一种双馈风电场并网处理转子励磁自适应控制方法

摘要

一种双馈风电场并网处理转子励磁自适应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：列写出双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型；步骤二：根据双馈感应发电机在dq坐标系下的数学模型基础上，采用端口受控哈密顿系统理论，建立单台双馈感应发电机端口受控耗散系统模型；步骤三：对双馈风力发电机组单机PCHD模型进行扩展，得到风电机群的PCHD模型。本发明的有益效果：基于PCHD系统的理论知识，建立双馈感应发电机端口受控耗散系统模型的转子励磁自适应控制方法，使风电场的出力优化。

说明书

技术领域

本发明属于智能电网领域，具体涉及一种双馈风电场并网处理转子励磁自适应控制方法。

背景技术

随着越来越多的大型风电场切入的电网运行，来流风速通过处于上游的风电机组后，风速降低、湍流强度增加，形成尾流效应，使得下游风电机组发电功率降低，湍流强度增加影响风电机组的气动性能，给控制器的设计带来较大的影响。因此，根据风电机组尾流分布特性，降低风电场尾流损失，增加输出功率，成为风电场控制器优化设计和优化运行亟待解决的关键问题。现有的风火混合系统协调控制方法大多是针对单机协调控制，而且没有考虑风电场尾流效应对风机出力的影响。

发明内容

为解决上述问题，提供一种双馈风电长并网处理转子励磁自适应控制方法。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种双馈风电场并网处理转子励磁自适应控制方法，包括以下步骤：

步骤一：列写出双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型；

步骤二：根据双馈感应发电机在dq坐标系下的数学模型基础上，采用端口受控哈密顿系统理论，建立单台双馈感应发电机端口受控耗散系统模型；

步骤三：对双馈风力发电机组单机PCHD模型进行扩展，得到风电机群的PCHD 模型；

步骤四：基于双馈感应发电机端口受控耗散系统模型，设计双馈风电场风机的转子励磁自适应控制率，得到第i台风力发电机组机侧的转子励磁控制律，并表示为dq坐标轴下系统转子励磁自适应控制率，实现对风电场中双馈风力发电机输出有功功率和无功功率的优化控制；

步骤五：采用定子电压矢量定向的方法，当系统达到稳态时，将dq坐标轴下系统转子励磁自适应控制率代入定子功率方程可得第i台风机和第j台风机的定子出力关系。

所述双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型为：

电压方程

式中，u

磁链方程

式中，L

转矩方程

τ＝n

运动方程

因为摩擦系数一般很小，忽略风电系统的摩擦系数，则运动方程为

式中，τ

PCH系统模型可由欧拉-拉格朗日方程推出，标准形式如下：

将能量耗散的概念引入PCH系统中后，可得到PCHD系统标准形式如下：

式中，x∈R

所述步骤三具体包括：将双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型的电压方程、转矩方程和运动方程联立并整理可得

其中

定义系统状态以及输入向量分别为

取系统的能量函数为机械能和电磁能的总和，即

其中

将上式对x求导，得：

由⑦～

其中已知

显然J(x)＝-J

对双馈风力发电机组单机PCHD模型进行扩展，得到风电机群的PCHD模型为：

式中，第i台风电机组的状态为：

设计双馈风电场风机的转子励磁自适应控制律为

式中：k

综上所述，在d-q坐标轴下系统转子励磁自适应控制率可表示为：

所述步骤五具体包括：采用定子电压矢量定向的方法(定向于d轴)，可得到第i台风力发电机组定子的有功和无功功率如下：

则当系统达到稳态时，有k

将dq坐标轴下系统转子励磁自适应控制率代入定子功率方程可得到底i台风机和第j台风机的定子出力关系为：

本发明的有益效果：基于PCHD系统的理论知识，建立双馈感应发电机端口受控耗散系统模型的转子励磁自适应控制方法，使风电场的出力优化。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的系统结构图。

