CN101854064B

CN101854064B - 双馈感应风力发电系统基于能量的机网侧联合控制算法

Info

Publication number: CN101854064B
Application number: CN 201010160383
Authority: CN
Inventors: 曲延滨; 宋蕙慧
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: CN101854064A

Abstract

一种针对双馈感应风力发电系统基于能量的机网侧联合控制算法，属于风电控制技术领域。本发明依据风电系统能量流动将整个系统划分为四个子系统；设计各个子系统端口变量，确定子系统间的互联结构；根据子系统内部结构和子系统间的反馈互联得到整个系统端口受控哈密顿模型；设定系统期望平衡点；由系统在平衡点处的期望能量与当前能量的偏差确定控制能量，列能量匹配方程，求解控制变量，得到基于能量的机网侧联合控制器。本发明物理意义清晰，鲁棒性强，协调控制变换器机侧与网侧功率，不但能较好地实现机侧网侧各自的控制目标，同时提高了直流电压的动态控制性能，从而降低了变换器中对电容容量要求，节约了系统成本，并增强了整个系统的可靠性。

Description

双馈感应风力发电系统基于能量的机网侧联合控制算法

(一)技术领域

本发明属风力发电控制技术领域，具体涉及一种针对双馈感应风力发电系统机侧网侧变换器，以基于能量的观点，实现机网侧联合控制的非线性算法。

(二)背景技术

目前，随着并网型风力发电机组大型化的发展，双馈感应风力发电系统以其励磁变频器所需容量小、调速范围大、有功无功功率独立调节等特点成为大型机的主流。同时，作为一种典型的变速恒频发电系统，双馈感应风力发电系统的机侧控制目标随风速变化而变化。即，额定风速以下，要求保持最佳叶尖速比，实现最大风能捕获；额定风速附近，实现恒转速运行；额定风速以上，采用机械变桨矩控制保证输出功率平稳；网侧控制目标为控制直流电压恒定以及实现网侧单位功率因数。

由于大多数控制方法(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；O.Soares，H.Goncalves，and A.Martins，et al.Nonlinear control of the doubly-fed induction generator in wind powersystems.Renewable Energy(in press))对双馈感应风力发电系统中背靠背变换器采用机侧和网侧部分独立控制，来分别完成机网侧各自控制目的，但简单地将两侧变换器视为完全独立的个体，实质上割裂了整流和逆变过程的物理联系。两部分不能做到协调配合，则会造成机侧与网侧瞬时能量存在较大的差值，引起直流电压出现较大波动，因此，必须提高电容容量来稳定电压。而大电容必将使系统成本提高，重量体积增大，故障率增加，特别是在兆瓦级风电系统上体现尤为明显。机网侧联合控制则能够充分利用整流与逆变部分的关联信息，降低电压波动。采用负载电流前馈联合控制方法(L.Malesani，L.Rossetto，and P.Tenti，at al.AC/DC/AC PWM converter with reduce energy storage in the DC link.IEEE Transactions onIndustry Application，1995，31(2)：287-292.)，其优点在于原理简单，但是其前馈补偿项仅包含两部分相互影响的静态信息，而不包含动态信息，因此联合控制效果有待进一步提高。采用反馈线性化方法进行联合控制(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 onIndustry Application，1999，35(5)：1124-1131.)，该方法有效利用两侧动静态信息，控制性能得到较大改善，但此方法对系统模型精度要求高，鲁棒性差。采用功率平衡联合控制方法(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.)，使网侧部分严格匹配机侧部分从而实现两侧功率平衡，但其控制过程需要计算变换器部分传递函数，还需另外引入控制输入量控制两侧功率相对变化，并不适合风电系统非线性强、随机扰动多、系统参数不确定的特点。

针对现有算法在双馈感应风力发电系统控制应用中普遍采用机侧网侧独立控制，割断两者之间物理联系，从而使两部分的瞬时能量存在较大差值，而不得不采用大电容避免直流电压波动，导致系统成本提高、体积重量增大、故障率升高的问题，本发明提出一种基于能量观点的双馈感应风力发电机机侧网侧联合控制的非线性算法。该方法物理意义清晰，算法的非线性鲁棒特点更适用于风力发电系统，状态反馈过程充分利用了机侧与网侧动静态信息，既能够快速实现机侧网侧各自控制目的，又使直流电压波动得到了显著降低。

(三)发明内容

本发明的目的是针对风力发电系统实质是一个将风能转换为电能的能量变换装置，以一种全新的能量成型观点研究风力发电系统，将风电机组和控制器看作多端口的能量变换装置，利用端口交互能量来确定控制行为，从而实现系统能量快速平衡在期望状态。此算法物理意义清晰，具有鲁棒性，并增强了机侧网侧整流逆变过程间的协调与配合，有效降低了电容容量，同时能够较好地实现风电系统中机侧网侧各自的控制目标。

