[发明专利]一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法

摘要

本发明公开一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法，采用背靠背全功率变流的电能控制结构，分别建立机侧变流器控制系统和网侧变流器控制系统的状态空间模型，并将直驱永磁同步风力发电系统中的机侧变流控制模块、网侧变流控制模块的跟踪误差的绝对值与时间的乘积和系统输出电压波形总谐波畸变率的加权叠加作为评估控制性能的适应度函数，设计基于实数编码的差分优化控制方法，实现直驱永磁同步风力发电系统中PI控制器参数的优化。本发明的控制方法能有效提高直驱永磁同步风力发电系统工作效率和发电质量，风电机组的能量转换效率、运行可靠性，并在电网发生扰动时确保直驱永磁同步风力发电系统稳定时间更短，稳态误差更小，鲁棒性更强。

主权项

一种直驱永磁同步风力发电系统的差分优化控制方法，其特征在于，该系统采用背靠背全功率变流器电能控制结构，其中机侧变流器控制发电机转速和输出功率，网侧变流器稳定直流母线电压，控制发电系统输出的有功功率、无功功率；该方法包括如下步骤：(1)通过采用占空比函数描述的建模方法建立网侧变流器系统的状态空间模型：Ldikdt+Rik=ek-udc(dk-13Σk=a,b,cdk),k=a,b,cCdudcdt=Σk=a,b,cikdk-udc-edRd---(1)]]>其中，L为滤波电感，R为滤波电感的等效电阻，C滤波电容，ek为三相电网电动势，ik为三相输出电流，dk为占空比，udc为直流母线电压，ed为直流母线侧直流电动势，Rd为直流母线侧等效电阻。(2)将公式(1)进行d、q同步旋转坐标变换，使得网侧变流器系统的状态空间模型调整为：ed-udcdd=Rid+Ldiddt-ωLiqeq-udcdq=Riq+Ldiqdt+ωLid---(2)]]>其中，ed、eq为三相电网电动势两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，id、iq为网侧变流器系统输出电流两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，dd、dq为等效开关函数两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量；ω为三相电网电压角频率。(3)通过在两相同步旋转坐标系下对机侧变流系统建模，可得三相定子绕组的电压方程：usa=Rsisa+dψadtusb=Rsisb+dψbdtusc=Rsisc+dψcdt---(3)]]>其中usa、usb、usc—定子三相电压，isa、isb、isc—定子三相电流。Rs—定子的绕组电阻，ψa、ψb、ψc—定子每相绕组磁链，其表达式如下：ψaψbψc=LaaMabMacMbaLbbMbcMcaMcbLcciaibic+ψfaψfbψfc---(4)]]>其中Laa、Lbb、Lcc为定子每相绕组电感，Mab＝Mba、Mbc＝Mcb、Mac＝Mca为每相绕组间的互感，ψfa、ψfb、ψfc表示为三相绕组的各极永磁磁链：ψfaψfbψfc=ψfcosθcos(θ-23π)cos(θ+23π)---(5)]]>其中，ψf为永磁体励磁磁链；(4)根据公式(3)、(4)和(5)获得机侧变流系统状态空间方程为：usausbusc=Rs+pLspLscos(4π/3)pLscos(2π/3)pLscos(2π/3)Rs+pLspLscos(2π/3)pLscos(4π/3)pLscos(4π/3)Rs+pLsisaisbisc+ψfaψfbψfc---(6)]]>其中，p为微分算子，Ls为定子的绕组电感。在三相系统中，isa+isb+isc＝0   (7)将公式(4)‑(7)合并，将机侧变流系统状态空间方程进一步变换为：usausbusc=Rs+32pLs000Rs+32pLs000Rs+32pLsisaisbisc-ωeψfsinθsin(θ-32π)sin(θ+32π)---(8)]]>其中，ωe为转子的电角速度；(5)将公式(8)进行d、q同步旋转坐标变换，最终机侧变流器系统的状态空间模型调整为：usd=Rsisd+dψddt-ωsψqusq=Rsisq+dψqdt+ωsψd---(9)]]>ψd=Ldisd+ψfψq=Lqisq---(10)]]>其中，usd、usq为定子三相电压两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，isd、isq定子三相电流两相同步旋转坐标系下的d、q轴分量，ψd、ψq发电机磁链d、q轴分量，、Ld、Lq定子绕组电感的d、q轴分量，ωs为发电机角速度。(6)利用公式(2)、(9)、(10)结合PI控制器，得到直驱永磁同步风力发电系统中的背靠背全功率变流器电能控制系统；(7)开始对步骤(6)中得到的系统进行差分优化，设置差分优化的参数值：变异因子F，交叉因子CR，群体规模M，最大迭代次数G；(8)随机产生一个满足公式(11)约束条件的实数编码的直驱永磁同步风力发电中背靠背全功率变流的电能控制系统PI控制器变量的初始种群P＝{x1,x2,…,xp}，其中第i个体xi表示待优化的控制增量序列{Kp1i,Ki1i,Kp2i,Ki2i,Kp3i,Ki3i,Kp4i,Ki4i}，具体产生过程如下：xij＝Δumin+randij(Δumax‑Δumin),i＝1,2,...,p；j＝1,2,...,8   (11)其中，Δumin和Δumax分别表示控制增量序列的下限和上限，randij表示一组在0和1之间产生的随机数；(9)按照式(11)对种群P中的每一个个体xi,i＝1,2,…,p进行目标函数fi计算评价，具体如公式(13)所示，并将种群中当前最小的目标函数值设置为fbest，将对应的个体设置为当前最好解Sbest；fi=w1∫TminTmaxt(|e1|+|e2|)dt+w2THD---(12)]]>其中，e1和e2分别表示机侧变流控制模块和网侧变流控制模块的跟踪误差，t表示系统运行时刻值，Tmin和Tmax分别表示三相逆变系统运行的初始时间和终止时间，THD表示直驱永磁同步风力发电系统输出的电压波形谐波畸变率，w1和w2表示权重系数，并满足w1+w2＝1；(10)对种群进行变异操作，从群体中随机选择3个体xp1，xp2，xp3，且i、p1、p2、p3互不相等，具体变异操作如下：hij(t+1)＝xp1j(t)+F·(xp2j(t)‑xp3j(t))   (13)其中，hij(t+1)为暂存变异后个体的中间变量；(11)为了增加干扰参数向量的多样性，对变异操作后的种群再进行交叉操作，具体操作如下：其中，randlij表示一组在0和1之间产生的随机数，vij(t+1)为暂存交叉后个体的中间变量。(12)为了确定xi(t)能否成为下一代的成员，利用公式(12)获得实验向量vi(t+1)和目标向量xi(t)的评价函数的值，并对其进行比较，具体操作如下：xi(t+1)=vi(t+1),f(vi1(t+1),...,vij(t+1))<f(xi1(t),...,xij(t))xi(t),f(vi1(t+1),...,vij(t+1))≥f(xi1(t),...,xij(t))---(15)]]>(13)重复步骤(9)～(12)直到系统运行到最大迭代次数G，得到PI控制器的最优变量，从而对直驱永磁同步风力发电中背靠背全功率变流的电能控制系统进行控制。