專利名稱：雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
目前，在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，需要對(duì)雙PWM變換器進(jìn)行很好的控制，以保證直流母線電壓的穩(wěn)定，并控制轉(zhuǎn)子的電流，使其跟隨參考電流而變化，其中雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的比例積分PI控制環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)這些控制功能的重要部分。
在對(duì)網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器(PWM，Pulse Width Modulation)的電流控制方案中，主要功能是由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，除了對(duì)有功分量和無(wú)功分量的解耦控制外，主要是利用比例積分PI控制來(lái)得到系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定直流電壓和能夠維持電壓恒定的并且已經(jīng)解耦的輸入電流，因此一般是將整個(gè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制系統(tǒng)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制；機(jī)側(cè)PWM變換器的主要作用是利用直流電壓來(lái)產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)子電壓，PI環(huán)節(jié)在機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)中的作用是使轉(zhuǎn)子電流能夠很好地跟隨參考電流的變化，以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤和恒功率控制，要求其具有很好的跟隨性。機(jī)側(cè)電流內(nèi)環(huán)PI控制的設(shè)計(jì)與網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)PI控制的設(shè)計(jì)方法相同，采用類似的傳遞函數(shù)，都能達(dá)到跟隨參考電流變化的效果。
合適的PI參數(shù)的設(shè)計(jì)需要建立合理的傳遞函數(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)中，PI參數(shù)的設(shè)計(jì)方法均是在建立在電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而現(xiàn)有技術(shù)中電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)都是基于連續(xù)系統(tǒng)來(lái)建立傳遞函數(shù)的，實(shí)際工程中，一般都是對(duì)某些量進(jìn)行采樣，這樣就使得電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)不夠準(zhǔn)確，從而影響了對(duì)雙PWM變換器的電流控制，降低了雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠使得電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，從而提高對(duì)雙PWM變換器的電流控制效果，優(yōu)化提升雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能。
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述方法包括 建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型； 根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)離散域的變換器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型的分量進(jìn)行Z變換，得到離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程； 根據(jù)所述離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，得到電流內(nèi)環(huán)的比例積分PI參數(shù)； 通過(guò)所得到的PI參數(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的性能，進(jìn)而優(yōu)化雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。
所述數(shù)學(xué)模型的分量為兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸分量。
所述離散域中電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)包括網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)或機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)。
由上述所提供的技術(shù)方案可以看出，首先建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；再根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)離散域的變換器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型的分量進(jìn)行Z變換，得到離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程；然后根據(jù)所述離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，得到電流內(nèi)環(huán)的比例積分PI參數(shù)；通過(guò)所得到的PI參數(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的性能，進(jìn)而優(yōu)化雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。這種方法使得電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，從而提高對(duì)雙PWM變換器的電流控制效果，優(yōu)化提升雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制性能。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例所舉出的例子中網(wǎng)側(cè)或機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例所舉出的例子中網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器電壓外環(huán)傳遞函數(shù)示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例所舉出的例子中改進(jìn)PI參數(shù)后的轉(zhuǎn)子電壓控制指令示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例所舉出的例子中改進(jìn)PI參數(shù)前的轉(zhuǎn)子電壓控制指令示意圖。
