文摘
复杂的能源系统可以有效整合可再生能源如风能和太阳能的信息网络和协调操作可再生能源以确保其可靠性。在电压源converter-based高压直流系统,传统的矢量控制策略面临着一些挑战,比如困难PI参数优化和多目标优化。为了克服这些问题,一套有限的控制提出了模型预测控制的先进控制策略。基于离散grid-side电压源变换器的数学模型,提出了战略优化函数值与电流大小的错误预测grid-side转换器的开关状态。此外,系统在抵抗干扰的能力和故障恢复增强补偿延迟和引入权重系数。复杂的能源系统中,风力发电是由电压源converter-based高压直流系统由仿真软件建模,仿真结果表明,该策略是优于传统PI控制策略在不同情况下,如风能波动和故障发生。
1。介绍
应对能源短缺和环境污染问题,复杂的能源系统的发展,可以有效地协调操作各种可再生能源如风能和太阳能,以确保其可靠性,已经引起了许多国家的关注。重点是风电场由于其风能利用效率高,不占用土地资源(1- - - - - -4]。增加容量的风电场和电力电子技术的创新,许多研究人员专注于应用的电压源converter-based高压直流(VSC-HVDC)技术,需要更好的操作性能的转换器VSC-HVDC系统。
模型预测控制(MPC) (5- - - - - -9)已被广泛应用于模块化多电平逆变器的控制(10),不间断供电系统(11],中性点夹转换器(12等)由于其优势控制调节器的灵活性和自由。MPC用于变换器的控制策略可分为连续控制设置MPC和有限控制设置(FCS)政策委员会。连续控制设置MPC,调制器产生开关状态基于连续预测控制器的输出。然而,FCS-MPC认为有限数量的转换器的开关状态求解优化问题。
在[13),货币政策委员会是应用于低压度过(LVRT)光伏(PV)发电厂提高光伏发电厂的暂态稳定。提出了基于MPC的策略是能够控制逆变器的输出电流迅速根据参考电流。在电网故障后,该策略可以控制光伏电站的无功功率输出支持系统电压,提高系统的暂态稳定。仿真结果表明,光伏电站能够支持低电压的电压与拟议的战略。
在[14- - - - - -17),FCS MPC被用来优化逆变器的控制策略。混合逻辑动态(MLD)模型,提出了逆变器的(15]。通过治疗MLD模型作为预测模型,FCS-MPC逆变器的开发战略。该策略考虑逆变器的离散性和选择相对应的开关状态最佳的客观价值作为逆变器的控制信号来控制输出电压。仿真和试验结果验证该FCS-MPC策略可以提高逆变器的输出电压质量。改善传统FCS-MPC策略,转换器,提出了多步预测FCS-MPC战略(15),最优和次优控制的行为被认为是在一个控制周期。确定最优控制行动的时尚两个控制周期的控制作用是最优的。仿真结果表明,该多步FCS-MPC方案可以改善三相逆变器的输出电压的质量,降低了跟踪误差的参考电压与传统FCS-MPC相比。在[16),作者提出了一个FCS-MPC四级变换器控制策略输出电流和电压的电容器。转换器开发获得的离散模型切换状态。在每个采样周期,评估预测变量的评价函数和最优开关状态选择最低成本价值和应用于转炉。在[17),作者提出了一个简化FCS-MPC与扩展电压向量两级三相短时间转换器。该算法使用多个电压矢量预测过程减少网格中的纹波电流。此外,该方法利用预选方案连同一个简化的MPC方法减少电压向量用于拟议的战略。模拟实验表明,该策略保留了有效性的情况下获得所有的电压矢量,同时流痕不不利影响和控制延迟是有效地减少。
改进的MPC策略提出了STATCOM和多级转换器(18,19]。新的MPC控制延迟消除策略提出了在18级联STATCOM的控制)。基于MPC的优化问题提出了可能的开关状态和简化。基于简化基于MPC的进一步递归模型,控制延时对控制性能的影响降低。仿真结果表明,该延迟消除对MPC策略可以改善级联STATCOM电流跟踪控制,该系统具有较强的鲁棒性。在[19),离散数学模型的模块化多层次converter-based直流(MMC-HVDC)系统,并提出一种改进的MPC策略五级MMC。此外,改进的MPC策略结合voltage-sequencing算法减少计算负担,实现MMC-HVDC系统传输功率控制和循环电流消除。
在[20.- - - - - -23],MPC策略被应用于电动机的控制。在[20.),作者提出了MPC策略结合扰动观测器(捐赠)调节永磁同步电动机的扭矩永磁同步电动机无稳态误差。提出策略,网上可获得最优解不依赖数值算法基于永磁同步电动机的输入矩阵的性质。结果表明,该政策委员会战略确保满意的转矩控制性能。quasideadbeat MPC的策略,提出了感应电动机的(21]。通过构建一个滚动优化问题、最优切换状态对应于最优电压矢量被选为逆变器的输出。仿真和实验结果表明,该策略可以减少计算时间,确保满意的静态和动态转矩的性能。
