一种双馈风力发电系统故障穿越的控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种双馈风力发电系统故障穿越的控制方法，其中，包括：S1，求解预设鲁棒H∞控制模型，获取所述转子侧换流器励磁电压控制信号，其中，所述预设鲁棒H∞控制模型的目标为最大化故障期间所述风力发电系统的干扰抑制效果和提升动态响应性能；S2，根据转子侧换流器励磁电压控制信号，对换流器开断进行控制，以实现对双馈风力发电系统的故障穿越控制。基于ISS理论更新被控对象数学模型，使得受控系统的稳定性具有理论保证。本发明专利技术将基于SDRE技术对双馈风力发电系统进行鲁棒控制，提升双馈风力发电系统的故障穿越能力。

【技术实现步骤摘要】
一种双馈风力发电系统故障穿越的控制方法
本专利技术属于电力系统控制
，具体涉及一种双馈风力发电系统故障穿越的控制方法。
技术介绍
由于化石能源的枯竭和环境污染问题凸显，大力发展可再生能源发电技术已成为世界共识。其中，风力发电系统是近年来发展最迅速的可再生能源发电技术。双馈风机(DoublyFedInductionGenerater，DFIG)作为最重要的风力发电机之一，具有尺寸更小，成本更低，控制灵活等优点,并广泛应用于实际应用。然而伴随着双馈风力发电机组的大量投运，其对电网波动敏感的特点可能对整个电力系统的稳定性产生不利影响。因此，许多国家的电网规范提供了双馈风力发电系统在电网故障时的技术规定，不仅要求风力发电系统在故障期间连续运行，还要为系统提供功率支撑。一种有效提高双馈风机故障穿越(FaultRideThrough，FRT)能力的方法是外加动态无功功率补偿器(例如静态同步补偿器(STATCOM))，可以通过利用静态无功补偿器(SVC))以提供瞬态无功功率支持。然而，出于经济性的考虑，很多双馈风力发电系统并未安装无功补偿装置。为了克服此问题，需要设计相应故障穿越控制策略以充分利用DFIG自身的无功功率调节能力。传统的PID控制器因其具有简单、可靠等特性，已被广泛应用于双馈风机功率解耦控制中。但是，PID控制器通常是基于线性化系统模型设计的，在严重故障情况下，无法保证系统的稳定性和良好的动态响应性能。鲁棒H∞控制方法已广泛应用于电力系统中以获得良好的干扰抑制效果和动态响应性能。对于非线性系统的鲁棒H∞控制，通常需求解Hamilton-Jacobi-Issacs(HJI)偏微分方程以获得相应的控制律。然而，对于非线性形式的HJI不等式尚无一般性解法，为该理论的应用带来一定困难。状态相关Riccati方程(SDRE)技术因其简单、有效，已在非线性控制领域受到广泛关注。SDRE技术将所研究系统的非线性动态分解为状态向量和状态相关矩阵值函数的乘积，使得所研究系统得以继承线性系统特征，并同时保留原有的非线性特征。由于状态相关系数(SDC)矩阵的非唯一性，SDRE技术为进一步优化控制性能提供了额外的自由度。目前，有必要提升双馈风力发电系统的故障穿越能力。
技术实现思路
为克服现有技术中的问题，本专利技术的目的在于提供一种双馈风力发电系统故障穿越的控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，包括以下步骤：S1，通过求解预设鲁棒H∞控制模型，获取转子侧换流器励磁电压控制信号，其中，所述预设鲁棒H∞控制模型的目标函数为最大化故障期间风力发电系统的干扰抑制效果和动态响应性能；S2，根据转子侧换流器励磁电压控制信号，对换流器开断进行控制，以实现对双馈风力发电系统的故障穿越控制。本专利技术进一步的改进在于，预设鲁棒H∞控制模型的表达式如下：其中，u表示控制输入，d表示外部干扰，x是系统状态，且xe表示相对于某一操作条件的平衡点，z是调节输出，h和k是光滑映射，γ为扰动到输出的增益；对于双馈风风力发电系统，双馈风风力发电系统详细的五阶动态方程的表达式如下：其中，s，H分别为转子转差率和总惯量常数，Ps，Pm分别为电功率及机械功率，ωs为同步转子转速，Vds，Vqs分别为定子电压在d/q轴的分量，T′为转子电流时间常数，X，X′分别为定、转子暂态电抗，Rr为转子电阻，E′d，E′q分别为暂态电抗上面的电压在d/q轴的分量，Ids，Iqs分别为定子电流在d/q轴的分量，Vdr，Vqr分别为定子电压在d/q轴的分量；将双馈风机五阶动态方程的平衡点平移至原点，得到预设鲁棒H∞控制模型中的动态方程，表达式如下：本专利技术进一步的改进在于，将求解鲁棒H∞控制模型转化为求解以下的HJI方程：其中Q和R是控制目标中的权重矩阵。