基于逆系统内模算法的双馈风力发电系统解耦控制

2014NO2文章编号1004289X201402002506基于逆系统内模算法的双馈风力发电系统解耦控制安友彬，李春茂，张祖杰，李坤西南交通大学电气工程学院，四川成都610031摘要应用多变量非线性控制的逆系统方法，将双馈风力发电机这一多变量、非线性、强耦合系统精确解耦成有功和无功两个一阶线性子系统。对形成的伪线性系统，引入一种改进型内模控制结构，提高了控制系统的鲁棒稳定性和高阶无静差跟踪性能。仿真结果表明，提出的基于逆系统内模控制策略成功实现了有功、无功的解耦控制和最大风能追踪控制，系统具有更高的控制精度和稳定性。关键词双馈发电机；逆系统；双口内模结构；解耦控制中图分类号TM61文献标识码BDECOUPLINGCONTROLOFDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATIONSYSTEMBASEDONINVERSESYSTEMINTERNALMODELALGORITHMANYOUBIN，LICHUNMAO，ZHANGZUJIE，LIKUNSCHOOLOFELECTRICALENGINEERING，SOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITY，CHENGDU610031，CHINAABSTRACTAPPLYINGTHEINVERSESYSTEMMETHODOFMUHIVARIABLENONLINEARCONTROL，THEDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATORPRECISELYISDECOUPLEDINTOTWOFIRSTORDERLINEARSUBSYSTEMSOFACTIVEANDREACTIVEPOWERWHICHISAMUHIVARIABLE，NONLINEARANDSTRONGCOUPLINGSYSTEMINTRODUCEAMODIFIEDINTERNALMODELCONTROLSTRUCTURETOTHEPSEUDOLINEARSYSTEM，TOIMPROVETHEROBUSTSTABILITYANDHIGHORDERNOSTATICERRORTRACKINGPERFORMANCEOFTHECONTROLSYSTEMSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEPROPOSEDINTERNALMODELCONTROLSTRATEGYBASEDONINVERSESYSTEM，HASSUCCESSFULLYREALIZEDTHEDECOUPLINGCONTROLOFACTIVEANDREACTIVEPOWERANDTHEMAXIMUMWINDPOWERTRACKINGCONTROL，THESYSTEMHASHIGHERCONTROLPRECISIONANDSTABILITYKEYWORDSDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATOR；INVERSESYSTEM；TWOPORTINTERNALMODEL；DECOUPLINGCONTROL1引言随着传统能源短缺和环境污染13益加剧，以风能为代表的可再生能源的开发利用受到很多国家的重视。变速恒频双馈风力发电系统由于运行性能优越、优点突出，成为风力发电领域广泛应用的主流机型J。双馈风力发电系统的高性能控制也成为国内外研究的热点。目前，双馈风力发电系统的控制主要有交流电机变频调速的矢量控制策略、双通道多变量反馈控制策略等J。它们大都在忽略了定子电阻情况下按照定子磁链矢量或电压矢量定向，认为定子电压与磁链矢量正交，结合电机模型推导出转子电流两个正交分量与输出有功和无功功率的关系，再在内环引人补偿电压消除转子电压方程中的交叉耦合项，最终实现转子电压对有功和无功的解耦控制。但是，由于双馈发电机动态过程转子反电势的存在，转子电压和转子电流的两个正交分量并不是完全解耦的关系J，因此通过静态电压补偿来实现有功和无功解耦控制具有局限性。故上述控制只能满足系统的稳态性能，而且由于上述控制策略在系统稳定点附近进行控制器设计，当系统运行参数变化或出现大的扰动时，系统闭环极点可能偏离稳定点而使解耦控制失败。鉴于矢量控制存在的不足，从双馈风力发电系统非线性本质出发来进行完全解耦的控制设计，提高其静态和动态性能是很有必要的。本文通过引入基于逆系统的内模控制，实现了双馈风力发电系统的精确解耦控制，提高系统鲁棒稳定性和高阶无静差跟踪性能。26电气开关2014NO22双馈发电机状态方程定子侧和转子侧都采用电动机惯例，即定、转子电流都以流人电机方向为正。由电机学理论，两相同步旋转DQ坐标系下双馈发电机数学模型为RTO1L。LMPL，U一1LSRS一LMPLLTOL一LLMTRIP一LRLRP式中、尺为定、转子绕组电阻；、为定、转子绕组自感与互感；U、“、“为定、转子电压；ISD、I、IRD、为定、转子电流；。