电励磁同步风力发电机输出电压DL-H∞控制

电气传动2015年第45卷第1期ELECTRICDRIVE2015VO145NO1电励磁同步风力发电机输出电压DLH控制李帅兵，董海鹰，李晓青1兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070；2兰州工业学院电气工程学院，甘肃兰州730050摘要针对前端调速式电励磁同步风力发电机励磁系统的快速性、时变性等特点，提出了一种基于H控制的同步风力发电机输出电压的DLH控制方法。在该方法中，采用了简化的无刷励磁系统结构，建立了系统数学模型，设计了用于励磁控制的内环H励磁控制器；针对快速励磁引起发电机振荡和失步等问题，设计了保证同步风力发电机并联稳定运行的外环H电力系统稳定器，有效解决了同步发电机快速励磁和暂态稳定之间的矛盾。仿真结果表明，基于H理论的同步风力发电机输出电压DLH控制在快速性和稳态性能上优于单一H励磁控制。关键词电压控制；DLH控制；电力系统稳定器；前端调速式风电机组；暂态稳定性中图分类号TM614文献标识码AVOLTAGECONTROLOFELECTRICALLYEXCITEDSYNCHRONOUSWINDGENERATORVIADLHSTRATEGYLISHUAIBING，DONGHAIYING，LIXIAOQING21SCHOOLOFAUTOMATIONELECTRICALENGINEERING，LANZHOUJIAOTONGUNIVERSITYLANZHOU730070，GANSU，CHINA；2DEPARTMENTOFELECTRICALENGINEERING，LANZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY,LANZHOU730050，GANSU，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSLIKERAPIDITY，TIMEVARIABILITYOFFRONTENDSPEEDCONTROLLEDWINDTURBINEFSCWTWITHDIRECTLYGRIDCONNECTEDANDELECTRICALLYEXCITEDSYNCHRONOUSGENERATOREESG，ADLHCONTROLAPPROACHWASPROPOSEDINWHICH，ASIMPLIFIEDSTRUCTUREOFBRUSBLESSEXCITATIONSYSTEMWASUSEDFORTHEINNERLOOP，FIRSTHEXCITATIONCONTROLLERWASDESIGNEDFORREALIZINGAFASTEXCITATIONCONTRO1THESECONDHPOWERSYSTEMSTABILIZERPSSWASDESIGNEDFORTHEPURPOSEOFELIMINATINGTHEOSCILLATIONANDDESYNCHRONIZATIONOFGENERATORMAYCAUSEBYFASTEXCITATIONTOIMPROVETHESYSTEMTRANSIENTSTABILITY，WHICHENSUREDTHEGENERATORWITHASTABLEOPERATIONINGRIDCONNECTINGANDEFFECTIVELYSOLVEDTHECONTRADICTIONBETWEENFASTEXCITATIONANDTRANSIENTSTABILITYSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEDOUBLELOOPHCONTROLAPPROACHISMOREEFFECTIVETHANTHESINGLEHEXCITATIONCONTROLINVOLTAGEANDREACTIVEPOWERCONTROLOFFSCWTKEYWORDSVOLTAGECONTROL；DOUBLELOOPHDLHCONTROL；POWERSYSTEMSTABILIZERPSS；FRONTENDSPEEDCONTROLLEDWINDTURBINEFSCWT；TRANSIENTSTABILITY随着我国并网风电容量在整个电力系统中所占比例逐年增大，大规模风电场并网对电力系统稳定性有着直接影响。电压控制对于提高电力系统的稳定性、维持系统电压平和传输损耗最小化具有重要意义N。常规双馈异步风力发电机和永磁直驱同步风力发电机存在低电压穿越能力差、无功输出能力不足等问题，很难满足我国对大规模风电并网越来越高的并网要求叫。