风力—太阳能混合发电控制系统的研究

风力—太阳能混合发电控制系统的研究 华南理工大学 博士学位论文 风力—太阳能混合发电控制系统的研究 姓名：张淼 申请学位级别：博士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：吴捷 20041001 第三章可再生能源并两发电系统的研究 采用自抗扰控制器来实现控制，主要需解决的问题是控制器参数的调整。 ＴＤ中非线性函数的两个参数分别有其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征的意义，其中ｒ决定跟踪速度， 称为“速度因子”；ｈ起对噪声的滤波作用，称为“滤波因子”，在选取ＴＤ的参 数时，根据实际受控对象的特点，选择一个合适的过渡过程曲线，根据该曲线来 选择合适的参数，和ｈ，构造出微分跟随器ｒＴＤｌ。 ＥＳＯ的参数选取是系统实现的关键因素，首先可给控制对象施加阶跃控制 量，给ＥＳＯ、ＮＬＳＥＦ设置初值，并使系统稳定；在确保系统稳定的前提下，调 整ＥＳＯ的参数届、岛和岛，使其尽可能快速而准确地估计参考输入及其微分状 态和内外扰动的合成函数： ＮＬＳＥＦ参数的选择则是以使闭环系统的性能指标令人满意为目标，通过调整 非线性组合的参数毛和岛来实现的。 整个参数的选取是通过反复试选后确定。参数一旦进入稳定区，其选择范 围一般是相当宽的。 ３．５．仿真与实验结果 １。仿真结果 为了验证本文介绍基于自抗扰控制方法在可再生能源系统中的可行性，本文 分别采用了自抗扰控制与经典ＰＩ两种控制方法对图３．１所示的系统作相应的仿 真研究，实验结果如图３—８、３－９、３－１０、３－１１、３．１２所示。系统的参数如下： 恐＝１００Ｑ，Ｒ＝１１２，Ｌ＝０．０１ｍＨ，Ｃ＝１００００ｕＦ，Ｈ：＝３６０Ｖ，Ｅ＝２２０Ｖ， ，＝１．２５，Ａ＝１０００，岛＝１０００，属＝５００，与＝１５，々２＝５，．ｉ｝，＝ｌ。 根据系统的工作特点，系统在投入工作前交流电压通过逆变器续流二极管整 流与直流部分得到平衡，直流电压约为交流的峰值电压３１０Ｖ，取酢（ｏ）：３１０Ｖ。 斗ｊ ／ｉ ；，飞 —ｒ、０Ｉ“；／培二（ 图３－８ ＡＤＲＣ控制仿真响应过程曲线 Ｆｉｇ．３－８ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＡＤＲＣ ｃｏｎｔｒ０１ ．＾；ｌｋ； 口 一 一 ．ｈ： ? ／Ｊ． ＼，、丁 Ｖ｝ 图３－９ ＰＩ控制系统仿真响应过程曲线 Ｆｉｇ．３－９ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｐ１ ｃｏｎｔｒｏｌ 华南理工大学博士学位论文 （ａ）太阳能电能大于直流负载消耗 （ｂ）太阳能电能小于直流负载消耗 图３一ｌＯ电压电流关系曲线 Ｆｉｇ．３?１ ０ Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｃｕｒｖｅｓｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄｃｕｒｒｅｎｔ 由图３．８、３－９自抗扰控制系统与经典ＰＩＤ控制系统的动态响应曲线可知， 很明显自抗扰控制系统动态响应蚱无超调，动态过程电流冲击大大降低，因此可 以认为采用自抗扰控制器可获得较佳的动态性能：当扰动电流„突变时，由图 ３－８、３－９给出了自抗扰控制系统与经典ＰＩＤ控制系统的动态响应曲线；由图可 知系统的直流电压Ｕ，基本保持不变，与经典ＰＩＤ控制相比，自抗扰制系统输出 电流的有效值』。很快趋于稳定；因此可以认为自抗扰控制系统的鲁棒性及其适 应性均优于经典ＰＩＤ控制系统。 由图３－ｌＯ（ａ）（ｂ）电压电流关系曲线可知，当太阳能电能大于负载消耗的能量 ＵＳ和ｉｓ同相位电网电源处于供电方式；当太阳能电能小于负载消耗的能量ＵＳ和 ｉｓ反相位电网电源处于吸收电能方式，系统在两种工作模式下都具有较好的性 能。 ２．实验结果 为了验证本文自抗扰控制方法的可行性，本文分别采用了自抗扰控制与经典 ＰＩ两种控制方法对图３－１所示的系统作相应的仿真研究，实验结果如图３．１２所 示。