CN103475014B - 基于电池储能的风力发电机电能质量控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，它包括：两个并联的逆变器I和逆变器II，所述逆变器I和逆变器I的三相交流侧依次经滤波电感、接触器并接于电网三相进线端，所述逆变器I和逆变器II的直流侧接直流母线；并联于逆变器II两侧的储能电池组，双向DC/DC变换器和控制电路，并公开了一种控制方法，本发明采用独立的对风力发电机输出功率波动和谐波进行补偿，精确控制风力发电机输出的电能质量；借助直流母线，共用储能电池，减少电池容量冗余，本发明通过PI控制平抑风力发电机能量输出的波动，同时对电池组充、放电进行控制，响应速度快。

Description

基于电池储能的风力发电机电能质量控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机电能质量控制器及控制方法，尤其涉及一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器及控制方法。

背景技术

风力发电在电力系统中所占的比重日益增加，我国风力资源丰富的地区多分布于电网相对薄弱的中西部，大量风电机组的并网给现有电力系统的正常运行带来极大的挑战。由于风能的能量密度低、随机性和不稳定性等特点，给大型风力发电机组的并网控制带来困难。

风力发电机的能量具有很大的波动性和不确定性，这一特点极易造成配电网电压跌落、闪变，甚至短时供电中断。同时，大部分风力发电机不能直接提供50Hz交流电能输出，需经电力电子器件进行电能形式变化后接入电网，这样可能会向电网注入大量谐波电流，增加了电网中发生谐振的可能性，严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。因此，考虑配电网安全和用户需求，必须综合研究风力发电机对配电网电能质量的众多影响因素，对风力发电机并网处注入电能的质量进行控制，这主要集中在电压波动和谐波两方面。

为了减小风力发电机能量输出的波动性，一般通过储能电池与风力发电机进行互补来实现，主要在交流侧进行控制，各系统完全独立，硬件成本高，协调控制复杂。特别是考虑到分布式电源和负荷所具有的分散性，以及不同类型的分布式电源与储能装置的不同组合方式时，其不同控制策略的协调和切换尤为复杂，不易实现。

对于谐波的控制，常利用有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器利用电容组，针对特定次谐波的平抑效果很好，但是无法应对谐波的动态变化。有源滤波器能大大弥补无源滤波器的不足，但是需要另外加装补偿补偿设备和电源，费用较高，资源投入大，不利于风力发电的推广。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，它包括：

两个并联的逆变器I和逆变器II，所述逆变器I和逆变器II的三相交流侧依次经滤波电感、接触器并接于电网三相进线端，所述逆变器I和逆变器II的直流侧接直流母线，两个并联的逆变器I和逆变器II组成了谐波补偿装置；

储能电池组：并联于逆变器II的两侧；

双向DC/DC变换器：并联在所述储能电池组的两侧，直流侧接直流母线；

控制电路：控制电路包括控制器，控制器通过相应的驱动电路分别与并联的逆变器I、逆变器II和DC/DC双向变换器连接，所述控制器通过相应的信号调理电路分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接，所述控制器还与接触器连接。

所述逆变器I和逆变器II均由三组绝缘双极型晶体管反并联二极管模块构成的三相全控桥组成。

所述双向DC/DC变换器包括两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成的模块，该模块之间设有储能电感。

所述逆变器I的直流侧还与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器与风力发电机连接，逆变器I两侧并联于电容C。

所述控制器为DSP控制器。

一种利用基于电池储能的风力发电机电能质量控制器的控制方法，具体步骤为：

步骤一：根据风力发电机输出的有功功率确定双向DC/DC变换器的调制电流参考值，双向DC/DC变换器的调制电流参考值与储能电池组输出电流相比较，输出信号被送入控制电路，用来控制双向DC/DC变换器；

步骤二：根据生成的谐波补偿电流的三相控制信号确定abc坐标下并联逆变器补偿电流的指令信号；该指令信号被送入控制电路，用来控制并联逆变器；

步骤三：控制电路通过霍尔电流传感器和霍尔电压传感器实时采集检测点处的电压、电流信息，并结合步骤一和步骤二中获得的并联逆变器和双向DC/DC变换器的控制信号，通过相应的驱动电路对并联逆变器和双向DC/DC变换器进行控制。