本算法发明是通过以下技术方案实现的：首先将风力发电系统依据能量流动过程划分为多个子系统；然后对各个子系统进行端口受控哈密顿建模，其中包括确定各子系统端口变量与设计各子系统内部联接结构、耗散阻尼结构、子系统与外部的交互结构；检验该模型是否符合风电系统能量变换的物理特性；根据设计好的模型计算整个系统能量函数，并由不同风速下的控制目的分别设定系统期望平衡点；由系统在平衡点处的期望能量与系统当前能量的偏差来确定控制能量，列能量匹配方程，求解控制变量表达式，得到基于能量的控制器；最后验证系统在该控制下是否能收敛到期望的平衡点，完成效果确认。

本发明有以下有益效果：1、本发明以基于能量的观点，将系统的物理属性(能量守恒性、无源性等)作为研究对象，对风电系统存在扰动输入、系统参数不确定的情况具有良好的鲁棒性能。2、本发明采用的端口受控哈密顿建模方法，封装了子系统的内部结构，只需通过控制系统端口变量，注入控制能量，使系统总能量稳定在期望平衡点处。控制方法物理意义明确，结构简单，收敛速度快。3、算法实现了机侧网侧变换器的联合控制，使背靠背变换器的整流部分与逆变部分可以充分利用相互的信息，提高直流母线电压的动态控制性能，并因此大大减少了对变换器中电容容量的要求，节约系统成本。4、本发明控制器不是只关注一个或几个变量反馈闭环动态特性而是能够确保系统全局稳定性，使整个风力发电系统可靠性和寿命大大提高。

(四)附图说明

图1为本发明对双馈感应风力发电系统的子系统划分示意图。

图2为本发明对划分的四个子系统的输入输出端口变量设计图。其中，图2(201)为机械子系统的端口变量示意图，图2(202)为电磁子系统端口变量示意图，图2(203)为直流子系统端口变量示意图，图2(204)为网侧电磁子系统端口变量示意图，图2(205)为四个子系统通过端口变量进行反馈互联，构成整个风力发电系统示意图。

图3为本发明实现机网侧联合控制过程的结构框图。

图4为该算法应用于双馈感应风力发电系统仿真平台，在无扰动阶跃风速下，经历亚同步、同步、超同步三种工作状态时，联合控制的效果图。其中，图4(401)为无扰动阶跃风速曲线，图4(402)为电机转差率曲线，图4(403)为风能转换效率曲线，图4(404)为直流电压变化曲线，图4(405)为电机定子侧有功无功功率曲线，图4(406)为电机三相转子电流变化曲线，图4(407)为风电系统中变换器机侧与网侧功率曲线。

图5为该算法应用于双馈感应风力发电系统仿真平台，在随机扰动阶跃风速下，经历亚同步、同步、超同步三种工作状态时，联合控制的效果图。其中，图5(501)为带有随机扰动的阶跃风速曲线，图5(502)为电机转差率曲线，图5(503)为风能转换效率曲线，图5(504)为直流电压变化曲线，图5(505)为电机定子侧有功无功功率曲线，图5(506)为电机三相转子电流变化曲线，并在右侧附细节放大图，图5(507)为风电系统中变换器机侧与网侧功率曲线。

(五)具体实施方式

为了更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

第一步，将整个双馈感应风力发电系统依据能量流动分成为四个子系统：机械子系统(∑_m)、电磁子系统(∑_e)、直流子系统(∑_dc)、网侧子系统(∑_g)，如图1所示。封装子系统的内部结构(其中包括确定各子系统内部联接结构矩阵、耗散阻尼结构矩阵、子系统与外部的交互结构矩阵)。然后，设计各个子系统的端口变量，使子系统相对应的输入与输出端口变量的内积为单位时间的子系统与外界的交互能量。如图2(201)中，机械子系统的输入端口变量为电磁转矩(T_e)与机械转矩(T_L)的矢量和，输出端口变量为(ω_m)，其两者内积为机械功率。图2(202)中，电磁子系统中对应电压输入端口的输出端口变量为电流，两者内积为电功率。图2(203)、(204)中设计原则相同。最后，遵循能量流动过程，构建出子系统之间的互联结构，如图2(205)所示，子系统间满足反馈互联结构，从而完成整个系统端口受控哈密顿建模过程。

第二步，计算系统总的能量函数。根据系统在额定风速以下系统转速期望实现最佳叶尖速比，额定风速附近系统期望转速保持在额定转速的不同控制目标分别设定系统期望转速值。由于系统在平衡点处能量具有最小值，保持稳定不再变化，所以总的能量函数在平衡点处时导数为零，因此可解出系统运行在期望转速时，其它状态变量的期望值，以此得到系统所有状态变量的期望值，完成系统平衡点设定。

