CN101232268A - 一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电系统领域，尤其公开一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法，该方法基于具有变流器和直流侧电容器的风力发电系统，其控制步骤如下：步骤一计算直流侧电容器的输入功率P_in；步骤二计算直流侧电容器的输出功率P_out；步骤三求取直流侧电容电压的计算值u_dcj；步骤四利用直流侧电容电压计算值u_dcj作为直流侧电压指令值来控制PWM逆变器，保证在直流侧电容电压u_dc为直流侧电容器额定电压u_dce的85％～110％内，即可抑制输入电网的功率波动。本发明利用了直流侧电容器的储能作用，通过对直流侧电压的适当调节来抑制因风能所对应的功率波动而引起输出功率的波动，无需额外的辅助装置，可以广泛应用于风力发电系统。

Description

一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统领域，尤其涉及抑制输入电网功率波动的控制方法，具体地说是利用直流侧电容来抑制功率波动的控制方法。

背景技术

近年来，随着能源危机及环境问题的不断加剧，各国政府都将注意力放于能源探求上。可再生能源中的风能因为其储量较大，无污染，趋于产业化而备受关注。风电系统本身的造价及成本较高，故风场经营者都追求最大风能利用来提高系统的利用率。同时，风本身具有随机性和变化性，风能和风速的三次方成正比，在风速剧烈变化时风能的变化更为剧烈。当容量较大的风力发电系统连入电网或者在偏远地区单独给负载供电时，前者由于给电网注入的不断波动的功率会给电力系统带来频率稳定性的影响，后者同样由于输出功率的波动而给负载带来影响。

通过文献检索发现，风力发电系统的研究专家们提出了多种解决风力发电系统中功率波动的方法，主要可分为两类，一类是利用桨距角的控制捕获相对平滑的风能；另一类是利用储能元件来对能量的流动进行控制。第一类中.T.Senjyu.、R.Sakamoto.等学者在文献1.″Output Power Leveling of WindTurbine Generator for All Operating Regions by Pitch Angle Control″(IEEETransactions on Energy conversion，June 2006，Vol.21，No.2，pp.467-475.)、2.″Output Power Leveling of Wind Turbine Generator by Pitch Angle Control UsingAdaptive Control Method″(2004 International Conference on Power SystemTechnology，Nov.2004，Vol.1，Pp.834-839.)、3.″Output Power Leveling of WindFarm Using Pitch Angle Control with Fuzzy Neural Network″(IEEE PowerEngineering Society General Meeting，June 2006，8 pp，1709377.)、4.″OutputPower Leveling of Wind Turbine by Pitch Angle Control Using H∞ Control″(Power Systems Conference and Exposition，2006，PSCE 2006，Oct.-Nov.2006，pp.2044-2049.)中提出在全风速范围内用诸如自适应控制、模糊神经网络控制、鲁棒控制等对桨距角进行控制以获得平滑输入电网功率的效果，该种方法减小了系统的最大风能利用，而且控制较为复杂，桨距角的机械部件需要不断动作，有较大的机械磨损。第二类中，学者T.Kinio等在文献″Output Levelingof Renewable Energy by Electric Double-Layer Capacitor Applied for EnergyStorage System″(IEEE Transactions on Energy conversion，Vol.21，No.1，March2006，pp.221-227.)中对以往包含电解电容的储能电路进行了改进，其容量不依赖于直流侧电压，且减少了串联电解电容单元的数量，该系统具有较为复杂的结构，需要较为复杂的控制；学者J.D.Boyes等在文献“Technologies forEnergy Storage Flywheels and Super Conducting Magnetic Energy Storage”(IEEEPower Engineering Society Summer Meeting，Vol.3，July 2000，pp.1548-1550.)对比了超导储能系统和飞轮储能系统，超导储能系统可以在很短的时间内释放或吸收大量的功率，相应的需要低温制冷柜和附带子系统，飞轮储能系统将电功率转化为机械功率，对安装地点有要求且需要维护。

