双馈风电机组网侧变换器哈密顿控制器设计.pdf

第2 9 卷第9 期计算机仿真2 0 1 2 年9 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 3 2 8 0 4 双馈风电机组网侧变换器哈密顿控制器设计 王翠1 王冰L 2 ( 1 河海大学能源与电气学院，江苏南京2 1 1 1 0 0 ；2 河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究巾心，江苏南京2 1 1 1 0 0 ) 摘要：风力发电机组的发电过程，是通过网侧变换器输送稳定电压。由于电压受到变换器系统电感参数变化的影响，电压发 生波动。为了抑制直流母线电压波动，提高母线电压的静态稳定性和动态响应速度，提出采用哈密顿能量理论的控制器设 计方法，将网侧变换器的非线性系统转化为哈密顿系统模型，对双馈风力发电机组网侧变换器进行设计，使得系统的静态和 动态性能得到改善。在M a t l a b 上进行仿真，结果表明，改进的控制方法结构简单，系统稳定性好，且具有较强的鲁棒性，使电 压波动小，能够快速稳定控制直流母线电压。 关键词：风力发电；双馈发电机组；哈密顿能量理论 中图分类号：T M 6 1 4 文献标识码：B H a m i l t o n i a nC o n t r o l l e rD e s i g nf o rG r i d S i d e C o n v e r t e ro fD o u b l yF e dW i n dT u r b i n e W A N GC u i1 W A N GB i n 9 1 。 ( 1 C o l l e g eo fE n e r g ya n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，H e h a iU n i v e r s i t y ，N a n j i n gJ i a n g s u2 1 1 1 0 0 ，C h i n a ； 2 R e n e w a b l e E n e r g yP o w e rG e n e r a t i o nT e c h n o l o g yE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fE d u c a t i o nM i n i s t r y ， H e h a iU n i v e r s i t y ，N a n j i n gJ i a n g s u2 1 1 1 0 0 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：T h eg r i d - s i d ec o n v e r t e ri su s e dt od e l i v e ra n ds t a b i l i z et h ev o l t a g ew h e nw i n dt u r b i n e sg e n e r a t ep o w e r T h ev o l t a g ef l u c t u a t e sw i t ht h ec h a n g eo ft h ei n d u c t a n c ep a r a m e t e r so ft h ec o n v e n e rs y s t e m F o rs t a b i l i z i n gt h ef l u c t u - a t i o n sa n di m p r o v i n gt h es t a t i cs t a b i l i t ya n dd y n a m i cr e s p o n s eo ft h eD Cb u sv o l t a g e ，t h ec o n t r o l l e rd e s i g nb a s e do n H a m i l t o n i a nt h e o r yw a sp r o p o s e d ，w h e r et h en o n l i n e a rm o d e lo fg r i d - s i d ec o n v e n e rw a st r a n s f o r m e di n t ot h eH a m i l t o - n i a nm o d e la n dt h eg r i d - s i d ec o n v e n e rc o n t r o ll a wo fd o u b l yf e dw