前端调速式风电机组由于采用了液力变距调速和直接并网型电励磁同步发电机，因此具有低电压穿越和无功输出能力强、电能品质好等优点，从根本上提高了风机并网运行的稳定性和可靠性，前端调速式风力发电机结构框图如图1所示。基金项目国家863计划一前端调速式风电机组设计制造技术2OL2AA052901作者简介李帅兵1989一，男，硕士研究生，EMAILLISHUAIBINGL105163COM64李帅兵，等电励磁同步风力发电机输出电压DLH控制电气传动2015年第45卷第1期图1前端调速式风电机组结构FIG1STRUCTUREOFFSCWT对于前端调速式风力发电机，其输出电压的控制可以通过励磁控制实现。本文针对励磁系统的结构建立了机组电压控制模型，设计了用于输出电压控制的H励磁控制器，并在此基础上，将机组等效为单机无穷大系统模型，设计了保证机组并网稳定运行的H电力系统稳定器。1系统模型的建立本文研究的电励磁同步风力发电机采用的无刷励磁系统如图2所示，该励磁系统由永磁同步电机和全控整流电路构成，通过励磁控制器控制励磁电流大小，调节发电机无功功率和电压。图2励磁系玩结构FIG2STRUCTUREDIAGRAMOFEXCITATIONSYSTEM同步电机的电压方程为F1，一R一PLVQ一RIGP09。VFPF1L0PRDID10P式中和I分别为直轴和交轴电流；和IQ分别为直、交轴阻尼绕组电流；FF为励磁电流；R。为定子电阻；尺D为阻尼绕组电阻；F为励磁绕组电阻；和为直、交轴总磁链；和为阻尼绕组直、交轴总磁链；为励磁绕组总磁链；P为微分算子DDT；。为磁链转速对应的定子电度角时间导数。同步发电机功率方程为PEG一XAIDRF；2忽略阻尼绕组作用、定子绕组暂态作用及转速变化的影响，得到简化的PARK方程式中PE为同步发电机电磁转矩；为交轴暂态电动势；，分别为直、交轴电抗；为直轴暂态电抗。PWM整流器的D，口坐标轴下的数学模型为】U一RSISDR1IDDT4I。GG式中为磁链；CO为转子角速度。为解决三相PWM整流器的D，Q轴分量相互耦合问题，采用前馈解耦控制N”。设G为电流调节器的传递函数，ISDLS为F和F给定值，“和的控制方程为二二ISQC麓O薯一GF一一或。蒜甜豳将测量环节等效为小惯性环节并与电流环和PWM环节合并，得到DT一17R3。3考虑到E材RF，代人上式得EFT一毒V考虑励磁对系统稳定性的影响，结合同步发电机的摆动方程】，可得电励磁同步发电机低频振荡的矩阵方程为GX9其中G一KD2HK12H200一K|T帕0一KAK5RAFACB一K2H0001一1TDOKAK6FTA一1TAAEJK11T帕一CT帕，”一_H_AD,XLX一XL71E一E一R、2DLH。控制器设计4一一Q一LN。住L巾命汉LVD一IDXQIG321励磁控制器设计V一R。IQE考虑如图3所示系统，其中，P为电压偏差，65电气传动2015年第45卷第1期李帅兵，等电励磁同步风力发电机输出电压DLH控制为控制量，W为扰动，分别为灵敏度函数S、输入灵敏度函数R和补灵敏度函数的加权函数，为将要设计的控制器，P是线性时不变广义受控对象。图3具有加权函数的标准反馈结构FIG3STANDARDFEEDBACKSTRUCTUREWITHWEIGHTEDFUNCTIONS广义控制对象P为曼LB2PLC1D11JL2I10IC2D2LJ22I其状态空间描述为1B2UZCIDLJDI211LC2J21D22“式中为N维状态变量；为R维信号向量；为P维控制向量；Z和是期望输出和测量输出。从到Z的闭环传递函数为，LFTP，P11P12XIP22G21H标准设计问题是对于给定的广义被控对象P，判断是否存在控制器具有给定的H性能，使得闭环系统内部稳定，且的无穷范数小于L。对于式9所示广义被控对象，基于求解线性矩阵不等式的H标准设计问题是设计具有以下状态空间实现的输出反馈H控制器US，使得从COUZ的输出有界。内环控制结构框图如图4所示，系统以发电机端电压和励磁电压为反馈信号与给定电压相比较，并将差值送入H控制器进行调节励磁系统输出电流，进而调节发电机的输出电压。图4内环控制器结构框图FIG4THESTRUCTUREDIAAMOFINNERLOOP在式3中，令E，则含励磁系统的同步发电机的系统方程为JXAPBPLLBP212LYCPE66其中XRDEQETE“QIITLUDIFIF300API，一1000BP、000L，L一。一1I_一十一0000”一LLTQO曰KPWMXDY100。IT带人参数进行控制器设计，选取加权函数，分别为002S50010105002S10S80参照线性矩阵不等式LMI的求解方法，求解式11，得到控制器338479939L831561S0981607692“A一1707E005S2292S1197S00315322电力系统稳定器设计在本文中，为同时考虑受控对象的不确定性和抑制干扰，将PSS设计问题归结为混合灵敏度问题】。