（检测技术与自动化装置专业论文）双馈风力发电系统自抗扰控制技术研究.pdf

摘要 变速恒频风力发电系统的变速范围宽，风能利用效率高，广泛应用于大容量并网型 风力发电系统中，具有良好的应用前景。通常对于采用双馈电机的变速恒频风力发电系 统，多应用矢量变换方法和p i 控制器进行控制。此控制方法依赖于电机参数，电机参 数变化时，控制效果会受到影响。本文将自抗扰控制技术引入双馈风力发电系统控制， 以提高系统的抗发电机参数扰动性。 本文首先在变速恒频风力发电系统的基本原理和各部分数学模型基础之上，结合矢 量变换原理，给出了三相静止坐标系下数学模型和两相同步坐标系的数学模型以及基于 定子磁场定向下的双馈电机数学模型。然后对并网控制进行分析，将自抗扰控制技术应 用于空载并网控制，设计了应用于双馈风力发电并网控制的白抗扰控制器。对并网后的 系统进行详细分析，将自抗扰控制技术应用于并网解耦控制，推导出并网后功率解耦控 制规律，设计了用于功率解耦控制的自抗扰控制器。 建立了并网前各单元仿真模型，对风速变化情况下电机定子电压调节过程进行了仿 真分析，对启动过程和电机参数变化情况下系统工作情况与p i 控制进行了仿真对比分 析，得出自抗扰控制在空载并网控制中具有无超调，快速性和鲁棒性。 建立了并网后各单元仿真模型，实现并网后功率解耦控制仿真。采用自抗扰控制器 和p i 控制器分别对有功功率从零建立情况和随电机参数变化情进行仿真对比分析，得 出自抗扰控制器在并网后有功无功解耦控制中具有很强的鲁棒性和适用性。 关键词：变速恒频，风力发电，双馈电机，自抗扰控制器，电机参数扰动 r e s e a r c ho na c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o nc o n t r o l7 i e c h n o l o g yo f d o u b l y f e dw i n d p o w e r s y s t e m h u a j l gl e i ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f k a n gz h o n 自i a n a b s t r a c t v a r i a b l e s p e e dc o n s t a m 行e q u e n c y ( v s c f ) 诵n d p o w e rs y s t e m si s 诚d e l yu s e di nt l ：屺 鲥d 、i n d - p o 、e rs y s t e m 丽t l l1 1 i 曲c 印a c 时f o ri t s 埘d ev 撕a t i o n 础oa n dl l i 曲而l i z a t i o n r a t i o a 1 1 di ta l s oh a sag o o d 印p l i e dp r o s p e c t s t h ev s c fw h l d p o 、v e rs y s t e m 埘t l ld o u b l y f e d g e n e r a t o ri sc o m m o nc o n t r o l l e d 、i mv e c t o rt r 觚s f o n nm e t h o da 1 1 dp ic o n t r o l l e r t h em e t h o d d e p e n d so n 也ep a r 锄e t e ro fe l e c t r i cm a c h 妇1 h ec o m r o l e f f e c ti s 砌u e n c e db yt l l c v a r i a t i o no ft h ed o u b l y f e dg e n e r a t o r sp a r 锄e t e r t h ea c t i v ed i s t l l r t ) a i l c er e j e c t i o nc o m r o l ( a d i c ) i su s e dt 0c o i 血o lt 1 1 ed o u b l y - f e dw i l l d - p o w e rs y s t e mi no r d e rt oi m p r o v e t l l ec o n 仃o l e f f e c t i o n 血t h ed i s s e r t a t i o n r 玎1 em a t h e m a t i c a lm o d e li i lt r i p h a s es 诅b l ec o o r d i l l a t e sa n dt 、o - p 1 1 a s es ) ，i ：i c h r o n o l i s c o o r d i n a t e sa n dm ed o u b l y f e dg e n e r a t o rm a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nm ef i e l do r i e n t e d c o n 仃0 1 ( f o c ) a r ei n 廿o d u c e df i r s t l yo nt h e d 锄e n t a lp r i n