離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)控制器設計.pdf

1、風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)電機的頻率和輸出的電能質量，所以離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)需要電力電子轉換器及其控制裝置。
　　風力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)可因環(huán)境條件和時間的影響發(fā)生變化。風力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)被定義為力學參數(shù)（渦輪轉子慣性，粘性摩擦）和電學參數(shù)（電阻，電感，發(fā)電機的交鏈磁通，濾波器）。因此，離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的控制器要保證在參數(shù)變化時正常運行。
　　負荷的不斷變化表現(xiàn)為用電量隨時間變化。這些時

2、間上的變化包括與每日、每周和季節(jié)模式相關的瞬時波動和每小時的變化。所以負載側變換器必須對負載變化進行控制。
　　電能質量問題表示負載側變換器的負載電壓是連續(xù)的、正弦的、具有恒定幅度和頻率。電能質量受負載電壓變化、閃變、瞬變和高次諧波失真的影響。因此，必須控制負載電壓以確保風的間歇、變化以及負荷變動的影響下的良好的性能。
　　儲能系統(tǒng)在離型網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)中扮演者著一個重要的角色，因為它們保證從風力產(chǎn)生的電能可以滿足負載需求。此

3、外，它們有助于提高電能質量。儲能設備有很多，比如電池存儲、超級電容、飛輪儲能、抽水蓄能，因此儲能設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)型風力發(fā)電系統(tǒng)的技術問題，先進的控制技術將應用于如何解決這些問題。各章的詳細描述如下。
　　第2章回顧了風力發(fā)電機組的能量轉換系統(tǒng)的不同方面。首先討論了風力渦輪機空氣動力中風速操作區(qū)域和不同的風速操作區(qū)域氣動功率控制方法。它顯示了經(jīng)受不同風速的典型風力渦輪機的輸入功率特性。

4、接下來分析風速，由于在空氣流中風能較低，風力渦輪機不發(fā)出任何電能。如果風速位于切入風速和額定風速之間，風力渦輪機的輸出功率與風速的立方成正比。在這個操作區(qū)域，風力渦輪機以可變的速度運行從風中獲得最大風能?？刂扑俣群娃D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，當風速增加到超出額定風速，風力渦輪機必須限制所捕獲的風力發(fā)電，使得它不超過發(fā)電機的額定功率以保持電和機械載荷的安全。葉片槳距的控制通常用于限制這個區(qū)域中的風力渦輪機的

5、功率和速度。在風力渦輪機的速度增大到高于切出風速的水平的情況下，應風關閉風，避免損毀機械。討論了類型可變的風力渦輪機結構，并論述了功率電子轉換器。風力渦輪機可分為固定渦輪機或可變渦輪機。固定渦輪機以恒定的轉子速度轉動，而不管可變風速。因此，只有達到給定的風速值才能獲得從風中提取的最大功率。同時，可變的風力渦輪機可在寬范圍的風速中提取的最大功率的風能。
　　第3章提出了一個利用先進的控制器解決關于參數(shù)不確定情況下無法獲得下的最大功率

6、輸出的問題。眾所周知，在渦輪機葉片速比應保持在其最佳值時，低速區(qū)域中的風力渦輪機將獲得最大功率輸出。在這種情況下，相對于匹配的不確定性和干擾，似乎因為能使模塊更穩(wěn)定和不變動使得基于滑動模式控制(SMC)的方法成為一個有用的方法。關于這些方法，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速變動的影響。但是，它的控制變量的不連續(xù)性可導致在發(fā)電機側轉換器的開關頻率變

7、動，這可能導致大幅度的震動現(xiàn)象和產(chǎn)生機械應力的后果。為了保持一個恒定開關頻率同時不影響魯棒性和跟蹤能力，提出了二階滑?？刂撇呗?。其中，超扭曲算法(STA)具有簡單的規(guī)則，并允許將具有不連續(xù)的時間導數(shù)與連續(xù)的控制動作合成，這使得軌跡在有限時間內(nèi)達到2階滑?？刂撇@著降低了抖動現(xiàn)象。傳統(tǒng)STA算法的缺點在于，它不允許補償不確定性，也不允許不穩(wěn)定性同狀態(tài)變量一起變化。為了解決這個問題，提出了具有可變增益(VGSTA)的STA算法。
　　

8、第4章為PMSG離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)提出了一種先進的自適應控制，可以在未知參數(shù)不確定和風速瞬變情況下使風電發(fā)電輸出功率最大。自適應控制的基本理論在多篇論文中均有論述。這些論文表明，自適應控制器和一個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系統(tǒng)為基礎的在線調(diào)節(jié)參數(shù)的機制。其中最常用的自適應控制方案是模型參考自適應控制(MRAC)方案。正如在許多文獻中所示，MRAC對魯棒性數(shù)值大的值和數(shù)據(jù)丟失敏感，因MRAC此會嘗試增

