基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统图文精.docx
- 文档编号:14231623
- 上传时间:2023-06-21
- 格式:DOCX
- 页数:22
- 大小:761.99KB
基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统图文精.docx
《基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统图文精.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统图文精.docx(22页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统图文精
2010年7月电工技术学报Vol.25No.7第25卷第7期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJul.2010
基于无源性的变速恒频双馈
风力发电机控制系统
高勇张文娟杨媛安涛
(西安理工大学自动化与信息工程学院西安710048
摘要无源性理论应用于变速恒频双馈风力发电机的控制是一种全新的方法。
本文从能量的观点考虑双馈电机作为非线性控制对象,将风电系统定子侧单位功率因数运行、最大风能捕获及系统稳定性三者相结合,研究了双馈电机无源性控制的设计步骤。
所设计的电流内环与转速外环的相互协调,保证了定转子电流及转速的渐进跟踪。
与传统的矢量控制相比,无源控制策略在高速、有效实现最大风能捕获的同时,对电机参数摄动及负载转矩变化具有很强的鲁棒性。
基于
Matlab的仿真结果证明了该设计的有效性。
关键词:
双馈电机无源性控制最大风能捕获鲁棒性
中图分类号:
TM614;TM315
Passivity-BasedControlSystemforVSCF
DoublyFedWindPowerGenerator
GaoYongZhangWenjuanYangYuanAnTao
(Xi’anUniversityofTechnologyXi’an710048China
AbstractTheapplicationofthepassivity-basedcontrol(PBCtheorytotheVSCFwindpowergeneratorcontrolisanovelmethod.Inthispaper,thedoublyfedgeneratorisconsideredasanon-linearsystemusingenergyconceptandthemainpurposeistodesignapassivity-basedcontrolalgorithmthatcombinesthethreeaspectsofunitypowerfactorinthestatorside,themaximumwindenergycaptureandsystemstability.Theasymptotictrackingofcurrentsandrotorspeedareobtainedbytheharmoniousoperationbetweencurrentinner-loopandrotorouter-loop.Thedesignedcontrollerachievesmaximumwindenergycaptureinsuchawaythatthefastdynamicresponseandgoodaccuracy,meanwhile,ithasstrongrobustnessundergeneratorparametersandloaddisturbancecomparedtoconventionalvectorcontrol.ThereasonabilityandvalidityistestifiedbythesimulationresultsbasedonMatlab.
Keywords:
Doublyfedinductiongenerator,passivity-basedcontrol,maximumwindenergycapture,robustness