在单机无穷大系统中以AO9为输入，以为输出，如图5所示，得到由H方法设计的PSS。系统变量为ACOA6EF系统输入为控制器输出甜，输出为系统角度增量，由式9系统的状态方程和输出方程为F圣A丹YCXDSU13其中B000JRC100ORA一KD2HK12HK22H2000一K4RK一1K310一KAK5FTAKAK6AD0，一一0一NG，L一。李帅兵，等电励磁同步风力发电机输出电压DLH控制电气传动2015年第45卷第L期图5含HPSS的励磁系统结构FIG5THESTRUCTUREOFEXCITATIONSYSTEMINCLUDINGHMPSS通过将参数带人式13，求得矩阵A的特征根为1一00205J533942一174215_J5O0488由于弱阻尼极点一00205J53394在虚轴附近，当系统故障时运行点发生变化会导致系统失稳，将其配置为一222J53394，因此选取，222J53394222353394S00205J53394S00205J53394一S444S33438S0053S2851035OS46S88O考虑电力系统低频振荡频率分布为072HZ，选取00002S0O1O5S1。通过求解方程得到一个18阶控制器，将其降阶为一个零极点稳定的3阶控制器五，6246S一8978S一17860A一2S1246S2862S35563仿真分析图6给出了系统侧故障时不同电压跌落情况下机组的定子电压和无功功率。从图6中可以看出，采用H励磁控制的同步发电机输出电压在无功补偿作用下能迅速恢复稳定，并且在加入保持系统暂态稳定的HPSS后，发电机输出电压和无功功率相对仅采用H励磁控制器更加平稳。趔10110051012345678910TFSA】电压跌落20,4时的发电机定子电压OL2345678910珧C电压跌落40时的发电机定子电压理N鬯B电压跌落20时的发电机输出无功功率D电压跌落40时的发电机输出无功功率图6机械功率变化时发电机的输出电压和无功功率FIG6OUTPUTVOLTAGEANDREACTIVEPOWERCURVESWITHINPUTMECHANICALPOWERVARIOUS为验证加入HPSS对系统暂态性能的影响，在1S时分别设置三相短路故障，故障持续120MS，从图7A可以看出，当系统发生短路故障时，励磁系统能够快速响应，输出无功功率，对电力系统进行无功补偿。在故障清除后，机组输出电压能快速恢复稳定，发电机转速恢复平稳运行状态，如图7B所示。相对于单一的H励磁控制，采用HPSS和H励磁控制双重控制保证了系统的暂态稳定，又能使系统在故障发生时快速响应，故障清除后快速恢复稳定。遥疽0051152253354455TA三相短路时的发电机输出无功功率0051152253354455T旭B三相短路时的发电机定子电压图7HPSS和H励磁控制器作用下的机组暂态输出响应FIG7TRANSIENTRESPONSEOFFSCWTWITHHPSSANDHEXCITATIONUSED4结论随着大规模风电场接入电网，风电机组输出稳定的电压对于电力系统的稳定运行具有重要影响。当电力系统运行条件的改变，同步风力发电机励磁系统参数会相应发生变化，模型的近似导致实际控制对象模型的不确定性，使得系统难以在较宽的范围内得到理想的控制效果。基于H控制理论设计的励磁控制器和电力系统稳定器将电力系统的高度非线性作为不确定因素纳入控制器设计，因而具有良好的鲁棒性，在有效控制机组输出电压的同时提高了系统的稳定性。充分体现了双环H控制在快速励磁系统中实现电压和无功功率控制的有效性。参考文献1PRABHAKUNDUR，NEALJBALUPOWERSYSTEMSTABILITYANDCONTROLM3NEWYORKMCGRAWHILLPROFESSIONAL，INC，19942SIMONDER0CKE，HAKANERGUNGRIDIMPACTOFVOLTAGECONTROLANDREACTIVEPOWERSUPPOBYWINDTURBINESEQUIPPEDWITHDIRECTDRIVESYNCHRONOUSMACHINESJIEEETRANSAC一67。0。