c i p l eo ft l l ev s c f 缸d p o 、v e r s y s t e m 锄dt l l em 砒e m a t i c a lm o d e l so fd i f f e r e n tp a n s t l l ea d r ct e c l l n o l o g ) ，i sa p p l i e d t o n o 1 0 a ds y n c h r o l l i z a t i o nc o n 仃o l 世e ra n a l i y z e dt h es y n c l l r o l l i z a t i o nc o n t r 0 1 t l l ea d r cu s e d t oc o n t r o lt 1 1 es y n c h r o n i z a t i o nw i t l ld o u b l y f e dg e n e r a t o ri sd e s i g n e d t h es y n c h r o i l i z e d s y s t e m i sd e t a i l e da n a l y s e d 1 1 1 ea d r ct e c h n o l o g yi su s e dt os y n c h r o n i z a t i o na n d d e c o u p l i n gc o n t r 0 1 n ec o n t r o ll a wo fp o w e rd e c o u p l i n gi sd e d u c e d t h ea d r c c o n 怕l l e ri s u s e dt oc o n t r o lt h ep o 、v e rd e c o u p l i n gi sd e s i g n e di nt h i sd i s s e n a t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l tt os i m u l a t ea j l da n a l y z et h ep r o c e s so fs t a t o rp r e s s u r e r e g u l a t i o nu n d e rt h ec h a n g eo fw i n ds p e e d t h ec o n t r 0 1e f 亿c to fp ic o n t r o h e ra n dw o r k i n g c o n d i t i o nu n d e rt h es t a r t u pp r o c e d u r ea n dc h a n g eo fp a r a m e t e ro fe l e c t r i cm a c h i n ea r e a j l a l y z ec o n t r a s t i v e l y i tc o m e st oac o n c l u s i o nt h a ta d r c i sf a s tr e s p o n s ew i t hr o b u s tb u tn o o v e r s h 0 0 ti ns y n c k o n i z a t i o nc o n t r o lw i t hn o l o a d t h ed i f k r e n ts v n c h r o n i z e ds i m u l a t i o nm o d e la r eb u i l ta j l du s e dt os i m u l a t ep o w e r d e c o u p l i n gc o n t r 0 1 t h ea c t i v ep o w e r b u i l d i n gp r o c e s sa n di t sc h a n g e sv a r i e d w i t he l e c t r i c m o t o rp a r a m e t e r so ft h ea d r ca n dp ic o n t r o l l e ra r es i m u l a t e da n da 1 1 a l y s e d ，w h i c hc o m e s t oac o n c l u s i o nt h a ta d r ch a sg o o dr o b u s t n e s sa n da p p l i c a b i l i t yi nt h ea c t i v ep o w e ra n d r e a c t i v ep o w e rd e c o u p l i n gc o n t r o la r e rs y n c h r o n i z a t i o n k e yw o r d s ：w i n d p o w e r ，d f i g ，a d r c ，d i s t u r b a n c eo fp a r 锄e t e ro fg e n e r a t o r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：耋丝日期：汐口涉年_ 厂日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔磊 指导教师签名：亏囊l 啦 a 娥。