风力—太阳能混合发电控制系统的研究.doc

华南理工大学博士学位论文风力太阳能混合发电控制系统的研究姓名：张淼申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：吴捷20041001第三章可再生能源并两发电系统的研究采用自抗扰控制器来实现控制，主要需解决的问题是控制器参数的调整。中非线性函数的两个参数分别有其表征的意义，其中决定跟踪速度，称为“速度因子”；起对噪声的滤波作用，称为“滤波因子”，在选取的参数时，根据实际受控对象的特点，选择一个合适的过渡过程曲线，根据该曲线来选择合适的参数，和，构造出微分跟随器。的参数选取是系统实现的关键因素，首先可给控制对象施加阶跃控制量，给、设置初值，并使系统稳定；在确保系统稳定的前提下，调整的参数届、岛和岛，使其尽可能快速而准确地估计参考输入及其微分状态和内外扰动的合成函数：参数的选择则是以使闭环系统的性能指标令人满意为目标，通过调整非线性组合的参数毛和岛来实现的。整个参数的选取是通过反复试选后确定。参数一旦进入稳定区，其选择范围一般是相当宽的。仿真与实验结果。仿真结果为了验证本文介绍基于自抗扰控制方法在可再生能源系统中的可行性，本文分别采用了自抗扰控制与经典两种控制方法对图所示的系统作相应的仿真研究，实验结果如图、所示。系统的参数如下：恐，：，岛，属，与，。根据系统的工作特点，系统在投入工作前交流电压通过逆变器续流二极管整流与直流部分得到平衡，直流电压约为交流的峰值电压，取酢（）：。斗；，飞、“；培二（图 控制仿真响应过程曲线 ；口一一：，、丁图 控制系统仿真响应过程曲线 华南理工大学博士学位论文（）太阳能电能大于直流负载消耗（）太阳能电能小于直流负载消耗图一电压电流关系曲线 由图、自抗扰控制系统与经典控制系统的动态响应曲线可知，很明显自抗扰控制系统动态响应蚱无超调，动态过程电流冲击大大降低，因此可以认为采用自抗扰控制器可获得较佳的动态性能：当扰动电流突变时，由图、给出了自抗扰控制系统与经典控制系统的动态响应曲线；由图可知系统的直流电压，基本保持不变，与经典控制相比，自抗扰制系统输出电流的有效值。很快趋于稳定；因此可以认为自抗扰控制系统的鲁棒性及其适应性均优于经典控制系统。由图（）（）电压电流关系曲线可知，当太阳能电能大于负载消耗的能量和同相位电网电源处于供电方式；当太阳能电能小于负载消耗的能量和反相位电网电源处于吸收电能方式，系统在两种工作模式下都具有较好的性能。实验结果为了验证本文自抗扰控制方法的可行性，本文分别采用了自抗扰控制与经典两种控制方法对图所示的系统作相应的仿真研究，实验结果如图所示。系统的参数如下：哑，”：，。，届，乜，岛，七。根据系统的工作特点，系统在投入工作前交流电压通过逆变器续流二极管整流与直流部分得到平衡，直流电压约为交流的峰值电压，取（）。为了满足系统数据处理量大，和实时快速的要求，公司的数字信号处理器被用作系统的控制核心，来实现控制系统的数字化。系统逆变器的功率器件则采用日本三菱智能集成功率模块 ，其内部含有驱动电路，并具有过流、过压、过热等保护功能，从而提高了系统工作的可靠性。系统第三章可再生能源并网发电系统的研究主要由单相交流电源、主回路、控制单元、电抗器和负载等部分构成，电路外观如图所示：（）实验主拓扑电路（）控制电路图主要硬件电路图外观图 实验结果如图所示：口从文件一月一月片图控制和控制响应过程曲线 图电源电压和逆变器输出电流波形 在图中，曲线为采用自抗扰控制系统的动态响应曲线，曲线为采用华南理工大学博士学位论文的动态响应曲线。由图自抗扰控制系统与经典控制系统的动态响应曲线可知，很明显自抗扰控制系统动态响应，无明显的超调，动态过程电压的冲击大大降低。由图给出了电网电压和逆变器输出电流波形可以看出两者的相位基本一致。自抗扰控制器可以用来解决不确定性对象的控制问题，这种控制器的最大特点是不依赖于被控系统的具体数学模型并对内外扰有较强的抗扰能力，使整个系统在工作区间内具有良好的鲁棒性与适应性。