双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制_周有为.pdf

针对双馈风力发电系统传统模型预测电流控制中电流波动和转矩脉动较大的问题，提出一种双矢量模型预测电流控制策略。在一个采样周期中进行两次电压矢量选择，将第一阶段的最优矢量作为第二阶段的初值，结合候选电压矢量作用时间，计算最小代价函数，使候选电压矢量范围扩大，电压矢量选择更加精确。仿真结果表明：所提出的策略可以实现对双馈风力发电系统的有效控制，与矢量控制和传统模型预测电流控制相比，该策略有效降低了电流波动和电磁转矩脉动。关键词：双馈风力发电系统；模型预测控制；双矢量；电流控制中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言随着我国“双碳”目标的提出，风电产业发展迅猛 。双馈风力发电系统因具有发电效率高、变流器容量小、可实现变速恒频运行等优点受到广泛应用 。在双馈风力发电系统中，双馈感应发电机（-，）的定子直接连接电网，转子接背靠背变换器，并与电网相连，定、转子都参与了馈电 。因此，的运行控制主要是对背靠背变换器的控制。网侧变换器主要实现 个控制目标，即对直流电压的控制和电机转子与电网之间双向有功和无功功率的流动。转子侧变换器主要实现对 定子输出有功、无功功率的控制 。目前，双馈风力发电系统主流控制为矢量控制和直接转矩控制 种控制策略，参考值无静差跟踪能力的掌控是 种控制方法的核心 。为了提升风力发电系统变换器的控制性能，模型预测控制（，）成为研究热点。通过结合控制系统的当前状况和构建的数学模型，预测未来可能的状态，再依据所设计的价值函数比对参考值与预测值的误差，在线寻找最优结果的控制算法 。贺锐智等 以系统功率为控制对象，提出基于瞬时功率理论的 转子侧模型预测功率控制方式，与直接功率控制相比有较好的稳态特性。张虎等 对模型预测功率控制进行双矢量的拓展研究，在双矢量功率控制中将单个控制周期分为有效矢量和零矢量，从而降低功率脉动。陈辉 建立基于模型预测电流控制（，）的 数学模型，并以转子电流为实际控制对象，研究结果表明 控制器有效提高系统动态响应。王云飞等 进一步改进转子侧预测方程，在降低开关频率的同时减小转子电流纹波。沈坤等 利用有限控制集 思想，将变流器有限个开关函数组合代入 方程，并在价值函数中增加误差补偿阈值，在提升控制性能的同时减小系统运算量。文献 针对电网电压故障状态，将多个约束条件加入价值函数中，进一步提升系统故障穿越特性。文献 均采用传统模型预测电流控制策略，但传统控制策略由于一个采样周期中只有一个电压矢量作用，存在着稳态性能较差的问题。本文在传统单矢量模型预测电流控制系统基础上，增加一个采样周期内的电压矢量选择个数，充分考虑电压矢量作用对价值函数的影响，设计转子侧变流器双矢量模型预测电流控制方案。仿真结果表明，与矢量控制和传统模型预测电流控制相比，所提出的双矢量模型预测电流控制策略有效减小了电流波动和电磁转矩脉动，提升了系统稳态性能。双馈风力发电系统数学模型双馈风力发电系统结构如图 所示。转子侧经过背靠背变换器与电网相连，而网侧未经隔离直接连接电网。转子侧变换器对 定子输出有功、无功功率控制，是整个风电系统功率控制核心 。同步旋转 坐标系下 的定转子电压方程为：（）（）式中：为定子电压；为转子电压；为定子电流；为转子电流；为定子磁链，为转子磁链；为定子电阻；为转子电阻；为同步角速度；为转子角速度。图 双馈风力发电系统示意图定转子磁链方程为：（）式中：为 坐标系下定、转子绕组互感；、分别为 坐标系下定、转子的绕组自感。理想电网条件下，并网运行的 定子直接挂网，定子电压等于电网电压，同步旋转 坐标系下的定子电压与定子磁链均保持恒定 。由式（）可知，忽略定子电阻的情况下，定子电压可以近似表示为：（）由式（）中定子磁链方程得转子电流表达式为：（）将式（）代入式（）中转子磁链方程并联立式（），即可将转子磁链用定子电压和转子电流表示：（）式中，（）。由式（）和式（）得 、分量形式的转子电压方程为：（）（）（）将式（）代入式（）得：周有为，等：双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（|）（）传统模型预测控制策略 模型预测控制原理在有限控制集模型预测控制中，考虑到变换器允许产生的开关状态总数有限，对建立的预测模型进行在线寻优，计算出最优开关状态作用于变换器 。其控制原理如图 所示，时刻测量值构建预测电流模型，将预测结果代入价值函数，使 最小化的开关函数 在 时刻作用于变换器。与连续控制集相比，有限控制集模型预测控制直接地考察模型的离散特征和制约条件，计算使代价函数达到最小值的开关状态，能有效减小计算量，直接实现优化，便于构建控制系统，同时提高了控制结构的稳定性。