CN104158209A - 适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法。对双馈风机进行控制，在并网和孤网运行模式下，根据频率和幅值下垂特性，采用电压源型控制方法控制双馈风机定子侧输出端电压的频率和幅值；当在微网并网运行模式下，构建转速观测器以观测得到双馈风机的转速，同时优化最大风能追踪曲线，进而计算最大可输入机械功率的估计值，进而对微网并网运行模式的电压的频率和幅值进行控制；在微网孤网运行模式下，平移双馈风机和储能器件的下垂曲线，并对微网孤网运行模式的电压的频率和幅值进行控制。本发明实现微网在孤网和并网模式下双馈风机以统一的模式运行，扩展双馈风机在微网多模式运行时的功能和灵活性。

Description

适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风机控制方法，尤其是涉及一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法。

背景技术

微型电网(简称微网)是从系统的角度将分布式发电单元和负荷组成一个独立发电系统，微网概念的提出为接入新能源和提高电力系统可靠性提供了新的途径。相比于传统电网，微网中电源、负荷种类多，运行模式多，运行工况复杂。

一般微网中的电源包含风机、光伏等波动性可再生能源和储能、小型涡轮发电机等可调度电源，而双馈风机是微网中的重要电源。然而，微电网中的风机等波动性可再生能源都作为电流源，以跟踪最大功率模式运行，不参与系统调节，不具有可调度性，同时借由储能器件和小型涡轮发电机等可调度电源平抑系统波动。此外，由于风机呈现电流源的外特性，因此现有研究主要针对双馈风机电流型控制进行，缺乏电压型控制方法的研究。因此，寻找一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制策略，实现微网孤网和并网模式下双馈风机的统一运行模式，简化系统的控制结构，并使之具有参与系统调度的能力，成为了目前亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，以实现微网在孤网和并网模式下双馈风机以统一的模式运行，扩展双馈风机在微网多模式运行时的功能和灵活性。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)对双馈风机进行控制，在并网和孤网运行模式下，根据频率和幅值下垂特性，采用电压源型控制方法控制双馈风机定子侧输出端电压的频率和幅值，以提高微网在并网和孤网运行模式下电压的频率和幅值的稳定性；

2)当在微网并网运行模式下，构建转速观测器以观测得到双馈风机的转速，同时优化最大风能追踪曲线，在优化后的最大风能追踪曲线上获得最大可输入机械功率的估计值，再计算双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值，进而对微网并网运行模式的电压的频率进行控制；

当在微网孤网运行模式下，平移双馈风机和储能器件的下垂曲线，并对微网孤网运行模式的电压的频率进行控制；

同时在微网并网运行和孤网运行模式下，均根据无功功率幅值下垂特性对微网电压的幅值进行控制。

所述的步骤1)中的双馈风机输出端的电压和频率采用以下公式1进行控制

${\mathrm{\ω}}_e={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^0+K_P(P_{\mathrm{ref}}-P)---\left(1\right)$

其中，ω_e为双馈风机定子侧输出电压的频率，为双馈风机定子侧输出电压频率的额定运行点，K_P为频率下垂特性曲线的增益，P为双馈风机定子侧输出的有功功率，P_ref为双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值。

所述的步骤2)中的转速观测器采用以下公式2构建：

$\left\{\begin{array}{c}2H\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_g\\ 2H\frac{d\widehat{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{dt}}={\hat{T}}_m-T_g+L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})\\ {\hat{T}}_m=K_{P,\mathrm{Tm}}L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})+K_{I,\mathrm{Tm}}L\∫L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，2H、ω、T_m、T_g、L分别为双馈风机惯性的时间常数、转速、转速观测值、机械转矩、机械转矩观测值、电磁转矩和风速观测器增益，K_P,Tm、K_I,Tm分别为风速观测器第一、第二待调参数，t为时间。

所述的步骤2)中的最大风能追踪曲线采用以下方式进行优化：

在双馈风机转速极限值ω_limit处，采用以下公式3对双馈风机最大功率跟踪曲线进行修正，并计算风机最大可输入机械功率的估计值，使得双馈风机转速和最大功率满足一一对应的关系：

其中，ω为双馈风机转速，ω_0.6为双馈风机输出功率为0.6p.u.时对应的转速。

所述的步骤2)中的双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值采用以下公式4进行计算：

$P_{\mathrm{ref}}=\min \{P_{\mathrm{ref}}^0,{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{wind}}\left(\widehat{\mathrm{\ω}}\right),P\left(\mathrm{\ω}\right)\}---\left(4\right)$