系统的参数如下： ＲＬ＝１０哑，Ｒ＝ｌｏ，Ｌ＝２．５ｍＨ，ｃ２１０００ｕＦ，”：＝１００Ｖ，Ｅ。＝５０Ｖ， ，＝１．２５，届＝１０００，乜＝１０００，岛＝５００，ｋｌ＝１５，七２＝５。 根据系统的工作特点，系统在投入工作前交流电压通过逆变器续流二极管整 流与直流部分得到平衡，直流电压约为交流的峰值电压１００Ｖ，取Ｕｃ（ｏ）＝７０Ｖ。 为了满足系统数据处理量大，和实时快速的要求，Ｔｌ公司的数字信号处理器 ＴＭＳ３２０Ｃ２４０被用作系统的控制核心，来实现控制系统的数字化。系统逆变器的 功率器件则采用日本三菱智能集成功率模块ＰＭｌ ５ＲＨＡｌ２０，其内部含有驱动电 路，并具有过流、过压、过热等保护功能，从而提高了系统工作的可靠性。系统 ５０ 第三章可再生能源并网发电系统的研究 主要由单相交流电源、主回路、控制单元、电抗器和负载等部分构成，电路外观 如图３－１ｌ所示： （ａ）实验主拓扑电路 （ｂ）控制电路 图３－１１主要硬件电路图外观图 Ｆｉｇ．３－１ １ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｕｔ 实验结果如图３．１２所示： 口 从文件 ｔ一８月一ｊ００３ ２５４月?２００３ ｇ－ｊ片－２Ｄｆｌ３ 图３—１２ＡＤＲＣ控制和ＰＩ控制响应过程曲线 Ｆｉｇ．３—１２ Ｔｈｅ ＤＣ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆＡＤＲＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ 图３－１３电源电压和逆变器输出电流波形 ＦＩＧ．３－１ ３ＷＡＶＥＦＯＲＭＳＯＦＰＯＷＥＲＶＯＬＴＡＧＥ ＡＮＤ ＩＮＶＥＲＴＥＲ ＯＵＴＰＵＴ ＣＵＲＲＥＮＴ 在图３—１２中，曲线ｌ为采用自抗扰控制系统的动态响应曲线，曲线２为采用 华南理工大学博士学位论文 ＰＩ的动态响应曲线。由图３．１２自抗扰控制系统与经典ＰＩ控制系统的动态响应 曲线可知，很明显自抗扰控制系统动态响应Ｕ，无明显的超调，动态过程电压的冲 击大大降低。 由图３．１３给出了电网电压和逆变器输出电流波形可以看出两者的相位基本 一致。 自抗扰控制器可以用来解决不确定性对象的控制问题，这种控制器的最大特 点是不依赖于被控系统的具体数学模型并对内外扰有较强的抗扰能力，使整个系 统在工作区间内具有良好的鲁棒性与适应性。仿真与实验结果表明与经典的ＰＩＤ 的控制方法相比，ＡＤＲＣ的控制性能具有较好的适应性和鲁棒性，与经典的ＰＩ 控制相比，这种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 可大大的改善系统的性能。 ３．６本章小结 自抗扰控制器可以解决一类不确定性对象的控制问题，具有很强的适应性 和鲁棒性。它的核心技术就是将系统模型的不确定性和外部扰动视为一个综合扰 动项，然后利用扩展状态观测器对综合扰动项进行观测和前馈补偿，实现系统的 线性化。这种前馈补偿的线性化方法比精确反馈线性化方法的算法更简单，控制 效果更好。综合来看，自抗扰控制技术主要的优点表现在：?控制器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 不依 赖于系统的模型，且结构简单容易实现；?算法简单，无须大量的矩阵运算；? 控制系统的参数选取与系统内部的参数无关，参数可以在比较大的范围内选取， 即参数鲁棒性好。 本章针对可再生能源的并网发电系统，存在不确定外部扰动的特点，首先将 未建模的电网电压的波动和内部参数的变换等不确定外扰视为一个综合扰动项， 然后利用自抗扰控制技术对综合扰动项进行观测和前馈补偿，实现了系统的线性 化，进而设计出了一种不依赖于对象模型的并网发电系统的控制器。仿真和实验 结果证明，该控制器不仅其有良好的抗外扰能力，对系统的内部如负载变化等摄 动也具有较强的鲁棒性。 华南理工大学博士学位论文 ／７—、．＼ ７ ＼ ｆ． ＼ ｋ ？ ＼ ｝ ｝ ｉ ｛ 图４－１９模拟电路得输出端电压和输出功率关系曲线 Ｆｉｇ．