離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì).pdf

1、風(fēng)的間歇取決于天氣和環(huán)境的變化，并能迅速或緩慢發(fā)生。這些變化影響發(fā)電機(jī)的頻率和輸出的電能質(zhì)量，所以離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要電力電子轉(zhuǎn)換器及其控制裝置。
　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)可因環(huán)境條件和時(shí)間的影響發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)被定義為力學(xué)參數(shù)（渦輪轉(zhuǎn)子慣性，粘性摩擦）和電學(xué)參數(shù)（電阻，電感，發(fā)電機(jī)的交鏈磁通，濾波器）。因此，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制器要保證在參數(shù)變化時(shí)正常運(yùn)行。
　　負(fù)荷的不斷變化表現(xiàn)為用電量隨時(shí)間變化。這些時(shí)

2、間上的變化包括與每日、每周和季節(jié)模式相關(guān)的瞬時(shí)波動(dòng)和每小時(shí)的變化。所以負(fù)載側(cè)變換器必須對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行控制。
　　電能質(zhì)量問(wèn)題表示負(fù)載側(cè)變換器的負(fù)載電壓是連續(xù)的、正弦的、具有恒定幅度和頻率。電能質(zhì)量受負(fù)載電壓變化、閃變、瞬變和高次諧波失真的影響。因此，必須控制負(fù)載電壓以確保風(fēng)的間歇、變化以及負(fù)荷變動(dòng)的影響下的良好的性能。
　　儲(chǔ)能系統(tǒng)在離型網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中扮演者著一個(gè)重要的角色，因?yàn)樗鼈儽ＷC從風(fēng)力產(chǎn)生的電能可以滿足負(fù)載需求。此

3、外，它們有助于提高電能質(zhì)量。儲(chǔ)能設(shè)備有很多，比如電池存儲(chǔ)、超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、抽水蓄能，因此儲(chǔ)能設(shè)備及其控制器的選擇是具有挑戰(zhàn)性的。
　　為了解決上述離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題，先進(jìn)的控制技術(shù)將應(yīng)用于如何解決這些問(wèn)題。各章的詳細(xì)描述如下。
　　第2章回顧了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的不同方面。首先討論了風(fēng)力渦輪機(jī)空氣動(dòng)力中風(fēng)速操作區(qū)域和不同的風(fēng)速操作區(qū)域氣動(dòng)功率控制方法。它顯示了經(jīng)受不同風(fēng)速的典型風(fēng)力渦輪機(jī)的輸入功率特性。

4、接下來(lái)分析風(fēng)速，由于在空氣流中風(fēng)能較低，風(fēng)力渦輪機(jī)不發(fā)出任何電能。如果風(fēng)速位于切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間，風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比。在這個(gè)操作區(qū)域，風(fēng)力渦輪機(jī)以可變的速度運(yùn)行從風(fēng)中獲得最大風(fēng)能?？刂扑俣群娃D(zhuǎn)矩以保證最佳輸出功率，變槳控制保證了恒定的葉片角度。但是，當(dāng)風(fēng)速增加到超出額定風(fēng)速，風(fēng)力渦輪機(jī)必須限制所捕獲的風(fēng)力發(fā)電，使得它不超過(guò)發(fā)電機(jī)的額定功率以保持電和機(jī)械載荷的安全。葉片槳距的控制通常用于限制這個(gè)區(qū)域中的風(fēng)力渦輪機(jī)的

5、功率和速度。在風(fēng)力渦輪機(jī)的速度增大到高于切出風(fēng)速的水平的情況下，應(yīng)風(fēng)關(guān)閉風(fēng)，避免損毀機(jī)械。討論了類型可變的風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)，并論述了功率電子轉(zhuǎn)換器。風(fēng)力渦輪機(jī)可分為固定渦輪機(jī)或可變渦輪機(jī)。固定渦輪機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)動(dòng)，而不管可變風(fēng)速。因此，只有達(dá)到給定的風(fēng)速值才能獲得從風(fēng)中提取的最大功率。同時(shí)，可變的風(fēng)力渦輪機(jī)可在寬范圍的風(fēng)速中提取的最大功率的風(fēng)能。
　　第3章提出了一個(gè)利用先進(jìn)的控制器解決關(guān)于參數(shù)不確定情況下無(wú)法獲得下的最大功率

6、輸出的問(wèn)題。眾所周知，在渦輪機(jī)葉片速比應(yīng)保持在其最佳值時(shí)，低速區(qū)域中的風(fēng)力渦輪機(jī)將獲得最大功率輸出。在這種情況下，相對(duì)于匹配的不確定性和干擾，似乎因?yàn)槟苁鼓K更穩(wěn)定和不變動(dòng)使得基于滑動(dòng)模式控制(SMC)的方法成為一個(gè)有用的方法。關(guān)于這些方法，在許多研究中已經(jīng)提出了SMC方案。作者提出了一種適用于磁場(chǎng)定向控制(FOC)的控制策略，這種策略可以克服模型的不確定性和風(fēng)速變動(dòng)的影響。但是，它的控制變量的不連續(xù)性可導(dǎo)致在發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率變