1引言
近年来变速恒频双馈风力发电得到了世界各国的广泛重视[1],其相关研究主要集中在基于矢量控制的定子磁链定向双馈电机有功、无功解耦控制上[2]。
矢量控制的实质是渐近的反馈线性化控制,反馈线性化的实现依赖于系统非线性的精确抵消,本质上是非鲁棒的。
双馈电机是一类复杂的非线性、多变量、强耦合系统,加之实际运行中风速的时变性,风力机能量传递链的柔性结构和随转速变化的机械阻尼影响[3],基于线性化模型的传统控制方案,不能保证风速快速变化及电机参数扰动下系统的控制效果。
陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项(2007ZDKG-29和陕西省重点学科建设专项资金(10700-080903资助项目。
收稿日期2009-04-20改稿日期2009-09-01
第25卷第7期
高勇等基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统131
针对此不足,无源性控制(Passivity-BasedControl,PBC方法展现了优越的控制性能。
它以全局稳定为控制目标,以无源系统的能量平衡为设计准则,找出不影响系统稳定性的“无功力”,迫使系统总能量跟踪期望的能量函数,并使系统的状态变量渐近收敛至设定值[4]。
这种注重系统的物理特征所体现出来的自然属性,不依赖于对象模型精确线性化的设计方法,能有效地简化控制器的结构,提高系统鲁棒性,且控制器的设计是全局定义全局稳定的[5-6]。
基于以上种种优势,近年来异步电机的无源性控制得到了广泛深入的研究并取得了显著的进步,这在文献[6-11]中均有体现。
双馈电机因结构的特殊性,在综合同步机和异步机优点的同时,其数学模型和控制也比前两者复杂得多。
鉴于目前国内从PBC理论和方法的角度对双馈电机研究的文章尚不多见。
因此,本文将无源性理论推广到变速恒频双馈风力发电机控制系统中。
基于文献[12-13]的思想,将风电系统定子侧单位功率因数运行、最大风能捕获及系统稳定性三者相结合,形成了一种简单可靠的调速系统。
所设计的无源控制器通过保持双馈电机期望转速、电流的渐进跟踪,实现了变速恒频风力发电系统的最大风能捕获。
与传统的矢量控制相比较,该方法实现简单,鲁棒性强,具有良好的动、静态性能。
2变速恒频风力发电系统最大风能捕获
原理
根据贝茨理论,风力机捕获的机械功率为[7]
3wp1
(,2
PCSvλβρ=(1
式中S——风力机扫掠面积;
ρ
——空气密度;
v
——风速。
在风速一定的情况下,风力机获得的功率取决于风能利用系数CP。
对于一般采用电气调节的风力机而言,桨叶节距角β为常数,因此,CP只是叶尖速比λ的函数。
通常λ定义如下:
mRv
ωλ=
(2
式中ωm——风力机机械角速度;
R——风轮半径。
将式(2代入式(1中,得最大风能捕获时的功率表达式为
3
3
max
p_maxm
1(,2RPCSλβρωλ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠
(3存在一个使风力机运行于最佳叶尖速比λopt的最优转速ωm-opt,此时输出最大功率Pmax。
追踪此最优转速,即可实现变速恒频风力发电系统的最大风能捕获。
3双馈电机数学模型
近年来,无源性理论主要以两种坐标系形式应用到异步电机控制中,一种是基于Clarke变换的αβ坐标系,一种是基于Park变换的dq坐标系。
事实上,一个系统的能量(或无源特性,并不会因所选状态变量、参考坐标系或数学模型表达式的不同发生变化,这在交流调速理论中也已证明。
在本文的设计中,为了避免复杂的坐标变化,选用αβ坐标系,此时双馈电机的状态方程为[8]
ererrerr
mmLerrpp(((,DRTTnnθθωθωωω⎧++=⎪
⎨
−=+⎪⎩
DiCiRiu(4其中
PrPrs2
merm
r2e(ennLLLLθθθ−⎛⎞
=⎜
⎟⎜⎟⎝⎠
JJIDIPrPrpmerpme(ennnLnLθθθ−⎛⎞
⎜
⎟=⎜⎟⎝⎠
JJ0
JCJ0s2
errr2(,RRθω⎛⎞
=⎜⎟⎝⎠
I
0R0
I21001⎛⎞=⎜⎟⎝⎠I,T
0110−⎛⎞==−⎜
⎟⎝⎠
JJPrPrPrPrTPrPrcos(sin(e(e
