一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法

摘要

本发明公开一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法，采用背靠背全功率变流的电能控制结构，分别建立机侧变流器控制系统和网侧变流器控制系统的状态空间模型，并将直驱永磁同步风力发电系统中的机侧变流控制模块、网侧变流控制模块的跟踪误差的绝对值与时间的乘积和系统输出电压波形总谐波畸变率的加权叠加作为评估控制性能的适应度函数，设计基于实数编码的差分优化控制方法，实现直驱永磁同步风力发电系统中PI控制器参数的优化。本发明的控制方法能有效提高直驱永磁同步风力发电系统工作效率和发电质量，风电机组的能量转换效率、运行可靠性，并在电网发生扰动时确保直驱永磁同步风力发电系统稳定时间更短，稳态误差更小，鲁棒性更强。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源发电系统领域智能控制技术，具体涉及一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法。

背景技术

直驱永磁同步风力发电系统(Directly-driven Permanent Magnet SynchronousGenerator，以下简称D-PMSG)省去复杂的机械传动机构，通过采用全功率变流电能控制，降低了风力发电机组的损耗，提高了风电机组的能量转换效率和运行可靠性。全功率变流器电能控制策略对D-PMSG的运行特性和电能输出质量有非常关键的影响。在风电接入电网容量迅速增加的背景，并网直驱风电机组必须较强的故障抵御能力，并在电网发生扰动时具有较强的鲁棒性和一定的抗干扰能力。因此，如何设计有效的D-PMSG的全功率并网变流控制系统具有重要的工程应用价值。

D-PMSG的全功率并网变流控制策略目前常见有机侧不可控整流器接网侧晶闸管逆变控制策略、机侧不可控整流接网侧PWM电压源型逆变控制策略、机侧不可控整流接Boost升压接PWM电压源逆变控制策略以及背靠背全功率变流控制策略等。背靠背全功率变流控制策略通过采用机侧PWM整流系统对永磁同步发动机的转速和无功功率进行调控，实现对风能最优功率跟踪；通过采用网侧PWM逆变系统稳定中间直流电压稳定并调控注入电网的无功功率。背靠背全功率变流控制策略由于双端均为PWM变流系统，控制更加灵活，但也增加了系统优化控制的复杂性和不确定性。差分优化控制作为一种基于群集智能理论的新型优化控制算法，在电力系统中的应用研究起步较晚，主要集中在电网规划、负荷经济分配、最优潮流计算等方面。研究如何通过设置多目标加权函数，设计D-PMSG背靠背全功率变流器电能控制系统的DE优化控制方法，以提升风电系统在复杂工况和不确定性因素下的工作效率和发电质量，是一项国内外学术界和工程应用领域公认的难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法，该方法能够有效提高D-PMSG的工作效率和发电质量以及风电机组的能量转换效率和运行可靠性，并在电网发生扰动时确保D-PMSG稳定时间更短，稳态误差更小，鲁棒性更强。具体技术方案如下：

一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法，其特征在于，该系统采用背靠背全功率变流器电能控制结构，其中机侧变流器控制发电机转速和输出功率，网侧变流器稳定直流母线电压，控制发电系统输出的有功功率、无功功率；该方法包括如下步骤：

(1)通过采用占空比函数描述的建模方法建立网侧变流器系统的状态空间模型：

其中，L为滤波电感，R为滤波电感的等效电阻，C滤波电容，e_k为三相电网电动势，i_k为三相输出电流，d_k为占空比，u_dc为直流母线电压，e_d为直流母线侧直流电动势，R_d为直流母线侧等效电阻；

(2)将公式(1)进行d、q同步旋转坐标变换，使得网侧变流器系统的状态空间模型调整为：

其中，e_d、e_q为三相电网电动势两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，i_d、i_q为网侧变流器系统输出电流两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，d_d、d_q为等效开关函数两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量；ω为三相电网电压角频率。

(3)通过在两相同步旋转坐标系下对机侧变流系统建模，可得三相定子绕组的电压方程：

其中u_sa、u_sb、u_sc—定子三相电压，i_sa、i_sb、i_sc—定子三相电流。R_s—定子的绕组电阻，ψ_a、ψ_b、ψ_c—定子每相绕组磁链，其表达式如下：

其中L_aa、L_bb、L_cc为定子每相绕组电感，M_ab＝M_ba、M_bc＝M_cb、M_ac＝M_ca为每相绕组间的互感，ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc表示为三相绕组的各极永磁磁链：

其中，ψ_f为永磁体励磁磁链；

(4)根据公式(3)、(4)和(5)获得机侧变流系统状态空间方程为：

其中，p为微分算子，L_s为定子的绕组电感。在三相系统中，

i_sa+i_sb+i_sc＝0(7)