i n dt u r b i n ew a sd e s i g n e d s ot h a tt h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so ft h ec l o s e d - l o o ps y s t e mw e r ei m p r o v e d V i at h eM a t l a bs i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eH a m i l t o n i a ne n e r g ya p p r o a c hcanp r o v i d eas i m p l ec o n t r o l l e rc o n s t r u c t i o n ，a n dt h ec l o s e d l o o ps y s t e mh a se x c e l l e n ts t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，s u c ht h a tt h ev o l t a g ef l u c t u a t i o ni sr e s t r a i n e da n dt h eD Cb u sv o l t a g ei ss t a b i l i z e dq u i c k l y K E Y W O R D S ：W i n dp o w e r ；D o u b l yf e dw i n dt u r b i n e ；H a m i h o n i a ne n e r g yt h e o r y 1 引言 交流励磁双馈风力发电由于具有功率因数可调、变频装 置容量小、效率高等优点，在风力发电中取得了广泛的应用， 受到了国内外许多学者的关注。目前，通常采用双P W M 控 制的交一直一交电压型变频器作为交流励磁发电机的变频励 磁电源。在交流励磁双馈风力发电系统中，双P W M 变换器 具有优良的输入、输出特性和能量双向流动等特点，在交流 励磁发电中获得了广泛的研究。三相P W M 高频整流是极为 关键的技术，网侧整流器的性能将直接影响到整个系统的性 基金项目：国家自然科学基金( 5 1 0 0 7 0 1 9 ) ；中央高校基本科研业务费 专项( 2 0 0 9 8 1 9 0 1 4 ) 收稿1 3 期：2 0 1 1 1 0 1 3 修回1 3 期：2 0 1 1 1 1 2 8 3 2 8 - - - 能。目前，针对网侧变换器控制的研究，已经提出了很多方 法。2 “3 。文献 2 的方法中交流侧的动态响应比较慢，电流 中含有直流分量会造成滤波电感的饱和，且易受到变换器系 统电感参数变化的影响；文献 3 的方法具有较好的静态性 能但没讨论动态性能；文献 4 的方法可以获得更好的动态 响应与电流波形，但控制器的结构和算法比较复杂。 哈密顿控制器设计方法是基于能量理论提出的一种新 型控制方法，在各个领域得到越来越广泛的应用。文献 5 使用了哈密顿能量方法进行物理系统的建模。此方法也被 运用于解决理论和实践方面的一些控制问题。在理论方面， 文献 6 基于耗散型端口控制哈密顿( p o r t c o n t r o l l e dH a m i l t o n i a nw i t hd i s s i p a t i o n ，P C H D ) 系统，提出了一个新型的无源 控制方法。在文献 7 中，探讨了广义哈密顿的实现问题和 万方数据 在不同条件下的控制方法。在实践方面，文献 8 在欠驱动 机器人中采用基于能量理论的控制策略，可使系统状态达到 平衡位置。 本文利用哈密顿系统理论对双馈风电机组网侧变换器 进行实现，利用动态系统非线性控制方法设计系统稳定控制 器。与以往设计方法相比，哈密顿能量设计方法的优点在 于：基于能量的设计思想，充分利用系统本身的结构特点， 简化了控制器的设计结构；在设计过程中，未对系统进行 任何线性化，因而所得控制器能够利用系统中有益的非线性 特性；哈密顿能量方法的设计过程简单，所得控制器具有 较好的动态响应和鲁棒性。最后，通过对双馈风电机组网侧 变换器哈密顿控制器仿真，证明了哈密顿控制器的有效性和 鲁棒性。 2 双P W M 变换器结构与模型 双P W M 变换器励磁电源系统如图1 所示。 0 + R 。；K ； S 1 s 2 s 3 + U ：= C l o ； L J V d c 弹 N 图1 三相P W M 变换器的主电路结构 图1 中，两个三相电压源型P W M 全桥变换器采用直流 链连接，靠中间的滤波电容c 稳定直流母线电压。