所述步骤一的具体步骤为：

(1-1)设风力发电机输出的有功功率为P_G，风力发电机输出的有功功率P_G经一阶低通滤波器得到并网平均有功功率参考值为：

其中，T为时间常数，s为复参数；

(1-2)设并网参考有功功率为P_T，并网平均有功功率参考值与并网参考有功功率为P_T的偏差值通过PI调节器得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值为：

k_p1为比例系数，k_i1为积分系数，s为复参数；

(1-3)调制电流参考值与储能电池组输出电流i₁进行比较再通过电流PI调节器得到双向DC/DC变换器占空比控制量d₁,最终通过PWM脉冲发生器实现对双向DC/DC变换器的控制。

所述步骤二的具体步骤为：

(2-1)设i_La、i_Lb、i_Lc是电池储能系统并联接入点处的三相负荷电流，采用基于瞬时无功功率理论的dq0检测法检测到电池储能系统并联接入点处的三相负荷电流的谐波成分i_Lha、i_Lhb、i_Lhc；

(2-2)利用转换矩阵将abc坐标系下的三相负荷电流i_La、i_Lb、i_Lc变换到dq0坐标系下的d轴、q轴和0轴电流i_d、i_q、i₀，所述转换矩阵为：

$C_{\mathrm{dq}0}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right],$ ω为相位，t为时间常数；

(2-3)通过低通滤波器提取电流i_d、i_q的直流成分，并与原电流相减的得到交流成分 并将得到的交流成分作为谐波电流补偿信号的参考值；

(2-4)利用谐波补偿装置输出的有功参考功率P_ref和无功参考功率Q_ref确定交流成分 与谐波补偿装置输出功率的电流参考值i_df、i_qf预算后得到实际输出电流参考值i_dr、i_qr；i_df、i_qf；有功参考功率P_ref和无功参考功率Q_ref的计算公式为：

Q_ref＝0

$P_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}0& P_{\mathrm{req}}\≤P\\ P_{\mathrm{req}}-P& P_{\mathrm{req}}>P\end{array}\right.$

其中，P_req为电网需要风力发电机输出的有功功率，P为风力发电机实际输出的有功功率；

(2-5)将i_dr、i_qr经过反变换得到谐波补偿电流的三相控制信号i_ca、i_cb、i_cc，其中反变换的矩阵为：

$C_{\mathrm{dq}0}^{-1}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

其中，w为相位，t为时间常数；

(2-6)将上述谐波补偿电流的三相控制信号i_ca、i_cb、i_cc作为abc坐标下并联逆变器补偿电流i_c的指令信号i_ca0、i_cb0、i_cc0。

所述步骤三的具体步骤为：

(3-1)控制电路利用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器实时采集监测点出的电压、电流信息，并经过信号调理电路送入控制器中；

(3-2)控制器对采集的电压和电流信号进行处理，并结合并联逆变器和双向DC/DC变换器的控制信号，通过驱动电路根据设定好的调控指标和控制参数对并联逆变器和双向DC/DC变换器进行控制，实现调控风力发电机输出电能质量的功能。

本发明的有益效果：本发明采用独立的对风力发电机输出功率波动和谐波进行补偿，精确控制风力发电机输出的电能质量；借助直流母线，共用储能电池，减少电池容量冗余，本发明通过PI控制平抑风力发电机能量输出的波动，同时对电池组充、放电进行控制，响应速度快。

附图说明

图1为风力发电机电能质量控制框图；

图2为DC/DC变换器控制原理图；

图3为谐波补偿装置控制原理图；

图4为控制电路原理图。

其中，1.逆变器I，2.逆变器II，3.DC/DC变换器，4.双向DC/DC变换器，5.风力发电机，6.控制器，7.接触器，8.驱动电路，9.信号调理电路，10.霍尔电流传感器，11.霍尔电压传感器，12.并联逆变器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图4所示，一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，它包括：

两个并联的逆变器I1和逆变器II2，所述逆变器I1和逆变器II2的三相交流侧依次经滤波电感、接触器并接于电网三相进线端，所述逆变器I1和逆变器II2的直流侧接直流母线，两个并联的逆变器I1和逆变器II2组成了谐波补偿装置；

并联于逆变器II2两侧的储能电池组；

双向DC/DC变换器4：并联在所述储能电池组的两侧，直流侧接直流母线；

控制电路：控制电路包括控制器6，控制器6通过相应的驱动电路8分别与并联逆变器12和双向DC/DC变换器4连接，所述控制器6通过相应的信号调理电路9分别与霍尔电压传感器11和霍尔电流传感器10连接，所述控制器6还与接触器7连接，并联逆变器12为并联的逆变器I1和逆变器II2。