学者W.Li等在文献″Attenuation of Wind Power Fluctuations in WindTurbine Generators using a DC Bus Capacitor Based Filtering Control Scheme″(Industry Applications Conference，IAS 2006，Vol.1，Oct.2006，pp.216-221.)中提到用直流侧电容来吸收部分波动的功率这一类似思想，该种方法的仿真验证基于直驱式风力发电系统的双PWM变流器，用到AGC控制器(文中未详细论述)以及较为复杂的滤波算法计算出直流侧电压的指令，目的是吸收特定频率范围内的功率波动。风速不同时不同频率范围风能波动的幅度不同，在不同风场及不同装置下需要设计不同的滤波算法。而且文中所提方法只吸收特定频率范围内的功率波动，在降低电容储能系统容量的同时，也降低了抑制风力发电系统中功率波动的效果。

发明内容

本发明的目的在于提出一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法，该风力发电系统采用PWM逆变器，利用直流侧电容来抑制功率波动，而且，本方法能够有效利用现有装置，控制算法简单，无需额外的辅助装置。

本发明基于采用PWM逆变器和具有直流侧电容器的风力发电系统，其原理是利用直流侧电容器的储能作用以及其直流侧电压允许在一定范围内波动的特性，通过对直流侧电压的适当调节来抑制因风能功率波动而引起PWM逆变器输出功率的波动，目的在于实现最大风能捕获的同时，减小对电网的影响。

本发明的技术方案是这样实现的，一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法，该方法基于具有电压源型变流器的风力发电系统，该风力发电系统包括风力机，该风力机与同步发电机同轴连接，同步发电机的三相输出端与整流器、PWM逆变器和电网依次串联，所述整流器输出端与PWM逆变器输入端之间并接有电容器，其电容量为C，额定电压为u_dce，直流侧输入功率为P_in，直流侧输出功率为P_out，其特征在于，控制步骤如下：

步骤1  计算直流侧电容器的输入功率P_in，P_in＝T_m×ω_m-R_s×1.5×i_g ²，其中T_m，ω_m为同步发电机转矩及机械转速，R_s为同步发电机的定子电阻，i_g为经过Park变换后同步发电机的定子转矩电流；

步骤2  计算直流侧电容器的输出功率P_out， $P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρA}{V_{\_\mathrm{wind}\_\mathrm{average}}}^3,$ C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V_{_wind_average}为风力发电装置的统计平均风速；

步骤3  求取直流侧电容器的电压计算值u_dcj，根据ΔP＝P_m-P_out和 $\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{u}_{\mathrm{dcj}}\×C\×\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dcj}}}{\mathrm{d\τ}}\×\mathrm{d\τ}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ΔP}\×\mathrm{d\τ},$ 其中t为积分时间，τ为积分变量，ΔP为直流侧的瞬时功率，可得 $u_{\mathrm{dcj}}=\sqrt{\frac{2}{C}\×\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{out}})\×\mathrm{d\τ}+{u_{\mathrm{dce}}}^2},$ 其中，u_dce为积分的初始值，也就是直流侧电压额定值；

步骤4  利用直流侧电压计算值u_dcj作为直流侧电压指令值来控制PWM逆变器，保证在直流侧电容电压u_dc为85%u_dce～110％u_dce内，即可抑制输入电网的功率波动。

本发明步骤4的进一步优化为：PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，直流侧电压计算值u_dcj做为电压环的指令值u_{dc_ref}，但是，当u_dcj＞110％u_dce时，u_{dc_ref}取110％u_dce，当u_dcj＜85％u_dce时，ud_{c_ref}取85％u_dce。

本发明步骤4的更进一步优化为：监控直流侧电压计算值u_dcj，当85％u_dce＜u_dcj＜110％u_dce时，PWM逆变器采用电流环单独控制；当u_dcj＞110％u_dce时，PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，电压环的指令值u_{dc_ref}取110％u_dace；当u_dcj＜85％u_dce时，PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，电压环的指令值u_{dc_ref}取85％u_dce。