转子侧变 换器向双馈感应发电机的转子绕组馈人所需的励磁电流，完 成其矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子无功功率的调 节。网侧变换器在实现能量双向流动的同时，控制着直流母 线电压的稳定，以及对网侧的功率因数进行调节一J 。本文将 转子侧变换器和双馈电机作为直流侧负载，网侧变换器的交 流侧量可视为不变的，直流侧负载是变化的，控制对象是直 流侧物理量。图1 中，e 。，i 。( k = 1 ，2 ，3 ) 分别是交流侧三相电 压和电流，L 和R 。是进线电感及其等效电阻，c 为滤波电容， i 。为网侧变换器负载电流，比为直流母线电压，凡是开关管 等效导通电阻。当转子侧变换器进行控制，实现最大风能捕 获和定子无功功率的调节时，网侧变换器负载电流i 。会受 到影响发生变化，当i l v i 。时，将会对直流母线电容进行 充电，直流母线电压发生变化。 三相电流控制通常在两相同步旋转坐标系中实现，因为 在同步坐标系中各量稳态时为直流量。为了便于系统分析 和综合，将系统模型变换到两相同步旋转的d q 坐标系中， 由三相P W M 电压源型变换器的数学模型，基于电网电压矢 量定向，建立了三相P W M 变换器在同步旋转d q 坐标系下 的数学模型h ”1 。 L 警= 一矾+ 以。+ 玩一吨。 面d i q = - R i q 一+ E q d 。 ( 1 ) c 警= 号c 蛾螂。 其中，B 、E 。、i a 和i 。分别为网侧d ，q 轴电压和电流； 为输出的直流电压；d d 和d 。为开关函数变换到d q 坐标系 中的d 轴和g 轴相应的开关函数；m 为电网电压的角频率；i 。 是负载电流。 3哈密顿控制器设计 3 1 哈密顿能量方法 考虑一个非线性系统为： 眇) = 以“j + G ( z ( “( 。 ( 2 ) t y ( t ) = h ( x ( t ) ) xsR “为状态变量，“R “，Y R p 分别为系统输入和输 出。函数f ：R “一R “，G ：R ”一R ，h ：R ”一酽。取z ，为平衡 点则八z 。) = 0 。 如果存在一个哈密顿函数，可将非线性系统转化为端口 控制哈密顿( p o r t c o n t r o l l e dH a m i h o n i a n ，P C H ) 系统，其模 型如下： X = V H + G x ) “ ( 3 ) 。y = G 1 ( z ) V H 上式中，V H 是H ( z ) 的梯度，关键问题是将上述系统转 化为P C H D 的形式如下： f 戈= j 一只) V H + G x ) ” ( 4 ) 【y = G 7 。( x ) V H 。 其中，”R “是控制向量。G ：R “一R “”，J 是斜对称矩 阵，R 是半正定矩阵。 定理1 阳3 ：对于P C H D 系统( 4 ) 存在以下的控制律： 口= 一F G 7 ( 石) V H( 5 ) 其中，厂是正定矩阵，使得闭环系统稳定。 证明：若系统可表示为P C H D 的形式( 4 ) ，系统的控制 输入为( 4 ) ，将( 4 ) 带人( 3 ) 得： x = J R G F G 7 V H ( 6 ) 存在哈密顿函数( 算) ，则： 口( 戈) = 日( 1 7 ) 一H ( x 。) 0( 7 ) 则： 露( x ) = 敷菇) = ( V 7 H ) 互 f 8 ) = 一( v 7 H ) 尺( v 日) 一( v 7 H ) G F G 7 ( v 日) 、 其中，是正定矩阵和R 是半正定矩阵，则日( 石) 翊。则 目( 戈) 为系统的李亚普诺夫函数，所以可得出闭环系统在平 衡点是稳定的。 - - 3 2 9 万方数据 3 2 控制系统设计 3 2 1 将P C H 系统转换成P C H D 系统 首先，将式( 1 ) 改写，可以得到： J R 一 3 d a 一2 C 1 ，0 L 0 1 L 00 设哈密顿函数为： 尺 婪 2 C 1 日：! 学 盼 ( 9 ) ( 1 0 ) 3 。2 2 设计控制输入 刊图 其设正定矩阵，= 三0r ；2 兰 ，其中- 。c i = ，2 ， 其设正定矩阵，2 l 。三j 其中- 叫i = 1 2 3 ) 。依据定理，由式( 4 ) 得： 。= 耋 = 一厂c 7 VH= ，。 根据哈密顿函数，系统( 9 ) 即为P c H 形式。采用的控制 则系统总输入为： 为 降- 艮 l 乏j 2 K + 口2 【_ 乏乞J + ( 1 1 ) 其中，K 为预控制使系统变化为P C H D 形式，v 为P C H D 下的控制输入。