图 有限集模型预测控制原理示意图 控制延迟补偿采用前向欧拉逼近代替式（）中转子电流，将式（）离散化为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（|）（）式中：（）、（）为 时刻的预测值；（）、（）、（）、（）、（）和 （）为 时刻的采样值；（）和 （）为 时刻转子电压。由于采样时间较短，近似认为（）（），（）（）。由式（）可以看出，预测模型计算出的转子电流 的预测值（）是基于当前时刻（时刻）的实际电流（）的数值得出。然而，数字控制系统有一拍延迟的问题 ，选择的最优矢量输出要延迟到下一时刻（时刻），从而导致逆变器应用上一时刻开关状态，增加电流脉动。因此，需要采取延迟补偿措施消除系统数字系统的延迟影响，以 时刻的变量作为初始值代入预测模型得到 时刻的变量预测数值，从而消除一拍延迟影响。价值函数确定结合模型预测电流控制思想，让预测值跟踪参考值。考虑延迟补偿问题后，仍需采用 时刻电流参考值*（）。使用拉格朗日二阶外推法 ，估计未来时刻电流参考值为：*（）*（）*（）*（）*（）*（）*（）*（）（）将 时刻变量代入价值函数中，有：（）*（）（）*（）（）（）由此得到最优矢量 ，即最小价值函数所对应开关函数作用得出的电压矢量。结合上述公式，传统模型预测电流控制算法流程如下：）根据有限控制集模型预测控制思想，以转子侧电流为控制目标，由式（）（）推导得到 时刻预测电流式（）。）考虑延迟补偿，进一步推导得到 时刻预测电流表达式，种有效电压矢量依次代入预测电流式进行计算，得出预测电流数值。）构建预测模型所对应的价值函数，把可能作用于逆变器的 个候选电压矢量在预测电流时计算得出的预测电流具体数值代入式（），将令价值函数最优的电压矢量选定成为最优电压矢量 ，并将与之对应相关开关函数作用于转子侧变换器。传统 系统控制结构如图 所示。图 传统 系统控制结构示意图 双矢量模型预测电流控制策略 双矢量预测电流模型使用传统模型预测电流控制策略时，两电平变换器经过开关函数之后，得到 个有效电压矢量和 个零电压矢量。计算每种情况下的价值函数，并选择使得价值函数数值最小的开关函数作用于变换器。传统 矢量选择如图 所示。图 传统 矢量选择示意图双矢量 将传统 得到的最优电压矢量 作为第一阶段，从而得到最优矢量 。然后在第一阶段 的基础上，再次进行矢量选择得到第二阶段最优矢量 。矢量选择如图 所示。图 双矢量 矢量选择示意图个阶段电压矢量 和 ，（第二阶段有效候选电压矢量）作用时间由 轴转子电流无差拍方式来进行分配，表达式为：*（）（）（）（）式中：为第一阶段最优电压 作用时间；为第二阶段 的作用时间；、分别为零电压矢量、作用时的斜率，分别表示为：（）（）（）（）（）（）（）由式（）可得 的作用时间为：*（）（）（）将式（）得出的第一阶段作用时间 和第二阶段时间 同与其对应的 和 相组合得到：（）（）（）式中：和 为进行第二阶段最优电压矢量 选择时转子 轴电压分量；和 为第一阶段最优电压矢量 对应的 轴电压分量；和 为第二阶段 所对应 种候选电压矢量的 轴电压分量。周有为，等：双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制 控制延迟补偿由于数字控制系统存在一拍延迟，双矢量模型预测控制与传统模型预测控制相同，都需要进行延迟补偿。将考虑延迟补偿的 时刻预测电流代入式（）（），再次计算 时刻对应电压矢量作用时间。价值函数确定以预测电流跟踪参考电流为目标，价值函数表达式为：（）*（）（）*（）（）（）结合上述公式，双矢量模型预测电流控制算法流程如下：）在转子侧传统模型预测电流控制策略的基础上，将得到的最优电压矢量 作为第一阶段最优电压矢量 ，然后结合式（）（）计算各个阶段电压矢量作用时间。）将计算出的矢量作用时间同第二阶段候选电压矢量式（）结合，将其代入考虑延迟补偿的预测方程，得到 种组合候选电压矢量的电流预测值。）得到第一阶段最优电压矢量 作用后预测电流具体数值之后，将其代入价值函数式（），进而选取第二阶段的最优电压矢量 ，即为最小价值函数时所配套的电压矢量。将其开关函数和对应时间作用于变换器。双矢量 系统控制结构如图 所示。图 双矢量 系统控制结构示意图 电压矢量选择范围比较将传统 同双矢量 控制策略应用于两电平背靠背变换器时，将对应的电压矢量选择范围进行分析比较，如图 所示。图 （）为传统 ，在 个零电压矢量和 个有效电压矢量中选择最优矢量；图 （）为双矢量 ，将第一阶段最优电压矢量 和第二阶段有限个电压矢量 进行分配合成，形成任意大小、方向的电压矢量，便于增大矢量作用范围，可得到更好的控制效果。