專利名稱：一種雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電變流器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及網(wǎng)側(cè)變流器單位功率因數(shù)運行的離散優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，特別是對當(dāng)今的中大功率風(fēng)電機組而言，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機占據(jù)了主導(dǎo)地位。雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

圖1所示,它主要由風(fēng)力機、增速箱、雙饋發(fā)電機、變流器和主控制器組成。首先由風(fēng)力機吸收風(fēng)能產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩，而后通過齒輪箱等傳動裝置帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而將機械功率傳遞給發(fā)電機；轉(zhuǎn)子繞組本身是接入勵磁電流建立磁場的，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，在定子繞組中感應(yīng)出電動勢，然后并入電網(wǎng)產(chǎn)生定子電流，實現(xiàn)風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)換。以上轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流是由接入電網(wǎng)的雙PWM變流器所提供的，如圖2所示，其中網(wǎng)側(cè)變流器是接入到電網(wǎng)的，機側(cè)變流器是接入雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)的，完成能量在轉(zhuǎn)子側(cè)和電網(wǎng)間的雙向流動，實現(xiàn)發(fā)電機定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)同時向電網(wǎng)饋送電能的目的。為了保證雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量符合電網(wǎng)要求，應(yīng)當(dāng)避免作為非線性負載的雙PWM變流器對電網(wǎng)的諧波電流污染，從而要求變流器具有良好的輸入特性:
(I)、PWM變流器的網(wǎng)側(cè)變流器輸入電流正弦；(2)、網(wǎng)側(cè)輸入電流的相位與電網(wǎng)電壓的相位一致，網(wǎng)側(cè)變流器以單位功率因數(shù)運行。因此，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)PWM變流器的有效優(yōu)化控制技術(shù)成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迫切需求。目前，針對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)PWM變流器來說，設(shè)計一套行之有效的控制系統(tǒng)來保證網(wǎng)側(cè)輸入電流完全正弦以及能跟蹤上電網(wǎng)電壓相位仍存在一定的困難，這主要是由以下瓶頸造成的:(1)、網(wǎng)側(cè)變流器三相電流間存在較為嚴重的耦合，即使轉(zhuǎn)化到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，網(wǎng)側(cè)dq軸電流間仍不能完全解耦；(2)、網(wǎng)側(cè)變流器具有非線性特點，是作為一個非線性負載接入電網(wǎng)的；(3)、網(wǎng)側(cè)變流器電壓、電流采樣存在一定的延時，所計算出來的控制電壓會滯后，影響控制系統(tǒng)的速度與精度；⑷、網(wǎng)側(cè)變流器的電感參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度，尤其是電感參數(shù)較小時，這給網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的控制器設(shè)計以及參數(shù)調(diào)節(jié)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，關(guān)于雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)PWM變流器常用的控制方法有:PID控制和狀態(tài)反饋控制。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但控制過程調(diào)節(jié)時間過長，系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)能力較差；并且不能對系統(tǒng)實施解耦，因此，難以滿足對網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求。