7、動(dòng)，這可能導(dǎo)致大幅度的震動(dòng)現(xiàn)象和產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的后果。為了保持一個(gè)恒定開(kāi)關(guān)頻率同時(shí)不影響魯棒性和跟蹤能力，提出了二階滑?？刂撇呗浴Ｆ渲?，超扭曲算法(STA)具有簡(jiǎn)單的規(guī)則，并允許將具有不連續(xù)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)與連續(xù)的控制動(dòng)作合成，這使得軌跡在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到2階滑?？刂撇@著降低了抖動(dòng)現(xiàn)象。傳統(tǒng)STA算法的缺點(diǎn)在于，它不允許補(bǔ)償不確定性，也不允許不穩(wěn)定性同狀態(tài)變量一起變化。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了具有可變?cè)鲆?VGSTA)的STA算法。
　　

8、第4章為PMSG離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提出了一種先進(jìn)的自適應(yīng)控制，可以在未知參數(shù)不確定和風(fēng)速瞬變情況下使風(fēng)電發(fā)電輸出功率最大。自適應(yīng)控制的基本理論在多篇論文中均有論述。這些論文表明，自適應(yīng)控制器和一個(gè)普通的控制器不同之處在于，控制器的參數(shù)是可變，并且存在一種以信號(hào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的在線調(diào)節(jié)參數(shù)的機(jī)制。其中最常用的自適應(yīng)控制方案是模型參考自適應(yīng)控制(MRAC)方案。正如在許多文獻(xiàn)中所示，MRAC對(duì)魯棒性數(shù)值大的值和數(shù)據(jù)丟失敏感，因MRAC此會(huì)嘗試增

9、加魯棒性該控制信號(hào)包含高頻信號(hào)，降低了系統(tǒng)的容量用來(lái)延遲時(shí)間。為了處理不想要的頻率，L1自適應(yīng)控制器在定義好的控制信號(hào)中使用低通濾波器來(lái)適當(dāng)?shù)南拗圃O(shè)備輸入通道的頻率接下來(lái)，L1自適應(yīng)控制架構(gòu)的目的是為不確定性進(jìn)行部分補(bǔ)償，即只為那些是控制信道的帶寬內(nèi)的不確定性進(jìn)行補(bǔ)償。然而，在未知的系統(tǒng)輸入增益的情況下，低通濾波器不能直接應(yīng)用到控制信號(hào)端。L1自適應(yīng)控制器已被Hovakimyan和Cao發(fā)展。與傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制器相比，在快速自適應(yīng)增益存

10、在的情況下它能夠保持良好的性能和持久性的魯棒性。在第4章，有非線性不確定參數(shù)和風(fēng)速驟變存在的情況下，應(yīng)用到PMSG-WECS的L1控制策略已經(jīng)提出能夠保證給定參考值時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)快速跟蹤轉(zhuǎn)子速度。基于多輸入多輸出系統(tǒng)的狀態(tài)反饋等級(jí)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于該系統(tǒng)的電流控制和速度控制。該控制器還成功地處理了風(fēng)力渦輪機(jī)的基本非線性問(wèn)題和未知參數(shù)時(shí)的影響。與在仿真部分中的間接MRAC和二階(STA)控制器相比，它揭示了L1控制器高自適應(yīng)增益存在時(shí)

11、良好的性能和魯棒性。
　　第5章還提出了在孤島運(yùn)行模式的分布式發(fā)電系統(tǒng)的三相電壓源逆變器的STA和STSMO控制器。近來(lái)，分布式發(fā)電系統(tǒng)(DGS)的數(shù)量在持續(xù)迅速增加，由于其相對(duì)于傳統(tǒng)的中央發(fā)電系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì):如降低的系統(tǒng)和燃料成本，更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)遵從，并且在小型發(fā)電機(jī)，電力電子技術(shù)和能量存儲(chǔ)設(shè)備上根據(jù)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該DGSs可運(yùn)行于并網(wǎng)應(yīng)用或者離網(wǎng)應(yīng)用（孤島模式）。通常，它們被連接到公用電網(wǎng)，以提供最大的功率到電網(wǎng)。然而，在一些

