一种变频水力发电系统模型预测电流控制方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及变频水力发电系统控制技术,具体涉及一种变频水力发电系统模型预测电流控制方法、系统及介质。
背景技术
在全球能源匮乏的大背景下,风能、水能等新能源的使用成为了各个国家关注的焦点。我国深刻认识到了友好的环境是人类生存的必要条件,所以极力倡导节能环保,在国家层面的广泛支持下,我国在新能源发电领域的发展十分迅速。
目前,水力发电系统大多使用PI控制,PI控制的缺点是PI参数在不同工况下需要调整,需要大量调试工作,且对非线性多耦合的系统难以达到最优工作点。模型预测控制方法是一种高性能控制方法,该方法基于离散时间下的系统状态模型预测系统未来的行为,在精准的预测模型下能提供良好的控制性能。因此,如何把模型预测控制应用于变频水力发电系统以精准的预测模型下能提供良好的控制性能,已经成为一项亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题:针对现有技术的上述问题,提供一种变频水力发电系统模型预测电流控制方法、系统及介质,本发明能够实现对发电机进行变速恒频调节,提高了系统的发电质量和效率,且其结构紧凑,体积小,可靠性和系统效率高;本发明针对的变频水力发电系统所采用的发电机为永磁同步发电机或者励磁电流固定的同步发电机,控制对象包括机侧变流器,也可以进一步包括网侧变流器,具有通用性好、适用范围广泛的优点;本发明考虑了变流器、发电机以及电网模型,适合水利发电系统各种工况下高性能控制。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种变频水力发电系统模型预测电流控制方法,包括对变频水力发电系统的机侧变流器的下述控制步骤:
1)获取当前的d,q轴电流isd和isq,d,q轴电压usd和usq,水轮机转速ωr,d,q轴指令电流isdref和isqref,并通过模型预测控制器计算d,q轴指令电压usqref和usqref;
2)根据dq轴指令电压usdqref对机侧变流器的八个电压矢量进行初筛;
3)将初筛后剩下的开关矢量代入预设的评价函数生成机侧变流器下一时刻的控制信号。
可选地,步骤1)中通过模型预测控制器计算d,q轴指令电压usqref和usqref的函数表达式为:
上式中,usdref(k),usqref(k)分别为第k个时刻的d,q轴指令电压,Rs为定子相电阻,Lsd,Lsq分别为d,q轴定子电感,T为控制周期,Δisd(k),Δisq(k)分别为第k个时刻的d,q轴电流值相对第k-1个时刻的变化量,Δisdref(k+1),Δisdref(k+1)分别为第k+1个时刻的d,q轴电流指令值相对第k个时刻的变化量,ωr为转子的电角速度,usd(k-1),usq(k-1)分别为第k-1个时刻的d,q轴定子电压。
可选地,步骤1)中还包括实时计算生成q轴指令电流isqref的步骤:检测当前的水轮机转速ωr以及水流流速v,计算水流流速v下的最优叶尖速比λopt,根据最优叶尖速比λopt以及水轮机半径求出最优水轮机转速ωrref,计算水轮机转速ωr、最优水轮机转速ωrref之间的差值,并将计算得到的差值通过PI控制器计算得到q轴指令电流isqref。
可选地,步骤2)的详细步骤包括:
2.1)根据d,q轴指令电压usqref和usqref计算机侧电压矢量角φs;
2.2)根据机侧电压矢量角φs对机侧变流器的开关矢量进行初次筛选,将八个电压矢量缩小范围至三个开关矢量,所述三个开关矢量包括离α,β轴指令电压ugαref和ugβref所组成电压矢量最近的两个开关矢量以及零矢量。
可选地,还包括对变频水力发电系统的网侧变流器的下述控制步骤:
S1)获取当前的α,β轴变流器网侧电压u
gα和u
gβ,α,β轴电网电压
和
有功功率p和无功功率q,有功功率指令p
ref和无功功率指令q
ref,并通过模型预测控制器计算α,β轴指令电压u
gαref和u
gβref;
S2)根据α,β轴指令电压ugαref和ugβref对网侧变流器的八个电压矢量进行初筛;
S3)将初筛后剩下的开关矢量代入预设的评价函数生成网侧变流器下一时刻的控制信号。