取 _ n 卜J _ L i m vr J嘲 c L ) ( S a i d ( 1 2 ) + & i ，) j 通过预控制K 把P C H 形式的系统转化为P C H D 形式 的系统如式( 1 3 ) ，其中， J = o 一拿 L nd g m u 一言 生立 n L V ，R = ，是斜对称矩阵，R 是半正定矩阵，因此式( 1 3 ) 为P C H D 形 式。 - - 3 3 0 d d L 一生 L 0 廿 = K + 口 ( 3 2 一c L ) ( & 屯+ S q i 。) r 3 比 C ( 1 4 ) ( 1 5 ) 4 仿真 应用M A T L A B S I M U L I N K 对双馈感应风力发电机组中 网侧变换器的哈密顿控制策略进行仿真。 图2 母线电压的响应曲线 在母线电压比= I O V 时，系统加入哈密顿控制器对母 线电压比和网侧电流如、i 。进行控制，图2 和图3 分别是母线 以丁生 o 毗一出堕出矾一出 盟三 一 生工 一 1， B B o P。L 1，j 豇髓咖 。，L = U 1，J 玩o 。L d 一 坐L 卫 坐L 警 + 彪3 m V 。P 0 O 0 O R 一0 R L 0 O R L k L R L 也一L 蛾一出盟出矾一出 万方数据 8 6 4 2 善0 _ 2 4 6 8 _ 一 ， i 一 0l234567891 0 t s 图3 网侧电流i d 、i 。的响应曲线 电压屹和网侧电流i a 、i 。的响应曲线，图3 中实线为i a 的响 应曲线，虚线为i 。的响应曲线。从这两张图上可以看出，在 哈密顿控制器的作用下，系统很快到达稳定，闭环系统具有 很好的稳定性。可见哈密顿控制器控制的有效性。 5 4 5 4 3 5 3 量2 5 2 l 5 1 O 5 0 人 i 012 34567 8 91 0 t s 图4 母线电压突变的曲线 图5 网侧电流i d 、i 。的响应曲线 当转子侧变换器进行控制，实现最大风能捕获和定子无 功功率的调节时，网侧变换器负载电流会受到影响发生 变化，当i ；。i c o 时，将会对直流母线电容进行充电，直流母 线电压发生变化。图4 中母线电压在2 秒处从稳定状 态2 y 突变为4 V ，持续时间0 2 秒。图5 为母线电压k 在2 秒 处突变时网侧电流i 。、i 。的响应曲线，实线为i 。的响应曲线， 虚线为i 。的响应曲线。由图4 和图5 响应曲线可见，当被控 量出现突变时，在哈密顿控制器的作用下，被控量能够快速 的达到稳定状态。并且系统状态能够很快的收敛到平衡 点。可见哈密顿能量方法的控制器控制效果较好。 4 3 5 3 2 5 壹2 l5 1 0 5 0 _r_J_一 一 84 一 l 一 ，一 、 01234567891 0 t s 图6母线电压受到扰动的曲线 图7 受到扰动时网侧电流i a 、i 。的响应曲线 电网电压对系统具有扰动作用，图6 中母线电压在2 秒时和5 秒时受到扰动。图7 为母线电压在2 秒和5 秒处 受到扰动时网侧电流i 。、i 。的响应曲线，实线为i 。的响应曲 线，虚线为i 。的响应曲线。由图6 和图7 的仿真结果可见，在 哈密顿控制策略的控制下，被控量i 。、i 。的曲线具有波动小、 恢复快特点。可见哈密顿能量方法的控制器设计具有很好 的鲁棒性。 5 结论 本文采用哈密顿能量理论，进行双馈风力发电机组网侧 变换器的哈密顿控制器设计，将网侧变换器的非线性系统转 化为哈密顿系统模型，使得闭环系统稳定。该控制器减小了 对变频器中电容的依赖，提高了风力发电( 下转第3 3 8 页) 一3 3 】一 万方数据 图6 透平进口温度响应比较曲线 性能的仿真分析，主要结论如下： 1 ) 建立了基于容积法的燃气轮机系统仿真模型，避免了 模型的迭代算法； 2 ) 进行了V 9 4 3 A 型燃气轮机系统开环动态响应特性 分析，搭建了初步的燃气轮机控制系统方案，在此基础上开 展了负荷调节特性的初步方案研究，为控制参数的选取提供 依据； 3 ) 比较了加入排气温度限制环节后系统控制性能，结果 表明加入排温保护环节可以有效地限制涡轮前进口温度，从 而为燃气轮机控制系统的设计提供参考。 