双馈感应风力发电系统基于能量的机网侧联合控制算法技术方案

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。本发明专利技术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。本发明专利技术物理意义清晰，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属风力发电控制
，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。
技术介绍
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 ；0.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 onlndustry 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 onlndustry 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，本专利技术提出一种 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。
技术实现思路
本专利技术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。本算法专利技术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。本专利技术有以下有益效果1、本专利技术以基于能量的观点，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、本专利技术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、本专利技术控制器不是只 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。附图说明图1为本专利技术对双馈感应风力发电系统的子系统划分示意图。图2为本专利技术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)为网本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曲延滨，宋蕙慧，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]