可选地,步骤S1)中通过模型预测控制器计算α,β轴指令电压ugαref和ugβref的函数表达式为:
上式中,u
gαref(k),u
gβref(k)分别为第k个时刻的α,β轴指令电压,u
gα(k),u
gβ(k)分别为第k个时刻的α,β轴变流器网侧电压,
和
分别为α,β轴电网电压,R
g为网侧线路电阻,L
g为网侧电感分量,T为控制周期,Δp(k),Δq(k)分别为第k个时刻的有功功率p和无功功率q相对上一个时刻的变化量,Δp
ref(k+1),Δq
ref(k+1)分别为第k个时刻的有功功率指令p
ref和无功功率指令q
ref相对上一个时刻的变化量。
可选地,步骤S1)中还包括实时计算生成有功功率指令pref的步骤:获取直流母线电压udc以及机组控制器给定直流母线电压udcref,计算直流母线电压udc以及机组控制器给定直流母线电压udcref之间的差值,并将计算得到的差值通过PI控制器计算得到有功功率指令pref。
可选地,步骤S2)的详细步骤包括:
S2.1)根据α,β轴指令电压ugαref和ugβref计算网侧电压矢量角φg;
S2.2)根据网侧电压矢量角φg对网侧变流器的开关矢量进行初次筛选,将八个电压矢量缩小范围至三个开关矢量,所述三个开关矢量包括离α,β轴指令电压ugαref和ugβref所组成电压矢量最近的两个开关矢量以及零矢量。
此外,本发明还提供一种变频水力发电系统模型预测电流控制系统,包括计算机设备,该计算机设备被编程或配置以执行所述变频水力发电系统模型预测电流控制方法的步骤,或者该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述变频水力发电系统模型预测电流控制方法的计算机程序。
此外,本发明还提供一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述变频水力发电系统模型预测电流控制方法的计算机程序。
和现有技术相比,本发明具有下述优点:
1、本发明能够实现对发电机进行变速恒频调节,提高了系统的发电质量和效率,且其结构紧凑,体积小,可靠性和系统效率高。
2、本发明针对的变频水力发电系统所采用的发电机为永磁同步发电机或者励磁电流固定的同步发电机,控制对象包括机侧变流器,也可以进一步包括网侧变流器,具有通用性好、适用范围广泛的优点。
3、本发明考虑了变流器、发电机以及电网模型,适合水利发电系统各种工况下高性能控制。
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获得其他的附图。
图1为本发明实施例方法的基本控制原理示意图。
图2为本发明实施例中机侧变流器的开关矢量初次筛选的原理示意图。
图3为本发明实施例中网侧变流器的开关矢量初次筛选的原理示意图。
具体实施方式
如图1所示,本实施例变频水力发电系统模型预测电流控制方法包括对变频水力发电系统的机侧变流器的下述控制步骤:
1)获取当前的d,q轴电流isd和isq,d,q轴电压usd和usq,水轮机转速ωr,d,q轴指令电流isdref和isqref,并通过模型预测控制器计算d,q轴指令电压usqref和usqref;
2)根据dq轴指令电压usdqref对机侧变流器的八个电压矢量进行初筛;
3)将初筛后剩下的开关矢量代入预设的评价函数生成机侧变流器下一时刻的控制信号。
本实施例中,上述步骤1)~3)对变频水力发电系统的机侧变流器的控制目的是实现控制水轮发电机获取水能。本实施例中,步骤1)中通过模型预测控制器计算d,q轴指令电压usqref和usqref的函数表达式为:
上式中,usdref(k),usqref(k)分别为第k个时刻的d,q轴指令电压,Rs为定子相电阻,Lsd,Lsq分别为d,q轴定子电感,T为控制周期,Δisd(k),Δisq(k)分别为第k个时刻的d,q轴电流值相对第k-1个时刻的变化量,Δisdref(k+1),Δisdref(k+1)分别为第k+1个时刻的d,q轴电流指令值相对第k个时刻的变化量,ωr为转子的电角速度,usd(k-1),usq(k-1)分别为第k-1个时刻的d,q轴定子电压。本实施例中通过模型预测控制器执行式(1)所示的机侧的电流电压增量状态方程,降低了对参数的敏感性。本实施例中,式(1)所示的模型预测控制器的推导过程如下:
首先建立水电系统机侧状态方程如下:
上式中,Rs为定子相电阻;Lsd,Lsq分别为d,q轴定子电感,isd,isq分别为d,q轴电流;usd,usq分别为d,q轴定子电压,ψf为永磁体磁链,ωr为水轮机转速。
然后根据上述公式计算d,q轴指令电压会受参数扰动的影响,为了补偿这一部分电压偏移量,设计fsd(k)、fsq(k)为受参数扰动所导致的dq轴电压偏移量,由于采样周期很短,短短几个周期内该参数扰动所导致的偏移量几乎不变,则可以用下式求取:
上式中,usd(k-1),usq(k-1)分别为前一时刻(第k-1个时刻)电机侧实际d,q轴电压值,式中isd(k-1),isq(k-1)分别为前一时刻电机侧dq轴电流值,isd(k),isq(k)分别为当前时刻(第k个时刻)电机侧d,q轴电流值。
最后,把上式合并则可以得出最终d,q轴指令电压计算式:
上式中各个符号的变量参见式(1)~式(4)。从而根据式(5)可以推导得到,步骤1)中通过模型预测控制器计算d,q轴指令电压usqref和usqref的函数表达式如式(1)所示。
参见图1,本实施例步骤1)中还包括实时计算生成q轴指令电流isqref的步骤:检测当前的水轮机转速ωr以及水流流速v,计算水流流速v下的最优叶尖速比λopt,根据最优叶尖速比λopt以及水轮机半径求出最优水轮机转速ωrref,计算水轮机转速ωr、最优水轮机转速ωrref之间的差值,并将计算得到的差值通过PI控制器计算得到q轴指令电流isqref。
本实施例中,步骤2)的详细步骤包括:
2.1)根据d,q轴指令电压usqref和usqref计算机侧电压矢量角φs;
2.2)根据机侧电压矢量角φs对机侧变流器的开关矢量进行初次筛选,将八个电压矢量缩小范围至三个开关矢量,所述三个开关矢量包括离α,β轴指令电压ugαref和ugβref所组成电压矢量最近的两个开关矢量以及零矢量。如图2所示,本实施例中根据电压矢量角对开关矢量进行初次筛选将八个电压矢量缩小范围至三个开关矢量,分别包括010,110,000,即离电压适量最近的两个开关矢量以及零矢量,大大减少遍历算法的计算量。
本实施例中,步骤2.1)中计算机侧电压矢量角φs的函数表达式为:
φs=θr+atan(usdref(k),usqref(k)) (6)
上式中,θr为当前的相位角,atan为反正切函数,usdref(k),usqref(k)分别为第k个时刻的d,q轴指令电压。
本实施例中,步骤3)中预设的评价函数的函数表达式为:
上式中,C
g为预设的预测控制评价函数,u
sdref(k),u
sqref(k)分别为第k个时刻的d,q轴指令电压,S
s表示开关切换次数,λ表示权重系数,
分别为第k个时刻的实际d,q轴电压。把初次筛选得到的三个开关矢量代入式(7)使得评价函数值最小的即为下一时刻的最优电压矢量。
作为一种可选的实施方式,如图1所示,本实施例变频水力发电系统模型预测电流控制方法还包括对变频水力发电系统的网侧变流器的下述控制步骤:
S1)获取当前的α,β轴变流器网侧电压u
gα和u
gβ,α,β轴电网电压
和
有功功率p和无功功率q,有功功率指令p
ref和无功功率指令q
ref,并通过模型预测控制器计算α,β轴指令电压u
gαref和u
gβref;
S2)根据α,β轴指令电压ugαref和ugβref对网侧变流器的八个电压矢量进行初筛;
S3)将初筛后剩下的开关矢量代入预设的评价函数生成网侧变流器下一时刻的控制信号。
本实施例中,上述步骤S1)~S3)对变频水力发电系统的网侧变流器的控制目的是实现功率控制和稳定直流母线电压。
本实施例中,步骤S1)中通过模型预测控制器计算α,β轴指令电压ugαref和ugβref的函数表达式为:
上式中,u
gαref(k),u
gβref(k)分别为第k个时刻的α,β轴指令电压,u
gα(k),u
gβ(k)分别为第k个时刻的α,β轴变流器网侧电压,
和
分别为α,β轴电网电压,R
g为网侧线路电阻,L
g为网侧电感分量,T为控制周期,Δp(k),Δq(k)分别为第k个时刻的有功功率p和无功功率q相对上一个时刻的变化量,Δp
ref(k+1),Δq
ref(k+1),分别为第k个时刻的有功功率指令p
ref和无功功率指令q