sin(cos(nnnnnnθθθθθθ−−⎛⎞==⎜⎟⎝⎠
JJ式中Te——双馈电机电磁转矩,Teper3(2
Tnθ=iCi;
i,u——定、转子电流及电压矢量,
(
T
T
T
sr=iii,(
T
T
T
s
r=uuu;
θr,ωr——双馈电机的转子位置角和转子角速度;
np——极对数;
Ls,Lr,Lm——定、转子自感及互感,且均大于0;Rs,Rr——定转子电阻;
Rm——旋转阻力系数;Dm——机组转动惯量。
132
电工技术学报2010年7月
磁链和电流的关系可写成
er(θ=Diψ(5其中磁链矢量
(T
TT
sr==ψψψ(T
ssrrψ
ψψψα
βαβ
式中,下标s、r分别表示定、转子变量;α、β分别表示αβ坐标系的直轴、交轴变量。
为求得定子磁链位置角θ,重新定义磁链矢量
(T
ssdsqψψ=ψ,则θ可写成
sq
sd
arctanψθψ⎛⎞
=⎜
⎟⎝⎠
(6式(6对时间求微分,并将定子电压平衡方程
ssssR=+uiψ
代入,得定子磁链电角度为(sqsdsq22
sdsdsqsdT
Tssssss
2
2
s
s
111Rψθψψψ⎡
⎤
⎛⎞⎢⎥=−+⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎛⎞⎝⎠⎢⎥⎣⎦
+⎜⎟⎝⎠−=
=
uiJJψ
ψψ
4无源控制器的设计
双馈电机可看成是电气和机械两个无源子系统的反馈互联,把机械子系统作为电气子系统的一个无源干扰项,只把电气子系统作为被控对象处理,从而简化了控制器的设计。
关于双馈电机模型做如下假设[9]:
(1双馈电机的定转子电流is、ir,转子位置角θr及定子电压us均可通过测量得到;转子角速度
ωr根据测量的转子速度计算得到。
(2电机参数确切知道。
(3负载转矩TL是光滑有界的已知函数,其一阶导数有界,即L1Tc∞≤≤,[0,t∀∈∞。
(4期望转子角速度refrω是一个光滑有界的可微函数,其一阶导数有界,即
refr2cω∞≤≤,[0,t∀∈∞。
控制器的设计可分三步。
首先,构造状态反馈,确保双馈电机电气子系统严格无源,实现状态变量的渐进跟踪,即ref
lim0tii
→∞
−=。
其次,根据控制目
标,求得电流状态变量期望值,确保定子侧单位功率因数运行。
最后,设计转速控制器,确保最优转速的渐进跟踪,实现风电系统最大风能捕获。
4.1构造一非线性输出反馈
nerrr(,Kθω=−uvi(8
使映射nr→vi严格无源。
其中,vn为系统新的输入控制信号,将其代入式(4,得闭环系统的状态方程为
eenrrenrrn
((,θωθω++=DiCiRiv(9其中,eneerrerr1
((,2Kθωθω⎛⎞=++⎜⎟⎝⎠
000RRC,
enrrerr
1
((2θωθω=CC。
当选择阻尼系数{}222pmr
err2Sr(,,(0min,4nLRRωθωσKI时
[10]
Ren是
正定矩阵。
取电气子系统的能量函数为:
T
er1(2
Vθ=
iDi,对其求导得TTTerenenn
((Viθ=−+−+iDi=iCiRiv(10Cen(θr为反对称阵,则Tenr(0θ=iCi,广义力
“enrr(θωC”被称为“无功力”,在进行状态反馈控制器设计时无需抵消,这就简化了控制律的设计。
将式(10两边积分可得
TTT0nenn(((d(d(dt
t
t
t
t
t
VtVtttt−=
−
∫∫∫iviRiiv(11
式(11左边是电气子系统的能量增量,右边
是电源供给电机的能量,如果将(
T
TT
s
rvv看作电气
子系统的输入,(
T
TT
srii看作电气子系统的输出,
则nr→vi为输出严格无源的,即双馈电机电气子系
统是严格无源的。
设定、转子电流的期望值为:
(
T
refref
ref
sr=iii,
跟踪误差为e=i−iref,则误差状态方程为
eenrrenrr((,θωθω++=φDe
CeRe(12φ为扰动量,为
(
srefrefref
neenrrenrrr==(((,θωθω⎛⎞
−++⎜⎟⎝⎠
vDiCiRiφφφ(13
取能量存储函数T
eer1(2
Vθ=
eDe,其导数为>
<<<
(7
第25卷第7期
