双馈风电切换哈密顿系统建模与低电压穿越的能量成型控制研究

The control objective of doubly-fed wind power system (DFWPS) will alternate between the cases of normal operation and less severe grid faults. At a severe grid fault, the system model structure will transform depending on whether the crowbar is triggered or not. Thus, the DFWPS, not only with the continuous dynamics but also with the discrete event-driven nature, is a multi-mode complex switching system. Due to that the existing research methods all focus on single mode to design control strategies for realizing the control objectives, the inherent characteristics of the entire system are not reflected sufficiently and the switching logic time design lacks the efficient theory support. This project, integrating switched system theory and energy control viewpoint, proposes to establish a multi-mode switched Hamiltonian model for the DFWPS and design an energy-shaping control strategy based on the model, so as to realize the low voltage ride-through (LVRT) operation of the DFWPS during the grid faults. In this way, the energy essence, the nonlinear characteristics, and the grid-connected engineering background of the DFWPS are seized; furthermore, the control performance for every sub-mode and the whole system are both concerned during the design of the control strategy. Therefore, a novel and practicable avenue is provided for enhancing the LVRT capability of the DFWPS. The implementation of this project meets the security and reliability requirements for large-scale grid-connected wind power development in our country, qualified important scientific value and spacious application prospects.

双馈风电系统在电网正常状态和轻度故障状态存在控制目标的切换，在电网严重故障状态因撬棒电路投切存在模型结构切换，该系统既具有动态连续性又受离散事件驱动，属多模态复杂切换系统。而现有研究方法皆是针对双馈风电系统单一模态来研究实现此模态控制目标的控制策略，不但无法体现整体系统的内在规律，也无法为模态间的切换逻辑时序设计提供有力理论支撑。本项目结合切换系统理论和能量控制观点，提出建立双馈风电系统多模态集成的完整切换哈密顿模型，并基于此模型研究电网故障下实现低电压穿越的能量成型控制策略。该方法不但紧扣双馈风电系统的能量本质、非线性特点和并网运行的工程背景，还能使控制策略研究兼顾系统各子模态时和整体系统切换暂态时全过程的控制性能，为提升双馈风电系统低电压穿越能力开辟了一条崭新可行的研究途径。本项目的实施符合我国大规模发展并网风电对安全性和可靠性研究的紧迫需求，具有重要的科学价值和广阔应用前景。

本项目中，建立了双馈风力发电系统多模态集成的完整切换系统模型，并从能量控制观点设计电网故障下实现低电压穿越的能量成型控制策略和模态间的切换逻辑时序，为系统在电网故障时提升低电压穿越能力提供了理论依据和可行性保障。. 根据端口受控哈密顿理论和切换系统理论，本项目建立了双馈风力发电系统的切换哈密顿系统，可表征双馈风电系统在电网正常状态和轻度故障状态的控制目标切换和在电网严重故障状态因撬棒电路投切存在的模型结构切换。. 对于不同子模态设计了相应的控制策略。在电网正常状态情况下，用能量成型控制方法实现双馈风电系统机侧最大功率追踪，网侧单位功率因数运行；轻度电压跌落情况下，提出一种基于 干扰抑制的能量成型控制策略，该策略视电网电压轻度跌落为扰动输入，从而保证系统稳定运行，安全穿越电网电压跌落时段；严重电压跌落且撬棒切入后提出了针对网侧变换器的改进能量成型控制策略，为电网提供最大无功支持。. 依据电网电压跌落产生的暂态过程，进行了撬棒电路的最优阻值的整定和撬棒切除合理时刻的研究。基于切换系统优化控制理论，建立了考虑转子电流幅值、变换器母线电压、无功功率消耗等性能指标的切换系统优化目标函数，通过嵌入式方法对所构建的目标函数求解，最终得到能使系统安全平稳运行的撬棒切换逻辑时序。为验证切换时序的有效性，采用数据统计的分析方法对不同投切策略下的低电压穿越效果进行分析。统计数据证实最佳投切策略与优化理论推导的结论相符合。. 基于Simulink/Simpowersystems模型库，搭建双馈风电系统电路模型和能量成型控制模块，验证了能量成型控制策略的控制性能；并在此基础上，采用Simulink/St.ateflow仿真工具箱，建立了双馈风电系统的切换控制Stateflow状态流图，实现了双馈风电系统不同运行工况下的自主切换，并证实了控制逻辑的有效性。