本专利技术进一步的改进在于，先构造双馈风力发电系统ISS-Lyapunov函数，并设计参数化的ISS控制器以镇定双馈风力发电系统，再将HJI方程将转化为状态相关Riccati不等式；Riccati不等式通过Matlab中的线性矩阵不等式工具求解。本专利技术进一步的改进在于，为保证系统逐点满足稳定性和可控性，进行如下定义：定义1考虑如下的仿射非线性系统：如果以下不等式成立：则上述仿射非线性系统是输入-状态稳定的；其中x∈Rn，d∈Rp，f：Rn→Rn，g：Rn→Rn×p，|·|分别表示欧几里得范数，||·||∞表示(本质)上确界；β和γ是比较函数，比较函数的定义如下：函数函数函数定义2如果对于如下含有外部扰动的受控非线性系统：若存在正定的且径向无界的函数V，使得对于所有x≠0，以下条件成立：则受控非线性系统为可输入-状态稳定的系统，即存在某一控制律u＝k(x)，使得受控系统满足输入-状态稳定的定义2；其中，ρ是比较函数，V称为ISS控制Lyapunov函数；采用参数化的ISS控制器以保证受控系统的稳定性和可控性，相应参数化的ISS控制器表达式如下：其中，ξ与正交，β在的范围内，V是系统的ISS-CLF，参数化的ISS控制器提供了相对于某些约束选择控制参数的自由度，所以更新后的双馈风力发电机模型重新制定为以下形式：令ξ表示为它垂直于其中kε∈Rn；用ISS控制器实现的双馈风力发电机新的动态模型表示为如下仿射非线性系统：其中，g3(x)为矩阵g2(x)和由所构成的矩阵的乘积组成；v表示新控制输入，其形式为[v1v2]T＝[βkε]T；新的鲁棒H∞控制模型的表达式如下：本专利技术进一步的改进在于，基于SDRE技术对双馈风力风机模型进行扩展线性化：其中，f(x)和h(x)为连续可微函数，并且B1(x)，B2(x)，D(x)∈C0(Ω)，Ω表示系统状态变量的定义域；A(x)和C(x)称为状态相关系数，表达式如下：对于多维系统而言，存在无限个SDC分解；对于具有多个变量的非线性系统，若存在两个不相关的SDC矩阵，则非线性函数的无限个SDC参数化由以下超平面表示：A(α，x)＝αA1(x)+(1-α)A2(x)选择最优SDC分解的方法是最大化受控系统的逐点可控性，具体为采用Gramian奇异值度量受控系统的可控性；可控性Gramian的定义如下：其中是和的解；考虑无限时间尺度H∞控制问题，并且初始时间ti为0；令σmin(P)表示矩阵P的最小奇异值，σmin(P)的值越大表明系统的可控性越强；基于搜索算法，寻求使σmin(P)值最大的向量α，以获得最优的SDC分解。本专利技术进一步的改进在于，基于SDRE技术对所述双馈风力风机发电系统进行扩展线性化，得到如下的线性结构：通过选择调节输出z，鲁棒H∞控制为状态波动和控制效果之间的权衡提供了额外的自由度；调节输出z按以下形式选择；其中，Q＝CTC和R＝KTK是正定对称矩阵，而且||z(t)||2＝zT(t)z(t)＝xTQx+vTRv。本专利技术进一步的改进在于，鲁棒控制的控制目标是降低外部干扰对系统动态特性和转子电流的影响；由于转子过电流通常发生在严重电网故障的初始故障期，所以控制目标在暂态过程中分为以下两个阶段；故障初期的目标是抑制转子过电流，以保证DFIG的不间断运行；DFIG的转子电流的表达式如下：加权矩阵的选择如下：其中CS1和KS1表示第一阶段的加权矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过求解预设鲁棒H∞控制模型，获取转子侧换流器励磁电压控制信号，其中，所述预设鲁棒H∞控制模型的目标函数为最大化故障期间风力发电系统的干扰抑制效果和动态响应性能；S2，根据转子侧换流器励磁电压控制信号，对换流器开断进行控制，以实现对双馈风力发电系统的故障穿越控制。

【技术特征摘要】
