双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制_周有为.pdf
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1、针对双馈风力发电系统传统模型预测电流控制中电流波动和转矩脉动较大的问题,提出一种双矢量模型预测电流控制策略。在一个采样周期中进行两次电压矢量选择,将第一阶段的最优矢量作为第二阶段的初值,结合候选电压矢量作用时间,计算最小代价函数,使候选电压矢量范围扩大,电压矢量选择更加精确。仿真结果表明:所提出的策略可以实现对双馈风力发电系统的有效控制,与矢量控制和传统模型预测电流控制相比,该策略有效降低了电流波动和电磁转矩脉动。关键词:双馈风力发电系统;模型预测控制;双矢量;电流控制中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言随着我国“双碳”目标的提出,风电产业发展迅猛 。双馈风力发电系统因具有发电效率高、变
2、流器容量小、可实现变速恒频运行等优点受到广泛应用 。在双馈风力发电系统中,双馈感应发电机(-,)的定子直接连接电网,转子接背靠背变换器,并与电网相连,定、转子都参与了馈电 。因此,的运行控制主要是对背靠背变换器的控制。网侧变换器主要实现 个控制目标,即对直流电压的控制和电机转子与电网之间双向有功和无功功率的流动。转子侧变换器主要实现对 定子输出有功、无功功率的控制 。目前,双馈风力发电系统主流控制为矢量控制和直接转矩控制 种控制策略,参考值无静差跟踪能力的掌控是 种控制方法的核心 。为了提升风力发电系统变换器的控制性能,模型预测控制(,)成为研究热点。通过结合控制系统的当前状况和构建的数学模型
3、,预测未来可能的状态,再依据所设计的价值函数比对参考值与预测值的误差,在线寻找最优结果的控制算法 。贺锐智等 以系统功率为控制对象,提出基于瞬时功率理论的 转子侧模型预测功率控制方式,与直接功率控制相比有较好的稳态特性。张虎等 对模型预测功率控制进行双矢量的拓展研究,在双矢量功率控制中将单个控制周期分为有效矢量和零矢量,从而降低功率脉动。陈辉 建立基于模型预测电流控制(,)的 数学模型,并以转子电流为实际控制对象,研究结果表明 控制器有效提高系统动态响应。王云飞等 进一步改进转子侧预测方程,在降低开关频率的同时减小转子电流纹波。沈坤等 利用有限控制集 思想,将变流器有限个开关函数组合代入 方程
4、,并在价值函数中增加误差补偿阈值,在提升控制性能的同时减小系统运算量。文献 针对电网电压故障状态,将多个约束条件加入价值函数中,进一步提升系统故障穿越特性。文献 均采用传统模型预测电流控制策略,但传统控制策略由于一个采样周期中只有一个电压矢量作用,存在着稳态性能较差的问题。本文在传统单矢量模型预测电流控制系统基础上,增加一个采样周期内的电压矢量选择个数,充分考虑电压矢量作用对价值函数的影响,设计转子侧变流器双矢量模型预测电流控制方案。仿真结果表明,与矢量控制和传统模型预测电流控制相比,所提出的双矢量模型预测电流控制策略有效减小了电流波动和电磁转矩脉动,提升了系统稳态性能。双馈风力发电系统数学模
5、型双馈风力发电系统结构如图 所示。转子侧经过背靠背变换器与电网相连,而网侧未经隔离直接连接电网。转子侧变换器对 定子输出有功、无功功率控制,是整个风电系统功率控制核心 。同步旋转 坐标系下 的定转子电压方程为:()()式中:为定子电压;为转子电压;为定子电流;为转子电流;为定子磁链,为转子磁链;为定子电阻;为转子电阻;为同步角速度;为转子角速度。图 双馈风力发电系统示意图定转子磁链方程为:()式中:为 坐标系下定、转子绕组互感;、分别为 坐标系下定、转子的绕组自感。理想电网条件下,并网运行的 定子直接挂网,定子电压等于电网电压,同步旋转 坐标系下的定子电压与定子磁链均保持恒定 。由式()可知,
6、忽略定子电阻的情况下,定子电压可以近似表示为:()由式()中定子磁链方程得转子电流表达式为:()将式()代入式()中转子磁链方程并联立式(),即可将转子磁链用定子电压和转子电流表示:()式中,()。由式()和式()得 、分量形式的转子电压方程为:()()()将式()代入式()得:周有为,等:双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制()()()()()()()()()()()()()(|)()传统模型预测控制策略 模型预测控制原理在有限控制集模型预测控制中,考虑到变换器允许产生的开关状态总数有限,对建立的预测模型进行在线寻优,计算出最优开关状态作用于变换器 。其控制原理如图 所示,时刻测量值构建预
7、测电流模型,将预测结果代入价值函数,使 最小化的开关函数 在 时刻作用于变换器。与连续控制集相比,有限控制集模型预测控制直接地考察模型的离散特征和制约条件,计算使代价函数达到最小值的开关状态,能有效减小计算量,直接实现优化,便于构建控制系统,同时提高了控制结构的稳定性。图 有限集模型预测控制原理示意图 控制延迟补偿采用前向欧拉逼近代替式()中转子电流,将式()离散化为:()()()()()()()()()()()()()(|)()式中:()、()为 时刻的预测值;()、()、()、()、()和 ()为 时刻的采样值;()和 ()为 时刻转子电压。由于采样时间较短,近似认为()(),()()。由
8、式()可以看出,预测模型计算出的转子电流 的预测值()是基于当前时刻(时刻)的实际电流()的数值得出。然而,数字控制系统有一拍延迟的问题 ,选择的最优矢量输出要延迟到下一时刻(时刻),从而导致逆变器应用上一时刻开关状态,增加电流脉动。因此,需要采取延迟补偿措施消除系统数字系统的延迟影响,以 时刻的变量作为初始值代入预测模型得到 时刻的变量预测数值,从而消除一拍延迟影响。价值函数确定结合模型预测电流控制思想,让预测值跟踪参考值。考虑延迟补偿问题后,仍需采用 时刻电流参考值*()。使用拉格朗日二阶外推法 ,估计未来时刻电流参考值为:*()*()*()*()*()*()*()*()()将 时刻变量代
9、入价值函数中,有:()*()()*()()()由此得到最优矢量 ,即最小价值函数所对应开关函数作用得出的电压矢量。结合上述公式,传统模型预测电流控制算法流程如下:)根据有限控制集模型预测控制思想,以转子侧电流为控制目标,由式()()推导得到 时刻预测电流式()。)考虑延迟补偿,进一步推导得到 时刻预测电流表达式,种有效电压矢量依次代入预测电流式进行计算,得出预测电流数值。)构建预测模型所对应的价值函数,把可能作用于逆变器的 个候选电压矢量在预测电流时计算得出的预测电流具体数值代入式(),将令价值函数最优的电压矢量选定成为最优电压矢量 ,并将与之对应相关开关函数作用于转子侧变换器。传统 系统控制
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