４－１ ９ Ｔｈｅ Ｐ－Ｖｃｕｒｖｅｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 由图４－１９和图４．２对比，可知该模拟装置的输出端电压和输出功率关系曲 线与太阳能电池的Ｐ．Ｖ特性曲线相似。令 堕：ｏ 班 由（４－２９）式可得负载ＲＬ获得最大功率时，输出端电压为： ％＝昙×\u65323X ４．６．２实验电路的设计 为了验证上述控制方法的可行性，本文采用ＭＣＳｌ９６ＫＢ设计了单片机小系统， 实验电路原理图如图４．２０： 酗４－２０最大功率跟踪实验电路图 Ｆｉｇ．４－２０ＭＰＰＴｂｏａｒｄ ｃｉｒｃｕｉｔ 实验电路可分为两部分：主回路和控制回路。 主回路主要由太阳能电池的模拟电路、功率开关器件、负载、电压传感器 ＣＨＶ一２５Ｐ、电流传感器ＰＴ－１０Ｐ和辅助控制元件电感、电容等组成［７ ９１。其中电压 传感器和电流传感器分别被用来检测太阳能模拟装置输出的电压和电流。 ７４ 第四章光伏发电系统及其控制 控制回路则是由８０Ｃ１９６ＫＢ单片机为核心的单片机小系统。 （ａ）实验主拓扑电路 （ｂ）控制电路 图４－２Ｉ实验电路硬件电路图外观图 Ｆｉｇ．４?２ １Ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｅｕｉｕｔ 取系统所采用的太阳能电池阵列模拟电路中直流电源Ｖｉ＝７５Ｖ，串联电阻 Ｒ＝１ｍ，负载采用电阻。 ４．６．３实验结果及其 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 １采用滑模变结构控制 …。。＋＋００．＋．Ｌ．上＊＋＋０４＋“一二 －：；！睦二…三－…！…．： ：?７ＴＴＴＴ＂ＴＴＴＴ一一Ｔ一！ ｛ ｔ 图４－２２模拟太阳能电池端电压％变化曲线 Ｆｉｇ．４?２２ Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＰＶ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ７５ 华南理工大学博士学位论文 Ｉ ＾ ＾ ｏ ｉ Ｌ „ 寸 ” Ｌ ＾＾“ｎ＾＾“ｎ＾＾““＾“＾＾＾儿“““』 ＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶ＿ＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶ 图４．２３模拟太阳能电池输出电流ｆ?变化曲线 Ｆｉｇ．４?２３ Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＰＶ ｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔ Ｎ„过?脚?八於，趴，Ａ．ｊ － ？『『＿『｜。。?－｛一 图４－２４流过电感的电流垃变化曲线 Ｆｉｇ．４?２４ Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔ 采用滑模控制方法由图４．２２，图４．２３和图４．２４可以看出： （１）当系统稳定时，电容Ｃ两端的电压为４０ Ｖ，约为输入电压一半，可以使 输入电容的电压脚，基本上为Ｅｇ源电压Ｅ的一半，即ＵＰ，：妻五，此时负载上可以 Ｚ 获得最大功率， 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 稳态时系统处于最大功率状态。 （２）由图４—２１可知，采用滑模控制技术，系统追踪最大功率点的速度较 快；稳定时，系统的摆动幅度较大。 系统的仿真和实验结果证明所设计的方案是可行。 ２基于非线性函数的最大功率搜索控制 采用非线性函数的最大功率搜索控制方法实验结果如图４—２４、４—２５、４ 第四章光伏发电系统及其控制 一２６所示： Ｖ虬 ?一Ｔ?ｉ…。。”。?”。。。… ｛ 工 ＋ ｉ ｛ ｛ 图４－２５模拟太阳能电池端电压‰变化曲线 Ｆｉｇ．４—２５ Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＰＶ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｉ ． 