然而,上述研究主要集中在稳定状态下的逆变器和没有研究了使用性能可再生能源集成和系统干扰。处理上述问题,提出了基于FCS-MPC VSC-HVDC系统控制策略。控制策略通过外回路来生成参考价值和比较的参考价值与获得的预测值给定电压矢量。然后,开关状态对应值函数与最小的区别是获得和使用在下一个采样周期,可实现快速跟踪的参考价值。此外,抵抗能力系统的扰动和故障恢复增强补偿延迟和引入权重系数。VSC-HVDC连接OWF系统在MATLAB / Simulink仿真建模和仿真结果验证该FCS-MPC策略优于传统PI控制策略在不同情况下,如风能波动和故障发生。
本文的贡献总结如下:(1)基于FCS-MPC复杂能量系统控制策略提出了考虑到可再生能源集成和系统干扰;(2)提出了一个基于MPC的延迟补偿技术。与传统的PI控制策略相比,该FCS-MPC具有以下优点:(1)很容易调整控制参数;(2)它可以实现多目标优化和整合约束;(3)不需要实现解耦过程;(4)不需要PMW调节器。
2。控制策略对风力Farm-Side VSC和直接驱动永磁同步发电机
图1显示了典型的配置OWF连接到外部交流电网通过复杂的能源系统。风的复杂能量系统包括farm-side VSC (WF-VSC) grid-side万顺昌(GS-VSC)和直流输电系统。确保利用水计划处和安全操作的复杂能量系统,GS-VSC应保持稳定的直流电压,直流输电系统。
2.1。WF-VSC控制策略
数学模型的WF-VSC同步旋转dq框架制定如下。 在哪里和d-axis和q-axis组件的三相电压,分别;和d-axis和q-axis组件三相的电流,分别;和d-axis和q-axis组件的电压转换器方面,分别;和d-axis和q-axis组件的开关函数,分别;ω年代同步角速度。直接控制策略应用于维持电压的大小和频率在WF端。
WF-VSC的控制结构如图2。可以看出在WF端电压幅度和相位控制通过命令dq轴的同步角速度WF-VSC。减少控制复杂性,初始电压在WS端角设置为零,电压大小组件d-q-axis用于反馈控制。引用值之间的差异和实时的电压值大小是用来获得调制比和生成触发脉冲。
2.2。直接驱动永磁同步发电机的控制策略
典型的配置直接驱动永磁同步发电机(PMSG)如图3。直接驱动PMSG系统由风力涡轮机,PMSG, generator-side转换器,grid-side转换器。
双闭环控制策略,即角速度的外循环和内循环电流,应用于翻译,实现MPPT generator-side转换器。grid-side转换器控制直流电压,以确保风力发电集成。摘要PMSG-based风电场等效单机模型的表示。由于grid-side转换器的动态响应速度快的风力涡轮机和generator-side转换器,风力涡轮机,PMSG,和generator-side转换器被简化为一个等效电压资源,如图3。不同级别的风力发电输出模拟通过控制grid-side转换器的输出功率。
grid-side变换器的控制策略如图4。本文输入风力发电变化模拟通过控制grid-side PMSG的转换器,因为本研究着重于验证系统的能力,提出的控制策略在抗扰动和故障恢复在不同情况下,如风速变化和故障发生。如图4,实际的风力发电机风速模拟,生成不同输入风力发电和获得d-axis组件参考价值的三相交流电流。三相交流电压的参考价值与测量值相比获得的q-axis组件参考价值三相的电流通过π单位。然后,dq轴组件调整三相的电流通过π单位和转换使用公园逆变控制变频器。
3所示。基于FCS-MPC GS-VSC控制策略
GS-VSC的FCS-MPC建立控制策略如图5。如图5,该控制策略应用于直流电压控制GS-VSC。直流电压的参考价值比实际值吗 ,以及它们之间的区别是用于生成当前通过π单位参考价值。然后,测量单元收集三相电网电压(e)和栅极电流(我),这些值用于获得的预测值αβ坐标系统通过使用提出的预测模型。最后,一个值函数是用来评估的区别预测价值和参考价值。价值函数的滚动优化到一个新的水平,以获得最优开关组合对应的值函数的最小值。最后,应用最优切换组合控制GS-VSC。
作为最重要的块的FCS-MPC控制策略为基础,预测模型GS-VSC和价值功能的详细描述以下部分。此外,延迟补偿的方法也说明。
