传递函数的，实际工程中，一般都是对某些量进行采样，这样就使得电流内环的PI参数设计不够准确，从而影响了对双PWM变换器的电流控制，降低了双馈型风力发电系统的性能。

发明内容

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法，能够使得电流内环的PI参数设计更加准确，从而提高对双PWM变换器的电流控制效果，优化提升双馈型风力发电机控制系统的控制性能。

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法，所述方法包括：

建立双馈型风力发电机的数学模型；

根据所建立的数学模型，通过离散域的变换器对所述数学模型的分量进行Z变换，得到离散域下电流内环传递函数的特征方程；

根据所述离散域下电流内环传递函数的特征方程，得到电流内环的比例积分PI参数；

通过所得到的PI参数，优化控制系统中PI调节器的性能，进而优化双馈型风力发电机的控制系统。

所述数学模型的分量为：两相同步速旋转坐标系d-q轴分量。

所述离散域中电流内环传递函数包括：网侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数或机侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数。

由上述所提供的技术方案可以看出，首先建立双馈型风力发电机的数学模型；再根据所建立的数学模型，通过离散域的变换器对所述数学模型的分量进行Z变换，得到离散域下电流内环传递函数的特征方程；然后根据所述离散域下电流内环传递函数的特征方程，得到电流内环的比例积分PI参数；通过所得到的PI参数，优化控制系统中PI调节器的性能，进而优化双馈型风力发电机的控制系统。这种方法使得电流内环的PI参数设计更加准确，从而提高对双PWM变换器的电流控制效果，优化提升双馈型风力发电系统的控制性能。

附图说明

图1为本发明实施例所提供双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所举出的例子中网侧或机侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数示意图；

图3为本发明实施例所举出的例子中网侧脉宽调制变换器电压外环传递函数示意图；

图4为本发明实施例所举出的例子中改进PI参数后的转子电压控制指令示意图；

图5为本发明实施例所举出的例子中改进PI参数前的转子电压控制指令示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法，在PI参数的设计中通过引入离散域变换器，将连续系统的参数变换到离散域，对PI参数进行设计，从而与实际系统的采样计算比较接近，这样就可以使得电流内环的PI参数设计更加准确，提高对双PWM变换器的电流快速准确跟踪的控制效果，从而优化提升双馈型风力发电系统的控制性能。

为更好的描述本发明实施例，现结合附图对本发明的具体实施例进行说明，如图1所示为本发明实施例所提供的双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法的流程示意图，所述方法包括：

步骤11：建立双馈型风力发电机的数学模型。

在该步骤中，首先建立双馈型风力发电机的数学模型，在具体实现过程中有多种建立数学模型的方式，在本实施例中，举例来说，双馈型发电机同步速旋转坐标系下的数学模型可以为：

$V_d={\mathrm{Ri}}_d+L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+V_{d1}$

$V_q={\mathrm{Ri}}_q+L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+V_{q1}---\left(1\right)$

其中，V_d、B_q为电网电压的两相同步速旋转坐标系d-q轴的分量，V_d1、V_q1为输入变流器的电压在d-q轴的分量，R、L为电网到变流器的滤波器参数。

步骤12：根据所建立的数学模型，通过离散域的变换器对所述数学模型的分量进行Z变换，得到离散域下电流内环传递函数的特征方程。

在该步骤中，在通过上述方式建立双馈型风力发电机的数学模型之后，就可以在离散域下通过离散域的变换器对数学模型的分量进行Z变换，进而得到电流内环传递函数。上述的数学模型的分量可以是两相同步速旋转坐标系d-q轴的d轴分量，由于q轴控制系统中PI参数的选取与d轴是一样的，因此该步骤中只对d轴PI参数的设计进行分析。

举例来说，得到电流内环传递函数的过程可以是：

首先，将(1)式方程中d-q轴进行解耦，得到：

$V_d^{\′}={\mathrm{Ri}}_d+L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}$

$V_q^{\′}={\mathrm{Ri}}_q+L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

由于控制系统中采样的电压、电流量都是离散的，因此对(2)式中d轴分量进行Z变换，得到：式中，Kp＝(1-A)/R，Ts为采样周期，一般取0.5ms。具体实现中，可以引入控制理论中的数学变换方法对所述数学模型的分量进行Z变换，该变换过程在本发明实施例中可以用离散域的变换器来实现。

考虑到实际实现过程中的延时等误差问题，在离散域下的传递函数应加上一个二阶的惯性环节Z^-2。在具体实现过程中，电流内环传递函数包括网侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数，或机侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数。如图2所示为网侧或机侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数示意图。

从图2可得到网侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数特征方程为：

G(z)＝z²(z-1)(z-A)+K_cK_p(z-a_c)            (3)

而机侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数的PI参数计算方法与网侧的计算方法是相同的。

步骤13：根据所述离散域下电流内环传递函数的特征方程，得到电流内环的比例积分PI参数；

在该步骤中，具体是根据离散域下电流内环传递函数的特征方程，进一步得到电流内环的比例积分PI参数。

在具体实现过程中，针对上述所得到的传递函数的特征方程(3)，可以根据系统所需要的稳定裕度和动态性能选取合适的自然频率ω_n和阻尼比ξ，计算连续系统中的特征根：

得到s₁和s₂；然后再利用复变量s和复变量z之间的关系

计算出离散系统中的特征根z₁和z₂，将其代入(9)式，求得K_c和a_c；最后利用梯形积分的方法：将

与

进行换算，求得电流内环的比例积分PI参数K_p和K_i。

另外，对于机侧脉宽调制变换器的电流内环PI参数的获得过程来说，机侧的矢量控制采用定子磁链定向矢量控制方法，将转子交流量分解为有功分量和无功分量，并对其进行闭环控制，从而有：ψ_ds＝ψ₁，ψ_qs＝0。一般定子绕组接无穷大电网，定子电压u_s与电源角频率ω_s均恒定不变，ψ₁＝u_s/ω_s为常数，由此双馈发电机的d-q轴电压方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=R_s{i}_{\mathrm{ds}}+d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}/\mathrm{dt}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{qs}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}+d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}/\mathrm{dt}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}+d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}/\mathrm{dt}-s{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{qr}}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}+d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}/\mathrm{dt}+{\mathrm{s\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