具體實(shí)施例方式 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在PI參數(shù)的設(shè)計(jì)中通過(guò)引入離散域變換器，將連續(xù)系統(tǒng)的參數(shù)變換到離散域，對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而與實(shí)際系統(tǒng)的采樣計(jì)算比較接近，這樣就可以使得電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，提高對(duì)雙PWM變換器的電流快速準(zhǔn)確跟蹤的控制效果，從而優(yōu)化提升雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制性能。
為更好的描述本發(fā)明實(shí)施例，現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供的雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程示意圖，所述方法包括 步驟11建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
在該步驟中，首先建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有多種建立數(shù)學(xué)模型的方式，在本實(shí)施例中，舉例來(lái)說(shuō)，雙饋型發(fā)電機(jī)同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以為 其中，Vd、Bq為電網(wǎng)電壓的兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸的分量，Vd1、Vq1為輸入變流器的電壓在d-q軸的分量，R、L為電網(wǎng)到變流器的濾波器參數(shù)。
步驟12根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)離散域的變換器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型的分量進(jìn)行Z變換，得到離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程。
在該步驟中，在通過(guò)上述方式建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型之后，就可以在離散域下通過(guò)離散域的變換器對(duì)數(shù)學(xué)模型的分量進(jìn)行Z變換，進(jìn)而得到電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)。上述的數(shù)學(xué)模型的分量可以是兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸的d軸分量，由于q軸控制系統(tǒng)中PI參數(shù)的選取與d軸是一樣的，因此該步驟中只對(duì)d軸PI參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。
舉例來(lái)說(shuō)，得到電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的過(guò)程可以是 首先，將(1)式方程中d-q軸進(jìn)行解耦，得到 由于控制系統(tǒng)中采樣的電壓、電流量都是離散的，因此對(duì)(2)式中d軸分量進(jìn)行Z變換，得到
式中，Kp＝(1-A)/R，
Ts為采樣周期，一般取0.5ms。具體實(shí)現(xiàn)中，可以引入控制理論中的數(shù)學(xué)變換方法對(duì)所述數(shù)學(xué)模型的分量進(jìn)行Z變換，該變換過(guò)程在本發(fā)明實(shí)施例中可以用離散域的變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
考慮到實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的延時(shí)等誤差問(wèn)題，在離散域下的傳遞函數(shù)應(yīng)加上一個(gè)二階的慣性環(huán)節(jié)Z-2。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)包括網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)，或機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)。如圖2所示為網(wǎng)側(cè)或機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)示意圖。
從圖2可得到網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)特征方程為 G(z)＝z2(z-1)(z-A)+KcKp(z-ac)(3) 而機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的PI參數(shù)計(jì)算方法與網(wǎng)側(cè)的計(jì)算方法是相同的。
步驟13根據(jù)所述離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，得到電流內(nèi)環(huán)的比例積分PI參數(shù)； 在該步驟中，具體是根據(jù)離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，進(jìn)一步得到電流內(nèi)環(huán)的比例積分PI參數(shù)。
在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，針對(duì)上述所得到的傳遞函數(shù)的特征方程(3)，可以根據(jù)系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定裕度和動(dòng)態(tài)性能選取合適的自然頻率ωn和阻尼比ξ，計(jì)算連續(xù)系統(tǒng)中的特征根
得到s1和s2；然后再利用復(fù)變量s和復(fù)變量z之間的關(guān)系
計(jì)算出離散系統(tǒng)中的特征根z1和z2，將其代入(9)式，求得Kc和ac；最后利用梯形積分的方法
將
與
進(jìn)行換算，求得電流內(nèi)環(huán)的比例積分PI參數(shù)Kp和Ki。
另外，對(duì)于機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)的獲得過(guò)程來(lái)說(shuō)，機(jī)側(cè)的矢量控制采用定子磁鏈定向矢量控制方法，將轉(zhuǎn)子交流量分解為有功分量和無(wú)功分量，并對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制，從而有ψds＝ψ1，ψqs＝0。一般定子繞組接無(wú)窮大電網(wǎng)，定子電壓us與電源角頻率ωs均恒定不變，ψ1＝us/ωs為常數(shù)，由此雙饋發(fā)電機(jī)的d-q軸電壓方程如下 磁鏈方程為 忽略定子電阻Rs，得到uds＝0，uqs＝us，再由(4)、(5)可得 其中
Lm為定子和轉(zhuǎn)子的互感。
與(2)式相類似，-sωsσLriqr和
為補(bǔ)償電壓，將其作為擾動(dòng)量，在建立傳遞函數(shù)時(shí)不予考慮；所建立的機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)如圖2所示。
通過(guò)比較(2)式和(6)式，可以得知只需將網(wǎng)側(cè)的支路電阻R變?yōu)檗D(zhuǎn)子電阻Rr，支路電感L變?yōu)棣襆r，然后再選用合適的自然頻率和阻尼比，具PI參數(shù)的獲取方法與網(wǎng)側(cè)電流環(huán)是相同的。
步驟14通過(guò)所得到的PI參數(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的性能，從而優(yōu)化所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。
