基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法，包括步骤：以风力机侧整流器开关量的d‑q轴分量Sd和Sq作为输入，建立风力发电子系统的状态空间方程，得到风力发电子系统的输出y1；以上、下桥臂插入系数nU、nL和风力发电子系统的输出y1作为输入，建立MMC并网逆变器子系统的状态空间方程；根据风力发电子系统的状态空间方程在d‑q坐标系下建立其Euler‑Lagrange模型并通过PBC方法进行控制，实现风能最大功率跟踪以及直流电压稳定控制；根据MMC并网逆变器子系统的状态空间方程在a‑b‑c坐标系下建立其双线性Lagrange模型并通过PBC‑PI方法进行控制，实现并网电压和电流期望轨迹的快速跟踪和全局渐进稳定控制。与现有技术相比，本发明专利技术具有响应速度快、稳定性高以及鲁棒性强等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可再生能源发电并网稳定控制领域，尤其是涉及一种基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法。
技术介绍
随着风能的广泛开发，兆瓦级永磁同步风力发电系统得到蓬勃发展与应用，大功率永磁同步发电机(PermanentMagnetSynchronousGenerator,PMSG)多变量、强耦合、非线性特性，使PMSG的宽范围、高可靠、高性能控制始终是研究的热点所在。近年来，由于模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter,MMC)具有结构扩展性强、子模块耐压需求小、开关频率低的特点，正符合兆瓦级永磁同步风力发电并网系统所需的控制灵活、电能质量高、容错性能优的要求，应用日益广泛。但MMC的引入进一步增强了大功率PMSG并网系统的非线性特性，同时MMC的多参数、子模块电压均衡与环流抑制问题，使MMC逆变器在具有不确定性参数摄动情形下的稳定控制，成为基于MMC的大功率永磁同步风电并网系统实现进一步推广应用的瓶颈所在。基于MMC的大功率永磁同步风电并网系统自2009年实现工程应用以来，主要采用矢量控制方法，从系统性能角度出发，通过坐标变换，实现解耦控制，但在功率变化范围宽、系统参数发生摄动、存在未知时变干扰情形下，矢量控制方法往往无法保持优良的动、静态性能，甚至出现系统失稳、控制失败的情况。针对MMC逆变器的多参量、离散、非线性特性，非线性控制方法从稳定性角度出发，设计抗扰性优、鲁棒性强的并网控制系统，取得了较好应用效果。针对基于MMC的大功率模块化多电平并网系统稳定控制，前期的非线性控制理论成果主要集中在确保系统跟踪期望轨迹的同时，实现稳定域更宽、抗干扰性更强的控制算法设计，与传统矢量控制相比，非线性控制方法设计复杂，计算量大，工程应用实时性不佳。无源性控制(Passivity-BasedControl,PBC)较其他非线性控制方法，具有结构简单、易于实现的优势，PBC方法从能量角度出发，采用适当阻尼注入或能量函数规划的方式，设计全局稳定控制器，使系统存在外部干扰或内部参数摄动情形下，依然稳定运行在期望工作点，实现期望轨迹的跟踪零误差。现有PBC方法多数基于坐标变换，设计Eular-Lagrange方程，实现解耦稳定控制，通常分别对风机侧和电网侧独立设计控制器，不利于系统的整体协调控制，且坐标变换会忽略子模块电容电压的差异，不利于电容电压平衡处理，省去变换环节，进一步简化PBC设计，实现易于应用、性能优良、稳定域宽、鲁棒性好的系统一体化PBC方法，为非线性控制研究提供新思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法，所述大功率永磁同步风力发电并网系统包括级联的风力发电子系统和MMC并网逆变器子系统，所述风力发电子系统包括风力机、大功率永磁同步发电机和整流器，所述MMC并网逆变器子系统包括构造相同的上桥臂和下桥臂，所述方法包括下列步骤：1)以风力机侧整流器开关量的d-q轴分量Sd和Sq