图3是考虑尾流效应的改进控制策略和传统PI控制策略功角控制效果对比图。

图4是考虑尾流效应的改进控制策略和传统PI控制策略的压降控制效果对比图。

图5是系统发生故障前后DFIG输出的无功功率响应曲线。

图6是常规PI控制策略下的仿真波形图a。

图7是常规PI控制策略下的仿真波形图b。

图8是常规PI控制策略下的仿真波形图c。

图9是考虑尾流效应的改进控制策略下的仿真波形a。

图10是考虑尾流效应的改进控制策略下的仿真波形b。

图11是考虑尾流效应的改进控制策略下的仿真波形c。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

双馈风力发电机在三相静止坐标系上的模型十分复杂，不利于分析和求解，通过坐标变换，可以得到两相旋转dq坐标系下双馈感应发电机的数学模型：

(1)电压方程

式中，u

(2)磁链方程

式中，L

(3)转矩方程

τ＝n

运动方程

因为摩擦系数一般很小，在本文的研究中，忽略风电系统的摩擦系数，则运动方程为

式中，τ

双馈感应发电机端口受控耗散系统的建立：

本文把双馈感应发电机看做由电磁子系统和机械子系统构成的二端口结构，由于子系统均是无源和损耗的，则由两个子系统负反馈连接的系统也是无源的。根据双馈感应发电机在d-q轴系下的数学模型，以及PCHD系统的理论知识，建立双馈感应发电机端口受控耗散系统模型。

PCH系统模型可由欧拉-拉格朗日方程推出，标准形式如下：

将能量耗散的概念引入PCH系统中后，可得到PCHD系统标准形式如下：

式中，x∈R

将式①、③、⑤联立并整理可得：

其中

定义系统状态以及输入向量分别为

取系统的能量函数为机械能和电磁能的总和，即

其中

将上式对x求导，得：

由⑦～

其中已知

显然J(x)＝-J

对双馈风力发电机组单机PCHD模型进行扩展，得到风电机群的模型为：

式中，第i台风电机组的状态为：

定理1设计双馈风电场风机的转子励磁自适应控制律为

式中：k

证明取整个网络的Hamilton能量函数为

将协同控制律代入上式，可得闭环系统为：

因此整个闭环系统是全局稳定的，且所有输出信号有界。进一步考虑集合：

可得：

基于以上定理的结论，则可得到第i台风力发电机组机侧的转子励磁控制律为：

综上所述，在d-q坐标轴下系统转子励磁自适应控制率可表示为：

采用定子电压矢量定向的方法(定向于d轴)，可得到第i台风力发电机组定子的有功和无功功率如下：

则当系统达到稳态时，有k

代入定子功率方程可得到底i台风机和第j台风机的定子出力关系为：

系统仿真结果如图3-7所示。

系统故障发生前后DFIG功角特性响应曲线如图3所示，对应的DFIG机端电压特性响应曲线如图4所示。可以看出，采用本文提出的附加控制策略，系统在故障期间因扰动而引起的DFIG的功角变化得到较好的抑制，其变化量仅为16°。相比较而言，采用常规控制策略时DFIG的功角发生了“突变”，其变化量的最大值达到了145°

图5所示为系统发生故障前后DFIG输出的无功功率响应曲线。由图可知，采用本文提出的考虑尾流效应的改进控制策略时，在电网故障期间，DFIG为系统提供了暂态无功支持，有效减小了母线电压的跌落。相比较而言，采用常规控制策略时，在系统故障期间，DFIG输出的无功功率变化较小，几乎没有给系统提供无功支持。

由图6可知，采用常规PI控制策略，当高电压故障发生后，公共母线电压突增到1.32pu，高电压持续时间500ms，故障消失后，母线电压重新恢复正常。而采用本文改进的控制策略，触发高电压故障时，公共母线电压仅突增到1.2pu，故障消失后，母线电压重新恢复正常，如图9所示。通过对比实验数据可知，采用本文的改进控制策略，可以有效减少公共母线电压骤升约0.12pu，取得了较好的控制效果。

图7为常规控制策略下，触发高电压故障后，DFIG转子电流的变化曲线，由于此时系统运行在最大风能跟踪状态，转子电流几乎没有发生较大的变化。而采用本文改进的控制策略后，DFIG转子电流变化曲线如图10所示，故障发生后， DFIG转子电流迅速增大至原来的1.25倍，使DFIG快速发出无功功率，有效抑制了公共母线电压的骤升。

图8为常规PI控制策略下，在系统发生故障期间DFIG无功功率的变化曲线，由于此时系统仍处于最大风能跟踪专题，因此DFIG输出的无功功率围绕期望值“0”附近发生不规则振荡，系统高电压故障消失后，DFIG输出的无功功率趋于期望值“0”。而采用本文改进的控制策略，如图11所示。当系统触发高电压故障后，由于DFIG转子电流迅速增加，使DFIG快速发出无功功率，有效抑制了系统电压的骤升现象。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。