在本步驟中，具體是在得到改進(jìn)型的PI參數(shù)以后，將該P(yáng)I參數(shù)代入到控制系統(tǒng)模型的PI調(diào)節(jié)器中，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，實(shí)際電流能夠快速準(zhǔn)確地跟隨參考電流的變化，從而使發(fā)電機(jī)能夠更快地追蹤到最大風(fēng)能，從而實(shí)現(xiàn)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)化。
通過(guò)以上技術(shù)方案的實(shí)施，就可使得電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，提高對(duì)雙PWM變換器的電流控制效果，從而優(yōu)化提升雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制性能。
另外，在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)也可經(jīng)過(guò)一定的變換得到，從而得到網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器電壓外環(huán)的PI參數(shù)，具體過(guò)程如下 定子電壓與直流電壓之間的關(guān)系滿足
m1為網(wǎng)側(cè)PWM的調(diào)制深度，一般取0.75。根據(jù)功率守恒可得Eios＝3Vdid，根據(jù)上述兩個(gè)式子，得到輸入直流母線的電流ios和d軸電流id之間的關(guān)系
因?yàn)?
得到直流電壓E與流入變流器電流id之間的關(guān)系為 應(yīng)用拉普拉斯變換Laplace得到 (7)式化簡(jiǎn)為 電壓外環(huán)的PI控制器的輸出量為網(wǎng)側(cè)變流器的d-q軸參考電流，如圖3所示為網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器電壓外環(huán)傳遞函數(shù)示意圖，由圖3可知 其傳遞函數(shù)特征方程為 特征方程為D(s)＝2Cs2+3m1Kes+3m1Keae； 而一般有 由上述的特征方程就可得出對(duì)應(yīng)的關(guān)系為 根據(jù)上述的(10)式，并根據(jù)系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定裕度和動(dòng)態(tài)性能選擇的自然頻率和阻尼比，就可以得到網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器電壓外環(huán)PI參數(shù)Ke和ae。
根據(jù)以上的技術(shù)方案，就可以通過(guò)所得到的PI參數(shù)來(lái)優(yōu)化所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，舉例來(lái)說(shuō)，將采用上述方法所獲得的PI參數(shù)代入雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)模型后，系統(tǒng)的運(yùn)行效果圖如圖4所示，如圖4為改進(jìn)PI參數(shù)后的轉(zhuǎn)子電壓控制指令示意圖；而如圖5所示為PI參數(shù)改進(jìn)前的轉(zhuǎn)子電壓控制指令的示意圖，從圖4和圖5的對(duì)比中可以看出通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例所述方法得到改進(jìn)后的PI參數(shù)后，圖4的PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果要更加的明顯，從而充分驗(yàn)證了改進(jìn)型PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法的有效性，進(jìn)而優(yōu)化提升了雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制性能。
綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例能夠使得電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，提高了對(duì)雙PWM變換器的電流控制效果，從而優(yōu)化提升雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制性能。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括
建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；
根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)離散域的變換器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型的分量進(jìn)行Z變換，得到離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程；
根據(jù)所述離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，得到電流內(nèi)環(huán)的比例積分PI參數(shù)；
通過(guò)所得到的PI參數(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的性能，進(jìn)而優(yōu)化雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述數(shù)學(xué)模型的分量為兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸分量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述離散域中電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)包括網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)，或機(jī)側(cè)脈寬調(diào)制變換器的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述方法包括首先建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；再根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)離散域的變換器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型的分量進(jìn)行Z變換，得到離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程；然后根據(jù)所述離散域下電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，得到電流內(nèi)環(huán)的比例積分PI參數(shù)；再將得到的PI參數(shù)代入控制系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器，優(yōu)化PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)能力，從而提高對(duì)雙PWM變換器的電流控制效果，優(yōu)化提升雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。
文檔編號(hào)H02P9/00GK101783642SQ201010124869
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者薛安成, 畢天姝, 張佳敏, 楊奇遜 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)