1.一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过求解预设鲁棒H∞控制模型，获取转子侧换流器励磁电压控制信号，其中，所述预设鲁棒H∞控制模型的目标函数为最大化故障期间风力发电系统的干扰抑制效果和动态响应性能；S2，根据转子侧换流器励磁电压控制信号，对换流器开断进行控制，以实现对双馈风力发电系统的故障穿越控制。2.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，其特征在于，预设鲁棒H∞控制模型的表达式如下：其中，u表示控制输入，d表示外部干扰，x是系统状态，且xe表示相对于某一操作条件的平衡点，z是调节输出，h和k是光滑映射，γ为扰动到输出的增益；对于双馈风风力发电系统，双馈风风力发电系统详细的五阶动态方程的表达式如下：其中，s，H分别为转子转差率和总惯量常数，Ps，Pm分别为电功率及机械功率，ωs为同步转子转速，Vds，Vqs分别为定子电压在d/q轴的分量，T′为转子电流时间常数，X，X′分别为定、转子暂态电抗，Rr为转子电阻，E′d，E′q分别为暂态电抗上面的电压在d/q轴的分量，Ids，Iqs分别为定子电流在d/q轴的分量，Vdr，Vqr分别为定子电压在d/q轴的分量；将双馈风机五阶动态方程的平衡点平移至原点，得到预设鲁棒H∞控制模型中的动态方程，表达式如下：3.根据权利要求2所述的一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，其特征在于，将求解鲁棒H∞控制模型转化为求解以下的HJI方程：其中Q和R是控制目标中的权重矩阵。4.根据权利要求3所述的一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，其特征在于，先构造双馈风力发电系统ISS-Lyapunov函数，并设计参数化的ISS控制器以镇定双馈风力发电系统，再将HJI方程将转化为状态相关Riccati不等式；Riccati不等式通过Matlab中的线性矩阵不等式工具求解。5.根据权利要求4所述的一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，其特征在于，为保证系统逐点满足稳定性和可控性，进行如下定义：定义1考虑如下的仿射非线性系统：如果以下不等式成立：则上述仿射非线性系统是输入-状态稳定的；其中x∈Rn，d∈Rp，f：Rn→Rn，g：Rn→Rn×p，|·|分别表示欧几里得范数，||·||∞表示(本质)上确界；β和γ是比较函数，比较函数的定义如下：函数函数函数定义2如果对于如下含有外部扰动的受控非线性系统：若存在正定的且径向无界的函数V，使得对于所有x≠0，以下条件成立：则受控非线性系统为可输入-状态稳定的系统，即存在某一控制律u＝k(x)，使得受控系统满足输入-状态稳定的定义2；其中，ρ是比较函数，V称为ISS控制Lyapunov函数；采用参数化的ISS控制器以保证受控系统的稳定性和可控性，相应参数化的ISS控制器表达式如下：其中，ξ与正交，β在的范围内，V是系统的ISS-CLF，参数化的ISS控制器提供了相对于某些约束选择控制参数的自由度，所以更新后的双馈风力发电机模型重新制定为以下形式：令ξ表示为它垂直于其中kε∈Rn；用ISS控制器实现的双馈风力发电机新的动态模型表示为如下仿射非线性系统：其中，g3(x)为矩阵g2(x)和由所构成的矩阵的乘积组成；v表示新控制输入，其形式为[v1v2]T＝[βkε]T；新的鲁棒H∞控制模型的表达式如下：6.根据权利要求5所说的一种双馈风力发电系统故障穿越控制方法，其特征在于，基于SDRE技术对双馈风力风机模型进行扩展线性化：其中，f(x)和h(x)为连续可微函数，并且B1(x)，B2(x)，D(x)∈C0(Ω)，Ω表示系统状态变量的定义域；A(x)和C(x)称为状态相关系数，表达式如下：对于多维系统而言，存在无限个SDC分解；对于具有多个变量的非线性系统，若存在两个不相关的SDC矩阵，则非线性函数的无限个SDC参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦博宇，方铖，孙浩原，李景，谢鹏浩，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61