基于零动态和超扭曲的双馈风机暂态控制策略.pdf
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1、【环境与能源/Environment and Energy】Vol.40 No.5Sep.2023第 40 卷 第 5 期2023 年 9 月深圳大学学报理工版Journal of Shenzhen University Science and Engineeringhttp:/基于零动态和超扭曲的双馈风机暂态控制策略张晓英1,舒子江1,吴宏强21)兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州 730050;2)甘肃电通电力工程设计咨询有限公司,甘肃兰州 730050摘 要:为充分考虑双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)故障状况下的非线性特性
2、,使用一种参数自适应超扭曲滑模控制器(super-twisting adaptive sliding mode control,STASMC)对多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统的零动态(zero dynamics,ZD)方法进行改进,提出一种 ZD-STASMC控制方法用来提高DFIG的暂态电压稳定性使用ZD方法解耦了原始系统的内部和外部动态,简化控制设计任务为进一步提高在参数不确定性和外部扰动下的电压调节能力,将ZD方法与STASMC相结合,通过STASMC构造辅助输入提升了DFIG的暂态性能,减少建模误差和实际过程中各种误差的影响改
3、进后的ZD方法可减小线性化误差的影响,加强了DFIG的暂态性能通过算例在三相故障下的仿真,验证了所提ZD-STASMC控制相比ZD控制方法以及常规比例-积分控制方法,在故障期间有更好的暂态性能,故障切除后也能更快恢复稳定ZD-STASMC策略能有效增强DFIG的故障穿越能力关键词:风能发电;可再生能源;双馈感应发电机;非线性控制;零动态方法;超扭曲滑模控制:故障穿越中图分类号:TM614 文献标志码:A DOI:10.3724/SP.J.1249.2023.05599Transient control strategy of doubly-fed fan based on zero dynam
4、ic and super twist controlZHANG Xiaoying 1,SHU Zijiang 1,and WU Hongqiang 21)College of Electrical and Information Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu Province,P.R.China2)Gansu Dentsu Electric Power Engineering Design Consulting Co.Ltd.,Lanzhou 730050,Gansu Province,P.R
5、.ChinaAbstract:In order to fully consider the nonlinear characteristics of the doubly-fed induction generator(DFIG)fault condition,we propose a ZD-STASMC method of zero dynamics(ZD)combined with super-twisting adaptive sliding mode control(STASMC)to improve the transient voltage stability of DFIG,wh
6、ich applies the adaptive STASMC to improve the ZD method for multiple input multiple output(MIMO)systems.The use of ZD method decouples the internal and external dynamics of the original system,which simplifies the control design tasks.To further enhance voltage regulation in the presence of paramet
7、er uncertainties and external disturbances,the ZD approach is combined with the STASMC through which the transient performance of DFIG is improved by constructing auxiliary input,by reducing the influence of modeling errors and various errors in the actual process.The use of the improved ZD techniqu
8、e can reduce the influence of linearization error and enhance the transient performance of DFIG.Through the simulation model under the three-phase faults,it is verified that the proposed ZD-STASMC control has better transient performance during faults,and can recover stability faster after fault rem
