基于扰动观测器的双馈风力发电系统非线性自适应控制

发布时间：2020-06-05 05:14

【摘要】：本文针对基于双馈型感应发电机(DFIG)的风力发电系统(WECS)在工作点偏移时传统矢量控制方法的控制效果不佳的问题,设计了三种自适应控制策略。主要工作可以总结为以下几个方面:一、提出了一种结合比例积分反馈控制和反馈线性化方法的控制策略(PI-FLC)。对转子侧变流器进行所提出控制策略的设计,即采用基于微分几何理论的反馈线性化方法设计电流内环控制器,而采用比例积分反馈控制方法设计功率外环控制器。该控制策略既保证了控制器能在工作点偏离时提供快速且令人满意的控制效果,又能减少反馈控制中需要的状态变量的个数。在搭建的并网双馈风力发电系统中进行仿真,结果表明,相比于传统的矢量控制方法,提出的PI-FLC策略能够更好地实现斜坡风速变化下和随机风速变化下双馈风力发电系统对最大功率的跟踪,并对系统参数变化具有一定的鲁棒性。二、提出了一种基于扰动观测器的双馈风力发电系统多回路自适应控制(POMAC)策略。基于微分几何理论的反馈线性化方法中,为了保证控制器具有良好的控制效果,需要用到很多状态变量的精确值。同时,针对系统模型中由于建模误差和外界扰动造成的影响,提出了一种基于扰动观测器的多回路自适应控制方法,并用于双馈风力发电系统。首先,分别对DFIG-WT的转子侧变流器和网侧变流器进行输入/输出线性化,将高阶的系统根据四个控制目标解耦成四个相对应的低阶子系统,并在各子系统中分别定义一个扰动变量来描述系统模型的不确定性和外界扰动对系统模型的影响;其次,采用扩展状态和扰动的高增益观测器对解耦后的各个子系统的状态变量和扰动变量进行观测;最后,利用得到的状态变量以及扰动变量的估计值代替其真实值来实现最优反馈控制。进行在多种工况下的仿真,可以看出所提出的自适应控制方法能很好地实现控制目标,且具有较快的调节速度和较小的波动,在变风速、电网电压小幅下降等多种情况下均优于矢量控制方法。另外,由于观测器能估计出扰动并在控制环节中进行补偿,其不需要精确的系统模型,并对系统参数具有强鲁棒性。三、提出了一种基于扰动观测器的磁链补偿反馈控制策略(OFCC),用于提高DFIG-WT的低电压穿越LVRT能力。首先,分析了DFIG-WT低电压穿越时定子磁链的动态变化对系统的影响,说明了对定子磁链动态的补偿在提高低电压穿越能力上的重要性。其次,在POMAC的基础上,用扰动变量来描述定子磁链动态对系统模型的影响,并通过采用扩展状态和扰动的高增益观测器对这个扰动变量进行观测。最后,用得到的扰动变量的估计值来进行磁链补偿反馈控制。仿真结果表明,提出的OFCC能达到与FFTCC相同的低电压穿越的控制效果,且远优于矢量控制的低电压穿越效果。而且,不同于FFTCC的需要基于模型的磁链准确计算,OFCC使用观测器获取到了磁链的动态变化,因此对系统参数的变化具有强鲁棒性。四、搭建了一个基于dSPACE与RTDS的硬件在环测试平台。为了更实际地验证控制算法,我们将dSPACE的处理器板与实时数字模拟器(RTDS)互连,两者之间通过A/D板块与D/A板块交互,搭建了一个可用于硬件在环测试的半实物测试平台。我们在该测试平台,验证了本文所提出的POMAC和OFCC策略的有效性和优越性。所提出的POMAC方法能很好地实现控制目标,且具有较快的调节速度和较小的波动。另外,由于观测器能估计出扰动并在控制环节中进行补偿,故POMAC不需要精确的系统模型,并对系统参数具有强鲁棒性。所提出的OFCC方法能很好地补偿由于定子磁链动态引起的系统扰动,通过输出合适的转子电压来抵消感应电动势,从而达到故障后的转子过电流的抑制效果。所提出的磁链补偿控制方法能有效地提高双馈风力发电系统的LVRT能力。
【图文】：

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网对风电场的并网提出了更多的要求，风电机组必须满足一定规范才可并网。实现故障下的低电压穿越（LVRT）运行就是其中一个必备的要求。低电压穿越是指在规范中提出的曲线的范围内，风电机组必须保持不脱网运行，，如图1-1所示，并在故障期间对电网输出与电压跌落程度成一定比例的无功功率。在故障被清除之后，风电机组能迅速恢复成原来的正常工作状态。图1-1是世界上几个国家对风力发电系统提出的低电压穿越标6

等效电路图,感应发电机,双馈,等效电路

图 2-3 双馈型感应发电机 DFIG 等效电路双馈风机系统的机械传动轴系有三种等效模型，本文的研究均采用两质量模块模型。如图2-3所示，在双质量模型中，通常采用两个不同的质量块来代表低速涡轮和高速发电机，并将连接它们的弹性轴建模为一个弹簧和一个阻尼器。传动轴系的机电动态16
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM614;TP273.2

【参考文献】