王 ］。；．１—'岬眇， 一叶—忡槲～中—卜－“＋Ｈ州～帅＊ ，ｏ：叫－｝：：－： 一 ｌ｝ 一 ｆ。｛ 图４．２６模拟太阳能电池输出电流ｆ”变化曲线 Ｆｉｇ．４—２６ Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＰＶ ｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔ 图４－２７流过电感的电流忆变化曲线 Ｆｉｇ．４?２７ Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ垃 华南理Ｊ＝大学博士学位论文 由图４—２５，图４．２６和图４．２７可以看出采用非线性函数搜索控制方法： （１）当系统稳定时，电容Ｃ两端的电压为４０Ｖ，约为输入电压一半，可以使 输入电容的电压脚，基本上为电源电压Ｅ的一半，即唧，＝喜Ｅ，此时负载上可以 Ｚ 获得最大功率，说明稳态时系统处于最大功率状态。 （２）由图４．２５、图４．２２可知，采用非线性函数搜索控制方法，系统追踪最 大功率点的速度较快，并在最大功率点附近发生振荡，与滑模方式相比，系统响 应时间较长；稳定时，系统围绕最大功率点的摆动幅度较小，与滑模方式相比， 系统围绕最大功率点的摆动幅度明显减小。 系统的实验结果证明所设计的方案是可行。 非线性函数搜索控制方式与滑模方式相比，采用非线性函数搜索控制方式系 统响应时间较长；稳定时，采用非线性函数搜索控制方式系统围绕最大功率点的 摆动幅度明显减小；采用非线性函数搜索控制方式电感的电流址的振荡的幅值明 显小于采用滑模方式。 ４．７本章小结 本章首先简单介绍了太阳能电池的工作特点，并对太阳能电池最大功率点原 理进行阐述和分析。研究并设计了基于滑模控制技术和非线性函数搜索控制方 式，给出了这两种控制方法的详细设计步骤和参数选择方法。 通过仿真与目前常用的控制方法进行对比，仿真结果表明，采用本文提出的 两种方法可明显提高系统搜索最大功率点的速度。 由于太阳能电池的输出功率受环境温度、太阳光强度等因素的影响，难以直 接用太阳能电池来验证控制方法的可行性，本文根据太阳能电池的特点，设计了 一太阳能发电模拟装置，并设计了一基于ＩＮＴＥＬ８０１９６单片机小系统，通过实验 验证了本文所提出的搜索方法的可行性。 系统控制硬件简单，只要用单片机即可构成简单、廉价的装置，对于小规模 太阳能发电系统有一定的实用价值。 华南理工大学博士学位论文 图５－８风力发电系统中的双馈电机 Ｆｉｇ．５－８ Ｄｏｕｂｌｙ?ｆｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎＷＥＣＳ 系统中，发电机的定子绕组直接与电网相连，其控制绕组与功率变换器相连， 而变换器的另一端连接至电网…。 基于现代交流调速技术，这种发电机可实现无级高效地调速。在调速过程中， 转子回路和变换器工作的功率为滑差功率，因而变换器所需的驱动功率较小，如 调速范围在３０％左右时，交流励磁的变频装置容量仅为电机功率的１５％～３０％；在 与高压电网相联时，控制绕组可设计成低压，这样就可采用低压变频装装置，从 大大降低了系统的成本。此外，还可通过改变控制绕组电流的幅值和相位来控制 发电机有功、无功功率的输出，因而这种风力发电的变速恒频控制方案越来越引 起众多学者的广泛重视。５。”?嘲。 ５．４矩阵式变换器拓扑结构的分析与研究 可用作双馈电机控制绕组交流励磁的变频装置，目前常见的变频装置有由可 控硅构成的交一交变换器和由自关断开关器件构成的交一直一交 ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ．Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）变换器两种类型【８”。前者输出电压中含有大量的谐 波，输入侧功率因数也很低，对电网和发电机均造成严重的谐波污染等负面影响； 后者虽然改善了输出性能，但不可控整流加电容滤波的变换方式同样给电网带来 畸变电流，且需要体积较大的直流滤波电容，不具备同步速上、下运行时控制绕 组所需控制器所必需的功率双向流动功能。