仿真与实验结果表明与经典的的控制方法相比，的控制性能具有较好的适应性和鲁棒性，与经典的控制相比，这种方案可大大的改善系统的性能。本章小结自抗扰控制器可以解决一类不确定性对象的控制问题，具有很强的适应性和鲁棒性。它的核心技术就是将系统模型的不确定性和外部扰动视为一个综合扰动项，然后利用扩展状态观测器对综合扰动项进行观测和前馈补偿，实现系统的线性化。这种前馈补偿的线性化方法比精确反馈线性化方法的算法更简单，控制效果更好。综合来看，自抗扰控制技术主要的优点表现在：控制器的设计不依赖于系统的模型，且结构简单容易实现；算法简单，无须大量的矩阵运算；控制系统的参数选取与系统内部的参数无关，参数可以在比较大的范围内选取，即参数鲁棒性好。本章针对可再生能源的并网发电系统，存在不确定外部扰动的特点，首先将未建模的电网电压的波动和内部参数的变换等不确定外扰视为一个综合扰动项，然后利用自抗扰控制技术对综合扰动项进行观测和前馈补偿，实现了系统的线性化，进而设计出了一种不依赖于对象模型的并网发电系统的控制器。仿真和实验结果证明，该控制器不仅其有良好的抗外扰能力，对系统的内部如负载变化等摄动也具有较强的鲁棒性。华南理工大学博士学位论文、？图模拟电路得输出端电压和输出功率关系曲线 由图和图对比，可知该模拟装置的输出端电压和输出功率关系曲线与太阳能电池的特性曲线相似。令堕：班由（）式可得负载获得最大功率时，输出端电压为：昙u65323X实验电路的设计为了验证上述控制方法的可行性，本文采用设计了单片机小系统，实验电路原理图如图：酗最大功率跟踪实验电路图 实验电路可分为两部分：主回路和控制回路。主回路主要由太阳能电池的模拟电路、功率开关器件、负载、电压传感器一、电流传感器和辅助控制元件电感、电容等组成 。其中电压传感器和电流传感器分别被用来检测太阳能模拟装置输出的电压和电流。第四章光伏发电系统及其控制控制回路则是由单片机为核心的单片机小系统。（）实验主拓扑电路（）控制电路图实验电路硬件电路图外观图 取系统所采用的太阳能电池阵列模拟电路中直流电源，串联电阻，负载采用电阻。实验结果及其分析采用滑模变结构控制。上“一二：；！睦二三！：一一一！图模拟太阳能电池端电压变化曲线 华南理工大学博士学位论文寸”“儿“图模拟太阳能电池输出电流变化曲线 过脚八於，趴，？。一图流过电感的电流垃变化曲线 采用滑模控制方法由图，图和图可以看出：（）当系统稳定时，电容两端的电压为 ，约为输入电压一半，可以使输入电容的电压脚，基本上为源电压的一半，即，：妻五，此时负载上可以获得最大功率，说明稳态时系统处于最大功率状态。（）由图可知，采用滑模控制技术，系统追踪最大功率点的速度较快；稳定时，系统的摆动幅度较大。系统的仿真和实验结果证明所设计的方案是可行。基于非线性函数的最大功率搜索控制采用非线性函数的最大功率搜索控制方法实验结果如图、第四章光伏发电系统及其控制一所示：虬一。”。”。工图模拟太阳能电池端电压变化曲线 王。；岬眇，一叶忡槲中卜“州帅，：叫：一一。图模拟太阳能电池输出电流”变化曲线 图流过电感的电流忆变化曲线 垃华南理大学博士学位论文由图，图和图可以看出采用非线性函数搜索控制方法：（）当系统稳定时，电容两端的电压为，约为输入电压一半，可以使输入电容的电压脚，基本上为电源电压的一半，即唧，喜，此时负载上可以获得最大功率，说明稳态时系统处于最大功率状态。（）由图、图可知，采用非线性函数搜索控制方法，系统追踪最大功率点的速度较快，并在最大功率点附近发生振荡，与滑模方式相比，系统响应时间较长；稳定时，系统围绕最大功率点的摆动幅度较小，与滑模方式相比，系统围绕最大功率点的摆动幅度明显减小。系统的实验结果证明所设计的方案是可行。非线性函数搜索控制方式与滑模方式相比，采用非线性函数搜索控制方式系统响应时间较长；稳定时，采用非线性函数搜索控制方式系统围绕最大功率点的摆动幅度明显减小；采用非线性函数搜索控制方式电感的电流址的振荡的幅值明显小于采用滑模方式。本章小结本章首先简单介绍了太阳能电池的工作特点，并对太阳能电池最大功率点原理进行阐述和分析。