所述逆变器I1和逆变器II2均由三组绝缘双极型晶体管反并联二极管模块构成的三相全控桥组成。

所述双向DC/DC变换器4包括两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成的模块，该模块之间设有储能电感。

所述逆变器I1的直流侧还与DC/DC变换器3连接，DC/DC变换器3与风力发电机5连接，逆变器I1两侧并联于电容C。

所述控制器6为DSP控制器。

图2所示为DC/DC变换器控制原理图；图中风力发电机5输出的有功功率为P_G，经一阶低通滤波器得到并网平均有功功率参考值即：

$P_W^{*}=P_G\frac{1}{1+\mathrm{sT}}$

其中，T为时间常数，s为复参数。与并网参考有功功率为P_T的偏差值通过PI调节器得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值即：

k_p1为比例系数，k_i1为积分系数，s为复参数；

与储能电池组输出电流i₁进行比较再通过电流PI调节器得到双向DC/DC变换器4占空比控制量d₁,最终通过PWM脉冲发生器实现对双向DC/DC变换器4的控制。

图2中，k_p2为比例系数，k_i2为积分系数，s为复参数。

图3所示为谐波补偿装置控制原理图，最终生成谐波补偿电流i_c的三相控制信号i_ca、i_cb、i_cc。图中i_La、i_Lb、i_Lc是电池储能系统并联接入点处的三相负荷电流，其谐波成分i_Lha、i_Lhb、i_Lhc的检测采用基于瞬时无功理论的dq0检测法。使用与并网点处a相电压u_sa同相位的正余弦信号，检测结果不会受电压波形畸变的影响，且具有很好的实时性。将abc坐标系下的三相负荷电流i_La、i_Lb、i_Lc变换到dq0坐标系下的d轴、q轴和0轴电流i_d、i_q、i₀的转换矩阵为：

$C_{\mathrm{dq}0}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

将i_d、i_q通过低通滤波器后可提取得到直流成分，并与原电流相减的得到交流成分作为谐波电流补偿信号的参考值。与谐波补偿装置输出功率的电流参考值i_df、i_qf预算后得到实际输出电流参考值i_dr、i_qr；i_dr、i_qr可由输出有功参考功率P_ref和无功参考功率Q_ref经过运算后得出，P_ref和Q_ref可由下式得出：

Q_ref＝0

$P_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}0& P_{\mathrm{req}}\≤P\\ P_{\mathrm{req}}-P& P_{\mathrm{req}}>P\end{array}\right.$

其中，P_req为电网需要风力发电机输出的有功功率，P为风力发电机实际输出的有功功率。最终i_dr、i_qr经过反变换

$C_{\mathrm{dq}0}^{-1}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

得到谐波补偿电流的三相控制信号i_ca、i_cb、i_cc，将上述谐波补偿电流的三相控制信号i_ca、i_cb、i_cc作为abc坐标下并联逆变器补偿电流的指令信号i_ca0、i_cb0、i_cc0。

如图4所示为控制电路原理图。电信号采集电路由多路霍尔传感器和信号调理电路组成，可实时采集监测点处的电压、电流信息。控制器6负责对采集的电压、电流信号进行处理，通过图2、图3所示算法获得并联逆变器12和双向DC/DC变换器4的控制信号，最终通过驱动电路8对并联逆变器12和双向DC/DC变换器4进行控制，实现调控风力发电机输出电能质量的功能。可以对调控指标和控制参数进行设定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，其特征是，它包括：

两个并联的逆变器I和逆变器II，所述逆变器I和逆变器II的三相交流侧依次经滤波电感、接触器并接于电网三相进线端，所述逆变器I和逆变器II的直流侧接直流母线，两个并联的逆变器I和逆变器II组成了谐波补偿装置；

储能电池组：并联于逆变器II的两侧；

双向DC/DC变换器：并联在所述储能电池组的两侧，直流侧接直流母线；

控制电路：控制电路包括控制器，控制器通过相应的驱动电路分别与并联的逆变器I、逆变器II和双向DC/DC变换器连接，所述控制器通过相应的信号调理电路分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接，所述控制器还与接触器连接。

2.如权利要求1所述一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，其特征是，所述逆变器I和逆变器II均由三组绝缘双极型晶体管反并联二极管模块构成的三相全控桥组成。