将公式(4)-(7)合并，将机侧变流系统状态空间方程进一步变换为：

其中，ω_e为转子的电角速度；

(5)将公式(8)进行d、q同步旋转坐标变换，最终机侧变流器系统的状态空间模型调整为：

其中，u_sd、u_sq为定子三相电压两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，i_sd、i_sq定子三相电流两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，ψ_d、ψ_q发电机磁链d、q轴分量，、L_d、L_q定子绕组电感的d、q轴分量，ω_s为发电机角速度。

(6)利用公式(2)、(9)、(10)结合PI控制器，得到直驱永磁同步风力发电系统中的背靠背全功率变流器电能控制系统；

(7)开始对步骤(6)中得到的系统进行差分优化，设置差分优化的参数值：变异因子F，交叉因子CR，群体规模M，最大迭代次数G；

(8)随机产生一个满足公式(11)约束条件的实数编码的直驱永磁同步风力发电中背靠背全功率变流的电能控制系统PI控制器变量的初始种群P＝{x₁,x₂,…,x_p}，其中第i个体x_i表示待优化的控制增量序列{K_p1i,K_i1i,K_p2i,K_i2i,K_p3i,K_i3i,K_p4i,K_i4i}，具体产生过程如下：

x_ij＝Δu_min+rand_ij(Δu_max-Δu_min),i＝1,2,...,p；j＝1,2,...,8(11)

其中，Δu_min和Δu_max分别表示控制增量序列的下限和上限，rand_ij表示一组在0和1之间产生的随机数；

(9)按照式(11)对种群P中的每一个个体x_i,i＝1,2,…,p进行目标函数f_i计算评价，具体如公式(13)所示，并将种群中当前最小的目标函数值设置为f_best，将对应的个体设置为当前最好解S_best；

其中，e₁和e₂分别表示机侧变流控制模块和网侧变流控制模块的跟踪误差，t表示系统运行时刻值，T_min和T_max分别表示三相逆变系统运行的初始时间和终止时间，THD表示直驱永磁同步风力发电系统输出的电压波形谐波畸变率，w₁和w₂表示权重系数，并满足w₁+w₂＝1；

(10)对种群进行变异操作，从群体中随机选择3个体x_p1，x_p2，x_p3，且i、p1、p2、p3互不相等，具体变异操作如下：

h_ij(t+1)＝x_p1j(t)+F·(x_p2j(t)-x_p3j(t))(13)

其中，h_ij(t+1)为暂存变异后个体的中间变量；

(11)为了增加干扰参数向量的多样性，对变异操作后的种群再进行交叉操作，具体操作如下：

其中，randl_ij表示一组在0和1之间产生的随机数，v_ij(t+1)为暂存交叉后个体的中间变量；

(12)为了确定x_i(t)能否成为下一代的成员，利用公式(12)获得实验向量v_i(t+1)和目标向量x_i(t)的评价函数的值，并对其进行比较，具体操作如下：

(13)重复步骤(9)～(12)直到系统运行到最大迭代次数G，得到PI控制器的最优变量，从而对直驱永磁同步风力发电中背靠背全功率变流的电能控制系统进行控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

采用本发明的D-PMSG背靠背全功率变流系统的差分优化控制方法，能够有效提高D-PMSG的工作效率和发电质量，风电机组的能量转换效率和运行可靠性，并在电网发生扰动时确保D-PMSG稳定时间更短，稳态误差更小，鲁棒性更强。

附图说明

图1是一个直驱永磁同步风力发电系统结构框图和DE优化控制原理示意图；

图2是本发明的控制方法的实现过程流程图；

图3是本发明的控制方法实施后的目标函数值优化过程曲线图；

图4是本发明实施后的D-PMSG在RT-LAB电力实时仿真平台的三相电输出电压波形图。

具体实施方式

以下代表性的实施例具体地说明本发明的内容，但这些实施例不用于限制本文所属发明的范围。

如图1和2所示，一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法，该系统采用背靠背全功率变流器电能控制结构，其中机侧变流器控制发电机转速和输出功率，网侧变流器稳定直流母线电压，控制发电系统输出的有功功率、无功功率；该方法包括如下步骤：

一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法，其特征在于，该系统采用背靠背全功率变流器电能控制结构，其中机侧变流器控制发电机转速和输出功率，网侧变流器稳定直流母线电压，控制发电系统输出的有功功率、无功功率；该方法包括如下步骤：

(1)通过采用占空比函数描述的建模方法建立网侧变流器系统的状态空间模型：

其中，L为滤波电感，R为滤波电感的等效电阻，C滤波电容，e_k为三相电网电动势，i_k为三相输出电流，d_k为占空比，u_dc为直流母线电压，e_d为直流母线侧直流电动势，R_d为直流母线侧等效电阻；