、。、为发电机同步角速度、转差角速度和转子电角速度；，、N。分别为转动惯量与极对数；P为微分算子；TE、TM为电磁转矩和风力机输入转矩。取系统状态变量为I，I。，输入控制量U，R，U，可得双馈发电机的状态方程为R。一一，一LMU1，。2MRST，一RR一LMU21一L52，314，54一L,U13一一RS一。3一3RL。一LSU2A式中，KLL，3NZOL2J3基于系统内模算法的双馈风力发电系统控制策略31双馈发电机的逆系统模型。，图1定子电压定向坐标系关系似交流励磁双馈发电机控制目标是控制定子发出的有功、无功功率，优化发电机功率因数，维持电网稳定。因此实现双馈风力发电系统输出功率的解耦控制是发电机运行的基本要求，也是进行最大风能追踪的前提。两相同步旋转坐标系按照定子电压定向如图1所示，获得耐0，T。US。此时双馈发电机定子输出功率方程为麓从上式可见对双馈发电机定子电流D、Q轴分量IISQ进行控制，就可实现对定子输出有功功率P，和无功功率Q。的控制。可知双馈风力发电系统的输出变量为YY。，Y2P。，Q一3U2，一3USX12TO为了分析系统可逆性，根据INTERACTOR算法，计算输出YY，Y对时间的导数，直到显含输入变量UIT1，U2。Y_。，一RL4一LUSL25，一“2一RR，一ML54己MM16由式56，有AYOUI0，I1，21，2；I07R一“一如一J一32一2014NO2及AAY”ALAAU1AYAA”0U2一一C8从而有DETA一9LEMU4K。显然在不包含电压矢量U0的工作区间内，A非奇异，RANKA2。可得系统的相对阶1，1。，并知系统可逆。令YL，Y有逆系统。M咖，1，29由式5和式6解得逆系统N解析表达式为一等一L一F1O1一LLMXSX1一一，城乏一将式10所表示的逆系统H串接在原系统之前组成仅1，1阶伪线性系统如图2所示，伪线性系统的理想传递函数可表示为II图2基于逆系统的双馈风力发电系统解耦线性化32基于逆系统的改进型内模控制上文分析，将阶逆系统串联在原系统之前就会形成一个伪线性系统。设伪线性系统的传递函数为PS，内部模型为S即式11所示阶积分传函。考虑到非线性建模误差的存在、运行时参数漂移以及其他因素，形成的伪线性系统并不是理想的线性系统，PS可看成由若干线性系统组成的模型集合。在频域中可以描述为JPI_IHJWIFC。如MFIOIIC如L14证明由图3可得双口结构内模控制系统的闭环传递函数为丽将其等效为单位负反馈控制系统，则等效开环传递函数为显然，双口结构内模的等效控制器为QS将式17代入式13，化简得到双口结构内模控制闭环系统稳定条件为L1CMJOLLC。如MJOLLCMFIOLL，证毕。2双口结构内模控制的高阶无静差跟踪性能假设图3中控制器CS、CS和伪线性系统PS稳定，且满足式14闭环系统稳定条件。当取控制器C。SSMS厂S1厂S电气开关2014NO2S，滤波器S取一型结构1AS1“J，CS取一般PID控制器C2SK1丁SS，把上面控制器结构连同PSMS1LIS代入式16得到，、14SC2SMSU丁一1日SSH下IS丁DSAS1，0、可可一注意到上式分母中式AS1J一1为一型，可见系统为2OTJ阶无差系统，至少可实现对斜坡信号的跟踪。总结发现，双口结构内模控制系统的无差性能取决于滤波器S和控制器CS的积分项个数以及伪线性系统内部模型的积分个数，并且积分作用是相加的关系。FS若为一型滤波器，控制器CS取PID时有一个积分环节，内部模型为1S即OLI为1，则系统为三型无差系统，其他情况可以此类推。可见，双口结构内模控制的跟踪性能大大优于常规的内模控制。33基于逆系统的双口结构内模控制策略对逆系统与原系统形成OT1，1阶伪线性系统PS，运用上面的基于逆系统内模算法进行控制设计。内部模型取为MSDIAG1S，1S，内模控制器为CS_厂SMS，其中S取一型滤波器结构，则有CSSA5100AS119第二个控制器CS都取K1S形式的PI控制器，由式18可知此处改进型内模控制系统为三型无差系统，具有对加速度参考信号的跟踪能力。综上，得基于逆系统改进型内模控制功率解耦控制框图如图4所示。图4基于逆系统改进型内模控制的功率控制方案控制原理框图图4中，有功和无功功率参考信号经过内模控制器C。S得出OT阶逆系统的输入信号，、，信号、同时驱动基于逆系统的伪线性系统和内部模型，两者输出的偏差被反馈到功率参考信号端；又通过第二个控制器PI调节将功率参考信号与发电机实际输出功率的误差馈人逆系统输入信号、端，这样便实现了基于逆系统模型的双口结构内模控制方案。逆系统模型由输入。、和采集的反馈状态向量计算出转子电压指令“二、U三，再经坐标变换后得到转子三相电压指令“三、矗、U主，将它们作为调制波与三角载波比较产生转子侧变流器的SPWM脉冲信号，从而实现对双馈风力发电系统的有功和无功解耦控制。4仿真研究双馈发电机参数额定功率15KW，定子额定电压380V，电网频率厂50HZ，极对数2。