由于本发明利用了直流侧电容器的储能作用以及其直流侧电压允许在一定范围内波动的特性，通过对直流侧电压的适当调节来抑制因风能功率波动而引起输出功率的波动，无需额外的辅助装置的同时，实现了最大风能捕获，减小对电网的影响。并且本发明利用直流侧电压计算值u_dcj在85％u_dce～110％u_dce内，PWM逆变器采用电流环单独控制，可以更好的提高响应速度。本发明的电压环控制，尤其是当直流侧电压计算值u_dcj在85％u_dce～110％u_dce之外时，电压环指令值u_{dc_ref}取边界值85％u_dce或110％u_dce，可以最大限度的利用电容器的储能作用，又能稳定地保证电容器的安全，乃至整个系统的安全。

附图说明

图1为电压源型变流器的风力发电系统结构图。

图2为PWM逆变器控制框图。

图3为应用本发明的一个实施例的仿真效果图。

其中：图3(a)为风场10min实测风速波动图；

图3(b)为对应图3(a)的10min实际风能波动图；

图3(c)为直流侧给定电压(实线)和直流侧实际电压(虚线)波动图；

图3(d)为捕获的最大风能(虚线)和使用本发明后输入电网的功率(实线)波动图；

图4为本发明的等效实验电路及实验效果波形图；

其中：图4(a)为本发明的等效实验电路图；

图4(b)为未采用本发明的等效实验效果波形图；

图4(c)为采用本发明的等效实验效果波形图。

在图4(b)、图4(c)中：

CH1(①)：整流桥输入交流电压(v_in(t))，100v/div；

CH2(②)：A相电网电压(v_a(t))，100v/div；

CH3(③)：A相电网输入电流(i_a(t))，10A/div；

CH4(④)：直流侧电压，100v/div。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，电压源型变流器的风力发电装置，该风力发电装置包括风力机，风以风速V_wind带动风力机转动，风力机与永磁同步发电机同轴连接，转矩为T_m，转速为ω_m。永磁同步发电机的三相输出端(经Park变换后，发电机的端口电压和转矩电流分别为V_g，i_g)与PWM整流器相连，PWM整流器输出与PWM逆变器输入端相接，PWM逆变器输出端(经3/2变换和旋转变换后，逆变器与电网连接处和A相同向的电压和电流分别为V_d，i_d)接入电网，所述PWM整流器输出与PWM逆变器输入端之间并接有电容器，电容量为C，其额定工作电压为u_dce，电容电流为i_dc，实际直流侧电压为u_dc，直流侧输入功率为P_in输出功率为P_out。直流侧电压u_dc可调控，且其调控范围为电容器额定电压值u_dce的85％～110％。

参照图2，PWM逆变器采用正弦脉宽调制技术(SPWM)以及电流内环电压外环的双环控制。电压环指令为u_{dc_ref}与实际直流侧电压值u_dc的误差信号经过电压调节器后作为电流环指令i_{d_red}，电流环指令i_{d_ref}与逆变器输出电流检测信号i_d的差值再经过电流调节器后送入PWM波生成器，PWM波生成器产生控制PWM逆变器的脉冲信号。

本发明的控制方法具体是这样实现的：

步骤1  计算直流侧电容器的输入功率P_in

忽略永磁同步发电机的机械摩擦损耗、涡流损耗及磁滞损耗，具体计算如下：

P_in＝T_m×ω_m-ΔP_G-P_converterl    (1)

ΔP_G＝R_s×1.5×i_g ²    (2)

P_converterl≈0    (3)

从公式(1)(2)(3)可得：P_in＝T_m×ω_m-R_s×1.5×i_g ²    (4)

式中：T_m，ω_m-风力机(永磁同步发电机)转矩及机械转速，为测量值；

ΔP_G，P_converterl-永磁同步发电机和PWM整流器的损耗；

R_s-永磁同步发电机的定子电阻，为电机参数；

i_g-经过Park变换后永磁同步发电机的定子转矩电流。

步骤2计算直流侧电容器的输出功率P_out

不考虑逆变器的损耗时，P_out也即PWM逆变器输入电网的平均功率，具体计算如下：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρA}{V_{\_\mathrm{wind}\_\mathrm{average}}}^3---\left(5\right)$