3.如权利要求1所述一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，其特征是，所述双向DC/DC变换器包括两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成的模块，该模块之间设有储能电感。

4.如权利要求1所述一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，其特征是，所述逆变器I的直流侧还与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器与风力发电机连接，逆变器I两侧并联有电容C。

5.如权利要求1所述一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器，其特征是，所述控制器为DSP控制器。

6.利用权利要求1所述的一种基于电池储能的风力发电机电能质量控制器的控制方法，其特征是，具体步骤为：

步骤一：根据风力发电机输出的有功功率确定双向DC/DC变换器的调制电流参考值，双向DC/DC变换器的调制电流参考值与储能电池组输出电流相比较，输出信号被送入控制电路，用来控制双向DC/DC变换器；

步骤二：根据生成的谐波补偿电流的三相控制信号确定abc坐标下并联逆变器补偿电流的指令信号；该指令信号被送入控制电路，用来控制并联逆变器；

步骤三：控制电路通过霍尔电流传感器和霍尔电压传感器实时采集检测点处的电压、电流信息，并结合步骤一和步骤二中获得的并联逆变器和双向DC/DC变换器的控制信号，通过相应的驱动电路对并联逆变器和双向DC/DC变换器进行控制。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征是，所述步骤一的具体步骤为：

(1-1)设风力发电机输出的有功功率为P_G，风力发电机输出的有功功率P_G经一阶低通滤波器得到并网平均有功功率参考值为：

其中，T为时间常数，s为复参数；

(1-2)设并网参考有功功率为P_T，并网平均有功功率参考值与并网参考有功功率为P_T的偏差值通过PI调节器得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值为：

k_p1为比例系数，k_i1为积分系数，s为复参数；

(1-3)调制电流参考值与储能电池组输出电流i₁进行比较再通过电流PI调节器得到双向DC/DC变换器占空比控制量d₁,最终通过PWM脉冲发生器实现对双向DC/DC变换器的控制。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征是，所述步骤二的具体步骤为：

(2-1)设i_La、i_Lb、i_Lc是电池储能系统并联接入点处的三相负荷电流，采用基于瞬时无功功率理论的dq0检测法检测到电池储能系统并联接入点处的三相负荷电流的谐波成分i_Lha、i_Lhb、i_Lhc；

(2-2)利用转换矩阵将abc坐标系下的三相负荷电流i_La、i_Lb、i_Lc变换到dq0坐标系下的d轴、q轴和0轴电流i_d、i_q、i₀，所述转换矩阵为：

$C_{\mathrm{dq}0}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{1}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right],$ ω为相位，t为时间常数；

(2-3)通过低通滤波器提取电流i_d、i_q的直流成分，并与原电流相减得到交流成分并将得到的交流成分作为谐波电流补偿信号的参考值；

(2-4)利用谐波补偿装置输出的有功参考功率P_ref和无功参考功率Q_ref确定交流成分 与谐波补偿装置输出功率的电流参考值i_df、i_qf预算后得到实际输出电流参考值i_dr、i_qr；i_df、i_qf；有功参考功率P_ref和无功参考功率Q_ref的计算公式为：

Q_ref＝0

$P_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}0& P_{\mathrm{req}}\≤P\\ P_{\mathrm{req}}-P& P_{\mathrm{req}}>P\end{array}\right.$

其中，P_req为电网需要风力发电机输出的有功功率，P为风力发电机实际输出的有功功率；

(2-5)将i_dr、i_qr经过反变换得到谐波补偿电流的三相控制信号i_ca、i_cb、i_cc，其中反变换的矩阵为：

$C_{\mathrm{dq}0}^{-1}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

其中，w为相位，t为时间常数；

(2-6)将上述谐波补偿电流的三相控制信号i_ca、i_cb、i_cc作为abc坐标下并联逆变器补偿电流i_c的指令信号i_ca0、i_cb0、i_cc0。

9.如权利要求6所述的控制方法，其特征是，所述步骤三的具体步骤为：

(3-1)控制电路利用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器实时采集监测点处的电压、电流信息，并经过信号调理电路送入控制器中；

(3-2)控制器对采集的电压和电流信号进行处理，并结合并联逆变器和双向DC/DC变换器的控制信号，通过驱动电路根据设定好的调控指标和控制参数对并联逆变器和双向DC/DC变换器进行控制，实现调控风力发电机输出电能质量的功能。