第三步，求解系统平衡点处能量函数值，并用当前总的能量函数值减去平衡点处的能量函数值，即可得到当前系统达到平衡点时所需的控制能量。根据系统是期望达到平衡点状态，所以系统当前状态变量表达式应等于系统在期望点时的状态变量表达式，即列能量匹配方程，并将控制能量带入能量匹配方程，可求出控制变量表达式，得到整个系统基于能量的机侧网侧联合控制策略。该非线性控制器的控制闭环结构框图如图3所示。其中V_sd，V_sq为定子侧旋转坐标系下d，q轴电压，V′_gd，V′_gq为网侧变换器所接d，q轴电压，系统在额定风速以下时，通过保持最佳叶尖速比实现最大功率追踪，可得到对应风速下的期望转速ω_m ^*，额定风速附近时，期望转速为额定转速。通过系统平衡点计算，和基于能量的控制器，最终同时得到背靠背变换器机侧开关函数s_md，s_mq和网侧的开关函数s_gd，s_gq。

在Matlab/Simulink仿真环境中，搭建2MW双馈感应风力发电系统仿真平台，按照以上步骤得到基于能量的联合控制策略下背靠背变换器机侧和网侧开关函数，并将该开关函数在仿真平台上进行验证。仿真结果如图4、图5所示。从图4中可以看出，当系统注入无扰动的阶跃风，风速为图4(401)中所示，前20秒10.2m/s，中间20秒为10.226m/s，后20秒为10.3m/s。图4(402)电机的转差率s显示，在该风速下，风机运行在同步工作状态附近，即前20秒，s大于零，为亚同步工作状态，中间20秒，s等于0，为同步工作状态，后20秒，s小于零，风机工作在超同步状态。在这种情况下转子功率由从网侧向机侧流动转变为由机侧向网侧流动，此时若是传统的机网侧独立控制，电容电压稳定性最差，机网侧瞬时能量会有较大差值。然而应用基于能量的联合控制，机侧控制效果如图4(403)，风能转换效率依然保持最大值0.44，网侧控制效果如图4(404)，直流电压基本保持恒定在1200V。电机定子侧有功功率随风速变化，无功功率保持在零附近，如图4(405)，因此，单位功率因数得到保证，机网侧控制效果非常理想。图4(406)显示了转子电流在这个过程的变化状况，特别是在风机同步运行状态时，转子电流呈直流励磁。图4(407)对比了变换器机侧与网侧功率大小，结果显示在联合控制下，机网侧功率基本保持平衡，这样避免了直流电压波动，降低了对滤波电容的容量要求。由于在实际环境中，风速具有随机扰动，图5显示了该控制算法在随机扰动风速下，对风力发电系统的控制效果。此时风速如图5(501)所示，转差率s如图5(502)所示，其表明电机由亚同步过渡到超同步工作状态。在扰动风速下，该算法机侧控制仍然可使风能转换效率快速收敛在最大值0.44处，如图5(503)，实现最大功率追踪；网侧控制使电压几近稳定在1200V，如图5(504)，并无大波动；定子侧有功功率随风速增加而升高，无功功率保持在零附近，如图5(505)。可见该控制仍可得到良好的效果。图5(506)显示了三相转子励磁电流，并配有细节放大图。图5(507)显示了随机扰动风速下的变换器机侧与网侧功率曲线，可以看出两者几近重合，功率平衡，两侧功率得到了协调控制。

综上所述，对于双馈感应风力发电系统，基于能量的机网侧联合控制算法不仅可以快速实现系统在各种工作状态下的机侧和网侧各自的控制目的，而且还能够良好地协调变换器机侧与网侧的功率，提高直流电压动态控制特性，降低系统对电容的容量要求。

Claims

1.一种针对双馈感应风力发电系统的控制算法，其特征在于，控制双馈感应风力发电系统背靠背变换器开关函数，使所述系统在额定风速以下时，机侧控制实现最大功率追踪，网侧控制实现直流电压稳定，并保证单位功率因数；在额定风速附近时，机侧控制使风机转速恒定在额定转速，网侧控制仍实现直流电压稳定，保证单位功率因数；该控制算法包括以下步骤：a.将所述系统依据能量流动过程划分为多个子系统，设计各子系统的端口变量，使子系统相对应的输入端口变量与输出端口变量的内积为单位时间的子系统与外界的交互能量；b.遵循能量流动过程，构建子系统间的互联结构，并建立各子系统端口受控哈密顿模型；c.由所述系统在平衡点处的期望能量与当前能量的偏差确定控制能量，列能量匹配方程，求解基于能量的控制变量表达式；d.最终同时得到背靠背变换器的机侧和网侧变换器开关函数。

2.根据权利要求1所述的控制算法，所述系统的多个子系统分别为机械子系统、电磁子系统、直流子系统、网侧子系统。

3.根据权利要求1所述的控制算法，所述系统的子系统间互联结构采用反馈互联方式。