3.1。离散GS-VSC的预测模型
GS-VSC离散预测模型是制定和在本节描述。GS-VSC的结构如图6。GS-VSC由6个IGBT和6个反平行的二极管。 , ,和代表了三相变换器的输出电压; , ,和表示三相电网电流; , ,和表示三相电网电压; , ,和代表的三相输出电压转换器。l电抗,R是阻力,C是电容。 , ,和是直流电压、直流输入电流和直流输出电流,分别。更多细节的结构可以找到GS-VSC (24- - - - - -27]。
获得的预测模型栅极电流,GS-VSC应该建模。动态方程的栅极电流三相静止参考系如下: 在哪里我是当前的向量;u是转换器的输出电压的向量;e是栅极电压的向量。向量我,u,e可以表示为 一个= ; , ,和代表了三相输出电压转换器的中性点,可以使用以下方程: 在哪里是开关函数表示的每个桥臂的开关状态转换器;是直流电压。的可以表示如下(28]:
假设采样周期 ;栅极电流的导数可以使用远期欧拉离散近似方法如下: 在哪里我(k+ 1)和我(k)是当前采样值k+ 1,k分别th采样周期。替代(6)(2);预测电流可以表示为
的表达(7)αβ坐标系统可以获得使用克拉克变换如下: 在哪里 和 是α设在和β设在组件的电流k分别为+ 1期;和是α设在和β设在组件的输出电压转换器k分别th时期;和是α设在和β设在组件的栅极电压k分别th时期。所示(8),当前的GS-VSCk+ 1期可以准确地预测根据当前GS-VSC的测量kth时期,可以实现快速跟踪和控制GS-VSC当前和增强GS-VSC系统抵抗干扰的能力。
3.2。值函数
GS-VSC的主要目标是确保VSC-HVDC传动系统的功率平衡,实现风力发电集成。的控制策略GS-VSC描述如下。根据所需的参考GS-VSC输出和当前输入,输出电压向量(U)GS-VSC可以通过确定切换函数值,即切换状态,每个桥臂的转换器。然后,基于输出电压向量(U)、栅极电压向量(E),等效电抗 ,大小和角度可控there-phase电流( , , )可以获得控制GS-VSC的输入和输出功率。因此,重要的是要确定最优输出电压向量(UGS-VSC)。
它可以看到从(4)和(5)输出电压向量(U)是由三个桥臂的开关功能,即 , ,和 。在这项研究中,假设GS-VSC是三相两级变换器。考虑有三个开关函数值( , ,和 ),有八个可能的开关状态和八个相应的电压矢量。此外,由于U0=U7,七个可能电压输出矢量如表所示1。
传统GS-VSC使用双闭环结构的权力(外循环和内循环电流)来确定切换函数( , ,和 )控制输出交流电压和电流GS-VSC(输出功率)。然而,PI控制器参数对系统参数敏感,很难调整PI参数。此外,前馈补偿器的电路参数的影响是需要在传统解耦控制策略。为了克服这些问题,提出了基于FCS-MPC控制策略。
FCS-MPC是一个基于模型的闭环控制方法。基于八个可能的开关组合和八个相应的电压向量(U),下一时期的预测GS-VSC当前值可以使用离散预测模型获得的GS-VSC (8)。然后,比较预测价值和使用价值的参考价值函数中定义(9),相对应的最优切换组合获得的价值函数的最小值,用来产生触发脉冲,GS-VSC可以实现最优控制。 在哪里 和 是预测电流向量的实部和虚部的吗k+ 1期在一个给定的电压矢量,分别; 和 是预测电流向量的实部和虚部的吗k+ 1期在一个给定的电压矢量,分别。
重复以上过程在接下来的采样周期的输出电流,从而GS-VSC优化和控制滚动地平线。基于上述分析,与传统的PI控制的双闭环控制策略,FCS-MPC策略控制转换器直接根据有限的切换组合。因此,没有必要实现解耦过程和复杂的π优化过程。此外,不需要调节器和多级约束可以被考虑。特别是,有最低的计算复杂性,当使用两级变换器。
3.3。考虑提出的延迟补偿策略
电流参考和电流测量的区别是用于构造目标函数,即价值函数(9),转换的问题寻找最佳的调制满足控制目标的问题找到相对应的最优切换组合价值函数的最小值。然而,当前的引用(9)的价值在未来时期,导致延迟GS-VSC的控制和影响控制精度和响应速度的GS-VSC FCS-MPC策略。处理这一问题,本研究提出修改值函数使用预测当前值k二十期+。目前的预测功能k二十期+ 在哪里我(k+ 1)和 的预测电流(k+ 1)th和(k+ 2)th时期使用中收集的信息k分别th时期;u(k+ 1)的输出电压(k+ 1)th时期;e(k+ 1)的栅极电压k+ 1。
函数考虑延迟补偿的值如下:
以确保稳定的直流电压在故障发生和风能波动下,直流电流误差引入价值函数如下: 在哪里λ是权重系数。介绍了直流电压的预测价值函数值提高直流电压稳态下的稳定性和故障发生。
3.4。基于FCS-MPC的控制策略的算法
FCS-MPC建立的算法控制策略如图7下面的步骤。
步骤1。制定GS-VSC基于数学模型的八个开关组合和转换组合之间的关系和相应的输入/输出电压和电流。
步骤2。构建离散时间模型,以预测在未来时期控制变量的值。
步骤3。基于当前状态切换应用,构建当前离散模型(8为了预测当前k+ 1。
步骤4。预测当前k+二十期为每个可能的开关组合。
第5步。使用价值函数表示系统的预期性能评估所有可能的开关组合。
步骤6。选择相对应的电压矢量值函数的最小值,得到相应的最优切换组合。
步骤7。更新基于最优切换开关的状态组合,回到步骤2为下一个采样周期。
4所示。案例研究
离岸WF VSC-HVDC连接,如图1,在MATLAB / Simulink仿真模型验证的效率提出了FCS-MPC策略。仿真参数表中列出2。
4.1。案例1:风电波动
之间的比较提出FCS-MPC策略和传统PI双闭环控制策略下的风电波动在这种情况下进行。风力发电输出是0到1之间的600 mw和增加1100兆瓦的1.1秒,然后保持不变。假设统一的风电场运行功率因数。GS-VSC两个策略的仿真结果如图8(一个)- - - - - -8 (c)。
(一)积极和电网吸收无功功率
(b)电网电压和电流
(c)直流电压
如数据所示8(一个)- - - - - -8 (c),两种策略可以快速响应的GS-VSC WF输出功率变化,实现稳定的风力发电集成。与传统的双收PI控制策略相比,FCS-MPC采用单回路(外环电压)控制策略,使GS-VSC有更快的响应速度和更高的响应精度,如图9(一个)- - - - - -9 (b)。此外,如图9 (c)VSC-HVDC系统的直流电压恢复到FCS-MPC控制策略时的参考价值更快因为参与这个词使用的直流电压被认为是预测价值函数。因此,提出的GS-VSC FCS-MPC策略可以确保VSC-HVDC系统的稳定运行和更好的性能在稳态操作。
(一)积极吸收的无功功率电网
(b)电网电压大小和电流大小
(c) VSC-HVDC的直流电压
4.2。案例2:交流故障发生在电网侧
假设发生三相短路故障在电网侧2 s和持续10 ms。GS-VSC系统的响应特性如图9(一个)- - - - - -9 (c)。
如图9,当传统的PI控制策略应用于GS-VSC,故障发生大影响主动/无功功率输出、电压和电流输出GS-VSC慢慢恢复参考价值。此外,由于能力有限的传统PI控制策略控制直流电压,直流电压不能恢复到参考价值在3 s,如图9 (c)。应用该FCS-MPC策略,然而,当故障发生的影响的输出GS-VSC有限,和主动/无功功率输出电压和电流输出GS-VSC正在迅速恢复参考价值。此外,直流电压恢复的参考价值在2.5 s,因为预测控制的直流电压被认为是提出策略,从而提高的能力GS-VSC控制直流电压在故障出现。
4.3。案例3:直流故障发生
假设一个直流线路故障发生在左边的直流输电线路2.0年代和持续100毫秒。VSC-HVDC系统响应特性的两个控制策略如图10 ()- - - - - -10 (e)。
(一)积极和电网吸收无功功率
(b)栅极电压与PI控制策略
(c)栅极电流PI控制策略
(d)与FCS-MPC策略栅极电压
与FCS-MPC策略(e)栅极电流
如图10 (),主动和无功功率减少-2200 mw和-2000 mw,分别在PI控制策略,而活跃的和无功功率降低-1000 mw FCS-MPC提出策略。如数据所示10 (b)和10 (c)交流电压降低到0.75动力装置和最大瞬态电流达到5部件GS-VSC水平远远超过最大的宽容。当应用于GS-VSC FCS-MPC策略,如图10 (d)和10 (e),交流电压降低至0.9便士。u和the maximum transient current is 2.4 p.u. It can been seen that the fluctuations of AC voltage, AC current, and active/reactive power are smaller in the proposed FCS-MPC strategy, which demonstrates the better performance of the FCS-MPC strategy.