3，同步转速N1000RRAIN，定子绕组电阻R03791，转子绕组电阻R03141，定子自感L00438H，转子自感L00449H，定转子互感L、00427H，转动惯量J039KGITI。风力机参数空气密度P125KGM，叶片半径R43M，齿轮箱增速比N7846，最佳叶尖速比A。81，最大风能利用系数C048。仿真时，双馈发电机在700RPM空载转速下进行空电气开关2014NO229载并网控制。在仿真1S时刻进行并网操作。无功给定情况在2S给定500VAR，4S变为1000VAR。风速给定情况13S内风速给定为5668MS，在该风速下使得叶尖速比最大的最佳转速为800RPM；35S内风速给定为6377MS，对应的最佳转速为900RPM；57S给定风速为7794MS，对应的最佳转速L100RPM。图5为并网后最大风能追踪过程中输出有功功率跟踪参考有功的波形。从波形效果看出，输出有功功率实现对参考有功功率的高精度跟踪。图5定子输出有功功率P与参考有功功率P的关系图6为输出无功功率跟踪参考无功的波形。输出无功功率上升阶段有10超调，但很快便稳定跟踪上无功参考值。图6定子输出有功功率Q与参考有功功率Q的关系图7为最大风能追踪过程风力机输入转矩和电磁转矩波形。图8为此过程电机转速波形。给定风速改变时，随着电磁转矩与风力机输入转矩趋于平衡，电机转速平稳过渡到对应该风速的最佳转速上即13S风速为5668MS时，电机平稳达到其最佳转速800RPM；35S风速为6377MS时，达到最佳转速900RPM；57S风速为7794MS时，达到其最佳转速1100RPM。图9反映了最大风能追踪过程，电机在最佳功率曲线平稳移动，直到最佳功率与风力机输出功率相等，此时电机转速稳定运行在最佳转速上，同时获得最大风能利用系数CPMX如图10所示。807060目5O4O3020100图7最大风能追踪过程风力机输入转矩和电磁转矩的关系11O01OOO900G8007O06OO500图8最大风能追踪过程电机转速变化波形9OOO800070006000喜5000400030002000L0000图9风力机实际输出功率P和最佳追踪功率P。的关系图10风能利用系数波形下转第32页55453M口U32电气开关2014NO2C，CI0，有完全的一致性接近于0，有满意的一致性C，越大，不一致越严重算例中C，K11_05U一一一5一一UUUUUJ查得平均随机一致性指标值K5K表示矩阵的阶数时，见表3。表3平均随机一致性指标尼，值其随机一致性比率，CRCI0100065O0058O01，则可接受。O0235L02432017630167701777则把电网企业安全评价指标体系的整体评价记作Q，Q面UT假设某一专家对一级指标评分U9080708090，则其安全评价指标体系的整体评价分值为QWTUT02351024320176301677017779080708O9082365。则该分数即为该专家对电网企业安全I骱指标体系的整体评价得分。4结论本文提出了一种多级模糊综合法对配网进行安全性评估，该方法采用AHP与模糊评价的优化组合模型，在一定程度上减少了安全评估中的人为主观影响，使得评价过程更为客观、科学，评价结果更具有可靠性。配网企业可以根据安全评价的结果，对于薄弱环节进行相应的调整。参考文献1杨晓斌，张焰，等中压配电网供电可靠性定量评估系统的开发与应用J电力系统自动化，2004，2818838521黄伟，张建华，丈俊，等配电网络供电能力评估系统及方案设计J现代电力，2001，1846468F31唐会智，彭建春基于模糊理论的电能质量综合量化指标研究J电网技术，2003，271285884蓉，张焰，范超，等配电网规划后评估指标体系的研究J华东电力，2007，3587O一745肖竣，罗风章，王成山一种基于区间分析的电网规划项目决策方法J电网技术，2004，28762676陈衍泰，陈国宏，李美娟综合评价方法分类及研究进展J管理科学学报，2004，727虞晓芬多指标综合评价方法综述J统计与决策，20048HUAZHONGSHENG，GONGBENGANG，XUXIAOYANADSAHPAPPROACHFORMULTIAHFIBUTEDECISIONMAKINGPROBLEMWITHINCOMPLETEINFORMATIONJEXPERTSYSTEMSWITHAPPLICATIONS，2008，3439LEUNGLC，CAODONCONSISTENCYANDRANKINGOFALTERNATIVESINFUZZYAHPJEUROPEANJOURNALOFOPERATIONALRESEARCH，2000，12411021L31OSCHENKSAVOIDINGRANKIVERSALINAHPDECISIONSUPPORTMODELSJEUROPEANJ0UMAJOFOPERATIONALRESEARCH，1994，7446074619收稿日期20131210上接第29页5结语本文在建立双馈发电机状态方程的基础上，采用非线性控制的逆系统方法，将双馈风力发电系统精确解耦成有功和无功两个一阶线性子系