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双馈风力发电系统能量成型控制策略研究

宋蕙慧  
【摘要】:风力发电作为一种清洁的电力供应形式,对优化我国能源结构,实施低碳经济战略具有重要意义。在各种风力发电系统中,双馈感应风力发电系统以其变频器所需容量小、调速范围大、有功无功功率独立调节等优势成为大型机的主流。鉴于双馈风力发电系统多变量、强耦合、非线性的特点,应用现代控制理论为系统寻求新型的先进控制方法以改善系统运行性能、提高发电质量,正受到广泛关注。本文即是以新型鲁棒非线性控制方法对双馈风力发电系统的机侧和网侧控制环节展开研究。 本文基于能量成型的新观点,充分结合风力发电系统动态能量转换的物理本质,转变现阶段控制方法单纯将系统作为由输入转化为输出的信号处理装置的控制理念。打破目前将风力发电系统视为发电的有源系统这一思维定势,将风能视为风力发电系统的输入能量,提出风力发电系统是具有耗散性的无源系统,应用无源性理论对风力发电系统的能量存储、消耗、传递过程进行描述,进而应用能量成型理论研究风力发电系统控制策略。主要研究内容包括:双馈风力发电系统新型建模方法研究、反馈互联方式下新型能量成型控制方法理论研究、基于能量成型理论的双馈风力发电系统机侧与网侧控制策略研究和基于能量成型理论的双馈风力发电系统联合控制策略研究四部分。 应用端口受控哈密顿方法对双馈风力发电系统建模是依据能量流动过程为系统建模的全新方式。鉴于双馈风力发电系统的复杂性,提出按系统储能元件将整体系统划分为机械、电磁、直流、网端四个能量子系统。针对子系统具有的能量,确定能量函数。选取子系统端口变量,确定子系统间的互联结构。并根据端口变量,设计各子系统端口受控哈密顿结构。在子系统端口受控哈密顿模型基础上,进一步设计得到双馈风力发电系统机侧和网侧的端口受控哈密顿模型。该模型的建立为系统机侧和网侧能量成型控制策略的设计奠定基础。模型物理意义明确,符合风力发电系统能量转换的本质规律,使控制策略的设计过程更为清晰直观。 鉴于所设计的双馈风力发电系统内部子系统间以反馈互联方式进行级联,研究了反馈互联方式下能量成型理论以及现有能量成型控制方法的优势与不足。归纳了端口受控哈密顿系统反馈互联后会具有实现系统维数扩展和实现对受控系统的能量成型控制的两个有利特性。从而,提出一种新型能量成型控制方法,并称其为“能量控制法”。该方法可破除现有方法对控制器结构及端口变量的形式约束;无需引入卡什米尔函数;能对能量匹配方程中目前缺乏物理意义的J a、Ra两个矩阵提供相应的物理解释,并由此可制定对J a、Ra的设计原则。 基于所提出的双馈风力发电系统机侧和网侧端口受控哈密顿模型和新型能量成型控制方法,以控制目标分析、期望平衡点设定、能量匹配方程求解的路线分别为双馈风力发电系统机侧变换器和网侧变换器设计了基于能量的非线性鲁棒控制策略。仿真结果表明,在随机扰动风速下,基于能量的机侧控制可实现对风能的最大捕获,基于能量的网侧控制可快速稳定直流母线电压并有效确保单位功率因数。与经典PI控制策略下系统机侧和网侧的控制性能进行对比分析,能量控制策略具有更好的鲁棒性和快速收敛性,更适于非线性、多扰动的双馈风力发电系统。 双馈风力发电系统机侧和网侧独立控制会引起两侧瞬时能量差异而导致直流环节电压存在较大波动。为克服这一弊端,从能量传递角度,认为机侧和网侧变换器是具有能量关联、协调配合的整体。因此提出:在整流和逆变过程中相互融入对方的控制信息,匹配整流和逆变过程的能量,来增强机侧和网侧能量提取与供给的协调配合程度。在已设计的机侧和网侧端口受控哈密顿模型基础上,建立双馈风力发电系统整体八维端口受控哈密顿模型,并根据整体模型设计了基于能量的系统机网侧联合控制策略。通过与基于能量的机侧和网侧独立控制进行比较,联合控制策略在实现系统机侧和网侧控制目标的同时,还能更为有效地抑制直流电压波动,更及时地响应风速变化。 本文较为全面地研究了双馈风力发电系统的端口受控哈密顿建模方法和能量成型控制策略。着重关注系统的物理属性而非数学属性,紧密结合系统的能量流动过程,发挥能量成型控制策略非线性动态好、鲁棒性强的优势从而更符合风力发电系统非线性、多扰动性质的要求。此种新型控制策略的提出,将为大型双馈风电机组鲁棒非线性控制器的设计提供理论依据,并对改变我国缺乏自主知识产权的高性能风力发电控制系统现状具有重要意义。


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