磁链方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{L}_s& 0& L_m& 0\\ 0& L_s& 0& L_m\\ L_m& 0& L_r& 0\\ 0& L_m& 0& L_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\\ i_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

忽略定子电阻R_s，得到：u_ds＝0，u_qs＝u_s，再由(4)、(5)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}/L_s-i_{\mathrm{dr}}{L}_m/L_s\\ i_{\mathrm{qs}}=-i_{\mathrm{qr}}{L}_m/L_s\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}+\mathrm{\σ}{L}_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dr}}}{\mathrm{dt}}-s{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{qr}}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}+\mathrm{\σ}{L}_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qr}}}{\mathrm{dt}}+s{\mathrm{\ω}}_s(\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_s+\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{dr}})\end{array}\right.---\left(6\right),$

其中

L_m为定子和转子的互感。

与(2)式相类似，-sω_sσL_ri_qr和

为补偿电压，将其作为扰动量，在建立传递函数时不予考虑；所建立的机侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数如图2所示。

通过比较(2)式和(6)式，可以得知只需将网侧的支路电阻R变为转子电阻R_r，支路电感L变为σL_r，然后再选用合适的自然频率和阻尼比，具PI参数的获取方法与网侧电流环是相同的。

步骤14：通过所得到的PI参数，优化控制系统中PI调节器的性能，从而优化所述双馈型风力发电机的控制系统。

在本步骤中，具体是在得到改进型的PI参数以后，将该PI参数代入到控制系统模型的PI调节器中，经过PI调节器的调节，实际电流能够快速准确地跟随参考电流的变化，从而使发电机能够更快地追踪到最大风能，从而实现双馈型风力发电机控制系统性能的优化。

通过以上技术方案的实施，就可使得电流内环的PI参数设计更加准确，提高对双PWM变换器的电流控制效果，从而优化提升双馈型风力发电系统的控制性能。

另外，在具体实现过程中，网侧脉宽调制变换器电压外环的传递函数也可经过一定的变换得到，从而得到网侧脉宽调制变换器电压外环的PI参数，具体过程如下：

定子电压与直流电压之间的关系满足：

m₁为网侧PWM的调制深度，一般取0.75。根据功率守恒可得：Ei_os＝3V_di_d，根据上述两个式子，得到输入直流母线的电流i_os和d轴电流i_d之间的关系：

因为

得到直流电压E与流入变流器电流i_d之间的关系为：

$C\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2}{m}_1{i}_d-i_{\mathrm{or}},$ 应用拉普拉斯变换Laplace得到： $\mathrm{CsE}=\frac{3}{2}{m}_1{i}_d-i_{\mathrm{or}}---\left(7\right)$

(7)式化简为： $\frac{E\left(s\right)}{i_d\left(s\right)}=\frac{3m_1}{2\mathrm{Cs}}---\left(8\right)$

电压外环的PI控制器的输出量为网侧变流器的d-q轴参考电流，如图3所示为网侧脉宽调制变换器电压外环传递函数示意图，由图3可知：

其传递函数特征方程为： $G\left(s\right)=\frac{1}{1+K_e\frac{s+a_e}{s}\frac{3m_1}{2}\frac{1}{\mathrm{Cs}}}---\left(9\right)$

特征方程为：D(s)＝2Cs²+3m₁K_es+3m₁K_ea_e；

而一般有 $D\left(s\right)=s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2$

由上述的特征方程就可得出对应的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{3m_1}{2C}{K}_e=2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n\\ \frac{3m_1}{2C}{K}_e{a}_e={\mathrm{\ω}}_n^2\end{array}\right.---\left(10\right)$

根据上述的(10)式，并根据系统所需要的稳定裕度和动态性能选择的自然频率和阻尼比，就可以得到网侧脉宽调制变换器电压外环PI参数K_e和a_e。

根据以上的技术方案，就可以通过所得到的PI参数来优化所述双馈型风力发电机的控制系统，举例来说，将采用上述方法所获得的PI参数代入双馈型风力发电机的控制系统模型后，系统的运行效果图如图4所示，如图4为改进PI参数后的转子电压控制指令示意图；而如图5所示为PI参数改进前的转子电压控制指令的示意图，从图4和图5的对比中可以看出：通过本发明实施例所述方法得到改进后的PI参数后，图4的PI调节器的调节效果要更加的明显，从而充分验证了改进型PI调节器设计方法的有效性，进而优化提升了双馈型风力发电系统的控制性能。

综上所述，本发明实施例能够使得电流内环的PI参数设计更加准确，提高了对双PWM变换器的电流控制效果，从而优化提升双馈型风力发电系统的控制性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种双馈型风力发电控制系统参数优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：

建立双馈型风力发电机的数学模型；

根据所建立的数学模型，通过离散域的变换器对所述数学模型的分量进行Z变换，得到离散域下电流内环传递函数的特征方程；

根据所述离散域下电流内环传递函数的特征方程，得到电流内环的比例积分PI参数；

通过所得到的PI参数，优化控制系统中PI调节器的性能，进而优化双馈型风力发电机的控制系统。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数学模型的分量为：两相同步速旋转坐标系d-q轴分量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离散域中电流内环传递函数包括：网侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数，或机侧脉宽调制变换器的电流内环传递函数。

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