渺需年黾；日 日期：。汐年月彩日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章引言 1 1 课题来源及研究意义 本课题为自选课题。目前随着石化能源的逐渐枯竭以及对环保的日益重视，迫切需 要人们开发清洁的再生能源，因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发应 用已经受到世界的高度重视。风力资源丰厚，风力发电的潜力很大，2 0 年来风力发电技 术领域有了很大的成就。我国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为 3 2 2 6 g w ，其中可利用风能约为2 5 3 g w ，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以 及东部和东南沿海及岛吲1 1 。中国从八十年代才开始发展风力发电，规模远不及欧美等 国，尚处于探索时期，因此，风力发电在中国能源发展中的地位及发展的前景预测这一 课题有重大的战略意义和社会意义，它将向人们展示中国风力发电的美好前景：风力发 电不仅可以保护环境，减少污染气体的排放，减少社会的外部投入，而且还可以节约能 源，弥补2 1 世纪中国能源缺口，消除能源是国民经济瓶颈的隐患，还可以提供更多的 就业机会。 目前为止，风力发电技术已成为涉及包括气象、机械、材料、电工和控制等众多学 科的一门技术，其中比较关键的技术是发电机技术和控制技术。在风力发电机的选择上， 传统的是选用同步电机。为了能在变化不定的风速下得到频率恒定的电能，人们发展了 多种方法：一类是运用机械技术，通过控制桨叶和齿轮箱使得发电机的转速恒定( 例如 前述定桨距、变桨距和主动变桨距技术) ；另一类是利用电力电子技术，把发电机输出 的电能用变频器“再处理”，得到符合电网标准的电能。为了更有效的利用风能、提高风 能转换率，发展适于风力发电的特殊发电机越来越受到关注。双馈发电机有它独特的优 势，其变频器容量仅为电机功率的3 0 左右，几乎可以在有效的风速范围内进行发电， 另外通过调节转子电流可向电网发出无功，改善电网功率因数，提高电网的稳定性，因 此对于充分利用风能、提高经济效益有着巨大的现实意义。 在控制技术方面，风力发电系统的控制目标主要有3 个层次：一、保证可靠运行； 二、获取最大风能；三、提高良好的电力质量。传统的变速控制模式需要首先建立一个 有效的系统模型，而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，系统模型的 确定不是件容易的事情，研究人员发现，由于雷诺数的变化会引起功率上5 的误差， 而由于叶片上的沉积物和下雨可造成2 0 的功率的变化，其他诸如老化和大气条件等因 素，也将在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此所有基于某些有效系统模 第1 章引言 型的控制也仅适用于某个特定的系统和某个特定的时期，由于这些原因，设计一种自 身不需要电机参数的控制算法或者能够辨识发电机参数的控制算法变得非常必要。基于 扩张状态观测器的自抗扰控制器是韩京清研究员基于传统p i d 控制优势和缺点之上，逐 步提出的一种新型控制器，经过2 0 多年发展如今自抗扰控制器具有独特的控制思想、 卓越的控制品质及应用尖端科技领域的控制器。自抗扰控制器使系统的“模型”和“外扰” 处于同等地位，都可以用“扩张状态观测器”估计出其实时作用量而给以“补偿”。扩张状 态观测器是把有未知外扰的非线性不确定对象用非线性状态反馈化为“积分串联型”，是 一种对非线性不确定对象实现反馈线性化的结构【2 】，而且自抗扰控制器的这种反馈线性 化是依靠扩张状态观测器的动态估计，而不是依靠对象的精确数学模型，因此可以说它 是一种动态反馈线性化方法，也是一种独立于系统模型和外扰的非线性控制器。 由于自抗扰控制器的优越品质和不依赖于系统模型的特点，应用于交流励磁变速恒 频风力发电系统，可以改变控制器依赖于系统模型的缺点，提高系统的鲁棒性和稳定性， 改变控制器应用范围和时间段有限的缺点，提高风力发电系统运行性能同时提高风能利 用率和电力质量。因此，自抗扰控制器在交流励磁变速恒频风力发电系统应用具有十分 重要的意义。 1 2 风力发电系统及其控制技术研究状况概述 1 2 1 风力发电系统概述 风能已被世界风电五强德国、西班牙、美国、丹麦和印度等国视为与化石能源、核 能源有同等地位的能源种类，目前，这五个国家的风电装机总量为3 8 0 0 0 m w ，占世界 风电市场份额的7 9 。在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度最快。在中国， 预计到2 0 2 0 年风电装机容量将达2 0 0 0 0 m w ，风电业销售额将超过3 0 0 0 亿元人民币， 并新增1 5 2 0 万个就业机会。国际能源机构( i e t ) 预测，至2 0 2 0 年底，风力发电将占世 界发电总量的1 2 ，到2 0 4 0 年，风力发电将占世界发电总量的2 3 。 