研究并设计了基于滑模控制技术和非线性函数搜索控制方式，给出了这两种控制方法的详细设计步骤和参数选择方法。通过仿真与目前常用的控制方法进行对比，仿真结果表明，采用本文提出的两种方法可明显提高系统搜索最大功率点的速度。由于太阳能电池的输出功率受环境温度、太阳光强度等因素的影响，难以直接用太阳能电池来验证控制方法的可行性，本文根据太阳能电池的特点，设计了一太阳能发电模拟装置，并设计了一基于单片机小系统，通过实验验证了本文所提出的搜索方法的可行性。系统控制硬件简单，只要用单片机即可构成简单、廉价的装置，对于小规模太阳能发电系统有一定的实用价值。华南理工大学博士学位论文图风力发电系统中的双馈电机 系统中，发电机的定子绕组直接与电网相连，其控制绕组与功率变换器相连，而变换器的另一端连接至电网。基于现代交流调速技术，这种发电机可实现无级高效地调速。在调速过程中，转子回路和变换器工作的功率为滑差功率，因而变换器所需的驱动功率较小，如调速范围在左右时，交流励磁的变频装置容量仅为电机功率的；在与高压电网相联时，控制绕组可设计成低压，这样就可采用低压变频装装置，从大大降低了系统的成本。此外，还可通过改变控制绕组电流的幅值和相位来控制发电机有功、无功功率的输出，因而这种风力发电的变速恒频控制方案越来越引起众多学者的广泛重视。”嘲。矩阵式变换器拓扑结构的分析与研究可用作双馈电机控制绕组交流励磁的变频装置，目前常见的变频装置有由可控硅构成的交一交变换器和由自关断开关器件构成的交一直一交（ ）变换器两种类型【”。前者输出电压中含有大量的谐波，输入侧功率因数也很低，对电网和发电机均造成严重的谐波污染等负面影响；后者虽然改善了输出性能，但不可控整流加电容滤波的变换方式同样给电网带来畸变电流，且需要体积较大的直流滤波电容，不具备同步速上、下运行时控制绕组所需控制器所必需的功率双向流动功能。因此设计一种输入、输出特性好，无电力谐波，功率可双向流的“绿色”变换器是无刷双馈风力发电机控制技术的关键。随着矩阵变换器的电路拓扑结构的出现，把矩阵变换器应用到双馈电机控制中也成为该研究领域中倍受关注的研究内容之一【，。矩阵变换器的电路拓扑形式早在年就由等提出【】，与其它电力变换器相比，矩阵变换器主电路拓扑结构具有诸多优良特性，如：）可提供正弦的输出电压和产生正弦的输入电流；）无中间直流环节，结构紧凑，动态响应快；第五章双馈风力发电机发电控制器的研究）同一矩阵变换器装置可实现整流器、逆变器、斩波器等多重功能。目前国外矩阵式变换器的研究工作尚未成熟，离实用化还有距离，关键原因是适用的双向开关尚未产品化，而现有组合型双向开关的安全换流问题还未得到彻底解决【曲郇，由于矩阵式变换器的突出特点已引起功率器件生产商的重视，如公司推出自己经济型矩阵式功率模块，其模块的原理图如图所示：图 经济型矩阵式功率模块内部原理图 国内研究刚刚起步，从理论到实践都还有很多问题尚未解决。三相矩阵式变换器结构典型的三相到三相矩阵变换器拓扑结构如图所示，个双向开关排成行列矩阵。并利用个双向开关在开关周期内的占空比来组成行列的开关调制矩阵，来决定矩阵变换器的变换关系。图三相到三相矩阵变换器拓扑结构 ）开关内嵌式：遗（）开关共射板式（髭合型图双向开关结构 开关内嵌式如图（）所示，它由一个桥式整流器和一个功率开关组成，华南理工大学博七学位论文可以应用于各种矩阵变换器中。当功率开关开通和关断时，表现一个真正的交流开关的特点。串联型又分为共发射极和共集电极结构两种，图（）为开关共射型，这种类型需要两个功率开关和两个二极管，具有分离元件少、可靠性高等特点。每个功率开关、二极管均工作在两象限方式，易于对两个方向分别控制。混合型由一个桥式整流器、两个功率开关、一个小电感、一个电容及两个快速二极管组成。这种结构利用电容充放电作用保证了开关开通时的电流从零开始增长，关断时关断电压接近于零，因而可以近似做到开关过程零损耗。从理论上，开关动作可以瞬间完成并同时进行，但对实际应用的非理想开关还必须考