作为输入，建立风力发电子系统的状态空间方程，得到风力发电子系统的输出y1；2)以上桥臂插入系数nU、下桥臂插入系数nL和风力发电子系统的输出y1作为输入，建立MMC并网逆变器子系统的状态空间方程；3)根据风力发电子系统的状态空间方程在d-q坐标系下建立其Euler-Lagrange模型并通过PBC方法进行控制，实现风能最大功率跟踪以及直流电压稳定控制；4)根据MMC并网逆变器子系统的状态空间方程在a-b-c坐标系下建立其双线性Lagrange模型并通过PBC-PI方法进行控制，实现并网电压和电流期望轨迹的快速跟踪和全局渐进稳定控制。所述风力发电子系统的状态空间方程具体为：其中，ud和uq分别为电压的d-q轴分量，Ls和Rs分别为大功率永磁同步发电机的电感和电阻，J为转动惯量，Pn为大功率永磁同步发电机的极数，r为风力机的叶片半径，φf为大功率永磁同步发电机的转子永磁体的磁通量，ρ为空气密度，A为空气流动方向垂直的气流穿过的截面积，Vw为风速，Cp为风能利用系数。所述MMC并网逆变器子系统的状态空间方程具体为：R′＝R/2+RLoadL′＝L/2+LLoad其中，C为直流侧电容，Carm为桥臂串联电容，R和L分别为桥臂电阻和电感，ug为电网侧电压，R′为等效电阻，L′为等效电感，RLoad和LLoad分别为线路集总电阻和集总电感。所述Euler-Lagrange模型具体为：其中，M为正定对角阵，J为表示风力发电子系统内部结构的反对称阵，R表示风力发电子系统耗散特性，E13表示风力发电子系统与外部能量的交换。所述PBC方法的表达式具体为：其中，ud和uq分别为电压的d-q轴分量，Ls和Rs分别为大功率永磁同步发电机的电感和电阻，Pn为大功率永磁同步发电机的极数，r为风力机的叶片半径，φf为大功率永磁同步发电机的转子永磁体的磁通量，Ra1和Ra2为注入阻尼值。所述双线性Lagrange方程具体为：其中，u＝[u1,u2]T＝[nu,nL]T为MMC并网逆变器子系统的控制变量，x48为期望轨迹，Carm为桥臂串联电容，L为桥臂电感，L′为等效电感，R为桥臂电阻，ug为电网侧电压，C为直流侧电容。所述PBC-PI方法的表达式具体为：其中，其中，Carm为桥臂串联电容，x48为期望轨迹，L为桥臂电感，L′为等效电感，ug为电网侧电压，Kp和Ki分别为比例系数和积分系数。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)将风力发电子系统和MMC并网逆变器子系统级联考虑，将风力发电子系统的输出作为MMC并网逆变器子系统的输入，而非独立进行考虑，从全局角度出发实现大功率永磁同步风力发电并网系统的整体协调控制，有利于更好地满足系统动静态性能指标。(2)对两个子系统均采用PBC控制方法，与其他非线性控制方法相比，结构简单且易于实现，而且PBC方法采用适当阻尼注入或能量函数规划的方式，设计全局稳定控制器，使系统存在外部干扰或内部参数摄动情形下，依然稳定运行在期望工作点，实现期望轨迹的跟踪零误差，控制稳定。(3)对MMC并网逆变器子系统，将其与PI控制相结合，采用PBC-PI方法进行控制，省去坐标变换环节，进一步简化PBC控制方法，具有易于应用、性能优良、稳定域宽且鲁棒性好等优点。附图说明图1为基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统的结构图；图2为MMC单相等效电路图；图3为级联子系统结构示意图；图4为基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法示意图；图5为系统仿真结果图，其中(5a)为风速参数波形图，(5b)为状态变量x3的参考值和实际值波形，(5c)为采用PBC-PI控制方法仿真得到的交流侧并网电流波形图，(5d)为采用矢量控制方法仿真得到的交流侧并网电流波形图，(5e)为直流侧电压波形图，(5f)为上桥臂电容电压波形图，(5g)为下桥臂电容电压波形图，(5h)为MMC的A相桥臂环流波形图；图6为本专利技术的方