(2)将公式(1)进行d、q同步旋转坐标变换，使得网侧变流器系统的状态空间模型调整为：

其中，e_d、e_q为三相电网电动势两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，i_d、i_q为网侧变流器系统输出电流两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，d_d、d_q为等效开关函数两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量；ω为三相电网电压角频率。

(3)通过在两相同步旋转坐标系下对机侧变流系统建模，可得三相定子绕组的电压方程：

其中u_sa、u_sb、u_sc—定子三相电压，i_sa、i_sb、i_sc—定子三相电流。R_s—定子的绕组电阻，ψ_a、ψ_b、ψ_c—定子每相绕组磁链，其表达式如下：

其中L_aa、L_bb、L_cc为定子每相绕组电感，M_ab＝M_ba、M_bc＝M_cb、M_ac＝M_ca为每相绕组间的互感，ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc表示为三相绕组的各极永磁磁链：

其中，ψ_f为永磁体励磁磁链；

(4)根据公式(3)、(4)和(5)获得机侧变流系统状态空间方程为：

其中，p为微分算子，L_s为定子的绕组电感。在三相系统中，

i_sa+i_sb+i_sc＝0(7)

将公式(4)-(7)合并，将机侧变流系统状态空间方程进一步变换为：

其中，ω_e为转子的电角速度；

(5)将公式(8)进行d、q同步旋转坐标变换，最终机侧变流器系统的状态空间模型调整为：

其中，u_sd、u_sq为定子三相电压两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，i_sd、i_sq定子三相电流两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，ψ_d、ψ_q发电机磁链d、q轴分量，、L_d、L_q定子绕组电感的d、q轴分量，ω_s为发电机角速度。

(6)利用公式(2)、(9)、(10)结合PI控制器，得到直驱永磁同步风力发电系统中的背靠背全功率变流器电能控制系统；

(7)开始对步骤(6)中得到的系统进行差分优化，设置差分优化的参数值：变异因子F，交叉因子CR，群体规模M，最大迭代次数G；

(8)随机产生一个满足公式(11)约束条件的实数编码的直驱永磁同步风力发电中背靠背全功率变流的电能控制系统PI控制器变量的初始种群P＝{x₁,x₂,…,x_p}，其中第i个体x_i表示待优化的控制增量序列{K_p1i,K_i1i,K_p2i,K_i2i,K_p3i,K_i3i,K_p4i,K_i4i}，具体产生过程如下：

x_ij＝Δu_min+rand_ij(Δu_max-Δu_min),i＝1,2,...,p；j＝1,2,...,8(11)

其中，Δu_min和Δu_max分别表示控制增量序列的下限和上限，rand_ij表示一组在0和1之间产生的随机数；

(9)按照式(11)对种群P中的每一个个体x_i,i＝1,2,…,p进行目标函数f_i计算评价，具体如公式(13)所示，并将种群中当前最小的目标函数值设置为f_best，将对应的个体设置为当前最好解S_best；

其中，e₁和e₂分别表示机侧变流控制模块和网侧变流控制模块的跟踪误差，t表示系统运行时刻值，T_min和T_max分别表示三相逆变系统运行的初始时间和终止时间，THD表示直驱永磁同步风力发电系统输出的电压波形谐波畸变率，w₁和w₂表示权重系数，并满足w₁+w₂＝1；

(10)对种群进行变异操作，从群体中随机选择3个体x_p1，x_p2，x_p3，且i、p1、p2、p3互不相等，具体变异操作如下：

h_ij(t+1)＝x_p1j(t)+F·(x_p2j(t)-x_p3j(t))(13)

其中，h_ij(t+1)为暂存变异后个体的中间变量；

(11)为了增加干扰参数向量的多样性，对变异操作后的种群再进行交叉操作，具体操作如下：

其中，randl_ij表示一组在0和1之间产生的随机数，v_ij(t+1)为暂存交叉后个体的中间变量；

(12)为了确定x_i(t)能否成为下一代的成员，利用公式(12)获得实验向量v_i(t+1)和目标向量x_i(t)的评价函数的值，并对其进行比较，具体操作如下：

(13)重复步骤(9)～(12)直到系统运行到最大迭代次数G，得到PI控制器的最优变量，从而对直驱永磁同步风力发电中背靠背全功率变流的电能控制系统进行控制。

本发明的控制方法实施后的目标函数值优化过程曲线如图3所示，本发明的控制方法实施后的D-PMSG在RT-LAB电力实时仿真平台的三相电输出电压波形图如图4所示，从图中可以看出，差分优化方法具有较强的全局收敛能力和鲁棒性，采用差分优化算后对D-PMSG中背靠背全功率变流器电能控制系统进行优化控制后，系统的三相电输出稳定，电能质量高。