风力发电技术经过近些年的发展，目前在国内外盛行的风力发电技术主要有如下几 种： ( 1 ) 定桨距失速调节型风电技术( s t a l lr e g u l a t i o n ) 这种技术的基本原理是利用桨叶翼型本身的失速特性，即风速高于额定风速时，气 流的攻角增大到失速条件，使桨叶表面产生涡流，降低效率，达到限制功率的目的，其 优点是：调节简单可靠，控制简单；其缺点是：桨叶、塔架等主要受力部件的受力大输 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 出功率随风速的变化而变化，从风能利用系数g 的关系看，难以保证在额定风速之前 g 最大，特别是在低风速段，这是丹麦风电技术的主要方式，在世界许多地方仍在使用 该技术，特别在容量几百干瓦的中、小型风力发电机组上。 ( 2 ) 变桨距调节型风电技术( p i t c hr e g u l a t i o n ) 变桨距风力发电机组通过变距调节器使风轮机叶片安装角随风而变化，以达到控制 吸收风能的目的。在额定风速以下时，叶片节距角处于0 度附近，此时叶片角度受控制 环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定桨距风机。在额定风速以上时，变桨 距机构发挥作用，调整叶片功角，保证发电机的输出功率在允许范围以内。变桨距风力 机的起动风速较定桨距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作 时，主要采用功率控制，功率调节速度取决于风机桨距调节系统的灵敏度。在实际应用 中，功率与风速的二次方成正比，风速的较小变化将引起风能较大的变化。风机桨距调 节机构对风速的反应有一定的延时，在阵风出现时，桨距调节机构来不及动作而造成风 机瞬时过载，不利于风机的运行。由于风能本身的随机波动性，一般的调节方法跟不上 因风速变化而产生的发电机输出功率的变化，这显然对电网和输出的电能影响极大。为 了减少输出功率这种变化，风力机制造商尝试了很多办法，比如丹麦的v e s t a s 公司采用 高滑差发电机，这种做法等效于在传动机构中增装一个弹性环节，使得输出功率大大减 少，这种技术的优点是：桨叶受力比较少，发电机的结构部件轻巧，但是结构比较复杂。 ( 3 ) 主动定桨距调节型风电技术( a c t i v es t a l lr e g u l a t i o n ) 这种方法是变桨距调节型风电技术和主动定桨距调节型风电技术的结合，国际上大 型风力发电机制造商，如b o n u s 等公司己经在他们的新产品上采用了该技术。这种方 法的主要特点是：桨叶采用定桨距失速调节型，调节系统采用变桨距调节系统，输出功 率在额定功率以下时，调节方式与变桨距调节方式相同，输出功率在额定功率以上时， 调节方式与定桨距调节方式相同。这种技术的主要优点是：输出功率变动小且比较平稳。 ( 4 ) 变速恒频风电技术( v a r i a b l es p e e dc o n s t 2 u l tf r e q u e n c y ) 理论上讲这种技术是目前最优化的调节技术。这种调节方法在输出功率低于额定功 率之前使效率达到最高，但是其输出功率大于额定功率时，即风速大于额定风速时，其 调节方式将与变桨距调节方式相同。该项技术早在上世纪4 0 年代就出现，但是当时受 到控制技术及电力电子器件水平的限制没能得到很好的发展。到了8 0 年代原苏联、日 本等国己有兆瓦级的该类发电机投入运行。用该技术可提高发电系统稳定性，提高系统 效率。 3 第l 奄引言 在变速恒频风力发电系统中常用双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。双馈 电机转子上需要3 个或4 个滑环，馈电方式则和双馈电机或异步电动机超同步串级调速 系统相似。定子绕组接电网，转子绕组则由一套“交一交”或“交一直一交”变频器提供频 率、相位、幅值都可调节的电源，实现恒频输出。通过改变励磁电流的幅值和相位实现 发电机有功和无功功率的独立调节。由于变频器只需供给转差功率，大大减少了容量的 需求，这是变速恒频中的优化方案。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的， 流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功 率仅为额定功率的一部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机运 行时，既可超同步速运行，也可亚同步速运行，变速运行的范围比较宽，而定子输出电 压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。这种采 用交流励磁发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变频器的容量外，还可以 实现有功和无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。缺点是交流励磁 发电机仍然有滑环和电刷。目前这种风力发电机技术得到越来越多的风力发电工作者的 注意，文献 4 7 】详细介绍了国内外关于变速恒频风力发电系统及其控制，发展前景最为 乐观。 1 2 2 风力发电系统控制策略研究概述 为达到优越的控制性能，有很多学者和研究者致力于风力发电系统控制器的设计和 研究。