9、加魯棒性該控制信號包含高頻信號，降低了系統(tǒng)的容量用來延遲時間。為了處理不想要的頻率，L1自適應控制器在定義好的控制信號中使用低通濾波器來適當?shù)南拗圃O備輸入通道的頻率接下來，L1自適應控制架構的目的是為不確定性進行部分補償，即只為那些是控制信道的帶寬內(nèi)的不確定性進行補償。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用到控制信號端。L1自適應控制器已被Hovakimyan和Cao發(fā)展。與傳統(tǒng)的自適應控制器相比，在快速自適應增益存

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)和風速驟變存在的情況下，應用到PMSG-WECS的L1控制策略已經(jīng)提出能夠保證給定參考值時風力渦輪機快速跟蹤轉子速度。基于多輸入多輸出系統(tǒng)的狀態(tài)反饋等級的控制系統(tǒng)設計可以應用于該系統(tǒng)的電流控制和速度控制。該控制器還成功地處理了風力渦輪機的基本非線性問題和未知參數(shù)時的影響。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控制器高自適應增益存在時

11、良好的性能和魯棒性。
　　第5章還提出了在孤島運行模式的分布式發(fā)電系統(tǒng)的三相電壓源逆變器的STA和STSMO控制器。近來，分布式發(fā)電系統(tǒng)(DGS)的數(shù)量在持續(xù)迅速增加，由于其相對于傳統(tǒng)的中央發(fā)電系統(tǒng)具有優(yōu)勢:如降低的系統(tǒng)和燃料成本，更嚴格的環(huán)境法規(guī)遵從，并且在小型發(fā)電機，電力電子技術和能量存儲設備上根據(jù)具有技術優(yōu)勢。該DGSs可運行于并網(wǎng)應用或者離網(wǎng)應用（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，如偏遠地區(qū)和偏遠的島嶼，其中的連接是非常昂貴的和不切實際的，選擇離網(wǎng)運行更好。在獨立運行模式中，DGSs可由分布式發(fā)電(DG)單元連接在一起的并行運行，或者每個DG單元可獨立運行。DG多臺并聯(lián)運行，必須確保獨立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率良好的負荷分擔（有功功率均分，無功功率均分，諧波功率均分）。同時，各DG的獨立運作必須保證各種負載類型（負載突變，不平衡負載，非線性負載）負載電壓下的性能（瞬態(tài)響應快，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。一般來說，DG系統(tǒng)的負荷側逆變器是用來通過保持在孤島運行時的恒壓恒頻(CVCF)，即使受到急劇變化的負載，不平衡負載和非線性負載的影響。受到的非線性負載的作用，系統(tǒng)會產(chǎn)生產(chǎn)生具有低次諧波分量的非正弦負載電流。由于在負載電流中存在的諧波和負序分量的結果，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）的負載電壓質量。因此，負載的運行會受到影響，特別是，對于電源質量要求高的場合，例如通信系統(tǒng)，醫(yī)療設備，半導

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)負載電壓，即使在突加負載，不平衡負載和非線性負載的情況下，也能保證輸出電壓(正弦電壓，快速響應和低TDH)具有良好的性能。對于該系統(tǒng)的控制器，傳統(tǒng)的滑動模式控制方法已被提出來控制負載電壓，得到負載電壓的良好的性能。傳統(tǒng)的滑動模式控制的缺點是控制變量的不連續(xù)性，從而使逆變器出現(xiàn)可變開關頻率，從而出現(xiàn)高抖動現(xiàn)象。為了克服這個缺點，第3章介紹了超扭曲算法(STA)。這種算法允許以不連續(xù)的時間導數(shù)的連續(xù)的

15、控制動作的合成，因此，它顯著降低了抖動現(xiàn)象。在第5章中，提出了用一個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，以提高在各種負載類型（突然負載變化，不平衡負載，和非線性負載）的負載電壓的性能。所提出的控制器的優(yōu)點是降低負載電壓抖動的連續(xù)電壓的動作，所以它改善了負載電壓的質量。基于Lyapunov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(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。通過與標準滑動控制器的性能比較，仿真結果表明負載電壓在不同負載類型下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中都具有優(yōu)異性能。
　　最后，論文的主要成果概括如下:
　　從不同風力中獲得最大功率-通過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自適應控制，可以保證在風速變化和不確定參數(shù)的影響下對風力渦輪機轉子轉速進行高速跟蹤。
　　風電質量改善-不考慮風速的驟變和可變開關頻率轉換器的情況下，所提出的控制器可減少有功功率

17、的振蕩和風力渦輪機的電磁轉矩。
　　本地負載控制-負載側變換器的負載電壓是連續(xù)的和正弦的，并具有恒定幅度和頻率。負載電壓由所提出的控制器調(diào)節(jié)。在負荷變化和可變?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。
　　對于本文所介紹的工作的擴展，針對離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)以下是可以進行進一步的工作的描述。
　　儲能系統(tǒng)控制-儲能系統(tǒng)保證了與風力發(fā)電供電相匹配的負載要求并且有助于改善電能質量。因此，用于能量存儲系統(tǒng)的先進的