4.4。案例4:电网电压下降
进一步验证的有效性提出FCS-MPC策略,进行模拟当电网电压下降。假设1 p.u的栅极电压降低。0.5部件在2.0秒和电压是0.5部件100 ms。仿真结果如图(11日)- - - - - -11 (e)。
(一)积极和电网吸收无功功率
(b)电压在电网侧与PI控制策略
(c)在电网侧电流PI控制策略
(d)与FCS-MPC策略在电网侧电压
(e)电流在电网侧FCS-MPC策略
如数据所示(11日)- - - - - -11 (e)提出FCS-MPC策略时,有功功率减少540 mw,恢复到正常水平在2.14 s。无功功率的波动很小。交流电压可以恢复到1.0部件故障清除后迅速和有一个非常小的波动交流电流。然而,当使用PI控制策略,有功功率减少550 mw,并恢复到正常水平在2.25 s。无功功率增加到500兆乏,慢慢恢复到正常水平。同样,交流电压和交流电流慢慢恢复到正常水平。因此,FCS-MPC策略使系统对系统干扰。
4.5。案例5:比较分析Cases1-4的谐波畸变率
进行傅里叶分析在选定的条件下,即期间(1.2 - 1.4)在案例1的最大风力发电输出和时间(2.3 - 2.5),以防2例4。交流电压和交流电流的畸变率在不同操作条件下表所示1。
如表所示3,例1 - 4代表的傅里叶分析结果在稳态条件下根据风电波动,在交流故障发生在电网方面,在直流故障发生,分别在电网电压降。从表可以看出1,在提出FCS-MPC策略,短时间电压和电流的畸变率GS-VSC低于1%,这远远低于传统的PI控制策略。
5。结论
克服问题的操作复杂的能源系统,本研究提出了一个基于FCS-MPC小说控制策略。提出的控制策略有一个简单的控制结构,消除了内循环电流和复杂的PI参数优化过程,并实现了多目标优化的复杂能量系统。此外,该控制策略考虑延迟的影响,介绍了术语的直流电压预测价值功能改善直流电压的稳定控制和提高能力的复杂能量系统抗扰动和故障后恢复。仿真结果在风电波动下,三相短路故障,电网电压降与FCS-MPC策略验证系统具有更好的动态特性和参数鲁棒性。此外,该策略提高了VSC-HVDC在抵抗干扰的能力和故障恢复,减少失真率GS-VSC并网电压和电流。
命名法
| , : | 三相电压的d-axis和q-axis组件 |
| , : | d-axis和q-axis组件三相的电流 |
| , : | d-axis和q-axis组件的电压转换器 |
| , : | d-axis和q-axis组件的转换函数 |
| : | 同步角速度 |
| , , : | 三相输出电压的转换器 |
| , , : | 三相电网电流 |
| , , : | 三相电网电压 |
| , , : | 三相输出电压的转换器 |
| : | 电抗 |
| : | 电阻 |
| : | 电容 |
| , , : | 直流电压、直流输入电流和直流输出电流 |
| 我,你,e: | 向量的向量的电流,输出电压的转换器,和栅极电压的向量 |
| : | x = a, b, c,变频器的三相输出电压中性点 |
| : | x = a, b, c,开关函数表示的每个桥臂的开关状态转换器 |
| : | VSC-HVDC系统的直流电压 |
| : | 在k采样周期采样当前值 |
| : | α设在组件当前的(+ 1)th时期 |
| : | β设在组件当前的(+ 1)th时期 |
| : | α设在组件的输出电压转换器(+ 1)th时期 |
| : | β设在组件的输出电压转换器(+ 1)th时期 |
| : | α设在组件的栅极电压(+ 1)th时期 |
| : | β设在组件的栅极电压(+ 1)th时期 |
| : | 预测电流的实部(+ 1)th时期在一个给定的电压矢量 |
| : | 虚部的预测电流+ 1期在一个给定的电压矢量 |
| : | 真正的参考电流的一部分(+ 1)th时期在一个给定的电压矢量 |
| : | 的参考电流的虚部+ 1期在一个给定的电压矢量 |
| λ: | 的权重系数 |
| : | 预测的当前值(+ 2)th时期使用收集到的信息 - - - - - -th时期 |
| : | 价值函数的初始值。 |
数据可用性
没有secret-involvement数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作已经由国家电网公司科技项目题为“关键技术的研究和示范应用组电化学储能电站的特高压混合AC / DC接收端电网”。