双馈风力发电系统哈密顿建模和能量成型控制方法的研究

以往对风力发电系统的控制方法多基于信号处理观点，认为被控对象和控制器是将输入信号变为输出信号的装置，该观点不利于从风电系统动态能量转换的本质来对其进行分析和控制。本项目以一种基于能量成型的新观点展开对风电系统的研究，即关注系统的物理属性而非数学属性。将风力发电系统依据能量流动划分为机械、电磁、控制子系统，应用哈密顿建模方法将各个子系统封装为多端口的能量变换装置，从而只需通过端口变量与外界进行能量传递来保持整个系统能量平衡。并在此哈密顿模型的基础上设计基于能量成型的控制器，使系统在不同风能注入的情况下，快速收敛在对应工况下的系统期望平衡点，以达到迅速有效地实现最大功率追踪的目的。该方法的非线性动态特性、鲁棒性特点更符合风力发电系统的非线性、多扰动性质的需求。本项目的实施将为大型风电机组鲁棒非线性的控制器设计提供理论依据，并对改变我国缺乏自主知识产权的高性能风力发电控制系统的现状具有重要意义。

本项目基于能量的新观点，充分结合双馈感应风力发电系统动态能量转换的物理本质，应用无源性理论对其能量存储、消耗、传递过程进行描述，进而应用能量成型理论研究双馈感应风力发电系统控制策略。研究内容包括：双馈感应风力发电系统端口受控哈密顿建模方法研究、基于能量成型理论的双馈感应风力发电系统机侧、网侧、变桨距控制策略研究和机网侧联合控制策略研究。. 双馈感应风力发电系统端口受控哈密顿建模是依据能量流动过程为系统建模的全新方式。项目按储能元件将整体系统划分为机械、电磁、直流、网端四个能量子系统。设定子系统能量函数，选取子系统端口变量，确定子系统间互联结构，和子系统内部哈密顿结构，形成系统端口受控哈密顿模型。基于上述模型，以控制目标分析、期望平衡点设定、能量匹配方程求解的路线分别为双馈感应风力发电系统机侧变换器、网侧变换器、机械传动环节设计了基于能量成型方法非线性鲁棒控制策略。并基于Matlab建立2MW的系统仿真平台进行效果验证。结果表明，基于能量成型方法的机侧控制可实现对风能的最大捕获，网侧控制可快速稳定直流母线电压并有效确保单位功率因数，变桨距控制可实现在高于额定风速运行时，系统输出功率保持在额定值。鉴于双馈感应风力发电系统机侧和网侧独立控制会引起两侧瞬时能量差异而导致直流环节电压存在较大波动，提出了在整流和逆变过程中相互融入对方的控制信息，匹配整流和逆变过程的能量，来增强机侧和网侧能量提取与供给的协调配合程度。因此设计了基于能量成型方法的机网侧联合控制策略，并与机侧和网侧独立控制进行比较，联合控制策略在实现系统机侧和网侧控制目标的同时，还能更为有效地抑制直流电压波动。研究计划各项内容均按照原计划得到有效实施，执行结果较好地达到了预期目标。. 项目的重要研究结果为：1.构建出双馈感应风力发电系统的端口受控哈密顿模型，模型物理意义明确，符合风电系统能量转换本质规律。2.提出了双馈感应风力发电系统基于能量成型方法的机侧控制、网侧控制和变桨距控制策略。控制策略具有良好的鲁棒性和快速收敛性，适用于非线性多扰动的双馈感应风力发电系统。3.提出了基于能量成型方法的机网侧联合控制策略，为有效降低系统中的直流环节电容容量提供了解决途径。项目成果将为大型双馈风电机组鲁棒非线性控制器的设计提供理论依据，并对改变我国缺乏自主知识产权的高性能风力发电控制系统现状具有重要意义。