带分布式储能的双馈风力发电系统孤岛运行控制方法

Stand-alone operation control methods for doubly-ded induction generator (DFIG) based wind energy conversion systems (WECS) with distributed battery storage systems are studied, where the negative impacts from wind speed changes, the variation of generator parameters, and the load changes are considered. Firstly, an uncertain decoupled model is established based on the analysis of the system’s characteristics and uncertainties of the system. Secondly, a control structure with a repetitive controller and an equivalent input disturbance estimator is put forward, which can suppress the negative effects induced by uncertain factors and realize robust control of the voltage and the frequency for system power supply. Thirdly, by analyzing the relationship between system uncertainties and power distribution among the parallel operation of DFIGs, a coordination control method based on virtual complex impedance is proposed for the parallel operation of DFIGs in stand-alone WECS, in which controllers’ parameters are tuned according to the wind speed and the system’s parameters, and the loads’ power are shared quickly among the DFIGs. Finally, simulation models and experimental systems of DFIG-based WECS with distributed battery storage systems are developed, by which the validity of the proposal will be demonstrated. By studying this project, it will open up a new idea for stand-alone operation control of WECS, which will be of important scientific significance and research value for promoting distributed wind power.

本项目以带分布式储能的双馈风力发电系统为研究对象，针对风力扰动、参数变化、负载变化对系统的不利影响，研究一种抑制多种不确定性和负载变化的系统孤岛运行控制方法。通过分析系统工作特性及不确定性对系统状态和输出的影响，建立考虑系统多种不确定性的解耦简化模型；分析系统不确定性和负载变化对公共母线端电压和频率的不利影响，将其等效为一类扰动，研究基于重复控制和等价输入干扰的扰动估计与抑制方法，实现风力发电系统供电电压和频率稳定的鲁棒控制；分析系统不确定性与并联运行机组间功率分配的关系，研究基于虚拟复阻抗的不确定并联运行系统协调控制方法，实现多机间负载功率的合理分配；搭建一套带分布式储能的双馈风力发电仿真与实验系统，验证所提方法的有效性。本项目的研究将为分散式风力发电系统的孤岛稳定运行提供一种新思路，具有重要的科学意义和研究价值。

本项目围绕孤岛运行双馈风力发电系统扰动抑制、分布式储能系统控制、多机组并联运行控制等方面展开了深入的研究工作。.在孤岛运行双馈风力发电系统扰动抑制方面，利用等价输入干扰方法，将系统模型参数不确定部分和非线性部分看做一个总的扰动。根据分离定理对状态反馈增益和EID估计器分别进行设计，基于最优控制目标设计出状态反馈增益，在保证系统稳定的前提下设计出包含状态观测器和低通滤波器的EID估计器，准确快速地获取总扰动估计值。将总扰动估计值引入到系统的控制输入通道，建立基于扰动补偿的控制机制，对由电机参数、风速和负载变化造成的扰动进行补偿，维持双馈风机输出的电压恒定。同时提出基于内模控制和线性二次型最优控制的网侧（定子侧）变换器状态反馈控制方法，能快速补偿风能变化等因素导致的公共连接点处电压频率波动。.在分布式储能系统控制方面，提出了基于功率平衡的储能DC-DC变换器模型预测控制方法。该方法动态响应快、鲁棒性强，对克服控制过程中的非线性及不确定性等问题有非常好的效果，并能有效降低系统输出直流电压纹波。所提方法缓解了风力发电系统出现的输出功率波动、输出电压闪变等问题，实现发电系统和负载之间的功率平衡。.在多机组并联运行控制方面，提出改进下垂控制方法，对无功电流误差进行积分，用输出电压幅值的微分项作为负反馈加入无功电流环控制中，对电压进行补偿，改善系统动态性能。利用劳斯稳定性判据，对各机组无功电流误差进行分析，对相应的无功电流下垂系数和电压补偿项里的积分系数取值范围进行设限，保证特征值均在单位圆内，系统达至稳定。改进下垂控制方法在各机组无功功率均分方面精度更高，各机组间的环流也进一步得到了抑制。.本项目的研究旨在促进风能这一清洁能源高比例、高质量发展，解决风力发电系统孤岛运行控制方法难题，为分散式风电系统稳定运行提供新思路和新方法，具有科学意义和应用价值。