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法，其特征在于，所述大功率永磁同步风力发电并网系统包括级联的风力发电子系统和MMC并网逆变器子系统，所述风力发电子系统包括风力机、大功率永磁同步发电机和整流器，所述MMC并网逆变器子系统包括构造相同的上桥臂和下桥臂，所述方法包括下列步骤：1)以风力机侧整流器开关量的d‑q轴分量Sd和Sq作为输入，建立风力发电子系统的状态空间方程，得到风力发电子系统的输出y1；2)以上桥臂插入系数nU、下桥臂插入系数nL和风力发电子系统的输出y1作为输入，建立MMC并网逆变器子系统的状态空间方程；3)根据风力发电子系统的状态空间方程在d‑q坐标系下建立其Euler‑Lagrange模型并通过PBC方法进行控制，实现风能最大功率跟踪以及直流电压稳定控制；4)根据MMC并网逆变器子系统的状态空间方程在a‑b‑c坐标系下建立其双线性Lagrange模型并通过PBC‑PI方法进行控制，实现并网电压和电流期望轨迹的快速跟踪和全局渐进稳定控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法，其特征在于，所述大功率永磁同步风力发电并网系统包括级联的风力发电子系统和MMC并网逆变器子系统，所述风力发电子系统包括风力机、大功率永磁同步发电机和整流器，所述MMC并网逆变器子系统包括构造相同的上桥臂和下桥臂，所述方法包括下列步骤：1)以风力机侧整流器开关量的d-q轴分量Sd和Sq作为输入，建立风力发电子系统的状态空间方程，得到风力发电子系统的输出y1；2)以上桥臂插入系数nU、下桥臂插入系数nL和风力发电子系统的输出y1作为输入，建立MMC并网逆变器子系统的状态空间方程；3)根据风力发电子系统的状态空间方程在d-q坐标系下建立其Euler-Lagrange模型并通过PBC方法进行控制，实现风能最大功率跟踪以及直流电压稳定控制；4)根据MMC并网逆变器子系统的状态空间方程在a-b-c坐标系下建立其双线性Lagrange模型并通过PBC-PI方法进行控制，实现并网电压和电流期望轨迹的快速跟踪和全局渐进稳定控制。2.根据权利要求1所述的基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法，其特征在于，所述风力发电子系统的状态空间方程具体为：Lsdx1dt=ud-Rsx1+L1x2x3-Sdx4Lsdx2dt=uq-Rsx2-L1x1x3+φ1x3-Sqx4Jdx3dt=-φ1x2+Φ(x3)y1=Sdx1+Sqx2]]>L1=PnLs2r,φ1=Pnφf2r,Φ(x3)=ρA3Vw3x3Cp(x3Vw)]]>其中，ud和uq分别为电压的d-q轴分量，Ls和Rs分别为大功率永磁同步发电机的电感和电阻，J为转动惯量，Pn为大功率永磁同步发电机的极数，r为风力机的叶片半径，φf为大功率永磁同步发电机的转子永磁体的磁通量，ρ为空气密度，A为空气流动方向垂直的气流穿过的截面积，Vw为风速，Cp为风能利用系数。3.根据权利要求1所述的基于MMC的大功率永磁同步风力发电并网系统控制方法，其特征在于，所述MMC并网逆变器子系统的状态空间方程具体为：Cdx4dt=32y1-x5Ldx5dt=-Rx5-nU2x7-nL2x8+x42L′dx6dt=-Rx6-nU2x7+nL2x8-ugCarmdx7dt=nUx5+nU2x6Carmdx8dt=nLx5-nL2x6]]>R′＝R/2+RLoadL′＝L/2+LLoad其中，C为直流侧电容，Carm为桥臂串联电容，R和L分别为桥臂电阻和电感，ug为电网侧电压，R′为等效电阻，L′为等效电感，RLoad和LLoad分别为线路集总电阻和集总电感。4.根据权利要求1所述的基于MMC的大功率永磁同步风力...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛花，王育飞，李杨，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海;31