| 摘要：本文在“基于区间优化的双 馈变速恒频风电系统预测控制研 究”项目基础上，针对双馈变速 恒频风电系统控制方向研究进行 了多方面综述，旨在分析各种方 法的特点，为选取合理的控制方 法进行系统研究。 【关键词】双馈变速 恒频风电系统 预测控制 区间优化数 1 变速恒频双馈风电机组的非线性数学 模型综述 国内外很多学者在分析风力机特性和双 馈感应发电机基本电磁关系的基础上，建立了 变速恒频双馈风电机组的非线性数学模型。田 友飞等人运用反馈线性化理论设计了风电系统 非线性控制器，该控制器具有2 个输出变量， q 轴电压分量用于强迫风力机运行于最优转 速，实现最大风能捕获，不需要考虑电磁转矩 的具体实现问题，使控制系统结构得以简化； d 轴电压分量用于调节系统的无功功率输出， 实现系统铜耗最小化。 高勇等人将无源性理论应用于变速恒频 双馈风力发电机控制系统上，使控制策略能更 加准确、快速地跟踪期望电流、转速，实现风 电系统定子侧单位功率因数运行及最大风能捕 获。仿真中还假设励磁电抗发生了30%的漂移， 用以说明无源性算法对电机参数扰动及负载突 变有很强的鲁棒性。 张鲁华等人通过非线性坐标变换和非线 性状态反馈，实现了双馈风力发电系统的输入 输出线性化，达到了双馈感应发电机的有功功 率、无功功率在稳态和动态情况下完全解耦的 控制目标。 彭春华、F. Poitiers 将最优控制理论应用 于变速恒频双馈风力发电机控制系统上，其中 彭春华等人在优化变量中考虑了叶尖速比的约 束。上述文献均把变速恒频双馈风力发电机看 成非线性系统，然而在控制器的设计中没有考 虑到被控对象所受到的约束，对被控对象的参 数摄动没有进行有效处理。 2 带自适应鲁棒控制器的研究综述 2.1 控制方法 针对风力系统的数学模型具有不确定性， 有2 种控制方法成为研究热点。当不确定部分 的界已知时，可采用鲁棒控制的方法，不确定 部分的界越大，所设计的控制器的保守性越大。 当不确定部分的界很大时，为减小控制器的保 守性，可采用自适应的方法，设计带有参数估 计器的自适应控制器。 2.2 自适应的方法 上述两种控制器设计需要在被控对象标 称值附近考虑不确定，因此对被控对象模型有 一定依赖。任丽娜等人设计了能实现发电机输 出有功功率和无功功率解耦控制的具有鲁棒干 扰抑制作用的转子交流励磁控制器，使得系统 在转子电阻、摩擦系数和扭矩系数存在不确定 的情况下, 风轮机的转角和转速、转子电流的 转矩分量和励磁分量仍能按各自希望的轨迹运 行，以满足电网对电能质量恒压恒频的要求和 风轮机的最大风能捕获。C. Belfedala 将控制 理论应用于双馈风力发电机定子电压幅值和相 位控制，抑制了影响系统的干扰，及转子转速 和负载参数的摄动。张凤阁针对VSCF 无刷双 馈风力发电系统的参数不确定性和外部负载扰 动，利用L2 范数对干扰信号加以限制，并引 入一个状态反馈控制律，采用L2 鲁棒控制设 计一个速度控制器，使BDFM 的转速快速而 稳定地跟踪风速，从控制发电机转速的角度实 现最大风能捕获。郑雪梅等将滑模变结构控制 用于双馈风力发电系统，进行了转子电阻摄动 的仿真实验，证明所提出的算法对外部扰动和 内部参数变化具有鲁棒性；在传统的PI 控制 基础上，采用增加瞬时功率前馈补偿的高阶滑 模变结构控制，仿真中对交流侧输入电压短时 跌落干扰、进线电抗器等效电阻出现摄动等进 行了实验。华佳兵等人利用变结构控制理论计 算双馈风力发电机无功功率控制的转子电压， 取得了良好的暂态效果。上述工作可以看出， 针对双馈变速恒频风力发电系统的不确定性， 鲁棒控制和滑模控制是常用的控制算法，但很 少有文献在抑制不确定性的同时兼顾约束。 3 预测控制算法数学模型综述 3.1 预测控制 预测控制是一类先进计算机控制算法, 因 其具有良好的控制效果而得到了广泛的应用， 某些学者也将它用于双馈风电控制系统中。井 艳军提出了一种模型预测控制算法来抑制风速 扰动的动态响应。在预测的未来输出和优化控 制目标函数中考虑了风速扰动的作用，增加了 对可测风扰动的计算; 为了减小双馈风电机组 传动链、叶片和塔筒三个主要柔性部件所承受 的载荷，建立具有风扰动抑制的模型预测控制 器，利用变桨控制增加传动链扭振、叶片一阶 挥舞和塔筒前后一阶摆动这三个自由度的阻 尼，通过选择合适的目标权重矩阵，调节对每 个自由度所加阻尼的比重程度。然而其双馈风 电机组为近似的线性模型，并且系统的不确定 性考虑的也不全面。在预测控制中考虑到被控 对象的不确定性，需要将鲁棒控制的某些思想 用于预测控制控制器设计。丁宝苍、李少远、 席裕庚等都对非线性鲁棒预测控制进行一定研 究，但是他们的研究中对非线性的预测模型形 式具有一定限制，有些成果还没有考虑被控对 象的约束。 3.2 鲁棒预测控制 关于鲁棒预测控制，近年来我们也作了 一些工作。针对具有模型不确定性和未知外部 干扰的非线性系统提出了一种多输入多输出自 适应鲁棒预测控制方法。首先根据非线性模型 设计鲁棒预测控制律, 并在控制律中引入监督 控制项；然后利用多项式逼近的方法逼近控制 律中因模型不确定性以及外部干扰引起的未知 项。此方法应用于两关节机械手轨迹跟踪，取 得良好的跟踪效果，相关成果将发表在近期《控 制理论与应用》杂志。 区间数优化是一类相对较新的不确定性 优化方法，它利用区间描述变量的不确定性， 只需要通过较少的信息获得变量的上下界，故 在不确定性建模方面体现了很好的方便性和经 济性。姜潮等人在文献中针对一般的不确定性 优化问题提出了两种非线性区间数优化的数学 转换模型。对于通过转换模型得到的确定性优 化问题，进一步提出了基于隔代映射遗传算法 的两层嵌套优化方法进行求解。 4 结语 本文阐述了双馈变速恒频风电系统控制 方向的各类研究，通过分析各类方法的优缺点， 针对不同的模型和控制方案进行了系统总结， 为“基于区间优化的双馈变速恒频风电系统预 测控制研究”项目工作做了前期调研和大量的 准备工作。 参考文献 [1] 孙云平, 李俊民, 王元亮. 一类非线性参 数化系统的自适应学习控制[J]. 系统工 程与电子技术,2008,30(12):2442-2446. [2] 谢箭等. 基于神经网络的不确定性空间机 器人自适应控制方法研究[J]. 宇航学报， 2010,31(1):123-129. 作者单位 江门职业技术学院 广东省江门市 529090 |
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