双馈风力发电系统的哈顿系统建模与控制

论文题目：双馈风力发电系统的哈顿系统 建模与控制,研究生： 戈海龙 指导教师：于海生教授,青岛大学硕士毕业论文答辩,汇报提纲,一、课题研究的背景和意义 二、双馈风力发电系统的数学模型三、基于状态PCH方法双馈风力发电系统控制研究四、基于状态误差PCH方法的双馈风力发电系统控制研究五、 PCH控制与经典PI控制方法的对比研究六、 结论与展望,近年来，环境污染和能源危机问题越来越受到重视，风力发电，得益于其在减轻环境污染、优化能源结构等方面的突出优势，成为实施低碳发展战略的主力军。2013年末全国发电装机容量已经达到124738万KW，稳居世界首位。 然而，我国风电制造产业是从2005年开始的，近年来才得到较快发展，且国内风机制造厂家为能抢占市场，大都只致力于扩大生产规模，而缺乏对风电控制系统这样核心技术的自主开发能力，对国外品牌的依赖较大。只有具备大型风电机组控制系统的自主研发能力，才能突破风机国产化瓶颈，促进我国风电产业的进一步发展。 随着并网型风力发电机组大型化的发展，双馈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，其结构如图1所示。,一、课题研究的背景和意义,一、课题研究的背景和意义,图1 双馈风力发电系统,一、课题研究的背景和意义,但是用以上观点出发处理风力发电系统控制所面临的问题是：风力发电系统本身是一个由噪声信号来驱动的系统，这使得常规方法不利于系统控制目标的实现。,以往对风力发电系统的控制方法大都是基于信号处理的观点，即认为被控对象和控制器都是将输入变成输出的信号处理装置，控制目标在于减少误差信号。降低扰动输入和系统不确定带来的动态影响。,图2 基于信号处理观点的典型控制系统,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。如果撇开信号处理的观点，而以能量的观点来研究对其控制的问题，将更符合风力发电系统运行的客观规律。,一、课题研究的背景和意义,本文欲打破将风力发电系统视为有源系统这一思维定势，将风能作为风力发电系统的输入能量，从而把风力发电系统视为具有耗散性的无源系统。从分析双馈风力发电系统能量流动过程入手，依据双馈感应风力发电机物理能量特性，建立其端口受控哈密顿模型，并根据系统控制目标设计基于能量的控制策略。该方法的控制过程就是先确定系统达到期望平衡点时的期望能量，然后通过控制系统端口变量，使系统能量在外部注入的控制能量、系统输出的能量和系统内部损耗能量的共同影响下，在闭环反馈的过程里不断调整，最终使系统能量稳定在期望能量处，此时系统状态急救稳定在期望的平衡点处。,二、双馈风力发电系统的数学模型,A.风力机数学模型,由于风能流经风轮后的风速不可能为零，因此风能无法完全被风轮转化为机械能，则必然存在一个风能利用系数CP，其表征了风力机对风能的转化效率。通过该系数，由风力机所捕获到的机械功率Pm及产生的力矩 可表达为,其中CP为叶尖速比 （风轮边缘线速度与风速之比）和桨距角 的函数，鉴于不同水平轴风力机的CP具有相似性，可通过式（）这一具有一般性的方程来对其进行拟合,式中，,本文仿真系统中，采用额定功率为2MW的风力发电机，C1C8分别设置为,二、双馈风力发电系统的数学模型,根据以上参数，此时风力发电机的 曲线如图 所示,图3 风能利用系数函数,从图中可以观察出，若风力机桨距角不变，则会仅存一个叶尖速比使风力机获得最大风能利用系数，也就是说，可根据当前风速，对风力机转速进行调整，使风力机得到对应最大风能利用系数的叶尖速比，从而达到对风能的最大功率追踪目的；此外，进一步还可观察发现，随着桨距角的增加，风力机的最大风能利用系数会快速下降，这说明当风速较低时，风力机桨距角可保持零度角作为最佳风能吸收效率角，当风速过高时可通过调整桨距角的来降低风力机对风能的捕获，保障风力发电系统安全运行。,B.双馈感应电机模型,双馈感应风力发电机属于绕线式异步电机结构，双馈即指发电机的定子和转子三相绕组分别接到两个独立的三相对称电源，定子和转子都可进行馈电。基于简化系统分析的考虑，模型选取以定子磁场定向的dq旋转坐标系。,（1）电压方程：,（2）磁链方程：,（3）转矩方程：,（4）运动方程：,图3 双馈感应电机物理结构,二、双馈风力发电系统的数学模型,C.网侧变换器模型,基于网侧变换器的拓扑结构，系统网侧dq轴模型可如式（）所示,图4 网侧变换器拓扑结构,二、双馈风力发电系统的数学模型,D.系统PCH模型的建立,1、端口受控哈密顿（PCH）系统,对于非线性系统若将耗散的端口受控哈密顿（PCH）系统方法用于以上非线性系统描述，则有 其中，R为半正定对称矩阵，它反映了端口上的附加阻性结构；J为反对称矩阵，它反映了系统内部的互联结构； H为哈密顿函数，它定义了系统存储的能量。,二、双馈风力发电系统的数学模型,2、机侧PCH系统模型,二、双馈风力发电系统的数学模型,定义机侧系统状态以及输入向量分别为,再取系统的能量函数为机械能和电磁能的总和，即,则可将式（）表示为式（）的形式，其中,3、网侧PCH系统模型,若将网侧系统的电感磁通和电容电荷定义为其状态变量，即,再取电感和电容储存能量的总和为系统哈密顿函数,则可将式（）表示为式（）的形式，其中,二、双馈风力发电系统的数学模型,三、基于PCH模型的双馈风电系统控制研究,A.状态PCH控制方法,1、状态PCH控制方法的原理,对于PCHD系统2-(35)， 令系统期望的平衡点为 ，为了使系统能够渐近地稳定在 ，这里构造一个期望的能量函数 和反馈控制 使闭环系统,的期望能量函数 在 处有极小值，即 ，,同样为保证闭环系统3-(2)仍为PCHD系统，须选择,由于 是正定对称阵，因此，沿着系统3-(2)的轨迹， 对时间求导,由李雅普诺夫稳定性定理知闭环系统3-(2)是渐近稳定的，且期望的平衡点为,三、基于PCH模型的双馈风电系统控制研究,由式2-(35)和3-(2)得能量平衡方程,因此，要求得状态反馈控制 ，就要合适选择 并有效配置 、 ，然后由3-(8)即可解得 ，并使系统的闭环动态由 转变成动态为 形式,2、状态PCH控制器的求取,根据基于状态PCH模型的能量成形控制原理，由期望能量函数在 处具有局部极小值的性质，可将 表示为如下形式,考虑到 的反对称结构和 的半正定结构。取,代入能量匹配方程 得出系统机侧励磁控制器,为消除系统建模等因素存在的误差，对以上控制器引入积分作用，得到,为消除系统建模等因素存在的误差，对以上控制器引入积分作用，得到,其中,基于同样的原理，针对系统网侧，可以得到引入PI作用后的控制器为,式中， 为互联调节参数， 为正的阻尼调节参数，且,为比例系数， 为积分系数。,三、基于PCH模型的双馈风电系统控制研究,B.状态误差PCH控制方法,双馈风力发电系统不仅是一个强非线性、多耦合的复杂系统，但同时其在运行过程中随机扰动很多，平衡点随着风速的变化而变化，要求双馈风力发电系