狀態(tài)反饋控制則可以對控制變量解耦，實現(xiàn)有功功率和無功功率的單獨控制，然而遇到被控對象的任何一點攝動，都會導(dǎo)致解耦性破壞，且控制算法較為復(fù)雜，不易實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器缺乏一套有效的控制方案，本發(fā)明提供了一種優(yōu)化控制策略來實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器單位功率因數(shù)運行和輸入電流完全正弦的目標(biāo)，它能夠很好的適應(yīng)網(wǎng)側(cè)變流器饋入、饋出電能時的動態(tài)特性、強烈的非線性和各控制變量間的耦合性等運行特點，同時能夠克服網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)所帶來的不益影響，使網(wǎng)側(cè)輸入電流波形正弦且能跟蹤上電網(wǎng)電壓的相位。本發(fā)明解決其技術(shù)難點所采用的技術(shù)方案如下:一種雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)，所述網(wǎng)側(cè)變流器是電壓型PWM整流器，所述網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)包括以下兩個部分:模塊一、改進的網(wǎng)側(cè)電流離散模型預(yù)測控制器模塊；模塊二、改進的空間矢量調(diào)制模塊；具體的:模塊一包括模型預(yù)測單元、反饋校正單元和滾動優(yōu)化單元；模型預(yù)測單元根據(jù)當(dāng)前K時刻輸出的三相網(wǎng)側(cè)電流，通過dq坐標(biāo)變換后，實時在線計算出K+1時刻dq軸預(yù)測模型輸出電流值；反饋校正單元計算出實測系統(tǒng)輸出電流與預(yù)測模型輸出電流的偏差，并進行反饋校正后，得到系統(tǒng)預(yù)測輸出電流值；滾動優(yōu)化單元中將系統(tǒng)預(yù)測輸出電流值與K+1時刻的電流給定值進行比較，通過最小化開環(huán)二次型性能指標(biāo)函數(shù)，以確定最優(yōu)控制電壓序列；模塊二根據(jù)模塊一計算出的網(wǎng)側(cè)變流器的控制電壓、生成網(wǎng)側(cè)變流器運行的開關(guān)信號，控制網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)運行。所述模型預(yù)測控制單元內(nèi)部含有網(wǎng)側(cè)變流器的預(yù)測控制模型，該預(yù)測控制模型的被控變量是d軸電流和q軸電流，操作變量是d軸控制電壓和q軸控制電壓；被控變量與操作變量的傳遞函數(shù)離散化、獲得一階差分方程作為網(wǎng)側(cè)變流器的預(yù)測控制模型，所述PWM-VSR的一階差分方程為:
權(quán)利要求
1.一種雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)側(cè)變流器是電壓型PWM整流器，所述網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)包括以下兩個部分: 模塊一、改進的網(wǎng)側(cè)電流離散模型預(yù)測控制器模塊； 模塊二、改進的空間矢量調(diào)制模塊； 具體的: 模塊一包括模型預(yù)測單元、反饋校正單元和滾動優(yōu)化單元；模型預(yù)測單元根據(jù)當(dāng)前K時刻輸出的三相網(wǎng)側(cè)電流，通過dq坐標(biāo)變換后，實時在線計算出K+1時刻dq軸預(yù)測模型輸出電流值；反饋校正單元計算出實測系統(tǒng)輸出電流與預(yù)測模型輸出電流的偏差，并進行反饋校正后，得到系統(tǒng)預(yù)測輸出電流值；滾動優(yōu)化單元中將系統(tǒng)預(yù)測輸出電流值與K+1時刻的電流給定值進行比較，通過最小化開環(huán)二次型性能指標(biāo)函數(shù)，以確定最優(yōu)控制電壓序列； 模塊二根據(jù)模塊一計算出的網(wǎng)側(cè)變流器的控制電壓、生成網(wǎng)側(cè)變流器運行的開關(guān)信號，控制網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模型預(yù)測控制單元內(nèi)部含有網(wǎng)側(cè)變流器的預(yù)測控制模型，該預(yù)測控制模型的被控變量是d軸電流和q軸電流，操作變量是d軸控制電壓和q軸控制電壓；被控變量與操作變量的傳遞函數(shù)離散化、獲得一階差分方程作為網(wǎng)側(cè)變流器的預(yù)測控制模型，所述PWM-VSR的一階差分方程為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述反饋校正單元內(nèi)的反饋校正模型為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述滾動優(yōu)化單元的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述空間矢量調(diào)制模塊的數(shù)學(xué)模型為:t{p,q) = TV]jV^p,q^{lLV^W) 其中，t(p, q)表示不同扇區(qū)的電壓空間矢量的作用時間，Ts表示載波周期；Ud。