式中：

C_p-风能利用系数；

ρ-空气密度，一般为1.25kg/m³：

A-风轮扫掠面积，为πR²，R为风力机半径，是系统参数；

V_{_wind_average}-平均风速，通过获取风力发电装置的风速统计数据，可计算平均风速V_{_wind_average}，是系统参数值。

步骤3  求取直流侧电容器的电压计算值u_dcj

要使输入电网的功率相对平滑，直流侧电容器所应吸收或释放的瞬时功率值为ΔP，其中：

ΔP＝P_in-P_out    (6)

又由于：

$\mathrm{\ΔP}=i_{\mathrm{dc}}\×u_{\mathrm{dc}}=C{\×u}_{\mathrm{dc}}\×\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

故有 $\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{u}_{\mathrm{dcj}}\×C\×\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dcj}}}{\mathrm{d\τ}}\×\mathrm{d\τ}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ΔP}\×\mathrm{d\τ}---\left(8\right)$

$u_{\mathrm{dcj}}=\sqrt{\frac{2}{C}\×\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{out}})\×\mathrm{d\τ}+{u_{\mathrm{dce}}}^2}---\left(9\right)$

式中：ΔP——直流侧的瞬时功率，计算值；

C，i_dc，u_dc，u_dcj-直流侧电容，电流，电压瞬时值及计算值；

t——积分时间；

τ——积分变量；

u_dce——积分的初始值，也就是直流侧电容器的电压额定值。

步骤4利用直流侧电压计算值u_dcj作为直流侧电压指令值来控制PWM逆变器，保证在直流侧电容电压u_dc为85％u_dce～110％u_dce内，即可抑制输入电网的功率波动。

本发明步骤4的进一步优化为：PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，直流侧电压计算值u_dcj做为电压环的指令值u_{dc_ref}，当u_dcj＞110％u_dce时，u_{dc_ref}取110％u_dce，当u_dcj＜85％u_dce时，u_{dc_ref}取85％u_dce。

本发明步骤4的更进一步优化为：监控直流侧电压计算值u_dcj，当85％u_dce＜u_dcj＜110％u_dce时，PWM逆变器采用电流环单独控制；当u_dcj＞110％u_dce时，PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，电压环的指令值u_{ac_ref}取110％u_dce；当u_dcj＜85％u_dce时，PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，电压环的指令值u_{dc_ref}取85％u_dce。

本发明的电流环控制原理，  根据输入电网功率P_out＝i_d×V_d，故直流侧电压和有功电流之间的关系为：

$\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{i}_d\×V_d\×\mathrm{d\τ}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(P_{\mathrm{in}}-u_{\mathrm{dc}}\×C\×\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{d\τ}})\×\mathrm{d\τ}---\left(10\right)$

式中：V_d，i_d为经3/2变换和旋转变换后，PWM逆变器与电网连接处和A相同向的电压和电流。控制i_d恒定，则(10)中等式左边积分号内值为恒定值，右边积分号内也必然需要恒定，而直流侧输入功率P_in本身随风速波动而波动，所以此时必然有u_dc波动来抵消P_in的变化来平衡等式，也就是可以通过控制i_d恒定来间接控制u_dc，利用电容器吸收或释放能量的作用，达到抑制输入电网功率波动的目的。并且本发明利用直流侧电压计算值u_dcj在85％u_dce～110％u_dce内时，PWM逆变器采用电流环单独控制，可以更好的提高响应速度。

为了验证本发明，图3给出了本发明的仿真效果。该仿真基础是中国某地风场10分钟内实测的风速数据，因为本发明方法是在直流侧电容器原有功能上的一项附加功能，故参数选择完全可按照系统设计的要求进行选择。从仿真图中可以得到，对应于图3(a)风速，风能对应的功率变化非常剧烈参照图3(b)，控制发电机进行最大风能捕获。采用本发明方法后，因为控制直流侧电压(虚线)跟踪指令(实线)的变化如图3(c)所示，吸收了本该输入电网的波动的功率，由图3(d)可以看出，输入电网的功率(实线)相对于风力机捕获的功率(虚线)平滑了许多。在约8.3分钟时，由于直流侧电压达到了上限值，故不再起到功率控制的作用，此时输入电网的功率跟随捕获功率的波动而波动。这一比较说明在本控制方法起作用的范围内，能够取得良好的抑制输入电网功率波动的效果。当然，在成本允许时，直流侧电容的取值越大以及直流侧电容电压选择越高，本控制方法可起作用的时间越长，对功率的控制效果越好。

