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2010年 7月 电 工 技 术 学 报 Vol.25 No. 7 第 25卷第 7期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2010

基于无源性的变速恒频双馈 风力发电机控制系统 高 勇 张文娟 杨 媛 安 涛

(西安理工大学自动化与信息工程学院 西安 710048

摘要 无源性理论应用于变速恒频双馈风力发电机的控制是一种全新的方法。本文从能量的 观点考虑双馈电机作为非线性控制对象,将风电系统定子侧单位功率因数运行、最大风能捕获及 系统稳定性三者相结合,研究了双馈电机无源性控制的设计步骤。所设计的电流内环与转速外环 的相互协调,保证了定转子电流及转速的渐进跟踪。与传统的矢量控制相比,无源控制策略在高 速、有效实现最大风能捕获的同时,对电机参数摄动及负载转矩变化具有很强的鲁棒性。基于

Matlab 的仿真结果证明了该设计的有效性。 关键词:双馈电机 无源性控制 最大风能捕获 鲁棒性 中图分类号:TM614; TM315

Passivity-Based Control System for VSCF Doubly Fed Wind Power Generator

Gao Yong Zhang Wenjuan Yang Yuan An Tao (Xi’an University of Technology Xi’an 710048 China

Abstract The application of the passivity-based control (PBC theory to the VSCF wind power generator control is a novel method. In this paper, the doubly fed generator is

considered as a non-linear system using energy concept and the main purpose is to design a passivity-based control algorithm that combines the three aspects of unity power factor in the stator side, the maximum wind energy capture and system stability. The asymptotic tracking of currents and rotor speed are obtained by the harmonious operation between current inner-loop and rotor outer-loop. The designed controller achieves maximum wind energy capture in such a way that the fast dynamic response and good accuracy, meanwhile, it has strong robustness under generator parameters and load disturbance compared to conventional vector control. The reasonability and validity is testified by the simulation results based on Matlab.

Keywords :Doubly fed induction generator, passivity-based control, maximum wind energy capture, robustness

1引言

近年来变速恒频双馈风力发电得到了世界各国 的广泛重视 [1],其相关研究主要集中在基于矢量控制 的定子磁链定向双馈电机有功、无功解耦控制上 [2]。 矢量控制的实质是渐近的反馈线性化控制,反馈线性 化的实现依赖于系统非线性的精确抵消,本质上是非 鲁棒的。双馈电机是一类复杂的非线性、多变量、强 耦合系统,加之实际运行中风速的时变性,风力机 能量传递链的柔性结构和随转速变化的机械阻尼影 响 [3],基于线性化模型的传统控制方案,不能保证风 速快速变化及电机参数扰动下系统的控制效果。

陕西省“ 13115”科技创新工程重大科技专项(2007ZDKG-29和陕西 省重点学科建设专项资金(10700-080903资助项目。

收稿日期 2009-04-20 改稿日期 2009-09-01 第 25卷第 7期

高 勇 等 基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统 131

针 对 此 不 足 , 无 源 性 控 制 (Passivity-Based Control, PBC 方法展现了优越的控制性能。 它以全 局稳定为控制目标,以无源系统的能量平衡为设计 准则,找出不影响系统稳定性的“无功力” ,迫使系 统总能量跟踪期望的能量函数,并使系统的状态变 量渐近收敛至设定值 [4]。这种注重系统的物理特征 所体现出来的自然属性,不依赖于对象模型精确线 性化的设计方法,能有效地简化控制器的结构,提 高系统鲁棒性,且控制器的设计是全局定义全局稳 定的 [5-6]。基于以上种种优势,近年来异步电机的无 源性控制得到了广泛深入的研究并取得了显著的进 步,这在文献 [6-11]中均有体现。

双馈电机因结构的特殊性,在综合同步机和 异步机优点的同时,其数学模型和控制也比前两 者复杂得多。鉴于目前国内从 PBC 理论和方法的 角度对双馈电机研究的文章尚不多见。因此,本 文将无源性理论推广到变速恒频双馈风力发电机 控制系统中。基于文献 [12-13]的思想,将风电系 统定子侧单位功率因数运行、最大风能捕获及系 统稳定性三者相结合,形成了一种简单可靠的调 速系统。所设计的无源控制器通过保持双馈电机 期望转速、电流的渐进跟踪,实现了变速恒频风 力发电系统的最大风能捕获。与传统的矢量控制 相比较,该方法实现简单,鲁棒性强,具有良好 的动、静态性能。

2 变速恒频风力发电系统最大风能捕获 原理

根据贝茨理论,风力机捕获的机械功率为 [7] 3w p 1 (, 2

P C Sv λβρ= (1

式中 S ——风力机扫掠面积; ρ