L1LO一鉴电气传动2015年第45卷第1期李帅兵，等电励磁同步风力发电机输出电压DLH控制TIONSONSUSTAINABLEENERGY，2012，348908983曹娜，赵海翔，戴慧珠常用风电机组并网运行时的无功与电压分析J电网技术，2006，3022919414JSAMIRADIB，BRAHIMFERDIPMSGWINDTURBINEENERGYSYSTEMBASEDDYNAMICVOLTAGERESTORERFORVOLTAGESASWELLMITIGATIONLJJEUROPEANJOURNALOFSCIENTIFICRESEARCH，201L，55455956815LBALDUINOCEZARRABELO，WILFFIEDHOFMANNREACTIVEPOWERCONTROLDESIGNINDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORSFORWINDTURBINESLJJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS，2009，561041544162【6JANDREASBESTECKWINDRIVEVARIABLESPEEDWINDTURBINESWITHOUTCONVERTERWITHSYNCHRONOUSGENERATORR2009【7JUWEREIMESCHACONVERTERLESSDRIVETRAINCONCEPTFORGRIDFRIENDLYWINDTURBINESLRJGMSALESOFVOITHTURBOWIND，201018JEMILEMOUNI，SLIMTANAISYNCHRONOUSGENERATOROUTPUTVOLTAGECONTROLVIAAGENERALIZEDPREDICTIVERSTCONTROLLERLCJIEEEINTERNATIONALSYMPOSIUMONINDUSTRIALELECTRONICS，CAMBRIDGE，20087187239JSEBASTIANROSADO，MAXIANGFEIMODELBASEDDIGITALGENERATORCONTROLUNITFORAVARIABLEFREQUENCYSYNCHRONOUSGENERATORWITHBRUSHLESSEXCITERLJIEEETRANSACTIONSONENERGYCONVERSION，2008，2314252110JGFIRANANDERSSONDYNAMICANDCONTROLOFELECTRICPOWERSYSTENLMJETHZURICH2012MARIANPKAZMIERKOWSKI，LUIGIMALESANICURRENTCONTROLTECHNIQUESFORTHREEPHASEVOLTAGESOURCEPWMCONVERTERSASURVEYLJJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRYELECTRONICS1998，45569L一703KEMINZHOU，JOHNCDOYLEESSENTIALSOFROBUSTCONTROLLMJPRENTICEHAL11STEDITIONNEWJERSEY1997MARKUSPOLLERGRIDCOMPATIBILITYOFWINDGENERATORSWITHHYDRODYNAMICALLYCONTROLLEDGEARBOXWITHGERMANGRIDCODESFRFVOITHTURBOWINDGMBHCOKG2008TOMONOBUSENJYU，TAKAHIROLMIAPPROACHBASEDEXCITATIONHCONTROLLERDESIGNFORDAMPINGOFPOWERSYSTEMOSCILLATIONSANDCONTROLOFTERMINALVOLTAGECTRANSMISSIONANDDISTRIBUTIONCONFERENCEANDEXHIBITION，YOKOHAMA，JAPAN，2OO2L573一L578ZHUCHUANJIANG，MUSTAFAKHAMMASHROBUSTPOWERSYSTEMSTABILIZERDESIGNUSINGHLOOPSHAPINGAPPROACHJIEEETRANSACTIONSONPOWERSYSTEMS，2003，182810818BARAKATA，TNANISOUTPUTVOLTAGECONTROLOFSYNCHRONOUSGENERATORUSINGDIODEANDTHYRISTOREXCITATIONSTRUCTURESCOMBINEDWITHMULTIVARIABLEHCONTROLLERS【JJ1ETELECTRICPOWERAPPLICATIONS，2012，64203213收稿日期20140110修改稿日期20140604M一1MI，上接第48页保持一致；图8C为输出相电流I、飞跨电容电压以及上下母线电容电压“可以看出在低开关频率下，依然保持着较高的正弦度的电压