目前国内外所研究的控制器主要有以下几种： ( 1 ) 经典p i d 控制器 由于经典p 控制器靠控制目标与实际行为之间的误差来确定消除此误差的控制 策略，使得p i d 具有一定的良好控制性能，在风力发电中得到很好的应用【3 】，而且，矢 量控制解决并实现了有功无功的解耦控制。因此目前p i d 加矢量控制的风力发电系统应 用广泛，是变速恒频发电系统主要控制策略之一，但是，由于经典p i d 是具有受误差p 提取d p d f 的办法的影响，并且“加权和”策略不一定最好，积分反馈有许多副作用，而 且由于系统存在严重的非线性，当工作设置点发生变化时，p i d 控制参数也要做相应的 最优调整。经典p i d 控制器受到很大的制约。 ( 2 ) h 。控制 h 。控制是一种综合考虑控制系统的鲁棒性和目标函数最优的控制方法，以某运行区 间( 最优控制理论以某点) 的性能指标为目标函数，设计的参数具有更低的灵敏度，从而 4 中国石油人学( 华东) 硕上论文 使控制器具有较强的鲁棒性能。文献 8 ，9 将h 。控制器应用到风力发电系统中，提高了 风力发电系统转速控制的抗干扰性，从而获得最大能量追踪的快速性和稳定性，使得风 力发电系统能够捕获更多的风能，并最终提高风力发电的效率。h 。控制的不足之处是其 降低了运行点性能指标的最优性，权函数的选取方法也有待于进一步研究。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制器通过对被控装置不确定参数的在线估算和控制器参数的自适应调整， 可以优化整个系统的动态特性而实现最优控制。该方法能有效地解决控制器对系统运行 工况变化的鲁棒性问题，具有较好的控制性能。但自适应控制事先需要大量的离线运算， 在线辨识系统参数需要大量的计算，现场实现较为困难。文献【1 0 ，1 1 将自适应控制器 应用到风力发电系统中。风力状况一旦发生改变，自适应控制器便持续估算被控装置的 不确定参数，同时，反馈线性化模块利用这些估算出的参数消除被控装置的非线性，控 制效果良好。但是实时参数估计是其主要的缺点，因为它需要耗费大量的时间。自适应 控制器的另外一个缺点是它依靠数学参考模型，而对于风力发电系统来说，建立一个确 切的参考模型是相当困难的。 ( 4 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制，它要求频繁、快速地切换系统 的控制状态。此类系统具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单、易于实现的 特点，在电力系统、交流传动、电力电子技术等领域得到了广泛的应用。文献【1 2 ，1 3 】 将滑模变结构控制应用到风力发电系统中。非线性变结构控制器能有效地改善小干扰及 大干扰条件下风力发电系统的稳定性，具有很好的鲁棒性能。滑模变结构控制的缺陷是 存在切换抖动，会对风力机械设备造成冲击，影响设备的使用寿命。 ( 5 ) 模糊控制 模糊理论的优点是对一个参量并不是简单地用“是”或“非”加以判断，而是用一个隶 属度函数来描述其可能程度，模糊理论可对各传感器参量综合加以权衡。风力发电机并 网时风速、转速都不断变化，所以只有把风速、转速、电流、电压等四种传感器的信息 融合起来，才能从中提取出有用信息，这过程可由模糊算法来实现。运用模糊算法还 可以调整对不同传感器的信任度，体现了信息融合技术的优点。文献【1 4 ，1 5 】将模糊控 制理论应用到风力发电系统中。大量的理论研究和工程实践证明，单纯的模糊控制器和 传统的p i d 控制对非线性系统都不会取得很好的效果，而采用f u z z y p i d 复合控制的方 法是一种比较好的解决方法。 气 第i 章引言 ( 6 ) 自抗扰控制 图1 - l 自抗扰控制器结构 f i g l l s t 川c t i l no f a d r c 如图1 - 1 所示，自抗扰控制器由非线性跟踪- 微分器( t d ) 、扩张状态观测器( e s o ) 和 非线性状态误差反馈控制律( n l s e f ) 组成。t d 用来实现对系统输入信号的快速无超调 跟踪，并给出其“广义”微分信号，通过扩张状态观测器对系统的状态和总扰动分别进行 估计，根据估计的状态和扰动设计非线性状态误差反馈控制律，获得扰动分量的补偿作 用。它是一种新型的反馈线性化控制策略，它通过使用扩张状态观测器( e s o ) 实时、迅 速、准确地获得对象摄动及外扰作用的信息。再通过自抗扰控制器( a d r c ) 的补偿作用 就可实现对象的反馈线性化和反馈确定性化。 自抗扰控制器的设计不依赖于受控对象的数学模型，结构和算法简单，设计良好的 自抗扰控制器响应快速，控制精度高，对受控对象模型的不确定因素和外扰具有优异的 适应性和鲁棒性。自抗扰控制已经应用于电力系统中【1 6 - 堋，但在风力发电上研究很少， 研究多局限于解耦控制，在解耦控制中均采用一阶控制器。对于空载并网自抗扰控制， 有待进一步研究，将二阶自控制器应用于双馈风力发电有待进一步研究。自抗扰控制不 足是扩张状态观测器的参数配置问题还不够完善，有待进一步研究。 1 3 本文的主要工作 本课题研究目标是利用矢量变换原理，采用m a t 】a b 建立双馈电机的仿真模型和变 速恒频风力发电系统模型。