9、oval,compared with the ZD control Received:2022-07-13;Revised:2023-01-04;Accepted:2023-03-14;Online(CNKI):2023-04-07Foundation:National Natural Science Foundation of China(51867015,61963024)Corresponding author:Professor ZHANG Xiaoying()Citation:ZHANG Xiaoying,SHU Zijiang,WU Hongqiang.Transient cont
10、rol strategy of doubly-fed fan based on zero dynamic and super twist control J.Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2023,40(5):599-607.(in Chinese)第 40 卷深圳大学学报理工版http:/method and the conventional proportion integration(PI)control.The proposed strategy can effectively enhance the fa
11、ult traversing capability of DFIG.Key words:wind-electricity;renewable energy;doubly-fed induction generator(DFIG);nonlinear control;zero dynamics method;super-twisting sliding mode control;fault ride-through伴随全球气温逐渐升高和自然环境不断恶化,实现“碳达峰”、“碳中和”对人类的健康发展具有重要意义1-2根据全球风能理事会(Global Wind Energy Council,GWEC)
12、的数据,2021 年全球风电装机新增 93.6 GW,其中,中国占比 50.91%3风电大规模接入电网对现有电力系统安全稳定运行带来巨大的挑战双馈风机作为风力发电的主流机型之一,提升其故障穿越能力对提高风电并网稳定性具有重大意义4国内外学者对双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的故障穿越策略做了大量研究周临原等5-6采用加速定子直流磁链衰减的去磁控制策略,通过加速暂态分量的衰减使暂态过程显著缩短,提高了 DFIG 的故障穿越能力 PADHY等7基于改进灰狼优化算法设计了一种自适应模糊比例-积分-微分(proportion integratio
13、n differentiation,PID)控制器,这种控制器能快速优化PID控制参数,在非线性系统里也能取得较好的动态效果姜惠兰等8依据定子电流微分的d轴和q轴分量与转子感应电动势的d轴和q轴分量对应成正比的规律,设计出一种基于定子电流微分的前馈控制器这种方案实现简单,能较好地抑制故障期间的转子过电流,实现故障穿越上述控制器本质上都是在常规PID控制基础上进行改进,如增加去磁、前馈环节,或采用智能算法对模糊PID的参数进行优化这些措施能在一定程度上提升系统的故障穿越能力,但因没有考虑系统本身的非线性特性,由此会产生在严重故障扰动下动态响应不足的问题,换流器能力也没有得到充分利用近年来,有学者
14、开始转向风机故障期间的非线性控制研究9与传统线性控制策略相比,非线性控制策略的控制带宽很大,可以实现对被控量的有效控制10WU等11基于微分几何理论提出一种精确线性化的非线性控制器,提高了系统的暂态稳定性,但该方法设计出的控制率相当复杂,因此不利于实际应用马晓阳等12基于李雅普诺夫稳定判据提出了一种网侧变流器的非线性控制器,有效地抑制了直流母线的电压波动,但无法保证故障期间的无功输出孙丹等13提出一种反推直接功率控制,与传统比例-积分(proportion integration,PI)控制相比,该方法每个控制器只需调节1个参数,就能实现良好的稳态和动态性能以及保持恒定的开关频率,但这种方法的
15、稳态误差会随着系统参数的变化而变大,其参数鲁棒性欠佳邓三星等14基于状态相关黎卡提方程提出非线性状态调节器,能在暂态期间将状态变量调节至原平衡点附近,但这种控制方法对模型的精度要求较高,且没有考虑实际运行过程中存在的误差针对现有DFIG故障穿越控制策略存在的问题,本研究设计了一种参数自适应超扭曲滑模控制(super-twisting adaptive sliding mode control,STASMC)改进的零动态(zero dynamics,ZD)控制器来提高DFIG故障下的暂态性能先使用ZD方法通过部分反馈线性化来计算出系统的控制率,避免了由于将系统精确线性化而导致的控制率复杂的问题然
16、后使用STASMC方法计算辅助输入进一步提高系统的动态性能,降低了由于运行误差或参数变化对控制带来的影响,增强了控制策略的鲁棒性仿真算例分析了三相短路故障下风机的故障穿越能力,验证本研究控制方法的良好性能1DFIG电磁暂态模型双馈式感应发电机主要由风力机、齿轮箱、感应发电机、背靠背变流器和控制系统组成15,带Crowbar保护的双馈风机结构示意图如图1忽略定子磁链动态,DFIG的三阶模型16为Crowbar?RSC?GSC?DFIG?图图1带Crowbar保护的双馈风机结构Fig.1Doubly-fed induction generator with Crowbar protection.6
17、00第 5 期张晓英,等:基于零动态和超扭曲的双馈风机暂态控制策略http:/2Hdsdt=Ps-PmdEqdt=-ssEd+sLmLrrUdr-1TEq-()X-X IdsdEddt=ssEq-sLmLrrUqr-1TEd+()X-X IqsEd=-rsIds+XIqs+UdsEq=-rsIqs-XIds+UqsPs=-UdsIds-UqsIqsQs=-UqsIds+UdsIqs(1)其中,H为惯量常数;s为转差率;rs为定子电阻;X=sLss为定子电抗,s为同步角速度,Lss为定子自电感;X=s(Lss-L2m/Lrr)为定子暂态电抗;Lrr为转子自电感;Lm为励磁电感;T=Lrr/rr为