12、區(qū)域，如偏遠(yuǎn)地區(qū)和偏遠(yuǎn)的島嶼，其中的連接是非常昂貴的和不切實(shí)際的，選擇離網(wǎng)運(yùn)行更好。在獨(dú)立運(yùn)行模式中，DGSs可由分布式發(fā)電(DG)單元連接在一起的并行運(yùn)行，或者每個(gè)DG單元可獨(dú)立運(yùn)行。DG多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，必須確保獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率良好的負(fù)荷分擔(dān)（有功功率均分，無(wú)功功率均分，諧波功率均分）。同時(shí)，各DG的獨(dú)立運(yùn)作必須保證各種負(fù)載類型（負(fù)載突變，不平衡負(fù)載，非線性負(fù)載）負(fù)載電壓下的性能（瞬態(tài)響應(yīng)快，體積小穩(wěn)態(tài)誤差和低總諧波失真）。電

13、壓控制器的影響起主要作用。一般來(lái)說(shuō)，DG系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)逆變器是用來(lái)通過(guò)保持在孤島運(yùn)行時(shí)的恒壓恒頻(CVCF)，即使受到急劇變化的負(fù)載，不平衡負(fù)載和非線性負(fù)載的影響。受到的非線性負(fù)載的作用，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生具有低次諧波分量的非正弦負(fù)載電流。由于在負(fù)載電流中存在的諧波和負(fù)序分量的結(jié)果，它惡化了三相逆變器（非正弦輸出電壓與低次諧波成分的存在）的負(fù)載電壓質(zhì)量。因此，負(fù)載的運(yùn)行會(huì)受到影響，特別是，對(duì)于電源質(zhì)量要求高的場(chǎng)合，例如通信系統(tǒng)，醫(yī)療設(shè)備，半導(dǎo)

14、體制造系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。電壓控制器調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，即使在突加負(fù)載，不平衡負(fù)載和非線性負(fù)載的情況下，也能保證輸出電壓(正弦電壓，快速響應(yīng)和低TDH)具有良好的性能。對(duì)于該系統(tǒng)的控制器，傳統(tǒng)的滑動(dòng)模式控制方法已被提出來(lái)控制負(fù)載電壓，得到負(fù)載電壓的良好的性能。傳統(tǒng)的滑動(dòng)模式控制的缺點(diǎn)是控制變量的不連續(xù)性，從而使逆變器出現(xiàn)可變開(kāi)關(guān)頻率，從而出現(xiàn)高抖動(dòng)現(xiàn)象。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，第3章介紹了超扭曲算法(STA)。這種算法允許以不連續(xù)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的連續(xù)的

15、控制動(dòng)作的合成，因此，它顯著降低了抖動(dòng)現(xiàn)象。在第5章中，提出了用一個(gè)STA外環(huán)電壓控制器和STA內(nèi)環(huán)電流控制器的STA控制策略，以提高在各種負(fù)載類型（突然負(fù)載變化，不平衡負(fù)載，和非線性負(fù)載）的負(fù)載電壓的性能。所提出的控制器的優(yōu)點(diǎn)是降低負(fù)載電壓抖動(dòng)的連續(xù)電壓的動(dòng)作，所以它改善了負(fù)載電壓的質(zhì)量?；贚yapunov理論，證明了該控制器的穩(wěn)定性和魯棒性。此外，電流超扭曲滑模觀測(cè)(STSMO)建立以減少電流傳感器的數(shù)目，提高了系統(tǒng)的可靠性和成本

16、效益。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)控制器的性能比較，仿真結(jié)果表明負(fù)載電壓在不同負(fù)載類型下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中都具有優(yōu)異性能。
　　最后，論文的主要成果概括如下:
　　從不同風(fēng)力中獲得最大功率-通過(guò)使用所提出的控制器獲得最大功率。所提出的控制器如VGSTA，L1自適應(yīng)控制，可以保證在風(fēng)速變化和不確定參數(shù)的影響下對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速跟蹤。
　　風(fēng)電質(zhì)量改善-不考慮風(fēng)速的驟變和可變開(kāi)關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器的情況下，所提出的控制器可減少有功功率

17、的振蕩和風(fēng)力渦輪機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。
　　本地負(fù)載控制-負(fù)載側(cè)變換器的負(fù)載電壓是連續(xù)的和正弦的，并具有恒定幅度和頻率。負(fù)載電壓由所提出的控制器調(diào)節(jié)。在負(fù)荷變化和可變?yōu)V波器參數(shù)影響下，STA控制器可保證良好的性能和魯棒性。
　　對(duì)于本文所介紹的工作的擴(kuò)展，針對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以下是可以進(jìn)行進(jìn)一步的工作的描述。
　　儲(chǔ)能系統(tǒng)控制-儲(chǔ)能系統(tǒng)保證了與風(fēng)力發(fā)電供電相匹配的負(fù)載要求并且有助于改善電能質(zhì)量。因此，用于能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的先進(jìn)的