表示直流母線電壓，表示待調(diào)制的線電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制方法，其特征在于，包括以下具體步驟: (I)、利用三個電流霍爾傳感器分別采集網(wǎng)側(cè)三相電流IgaIgbIg。，一個電壓霍爾傳感器采集直流母線電壓Ud。，兩個電壓霍爾傳感器采集電網(wǎng)線電壓EabEbc ； ⑵、采集獲得的電網(wǎng)線電壓EabEbc經(jīng)過經(jīng)典的軟件鎖相環(huán)技術(shù)計算得到電網(wǎng)電壓的角頻率Cr、相位角0和綜合矢量幅值Eg; ⑶、采集獲得的三相網(wǎng)側(cè)電流IgaIgbIg。經(jīng)過靜止三相/ 二相坐標(biāo)變化模塊，計算獲得網(wǎng)側(cè)電流的綜合矢量Ig、相位角918以及1。、10 ;基于電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸定向，將Ia、10經(jīng)過旋轉(zhuǎn)二相/ 二相坐標(biāo)變化模塊，計算獲得網(wǎng)側(cè)電流在電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的dq軸分量Id、I,，且將Id、I,進行軟件濾波作為電流模型預(yù)測控制器的反饋值； ⑷、設(shè)計網(wǎng)側(cè)變流器的外環(huán)直流母線電壓PI控制器，并將采集得到的直流母線電壓Udc經(jīng)過軟件濾波后作為PI控制器的反饋值；且？1控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)電流離散預(yù)測控制器的參考軌跡； (5)、分別設(shè)計網(wǎng)側(cè)變流器dq軸電流內(nèi)環(huán)離散模型預(yù)測控制器，它是對dq軸電流Id、Iq與dq軸控制電壓Ud、Uq間的傳遞函數(shù)進行離散化，將獲得的一階差分方程作為預(yù)測模型單元，實時計算出下一時刻dq軸預(yù)測模型輸出電流值；反饋校正單元計算出實測系統(tǒng)輸出電流與預(yù)測模型輸出電流的偏差，并進行反饋校正后，得到系統(tǒng)預(yù)測輸出電流值；則滾動優(yōu)化單元中將系統(tǒng)預(yù)測輸出電流值與下一時刻的電流給定值進行比較，通過優(yōu)化求解開環(huán)二次型性能指標(biāo)函數(shù)，以 確定最優(yōu)控制電壓序列，從而構(gòu)成模塊一； (6)、模塊二根據(jù)模塊一所計算出的控制電壓Ud、Uq生成網(wǎng)側(cè)變流器運行的開關(guān)信號Sa、Sb、S。，驅(qū)動網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)運行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制方法，其特征在于，所述步驟⑷中，直流母線電壓PI控制器的輸出作為d軸電流離散預(yù)測控制器的參考軌跡，q軸電流離散預(yù)測控制器的參考軌跡設(shè)定為零。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)及其控制方法，包括模型預(yù)測控制模塊和空間矢量調(diào)制模塊。模型預(yù)測控制模塊根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器的dq軸電流與dq軸控制電壓間的傳遞函數(shù)，離散化后獲得PWM-VSR的一階差分方程作為預(yù)測控制模型，結(jié)合反饋校正、滾動優(yōu)化實時在線計算出網(wǎng)側(cè)變流器的控制電壓；空間矢量調(diào)制模塊根據(jù)上述控制電壓生成網(wǎng)側(cè)變流器運行的開關(guān)信號，控制其并網(wǎng)運行。本發(fā)明可以消除網(wǎng)側(cè)變流器電壓、電流采樣延時所帶來的控制電壓滯后的影響，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)dq軸電流完全解耦，同時能夠克服網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)所帶來的不益影響，使得三相輸入電流有效跟蹤輸入電網(wǎng)電壓相位，保證了網(wǎng)側(cè)變流器運行于高功率因數(shù)狀態(tài)。
文檔編號H02J3/38GK103166247SQ20131008459
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者李華銀, 杜睿, 閔澤生, 陳建國, 蔣弛雷, 徐其惠, 蘇昭輝, 王波, 辛旺 申請人:東方電氣集團東方汽輪機有限公司, 四川東方電氣自動控制工程有限公司