图4给出了本发明中等效控制方法的实验效果图。本实验在2kVA的实验平台上，参照图4(a)，系统实验电路由交流电源V_in给二极管不可控整流桥1供电，二极管不可控整流桥1、PWM逆变器2、进线电感L和电网依次串联，直流侧电容器C并接在二极管不可控整流桥1、PWM逆变器2之间。对于PWM逆变器2而言，用前级二极管不可控整流桥1近似模拟电流源特性来代替原PWM整流器的输入效果。

具体实验波形参照图4(b)和图4(c)，波形①是整流桥的输入电压(代表输入功率的波动)，波形②是电网A相电压，波形③是电网A相输入电流(代表输入电网功率)，波形④是直流侧电压。通过比较可得，采用等效控制通过直接给定电流环的指令后，电网输入电流幅度(c)相对于没有采用等效控制(b)时变化较小，意味着平滑了输入电网的功率波动。这一比较说明在本控制方法起作用的范围内，能够取得良好的抑制输入电网功率波动的效果，而且本发明方法不仅适用于前级为PWM整流器的拓扑结构，同样适用于前级为不可控整流的拓扑结构。

Claims (3)

1.一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法，该方法基于具有电压源型变流器的风力发电系统，该风力发电系统包括风力机，该风力机与同步发电机同轴连接，同步发电机的三相输出端与整流器、PWM逆变器和电网依次串联，所述整流器输出端与PWM逆变器输入端之间并接有电容器，其电容量为C，额定电压为u_dce，直流侧输入功率为P_in，直流侧输出功率为P_out，其特征在于，控制步骤如下：

步骤一计算直流侧电容器的输入功率P_in，P_in＝T_m×ω_m-R_s×1.5×i_g ²，其中T_m，ω_m为同步发电机转矩及机械转速，R_s为同步发电机的定子电阻，i_g为经过Park变换后同步发电机的定子转矩电流；

步骤二计算直流侧电容器的输出功率P_out， $P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρA}{V_{\_\mathrm{wind}\_\mathrm{average}}}^3,$ C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V_{_wind_average}为风力发电装置的统计平均风速；

步骤三求取直流侧电容器的电压计算值u_dcj，根据ΔP＝P_in-P_out和 $\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{u}_{\mathrm{dcj}}\×C\×\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dcj}}}{\mathrm{d\τ}}\×\mathrm{d\τ}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ΔP}\×\mathrm{d\τ},$ 其中t为积分时间，τ为积分变量，ΔP为直流侧的瞬时功率，可得 $u_{\mathrm{dcj}}=\sqrt{\frac{2}{C}\×\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{out}})\×\mathrm{d\τ}+{u_{\mathrm{dce}}}^2},$ 其中，u_dce为积分的初始值，也就是直流侧电压额定值；

步骤四利用直流侧电压计算值u_dcj作为直流侧电压指令值来控制PWM逆变器，保证在直流侧电容电压u_dc为85％u_dce～110％u_dce内，即可抑制输入电网的功率波动。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法，其特征在于，所述利用直流侧电压计算值u_dcj作为直流侧电压指令值来控制PWM逆变器，具体是PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，直流侧电压计算值u_dcj做为电压环的指令值u_{dc_ref}，但是，当u_dcj＞110％u_dce时，u_{dc_ref}取110％u_dce，当u_dcj＜85％u_dce时，u_{dc_ref}取85％u_dce。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电系统中抑制输入电网功率波动的控制方法，其特征在于，所述利用直流侧电压计算值u_dcj作为直流侧电压指令值来控制PWM逆变器，具体是监控直流侧电压计算值u_dcj，当85％u_dce＜u_dcj＜110％u_dce时，PWM逆变器采用电流环单独控制；当u_dcj＞110％u_dce时，PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，电压环的指令值u_{dc_ref}取110％u_dce；当u_dcj＜85％u_dce时，PWM逆变器采用电流内环电压外环的双环控制，电压环的指令值u_{dc_ref}取85％u_dce。

Images