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,對優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu),實施低碳經(jīng)濟戰(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、有功無功功率獨立調(diào)節(jié)等優(yōu)勢成為大型機的主流。鑒于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多變量、強耦合、非線性的特點,應(yīng)用現(xiàn)代控制理論為系統(tǒng)尋求新型的先進控制方法以改善系統(tǒng)運行性能、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雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制環(huán)節(jié)展開研究。
　

2、　本文基于能量成型的新觀點,充分結(jié)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動態(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,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)是具有耗散性的無源系統(tǒng),應(yīng)用無源性理論對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲、消耗、傳遞過程進行描述,進而應(yīng)用能量成型理論研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略。主要研究內(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雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模是依據(jù)能量流動過程為系統(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)儲能元件將整體系統(tǒng)劃分為機械、電磁、直流、網(wǎng)端四個能量子系統(tǒng)。針對子系統(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，進一步設(shè)計得到雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機側(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)機側(cè)和網(wǎng)側(cè)能量成型控制策略的設(shè)計奠定基礎(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)計過程更為清晰直觀。
　　鑒于所設(shè)計的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)間以反饋互聯(lián)方式進行級聯(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)勢與不足。歸納了端

5、口受控哈密頓系統(tǒng)反饋互聯(lián)后會具有實現(xiàn)系統(tǒng)維數(shù)擴展和實現(xiàn)對受控系統(tǒng)的能量成型控制的兩個有利特性。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)有方法對控制器結(jié)構(gòu)及端口變量的形式約束;無需引入卡什米爾函數(shù);能對能量匹配方程中目前缺乏物理意義的、aJ aR兩個矩陣提供相應(yīng)的物理解釋,并由此可制定對、aJ aR的設(shè)計原則。
　　基于所提出的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機側(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)機側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器設(shè)計了基于能量的非線性魯棒控制策略。仿真結(jié)果表明,在隨機擾動風(fēng)速下,基于能量的機側(cè)控制可實現(xiàn)對風(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)機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的控制性能進行對比分析,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、多擾動的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
　　雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機

7、側(cè)和網(wǎng)側(cè)獨立控制會引起兩側(cè)瞬時能量差異而導(dǎo)致直流環(huán)節(jié)電壓存在較大波動。為克服這一弊端,從能量傳遞角度,認(rèn)為機側(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:在整流和逆變過程中相互融入對方的控制信息,匹配整流和逆變過程的能量,來增強機側(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)計的機側(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)計了基于能量的系統(tǒng)機網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制策略。通過與基于能量

8、的機側(cè)和網(wǎng)側(cè)獨立控制進行比較,聯(lián)合控制策略在實現(xiàn)系統(tǒng)機側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制目標(biāo)的同時,還能更為有效地抑制直流電壓波動,更及時地響應(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)的能量流動過程,發(fā)揮能量成型控制策略非線性動態(tài)好、魯棒性強的優(yōu)勢從而更符合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)非線性、多擾動性質(zhì)的要求。此種新型控制策略的提出,將為大型雙饋風(fēng)電機組魯棒非線性控