参考文献： 1 朱行健，王雪瑜燃气轮机工作原理及性能 M 北京：科学 出版社，1 9 9 2 2 苏明，翁史烈大型汽轮机的模块化仿真建模 J 系统仿真 学报，1 9 9 8 ，( 3 ) 3 苏明，翁史烈一种燃气轮机模块化非线性仿真模型 J 热 能动力工程，1 9 9 8 ，( 6 ) 4 wEB i l lF o r s t h o f f e r G a st u r b i n ec o n t r o la n dp r o t e c t i o n s F o r s t h o f f e r “ sR o t a t i n gE q u i p m e n tH a n d b o o k s ，2 0 0 5 ：4 3 9 - 4 5 4 5 张会生，等燃气轮机速度调节过程的仿真研究 J 计算机 仿真，2 0 0 2 ，( 1 ) ：7 9 8 1 6 虎煜西门子V 9 4 ，3 A 燃机保护系统浅析 J 热力透平， 2 0 0 7 。( 6 ) ：1 2 9 1 3 2 一 产- 【作者简介 刘冰( 1 9 7 9 一) ，男( 汉族) ，吉林省四平市人，硕士 研究生，主要研究领域为热力系统控制工程； 彭淑宏( 1 9 8 5 一) ，女( 汉族) ，山西省原平市人，硕士 研究生主要研究领域为燃气轮机故障诊断仿真模 拟。 ( 上接第3 3 1 页) 机组的稳定性。仿真结果表明，采用这种控制策略时，直流 母线电压波动很小，电压调节更加迅速，具有很好的应用前 景。 参考文献： 1 张崇巍，张兴P W M 整流器及控制 M 北京：机械工业出版 社2 0 0 3 2 廖勇，杨顺昌交流励磁发电机励磁控制 J 中国电机工程 学报，1 9 9 8 ，1 8 ( 2 ) ：8 7 9 4 3 DK u n A c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nu s i n gs l i d i n gm o d e C T h eS e c o n dI E E EC o n f e r e n c eo nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c sa n dA p p l i c a t i o n s ，2 0 0 7 ：1 4 6 5 - 1 4 6 7 4 RP e n a ，e ta 1 Ac a g ei n d u c t i o ng e n e r a t o ru s i n gb a c k t o - b a c k P W Mc o f l Y e r t e r $ f o rv a r i a b l es p e e ds n dc o n n e c t e dw i n de n e r g ys y s t e r n C P r o c I E C O N O l ，2 0 0 1 ，2 ：1 3 7 6 1 3 8 1 5 BMM a s c h k e ，AJv a n d e rS c h a f t P o r t e o n t r o H e rH a m i h o n i a ns y s t e r n s ：m o d e l i n go r i g i n sa n ds y s t e mt h e o r e t i cp r o p e r t i e s C P r o - c e e d i n go ft h e2 t hI F A CS y m p o s i u mo nN o n l i n e a rS y s t e m sD e s i g n ， B o r d e a u x ，F r a n c e ，1 9 9 2 ：2 8 2 - 2 8 8 6 RO r t e g a ，AJv a nd e rS c h a f t ，BMM a s c h k e ，GE s e o b a r I n t e r - c o n n e c t i o na n dd a m p i n ga s s i g n m e n tp a s s i v i t y - b a s e dc o n t r o lo fp o r t - c o n t r o l l e dH a m i h o n i a ns y s t e m s J A u t o m a t i c a ，2 0 0 2 ，3 8 ( 4 ) ： 5 8 5 5 9 6 7 Y zW a n g ，CW L i ，DzC h e n g G e n e r a l i z e dH a m i h o n i a ni d l l i Z a - t i o no ft i m e i n v a r i a n tn o n l i n e a rs y s t e m s J A u t o m a t i c s ，2 0 0 3 - - 3 3 8 - - 3 9 ：1 4 3 7 一i 4 4 3 8 IF a n t o n i ，R