18、转子短路时间常数;Ed和Eq分别为d、q轴暂态电动势,与转子磁链成正比;Udr和Uqr分别是转子换流器输出的d、q轴电压;Uds和Uqs分别是定子d、q轴电压;Ids和Iqs分别是定子d、q轴电流;Ps和Qs分别为DFIG发出的有功功率和无功功率;Pm为风力机发出的机械功率从式(1)可见,DFIG的三阶模型是一个非线性模型,若要提升控制策略的暂态性能,则需要考虑系统的非线性特性2基于零动态方法的控制策略本研究采用零动态方法17-18设计DFIG控制器,与 精 确 反 馈 线 性 化(exact feedback linearization,EFL)14相比,该方法不需要对所有系统的状态进行精确
19、线性化通过坐标变换和状态反馈将非线性系统部分线性化,在内部动态即零动态稳定的前提下,对线性化子系统进行最优控制器设计,最终得到能够镇定全系统的非线性控制律零动态方法的基本思想是求出一种使得控制系统满足输出响应y在任何t 0的时刻都等于0的控制律u然后判断在这个控制率的控制下系统的零动态方程组的稳定性零动态在方程组中表征系统的内部动态特性,若系统的零动态是稳定的,则原系统的内部动态稳定和外部输出都是稳定的,则系统是稳定的按如下步骤设计DFIG的零动态控制器19步骤1:写出DFIG的状态空间表达式将式(1)的平衡点移到原点,忽略定子电阻rs,可得14x=f(x)+g(x)u(2)其中,f(x)=1
20、2H()UdseXEq-UqseXEd-s()s+seEd-sEdes-1TXXEqs()s+seEq-sEqes-1TXXEdg(x)=00-sLmLrr00sLmLrr其中,Ede和Eqe分别为d、q轴暂态电动势的稳态值;Udse、Uqse和se分别定子d、q轴电压和转差率的稳态值;Ed和Eq分别为d、q轴暂态电动势的扰动值;Uds、Uqs和s分别为定子d、q轴电压和转差率的扰动值;x=s EqEdT为状态变量;u=u1 u2=UdrUqrT为控制变量输 出 函 数h=h1h2T=PsQsTPs和Qs为 Ps=-EdUqseX+EqUdseXQs=EqUqseX+EdUdseX(3)步骤2
21、:计算相关度为了确保在此非线性系统上能应用零动态控制,需先计算原系统的相关度每个输出yi=hi(x)的关系度表示为ri由式(2)和式(3)可得,Lgihi=LgiL1-1fhi=hixgi(x)0(4)且式(5)所示的矩阵为非奇异矩阵,B(x)=Lg1L0fh1(x)Lg2L0fh1(x)Lg1L0fh2(x)Lg2L0fh2(x)(5)其中,Lg1Lkifhi为hi(x)对f(x)的 ki阶 lie 导数再对gj(x)求lie导数因此可得:r1=1,r2=1,则系统的总关系度rsystem=r1+r2=2可知系统的总关系度小于系统阶数因此,对于给定的输出函数,系统可以被部分线性化步骤3:非线
22、性坐标变换很明显,g(x)=g1(x)g2(x)是对合19的,601第 40 卷深圳大学学报理工版http:/因此能找到一组微分同胚映射z=(x)(x)T将原非线性系统线性化z=(x)=z1zr1zr1+1zr1+r2zr+1zn=1r1r1+1r1+r21n-rsystem=h1()xLr1-1fh1()xh2()xLr2-1fh2()x1n-rsystem当r1=r2=1,rsystem=2时,z=(x)可写为z=-EdUqseX+EqUdseXEqUqseX+EdUdseX1(6)由于rsystem小于系统阶数n,所以z=(x)中还包含了待定的n-rsystem=1个坐标映射关系,即=1
23、2n-rsystemT,这个坐标映射关系须满足1)向量函数z=(x)在x=0处的雅可比矩阵是非奇异的2)由于g(x)=g1(x)g2(x)是对合的,所以=12n-rsystemT还需满足Lg1i(x)=0Lg2i(x)=0 i=1,2,n-rsystem(7)经过微分同胚映射z=(x),式(2)所示的系统可转化为z1=1=2zr1-1=r1-1=r1zr1=r1=Lr1fh1(-1(z)+Lg1Lr1-1fh1(-1(z)u1+Lg2Lrf-1fh1(-1(z)u2zr1+1=r1+1=r1+2zr1+r2-1=r1+r2-1=r1+r2zr1+r2=r1+r2=Lr2fh2(-1(z)+Lg
24、1Lr2-1fh2(-1(z)u1+Lg2Lr2-1fh2(-1(z)u2zrsystem+1=1=Lf1(-1(z)zn=n-rsystem=Lfn-rsystem(-1(z)(8)将原系统的输出函数和关系度代入式(8),可得z1=Lfh1(-1(z)+Lg1h1(-1(z)u1+Lg2h1(-1(z)u2z2=Lfh2(-1(z)+Lg1h2(-1(z)u1+Lg2h2(-1(z)u2z3=Lf1(-1(z)(9)其中,Lfh1(x)=-s()s+seX()UdseEd+UqseEq+ssX()EqeUqse-EdeUdse+XTX2()UqseEd-UdseEqLfh2(x)=s()s+
25、seX()UdseEq+UqseEd-ssX()EqeUdse+EdeUqse-XTX2()UqseEq+UdseEdLg1h1(x)=-UdsesLmXLrr,Lg2h1(x)=-UqsesLmXLrrLg1h2(x)=-UqsesLmXLrr,Lg2h2(x)=UdsesLmXLrr向量x和向量z之间的转换关系如式(6)输出方程可写为y1=1=h1(-1(z)y2=2=h2(-1(z)(10)零动态方法最重要的特点是能够设计控制律u使得系统输出y(t)在t 0时输出保持为0这就意味着y1(t)=y1(t)=yr1-11(t)=0y2(t)=y2(t)=yr2-12(t)=0(11)所以作为
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