图 电压矢量选择范围 仿真结果与分析在 中建立仿真模型，目标是验证双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制的可行性。将传统矢量控制和单矢量模型预测电流控制与提出的双矢量模型预测电流控制分别称为 ，-，-。仿真中所用双馈风力发电系统参数如表 所示。表 双馈风力发电系统参数参数数值参数数值直流母线电压 额定功率 额定频率 定子电压 定子电阻 转子电阻 定转子自感 定转子互感 极对数为验证本文所提出改进方法具有良好的静态性能，对以上 种控制策略进行稳态性能仿真。为方便计算转子频率，设定为给定参考转速模式，参考转速为 ，处于超同步状态转差率 取值为 ，同时设定风速为 ，仿真时间设定为 ，在第 时双馈电机跟踪到参考转速并达到稳定状态。图 和图 所示分别为 ，-和 -三种控制策略在稳态情况下，转子电流、定子电流的波形图以及对应的总谐波谐波失真分析（，）结果。图 转子电流分析结果周有为，等：双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制图 定子电流分析结果通过分别比对图 和图 可以看出，-和 -三种控制策略下的转子电流 分别 、；定子电流 分别为 、。模型预测电流控制策略下的转子侧和定子侧电流波动明显小于传统矢量控制策略，而双矢量模型预测电流控制在模型预测电流控制策略效果方面获得了进一步优化。这是由于 -矢量选择范围中只包含 个有效矢量和 个零矢量，而 -将单个采样周期中 个阶段得到的电压矢量与其作用时间共同作用，结合得到的方向多变、幅值可调的候选矢量，其矢量选择更为广泛，精确选择的电压矢量能提升价值函数中预测电流数值对参考电流数值的跟踪能力，获得更好的稳态性能。图 为 ，-和 -三种控制策略在稳态情况下的电磁转矩波形图。和 -的 转 矩 脉 动 约 为 和 ，-转矩脉动为 。双矢量模型预测电流控制、矢量控制和单矢量模型预测电流控制技术相比，转矩脉动进一步减小。图 电磁转矩波形 结论提出了一种基于双矢量模型预测电流控制的双馈风力发电系统控制策略。结合有限控制集模型预测控制思想，以预测电流为控制变量，以实际电流跟随参考电流为目标，在传统模型预测电流控制模型的基础上，将单个采样周期分为 个控制阶段分别进行矢量选择，提升电压矢量选择精度，并考虑矢量作用时间在整个控制周期阶段所占比例与价值函数数值大小的关系。仿真结果表明，所提出的双矢量模型预测控制策略与传统矢量、模型预测控制相比，能有效降低电流波动和转矩脉动，拥有良好的稳态特性，验证了所提策略的有效性和可行性。参考文献：谭显东，刘俊，徐志成，等“双碳”目标下“十四五”电力供需形势 中国电力，（）：胡家兵，贺益康，王宏胜 不平衡电网电压下双馈感应发电机转子侧变换器的比例 谐振电流控制策略 中国电机工程学报，（）：贺益康，胡家兵 双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题 中国电机工程学报，（）：贺益康，周鹏 变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述 电工技术学报，（）：年珩，程鹏，贺益康 故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述 中国电机工程学报，（）：，-，（）：，-：-，（）：罗嘉，赵浩然，高术宁，等 基于显式模型预测控制和改进虚拟阻抗的双馈风机低电压穿越策略 电网技术，（）：贺锐智，刘波峰，黄守道，等 双馈风力发电系统机侧模型预测直接功率控制 电力电子技术，（）：张虎，张永昌，杨达维 基于双矢量模型预测直接功率控制的双馈电机并网及发电 电工技术学报，（）：陈辉 双馈风力发电机模型预测控制方法 哈尔滨：哈尔滨工业大学，王云飞，张兴，谢震 基于模型预测双馈电机低开关频率下控制 电力电子技术，（）：沈坤，张少云，刘录光 双馈风力发电系统模型预测控制算法研究 电力电子技术，（）：谢震，牛立凡，张兴，等 不平衡电网电压下双馈发电机多目标模型预测控制 中国电机工程学报，（）：田江飞 不平衡电网电压下双馈风力发电机的运行控制研究 兰州：兰州理工大学，杨旭，李岚，杨琦，等 电压不平衡下无权重系数 -的 控制 太阳能学报，（）：周有为，等：双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制 王霄鹤 双馈风力发电系统友好并网运行控制策略研究 杭州：浙江大学，贺益康，胡家兵，徐烈 并网双馈异步风力发电机运行控制 北京：中国电力出版社，王云飞 低开关频率下双馈发电机控制策略研究 合肥：合肥工业大学，张永昌 感应电机模型预测控制 北京：机械工业出版社，功率变换器和电气传动的预测控制 北京：机械工业出版社，-，（，；，；，）：，-，-，：-；-；（责任编辑杨黎丽）