高勇等基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统133
TTeen
Ve=−+eReφ(14根据Lyapunov定理[11],若φ=0,由于Ren正定,
则有lim0t→∞
→e。
由转矩与电流的关系知,电磁转矩
也最终收敛到期望值refeT。
完整的电气阻尼注入框图如图1所示。
图1电气子系统阻尼注入
Fig.1Dampinginjectedtotheelectricalsubsystem
4.2根据控制目标,求得状态变量期望值
设定子电流幅值为ξ,角度为ϕ,控制目标制定
如下:
(1定子电流渐进跟踪。
为实现定子侧单位功率因数运行,定子电流必须与电压同角度,则定子电流期望值可写为[12]
(T
refse0ϕξ=Ji(15
(2转子电流渐近跟踪。
对于转子电流期望值,据上述电磁转矩的定义及式(15,可写为[13]
(rT
(refrpm2e3nLϕθγβ−=Ji(16
式中,e
Tβ=−
γ为待定系数。
结合式(15和式(16,定子磁链期望值可写为
(refrT
refrefrefsssmree0LLθθλ=+=JJiiψ(17
式中,λ、θ为定子磁链幅值及其位置角。
将式(15和式(16代入式(17得
esref
ppesref
pp22coscossincos3322sinsincossin33TLnnTLnnγξϕϕϕλθγξϕϕϕλθ
⎧
++=⎪⎪
⎨
⎪++=⎪⎩
(18解得待定系数γ、ξ,如下:
ref
refserefcos(sin(
LTAθϕγλθϕ−=+
−(19referefsin(
A
Tξθϕ=−
−(20
将式(19和式(20代入式(18得定、转子电流期望值为
ref
erefref
sref
e
refcossin(sinsin(ATATϕϕ⎛⎞−⎜⎟
−⎜
⎟=⎜⎟−⎜⎟−⎝⎠
i(21refrrrefserefrrefref
rref
r
mrrefserefrrefcos(cos(cos(sin(sin(sin(1sin(sin(cos(sin(cos(sin(ALTLALTϕθλϕθθϕθϕλϕθθϕϕθλϕθθϕλϕθθϕ−⎛⎞−−+−⎜⎟−⎜⎟
⎜
⎟−−=⎜⎟
−⎜⎟−−++⎜⎟−⎜⎟⎜⎟−−⎝⎠
i(22
式中,p2
3Anλ
=
。
联合式(8、式(13、式(21和式(22,得电流控制率
prpr
refrefrefrmsrrmrsrefrefrr2rrrree
(,(nnLLLθθωθω−−=+−+−−JJuiiJiRiKii4.3转速控制器设计
通过内环控制,实现电流跟踪后,设计速度外环,产生满足要求的速度跟踪,实现系统最大风能捕获。
基于无源性的双馈电机转矩控制系统可渐进跟踪时变的转矩,因此转速调节器的设计就变得相当简单,只需在转矩控制中再增加一个转速闭环,具体控制率为
ref
refref
refmmeLrrmrrpp
(DRTTKnnωωωω=−−−−
可以证明[8],当转矩Te渐近于期望转矩refeT时,转速误差渐近趋于零。
至此,基于无源性的变速恒频双馈电机电气子系统控制器就设计完成。
式(23、式(21和式(22构成了具体的控制率和状态变量期望值表达式,再加上转速(转矩环(式(24,完整的双馈电机无源性控制框图如图2所示。
其正确性、有效性及
鲁棒性将通过仿真加以验证。
图2双馈风力发电机无源控制框图Fig.2BlockdiagramofDFIGPBCcontrolsystem
(24(23
134
电工技术学报2010年7月
5仿真研究
对一变速恒频双馈风力发电系统进行无源性设计。
风力机参数为:
PN=15kW,风轮半径R=4.3m,齿轮箱变比N=7.846,最大风能利用系数CP=0.43。
双馈电机参数为:
额定功率P=15kW,额定电压
UN=380V,极对数np=3,定子电阻Rs=0.379Ω,转子电阻Rr=0.314Ω,定子自感Ls=0.0438H,转子自感
Lr=0.0449H,定转子互感Lm=0.0427H,旋转阻力系数Rm=0,转动惯量Dm=0.40kg·m2
。
以前面所述的无源设计方法及原动机模型为基础,以Matlab中的Simulink及PowerSystemBlock为工具,构建变速恒频风力发电系统的无源仿真模型。
5.1最大风能捕获有效性验证