因此设计一种输入、输出特性好，无 电力谐波，功率可双向流的“绿色”变换器是无刷双馈风力发电机控制技术的关 键。随着矩阵变换器的电路拓扑结构的出现，把矩阵变换器应用到双馈电机控制 中也成为该研究领域中倍受关注的研究内容之一【８９，９０，９１］。 矩阵变换器的电路拓扑形式早在１９７６年就由ＢＲ．Ｐｅｌｌｙ等提出【９２】，与其它 电力变换器相比，矩阵变换器主电路拓扑结构具有诸多优良特性，如： １）可提供正弦的输出电压和产生正弦的输入电流； ２）无中间直流环节，结构紧凑，动态响应快； 第五章双馈风力发电机发电控制器的研究 ３）同一矩阵变换器装置可实现整流器、逆变器、斩波器等多重功能。 目前国外矩阵式变换器的研究工作尚未成熟，离实用化还有距离，关键原因 是适用的双向开关尚未产品化，而现有组合型双向开关的安全换流问题还未得到 彻底解决【９３曲郇，由于矩阵式变换器的突出特点已引起功率器件生产商的重视， 如Ｅｕｐｅｃ公司推出自己经济型矩阵式功率模块，其模块的原理图如图５－９所示： 图５－９ Ｅｕｐｅｃ经济型矩阵式功率模块内部原理图 Ｆｉｇ．５－９ Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ Ｅｕｐｅｃ ｃｏｍｐａｃｔ ｍａｔｒｉｘｃｏｎｖｅｒｔｅｒｍｏｄｕｌｅ 国内研究刚刚起步［９７，９８ｔ，从理论到实践都还有很多问题尚未解决。 ５．４．１三相矩阵式变换器结构 典型的三相到三相矩阵变换器拓扑结构如图２所示，９个双向开关排成３ 行３列矩阵。并利用９个双向开关在开关周期内的占空比来组成３行３列的开 关调制矩阵，来决定矩阵变换器的变换关系。 图５－１０三相到三相矩阵变换器拓扑结构 Ｆｉｇ．５—１ ０ Ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｍａｔｒｉｘｃｏｎｖｅｒｔｅｒ „ａ）开关内嵌式 ：遗 （ｂ）开关共射板式 （ｃ'髭合型 图５．１ｌ双向开关结构 Ｆｉｇ．５－１ １ Ｄｏｕｂｌｅ－ｄｉｒｅｃｔ ｓｗｉｔｃｈ ｃｉｒｃｕｉｔ 开关内嵌式如图５－１１（ａ）所示，它由一个桥式整流器和一个功率开关组成， 华南理工大学博七学位论文 可以应用于各种矩阵变换器中。当功率开关开通和关断时，表现一个真正的交流 开关的特点。 串联型又分为共发射极和共集电极结构两种，图５－１１（ｂ）为开关共射型，这 种类型需要两个功率开关和两个二极管，具有分离元件少、可靠性高等特点。每 个功率开关、二极管均工作在两象限方式，易于对两个方向分别控制。 混合型由一个桥式整流器、两个功率开关、一个小电感、一个电容及两个快 速二极管组成。这种结构利用电容充放电作用保证了开关开通时的电流从零开始 增长，关断时关断电压接近于零，因而可以近似做到开关过程零损耗。 从理论上，开关动作可以瞬间完成并同时进行，但对实际应用的非理想开关 还必须考虑有限的开关动作时间和驱动电路与开关本身的延迟。如图５．１２所示 的电路，若Ｓ２在Ｓ１关断之前开通，则电源Ｒ、Ｓ经开关Ｓ１、Ｓ２就构成一条 短路路径；为了避免出现这种短路现象，Ｓ１、Ｓ２切换过程中就要增加一个两者 同时关断的过程，即死区时间。由于输电线路存在杂散电感ＬＯ、负载可能是电 感负载如电机等，其带来的浪涌电压足以击穿损坏相应的功率开关器件。为了克 服浪涌电压带来的不利影响，目前被广泛采用的办法是在变换器输入、输出端增 加一电压钳位电路［９２～９５，９９］，如图５－１３所示。 图５．１２开关切换电路模型 Ｆｉｇ．５－１２ Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｍｏｄｅｌ ｏｆｍａｔｒｉｘｃｏｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ 图５．１３系统结构原理图 Ｆｉｇ．５－１３Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ５．４．２矩阵式变换器的工作原理 ８０年代后期以来，随着电力电子和计算机控制技术的不断发展，针对矩阵