设计出自抗扰控制器，对系统和控制器进行全面理论分析和 仿真研究。 本文主要的工作为： ( 1 ) 介绍了变速恒频双馈风力发电系统的运行原理，分析研究了双馈发电机的基本 6 中国石油人学( 华东) 硕士论文 原理，分析了稳态情况下的数学模型和等效电路。然后基于稳态数学模型对双馈电机分 析其并网前后系统的工作过程。最后在定子同步旋转坐标系下推导了双馈电机动态数学 模型，对在定子磁场定向下系统工作情况进行了详细分析。 ( 2 ) 进行了白抗扰控制器设计研究。介绍了自抗扰控制器的原理与设计方法，是本 课题中控制器设计的理论基础。介绍了自抗扰控制器的发展以及基本控制思想，控制器 的基本组成结构，三大基本组件：跟踪微分器、非线性组合环节，扩张状态观测器的 基本原理。给出了自抗扰控制器各部分设计方法和设计公式，给出了各个部分参数选择 规律和方法。建立了一阶、二阶自抗扰控制器，并利用实例进行仿真，研究控制器的控 制效果。 ( 3 ) 基于自抗扰控制技术的双馈风力发电并网前控制研究。根据变速恒频双馈风力 发电系统并网前的基本控制原理，推导出了并网前的控制算法，设计出用于并网控制 p i 控制器和自抗扰控制器。给出了整体控制框图。利用m a t l a b 建立系统模型。对整个 控制算法分别采用p i 控制和自抗扰控制进行了数值仿真，给出了仿真结果，比较两种 控制器的控制效果。 ( 4 ) 基于自抗扰控制技术的风力发电有功无功解耦控制研究。根据变速恒频双馈风 力发电系统后的电机模型变化情况，推导出并网后的控制算法。设计出采用p i 控制器 和一阶、二阶自抗扰控制器的控制策略。设计出用于并网后有功和无功解耦控制的p i 控制器和一阶、二阶自抗扰控制器，给出了整体控制框图。建立并网后系统仿真模型。 分别采用p i 控制和一阶、二阶自抗扰控制进行了数值仿真，给出了仿真结果，比较三 种控制器的控制效果。 7 第2 章双馈风力发电的基本原理和数学模型 第2 章双馈风力发电的基本原理和数学模型 变速恒频发电是2 0 世纪7 0 年代中期逐渐发展起来的一种新型风力发电技术，它将 电力电子技术、矢量变换控制技术引入发电机控制之中，改变了以往恒速才能恒频的传 统发电概念，在变水头的水力发电和能量随机变化的风力发电中获得了越来越广泛的应 用，并表现出了卓越的运行性能，成为电力技术研究中的热点。双馈型异步发电机 ( d o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，简称d f i g ) 在变速恒频风力发电中得到了广泛的重视， 双馈电机在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组。在控制中，双馈电机 转子由接到电网上的变换器进行交流励磁。由于双馈电机能调节功率因数和运行速度， 所以基于双馈电机的变速恒频风力发电技术是当前风力发电研究的一个重要课题。 2 1双馈风力发电系统基本原理 2 1 1 双馈风力发电系统基本概念 采用双馈型异步发电机变速恒频风力发电系统基本结构主要包括：风力机、变速箱、 双馈发电机、变频电路和微控制器等，其结构框图如图2 1 所示。 工颜电网 电流 图2 1 双馈型发电系统基本结构框图 f i 9 2 1 b a s i cs t r u c h i 他b l o c kd i a g r a mo fd o u b l y f b dg e n e m t o rs y s t e m 采用双馈型异步发电机的变速恒频风力发电系统，双馈发电机的定子绕组接入工频 电网，转子绕组经由变流器与电网相连以实现系统的交流励磁。双馈风力发电系统稳定 运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间中均以同步速旋转，它们之间保持相对静 止。转子旋转磁场相对于转子以转差速度旋转，当转子转速低于同步速时，转子旋转磁 8 中国石油大学( 华东) 硕上论文 场和转子转向相同，否则相反。风力发电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关 系的数学表达式为： z = p 水，2 6 0 ( 2 1 ) s = ( 甩i 一 ) 门l = 2 玎l ( 2 - 2 ) 式中： 石为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同； 为定子旋转磁场的同步转速； p 为电机的极对数； 刀为风力发电机的转速； 正为转子电流频率。 当发电机转速变化时可调节转子励磁从而保持定子恒频，转子转速低于同步速时式 ( 2 1 ) 取正号，反之取负号，式( 2 1 ) 为风力发电实现变速恒频的依据。 双馈风力发电空载并网是通过检测电网电压和电机转速来调节转子电流，进而调节 发电机输出电压的幅值和相位来满足并网条件，因而可在变速条件下实现柔性并网，使 并网瞬间定子无冲击电流产生。 根据风速的变化，通过控制器控制馈入转子绕组的励磁电流参数，控制定子电流的 幅值、相位和频率，从而控制定子侧发出电的有功和无功功率，调节电网的功率因数， 达到捕捉最大风能、提高运行效率的效果。 2 1 2 双馈电机的能量传递关系 在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到转子励磁双馈发电机的能量流动关系： 匕+ 最= 只+ 只知l + 只九2 ( 2 - 3 ) b = s ( e + 圪1 ) + 名。