雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量成型控制策略研究.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的電力供應(yīng)形式,對(duì)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu),實(shí)施低碳經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略具有重要意義。在各種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其變頻器所需容量小、調(diào)速范圍大、有功無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)成為大型機(jī)的主流。鑒于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn),應(yīng)用現(xiàn)代控制理論為系統(tǒng)尋求新型的先進(jìn)控制方法以改善系統(tǒng)運(yùn)行性能、提高發(fā)電質(zhì)量,正受到廣泛關(guān)注。本文即是以新型魯棒非線性控制方法對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制環(huán)節(jié)展開(kāi)研究。
　

2、　本文基于能量成型的新觀點(diǎn),充分結(jié)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換的物理本質(zhì),轉(zhuǎn)變現(xiàn)階段控制方法單純將系統(tǒng)作為由輸入轉(zhuǎn)化為輸出的信號(hào)處理裝置的控制理念。打破目前將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)視為發(fā)電的有源系統(tǒng)這一思維定勢(shì),將風(fēng)能視為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量,提出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是具有耗散性的無(wú)源系統(tǒng),應(yīng)用無(wú)源性理論對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)、消耗、傳遞過(guò)程進(jìn)行描述,進(jìn)而應(yīng)用能量成型理論研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略。主要研究?jī)?nèi)容包括:雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新型建模方法研究、反饋

3、互聯(lián)方式下新型能量成型控制方法理論研究、基于能量成型理論的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)控制策略研究和基于能量成型理論的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合控制策略研究四部分。
　　應(yīng)用端口受控哈密頓方法對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模是依據(jù)能量流動(dòng)過(guò)程為系統(tǒng)建模的全新方式。鑒于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性,提出按系統(tǒng)儲(chǔ)能元件將整體系統(tǒng)劃分為機(jī)械、電磁、直流、網(wǎng)端四個(gè)能量子系統(tǒng)。針對(duì)子系統(tǒng)具有的能量,確定能量函數(shù)。選取子系統(tǒng)端口變量,確定子系統(tǒng)間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。并根據(jù)

4、端口變量,設(shè)計(jì)各子系統(tǒng)端口受控哈密頓結(jié)構(gòu)。在子系統(tǒng)端口受控哈密頓模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)得到雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的端口受控哈密頓模型。該模型的建立為系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)能量成型控制策略的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。模型物理意義明確,符合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的本質(zhì)規(guī)律,使控制策略的設(shè)計(jì)過(guò)程更為清晰直觀。
　　鑒于所設(shè)計(jì)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)間以反饋互聯(lián)方式進(jìn)行級(jí)聯(lián),研究了反饋互聯(lián)方式下能量成型理論以及現(xiàn)有能量成型控制方法的優(yōu)勢(shì)與不足。歸納了端

5、口受控哈密頓系統(tǒng)反饋互聯(lián)后會(huì)具有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維數(shù)擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)對(duì)受控系統(tǒng)的能量成型控制的兩個(gè)有利特性。從而,提出一種新型能量成型控制方法,并稱其為“能量控制法”。該方法可破除現(xiàn)有方法對(duì)控制器結(jié)構(gòu)及端口變量的形式約束;無(wú)需引入卡什米爾函數(shù);能對(duì)能量匹配方程中目前缺乏物理意義的、aJ aR兩個(gè)矩陣提供相應(yīng)的物理解釋,并由此可制定對(duì)、aJ aR的設(shè)計(jì)原則。
　　基于所提出的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)端口受控哈密頓模型和新型能量成型控制方法,以控

6、制目標(biāo)分析、期望平衡點(diǎn)設(shè)定、能量匹配方程求解的路線分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器設(shè)計(jì)了基于能量的非線性魯棒控制策略。仿真結(jié)果表明,在隨機(jī)擾動(dòng)風(fēng)速下,基于能量的機(jī)側(cè)控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕獲,基于能量的網(wǎng)側(cè)控制可快速穩(wěn)定直流母線電壓并有效確保單位功率因數(shù)。與經(jīng)典 PI控制策略下系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的控制性能進(jìn)行對(duì)比分析,能量控制策略具有更好的魯棒性和快速收斂性,更適于非線性、多擾動(dòng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
　　雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)

7、側(cè)和網(wǎng)側(cè)獨(dú)立控制會(huì)引起兩側(cè)瞬時(shí)能量差異而導(dǎo)致直流環(huán)節(jié)電壓存在較大波動(dòng)。為克服這一弊端,從能量傳遞角度,認(rèn)為機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器是具有能量關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)配合的整體。因此提出:在整流和逆變過(guò)程中相互融入對(duì)方的控制信息,匹配整流和逆變過(guò)程的能量,來(lái)增強(qiáng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)能量提取與供給的協(xié)調(diào)配合程度。在已設(shè)計(jì)的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)端口受控哈密頓模型基礎(chǔ)上，建立雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體八維端口受控哈密頓模型,并根據(jù)整體模型設(shè)計(jì)了基于能量的系統(tǒng)機(jī)網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制策略。通過(guò)與基于能量

8、的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)獨(dú)立控制進(jìn)行比較,聯(lián)合控制策略在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制目標(biāo)的同時(shí),還能更為有效地抑制直流電壓波動(dòng),更及時(shí)地響應(yīng)風(fēng)速變化。
　　本文較為全面地研究了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的端口受控哈密頓建模方法和能量成型控制策略。著重關(guān)注系統(tǒng)的物理屬性而非數(shù)學(xué)屬性,緊密結(jié)合系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程,發(fā)揮能量成型控制策略非線性動(dòng)態(tài)好、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)從而更符合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)非線性、多擾動(dòng)性質(zhì)的要求。此種新型控制策略的提出,將為大型雙饋風(fēng)電機(jī)組魯棒非線性控