系统的初始状态为(
(T
T
T
T
sr==00iii,在
t=5s时风速由7m/s阶跃变化到9m/s。
双馈电机工作在超同步时,定转子电流、转速跟踪及有功无功响应如图3所示。
由图3a和图3b可以看出,在风速变化过程中,定子电流频率始终保持恒定(50Hz,定子电流的幅值及转子电流的频率随风速做相应改变。
在无源控制下,抑制了风速突变时的振荡超调,缩短了调整时间。
图3c和图3d显示了跟踪过程中,定、转子电流α、β轴分量的局部放大波形,由图可以看出,定转子电流可以很好地跟踪期望电流。
图3e和图3f显示了双馈电机的转速跟踪和有功、无功响应情况。
可以看出,实际转速经过调节能精确跟踪最佳转速。
无源性控制在实现有功、无功解耦的同时,很好地跟踪了由风力机最大输出功率Pmax计算的理论值,但也可以发现,实际值与理论值之间有误差,这与发电机损耗测量不精确以及风力机模型的简化等有关。
尽管如此,也可以看出所设计的无源控制器能很好地实现系统最大风能捕获,具有调节过程响应速度快、超调量小、无静差等优点。
(a定子三相电流
(b转子三相电流
(cα、β轴定子电流跟踪局部放大图
(dα、β轴转子电流跟踪局部放大图
(e转速跟踪曲线
(f有功和无功功率
图3最大风能追踪过程系统响应
Fig.3Responsesofmaximumwindenergycapture
第25卷第7期高勇等基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统1355.25.2.1鲁棒性验证调节时间延长,且调节后实际值与期望值出现一定的偏差。
电机参数扰动分析双馈电机的控制难点除了非线性、强耦合外,电机在实际运行时,模型参数会随温度的升高发生变化。
观察式(4)及式(9)中引入的反馈阻尼系数,互感Lm对系统的控制率影响较大,所以此处主要考虑励磁电抗的变化。
假设经过一段时间(5s)的运行后,励磁电抗发生了30%的漂移,为了更好地反映无源性控制策略对电机参数扰动的鲁棒性,将其与传统的矢量控制相比较。
图4a和图4b分别给出了电抗扰动时的转速和转矩波形放大图。
从比较结果可知,在相同的仿真条件下,矢量控制的精度取决于对象模型的精确线性化,因此当电机参数变化时其控制性能降低;而无源性控制策略依靠自身的鲁棒性,在电机参数受扰后能迅速趋于稳定点,且暂态调节过程超调小、无振荡。
(a)电磁转矩动态响应(b)转矩跟踪曲线图5Fig.5负载转矩突变时电磁转矩、转速响应曲线Responsesoftorqueandrotorspeedunderloadtorquevariation(a)转速跟踪曲线6结论
(1)无源性控制是一种全局定义且全局稳定的控制方法,对参数扰动和未建模动态具有很强的鲁棒性,是一种本质上的非线性控制。
将无源性理论应用于变速恒频双馈风力发电机控制系统上,找出不影响系统稳定性的“无功力”,使控制器的设计得以简化。
(2)无源控制器的设计可分三步加以实现,每个设计任务明确,电流内环与转速外环的相互协调,达到对整个系统更为良好的设计结果。
(b)转矩跟踪曲线(3)该方法与传统的矢量控制相比,没有对系统做任何近似线性化处理,更加接近实际系统的设计要求。
它不仅使控制策略能更加准确、快速地跟踪期望电流、转速,实现风电系统定子侧单位功率因数运行及最大风能捕获。
而且所得控制器充分利用了系统的非线性特性,对电机参数扰动及负载突变有很强的鲁棒性。
参考文献[1]刘其辉,贺益康,赵仁德.交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制[J].电工技术学报,2008,23图4Fig.4电抗扰动时转速、转矩响应曲线reactancedisturbanceResponsesofrotorspeedandtorqueunder5.2.2负载扰动分析系统运行稳定后,在t=5s时突增负载转矩至原来的3.5倍,两种控制策略下电机的电磁
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 无源 变速 恒频双馈 风力发电机 控制系统 图文
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)