2 ( 2 4 ) 式中： 巴为转子轴上输入的机械功率； 只为转子励磁变频器输入的电功率； 只为定子输出的电功率； 吃。为定子绕组铜耗； 尼。：为转子绕组铜耗； s 为转差率。 q 第2 章双馈风力发电的基本原理和数学模型 在忽略转子、定子绕组铜耗条件下，可近似为： = s 鼻 双馈电机运行工况分为四种：亚同步电动，亚同步发电，超同步电动，超同步发电， 只要定转子之间呈制动力矩，双馈电机就工作在发电工况状态，本文中双馈主要用于发 电，即亚同步发电和超同步发电，这两种状态能量流动特点： ( 1 ) 亚同步发电状态 当发电机工作于亚同步发电状态时，s 0 ， 0 ，最 0 ，变频器向转子绕组输 入电功率，输入机械功率和转子输入电功率扣除损耗后共同产生定子输出功率馈回电 网。 ( 2 ) 超同步发电状态 当发电机工作于超同步发电状态时，j o ，最 0 ，输入机械功率，一部 分正比于同步转速的功率转换为定子侧功率馈回电网，一部分转变为转差功率，通过转 子侧变频器回馈电网。 2 2 风力机数学模型 变速恒频风力发电系统以风力作为原动力，风力机是风能转化为机械能具体装置， 机械能通过双馈发电机转化为电能。风力机的风能捕获在整个过程中至关重要，直接决 定了风电转换的效率。 根据空气动力学得到风力机的风功率数学模型： 1 己= 去心p 彳1 ，3 ( 2 - 5 ) 式中： 已为风力机从风中捕获的机械功率； p 为空气密度； c 口为风能利用系数； 彳为气体流过的截面积： v 为通过的上游风速； 当风速一定的时候，风轮获得的功率取决于风能利用系数的大小。而风能利用系数 c 。与叶尖速比存在相应的关系。叶尖速比是指叶尖圆周速度与风速之比，采用兄表示： l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文 兄：丝：塑 ( 2 6 ) 几= 一= 一 z oj vy 式中： 为风轮的转速； 功为风轮角频率； 尺为风轮半径： 定桨距风力机的风能利用系数和叶尖速比的关系可用一条曲线描述，曲线图2 2 即 为典型的c 。( 元) 曲线。 允0 9 t 图2 2 风力机的特性曲线 f i 9 2 - 2 p e i f o r m a n c ec u r v eo fw i n d m i n 从图中可以看出，在任何风速下，只要能使得风轮的叶尖速比达到一定值即为k 时，可维持c p 最大，因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使得叶尖速与风速之比 保持不变，就可获得最佳的功率因数。这就是变速恒频风力发电控制的基本目标。 2 3双馈风力发电机的数学模型 用于变速恒频风力发电系统的双馈电机基本结构与绕线式异步电机相似，其定子、 转子均有三相对称绕组，对称的磁路、电路，且具有均匀的气隙分布，一般作以下假设： ( 1 ) 三相绕组对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁损； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 2 3 1三相静止坐标系下双馈电机数学模型 将转子折算到定子侧，折算后的每相匝数都相等。实际电机绕组就被等效为图2 3 1 1 。呲氛：詈叫叭 c 第2 章双馈风力发电的基本原理和数学模型 所示的双馈电机的物理模型1 9 2 1 】。 b b 蕊褫、一一一一。冬 犍 、 j l 二i 7 u k 、 c c 图2 - 3 双馈电机的物理模型 f i g 2 3p h y s i c a lm o d do fd o u b l y - m 铲n e 船t o r 选取下标s 表示定子侧参数，下标r 表示转子侧参数。定子各相绕组的电阻均取值 为r 。，转子各相绕组的电阻均取值为r ，可得到双馈发电机的电压方程、磁链方程、 运动方程、电磁转矩方程。 ( 1 ) 电压方程 三相定子绕组电压方程为： 驴也”等 铲吨”等 铲以f c + 等 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： ”矾+ 等 圹印。+ 警 驴即。+ 警 电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p 替代微分符号譬： d ， 】2 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 中网石油大学( 婊东) 硕士论文 一r ， oo o r ， o o 0 一支： o00 o 0o ooo 式中： ，材b ，”c 为定子电压瞬时值； 甜。，“。为转子电压瞬时值； ，如为定子电流瞬时值； 乇， ， 虬， r ， 厶，之为转子电流瞬时值； y 嚣，y c 为定子各相绕组磁链； ，虬为转子各相绕组磁链； r ，为定、转予绕组等效电阻。 ( 2 ) 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的参感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和， 形式的磁链方程可表示为【2 0 】： 陋 = 二竺笔 ；： 式中： 严砂一嚣y cr ；严酽一嚣y c j 。