ref相对上一个时刻的变化量。
本实施例中通过模型预测控制器执行式(8)所示的网侧的功率电压增量状态方程,降低了对参数的敏感性。本实施例中,式(8)所示的模型预测控制器的推导过程如下:
首先,建立此时水电系统网侧功率状态方程:
上式中,Rg为网侧线路电阻;Lg为网侧电感分量p、q分别为有功功率和无功功率;
u
gα、u
gβ分别为网侧αβ轴电压;
分别为电网αβ轴电压为常数。
然后,与机侧控制方法一样设计fsα(k)、fsβ(k)为受参数扰动所导致的αβ轴电压偏移量:
上式中,p(k-1)、q(k-1)分别为k-1时刻电机发出有功功率和无功功率,p(k)、q(k)分别为k时刻电机发出有功功率和无功功率。
最后,把上式合并则可以得出最终αβ轴指令电压的计算式:
上式中各个符号的变量参见式(8)~式(11)。根据式(12)可以推导得到,步骤S1)中通过模型预测控制器计算α,β轴指令电压ugαref和ugβref的函数表达式如式(8)所示。
参见图1,本实施例步骤S1)中还包括实时计算生成有功功率指令pref的步骤:获取直流母线电压udc以及机组控制器给定直流母线电压udcref,计算直流母线电压udc以及机组控制器给定直流母线电压udcref之间的差值,并将计算得到的差值通过PI控制器计算得到有功功率指令pref。
本实施例中,步骤S2)的详细步骤包括:
S2.1)根据α,β轴指令电压ugαref和ugβref计算网侧电压矢量角φg;
S2.2)根据网侧电压矢量角φg对网侧变流器的开关矢量进行初次筛选,将八个电压矢量缩小范围至三个开关矢量,所述三个开关矢量包括离α,β轴指令电压ugαref和ugβref所组成电压矢量最近的两个开关矢量以及零矢量。如图3所示,本实施例中根据电压矢量角对开关矢量进行初次筛选将八个电压矢量缩小范围至三个开关矢量,分别包括010,110,000,即离电压适量最近的两个开关矢量以及零矢量,大大减少遍历算法的计算量。
本实施例中,步骤S2.1)中计算网侧电压矢量角φg的函数表达式为:
φg=atan(ugαref(k),ugβref(k)) (13)
上式中,atan为反正切函数,ugαref(k)和ugβref(k)分别为第k个时刻的α,β轴指令电压。
本实施例中,步骤3)中预设的评价函数的函数表达式为:
上式中,C
g为预设的预测控制评价函数,u
gαref(k)和u
gβref(k)分别为第k个时刻的α,β轴指令电压,S
s表示开关切换次数,λ表示权重系数,
分别为第k个时刻的实际d,q轴电压。把初次筛选得到的三个开关矢量代入式(14)使得评价函数值最小的即为下一时刻的最优电压矢量。
本实施例变频水力发电系统模型预测电流控制方法能够实现对发电机进行变速恒频调节,提高了系统的发电质量和效率,且其结构紧凑,体积小,可靠性和系统效率高。本实施例变频水力发电系统模型预测电流控制方法所针对的变频水力发电系统所采用的发电机为永磁同步发电机或者励磁电流固定的同步发电机,控制方法包括机侧变流器和网侧变流器。机侧控制方法目的是控制水轮发电机获取水能,网侧控制方法目的是实现功率控制和稳定直流母线电压。本实施例变频水力发电系统模型预测电流控制方法推导了机侧的电流电压增量状态方程和网侧的功率电压增量状态方程,通过对应的指令生成方法,降低了对参数的敏感性,最终采用三个矢量进行控制,因此可去除多余的SVPWM模块,且减少了计算量。综上所述,本实施例变频水力发电系统模型预测电流控制方法考虑了变流器、发电机以及电网模型,适合水利发电系统各种工况下高性能控制。
此外,本实施例还提供一种变频水力发电系统模型预测电流控制系统,包括计算机设备,该计算机设备被编程或配置以执行所述变频水力发电系统模型预测电流控制方法的步骤,或者该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述变频水力发电系统模型预测电流控制方法的计算机程序。
此外,本实施例还提供一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述变频水力发电系统模型预测电流控制方法的计算机程序。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。