； 严砂。y 6 缈。r ； f ，= d f bf c r ； f ，= 【f 。f 6 f 。】r ； 己s s l r r o 5 三。 毛幢s l b o 5 州， 一o 5 三。， l m r l l r 一0 。5 三。， ( 2 - 9 ) 因此，矩阵 ( 2 一l 爿 占 e 口 6 e 沙妒缈妒y p。，；，；。，。，。l p 0b0b。0 丌jiiiiiojiiiij监 o o 0 o 墨 o o o 0 砟0 0 o 0 b o o 加卿彩如踟敷 、，0j 附 榭，吩知知如 氏 r 3 1 2 扩张状态观测器( e s 0 ) 的设计 扩张状态观测器是自抗扰控制器中的关键部分，扩张状态观测器提取系统状态及模 型外扰的实时量的准确性直接影响控制器的品质【2 9 3 0 1 。 对于一阶自抗扰控制器，扩张状态观测器为二阶，输出为系统的估计值五和系统的 “扰动值”z ，。二阶扩张状态观测器采用以下公式设计： 占l 2z l y z 1 = z 2 一届弦，( 岛，口1 ，7 ) 一6 甜( f )( 3 - 5 ) z 2 = 一厦力，( 占l ，口1 ，7 7 ) 二阶扩张状态观测器离散算法形式为： i 占l = z 1 ( 七) 一y ( 足) z l ( 七+ 1 ) = 毛( j ) + 办( z 2 ( 后) 一石i 拼( 占l ，口l ，编) + 6 材( 尼)( 3 6 ) 【z 2 ( 七+ 1 ) = z 2 ( 尼) + 乃石2 力，( 占l ，口2 ，7 7 1 ) 对于二阶自抗扰控制器，扩张状态观测器为三阶，输出为系统的估计值毛，z ：和系 统的“扰动值”z ，。采用以下公式设计： 5 1 5z l y z l = z 2 一届力，( s l ，口l ，7 ) ( 3 7 ) z 2 = z 3 一 2 a ，( 占1 ，口1 ，叩) 一6 “( f ) z 3 = 一屈乃，( 毛，口1 ，刁) 三阶扩张状态观测器离散算法形式为： 占l = z l ( 尼) 一少( 七) 箍装躲：揣二铭加n 眦锄 仔8 ， z 2 ( 足+ 1 ) = z 2 ( 忌) + 厅( z 2 ( 七) 一1 2 白，( g l ，口1 ，7 7 1 ) + 6 “( 七) ) 、。7 z 3 ( 尼+ 1 ) = z 3 ( 足) + 厅岛a ，( i ，口2 ，7 7 1 ) 2 1 第3 章自抗扰控制器设计方法 3 1 3非线性反馈控制率( n l s e f ) 的设计 非线性反馈控制率的设计目标就是设计一种比较合理的反馈方法来生成控制量 甜。，达到不需要“积分环节照样达到无静差的效果【3 。 一阶自抗扰控制器非线性反馈控制率选取： f ) = v - ( ) 一删( 3 9 ) 【甜o = 风1 力，( q ，口o l ，) 、7 二阶自抗扰控制器非线性反馈控制率选取： i p l ( f ) = 1 ，l ( f ) 一z 1 ( f ) p 2 ( f ) = v 2 ( f ) 一z 2 ( ，) ( 3 1 0 ) 【甜o = 成l 力，( q ，l ，7 7 0 ) + 屁2 倒( p 2 ，口0 2 ，7 7 0 ) 3 2自抗扰控制器的参数整定 自抗扰控制器的参数较多，难于调节，但根据跟踪微分器、扩张状态观测器和非线 性反馈控制率的各自功能，可以按照“分离性原理 独自整定参数【3 2 】。就二阶自抗扰控 制器而言，跟踪微分器需要确定的参数为：，办。扩张状态观测器需要确定的参数：口。， 口2 ，口3 ，屈，及，尼，刀。非线性误差率反馈需要确定的参数：。，口。：，风。，属2 ， o 3 2 1 跟踪微分器参数整定 跟踪微分器主要是跟踪输入信号和输入信号的广义微分信号，其主要参数有两个， 和办。 是步长，是跟踪快慢因子。跟踪微分器的参数设计比较简单，办根据控制器采 用周期选取，是跟踪快慢因子，值越大响应越快值越小响应越慢。 3 2 2 非线性反馈控制率参数整定 非线性反馈控制率，采用非光滑反馈提高抗扰动性能。对误差按一定比例反馈为线 性反馈。线性反馈( “光滑反馈”) 以增益反比的方式抑制扰动，非线性反馈以数量级的方 式抑制扰动。对非线性函数力，( s ，口，7 7 ) ，口l 时是“光滑反馈”，口 1 时是“非光滑反馈”， 口= 0 时是变结构控制。一般来说“非光滑反馈”的效率比“光滑反馈”高。在( 3 1 0 ) 式中 安排一定的线性区间，其值的大小一般根据线性区间大小而定。对于。和口。：般取 2 2 中国石油人学( 华东) 硕士论文 ，口0 2 】0 0 时，可使6 鼠。2 。当属l 1 时，屈：o 1 屁。；当成， 1 时，属：1o 成。然后在此基础上调节风，屁2 。屁，增大 时，增大响应速度，但也会增加震荡次数。增大时，也会增大响应速度，但会产生 高频噪声，如果属。和风过大就会造成输出超调。 3 2 3 扩张状态观测器参数整定 扩张状态观测器参数是自抗扰控制器里最为重要的，它的参数直接影响系统的性 能。本文采用极点配置动态设计法确定参数3 4 1 。对二阶系统三阶扩张状态观测器参 数进行整定。对如下二阶对象： 羔三( x 。，x ：) + w ( d + 6 “o ) ( 3 - 1 1 ) 【孟2 = 厂( x l ，x 2 ) + w ( f ) + 6 “( f ) 、7 令口( r )