其中，P_ref为双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值，为微网监控系统给双馈风机的初始有功功率，为双馈风机最大可输入机械功率的估计值，P(ω)为当前转速下符合双馈风机最大功率曲线的有功出力。

所述的步骤2)中对微网孤网运行模式的电压的频率和幅值的控制采用以下公式5实现：

$\frac{P_{\mathrm{wind}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{wind}}\left(\widehat{\mathrm{\ω}}\right)}=\frac{P_{\mathrm{ESS}}}{P_{\mathrm{ESS}}}---\left(5\right)$

其中，P_wind(w)和P_ESS分别为双馈风机和微网中储能器件的实际出力，为储能器件的有功功率上限，为双馈风机最大可输入机械功率的估计值。

所述的步骤2)中在微网并网运行和孤网运行模式下，采用以下公式6进行对微网电压的幅值进行控制，

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{ref}}^0+K_Q(Q_{\mathrm{ref}}-Q)---\left(6\right)$

其中，V_ref为双馈风机定子侧输出电压的幅值，为双馈风机定子侧输出电压的幅值的额定运行点，K_Q为幅值下垂特性曲线的增益，Q为双馈风机定子侧输出的无功功率，Q_ref为双馈风机定子侧输出的无功功率的参考值。

本发明的有益效果是：

本发明保留了双馈风机经典的转子侧变流器定子磁链定向矢量控制易于实现的优点，同时借助电力系统下垂控制思想，并结合大量的仿真分析而得到的。

本发明可以实现微网在并网和孤网模式下双馈风机以统一的模式运行，简化了系统的控制结构，并使之具有参与系统调度的能力。

本发明结合最大可输入机械功率估计和风能追踪曲线，保证风机在任何初始条件下都能稳定运行，并跟踪微网中央控制器二次控制的功率指令或者运行于最大功率点(MPPT)；使得风机在并网模式下可以参与调节系统联络线功率，在孤网模式下可以参与系统二次调频调压，扩展了双馈风机在微网多模式运行时的功能和灵活性。

附图说明

图1为本发明方法的简要逻辑示意框图。

图2为本发明方法的总体控制示意图。

图3为本发明风机转速观测器框图。

图4为本发明风能追踪曲线的优化过程示意图。

图5为实施例仿真例示意图。

图6为实施例风速估计效果图。

图7为实施例风机出力。

图8为实施例风机和储能器件的出力。

图9为实施例微网系统频率和电压。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明包括以下步骤：

1)对双馈风机进行控制，在并网和孤网运行模式下，根据频率和幅值下垂特性，采用电压源型控制方法控制双馈风机定子侧输出端电压的频率和幅值，以提高微网在并网和孤网运行模式下电压的频率和幅值的稳定性；

2)对电压频率的控制：当在微网并网运行模式下，构建转速观测器以观测得到双馈风机的转速，同时优化最大风能追踪曲线，在优化后的最大风能追踪曲线上计算获得最大可输入机械功率的估计值，然后计算双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值，进而对微网并网运行模式的电压的频率进行控制；当在微网孤网运行模式下，平移双馈风机和储能器件的下垂曲线，并对微网孤网运行模式的电压的频率进行控制。

对电压幅值的控制：在微网并网运行和孤网运行模式下，均根据无功功率幅值下垂特性对微网电压的幅值进行控制。

步骤1)中的双馈风机输出端的电压和频率采用以下公式1进行控制

${\mathrm{\ω}}_e={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^0+K_P(P_{\mathrm{ref}}-P)---\left(1\right)$

其中，ω_e为双馈风机定子侧输出电压的频率，为双馈风机定子侧输出电压频率的额定运行点，K_P为频率下垂特性曲线的增益，P为双馈风机定子侧输出的有功功率，P_ref为双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值。

步骤2)中的转速观测器采用以下公式2构建，如图3所示，图中s为拉普拉斯算子：

$\left\{\begin{array}{c}2H\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_g\\ 2H\frac{d\widehat{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{dt}}={\hat{T}}_m-T_g+L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})\\ {\hat{T}}_m=K_{P,\mathrm{Tm}}L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})+K_{I,\mathrm{Tm}}L\∫L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，2H、ω、T_m、T_g、L分别为双馈风机的惯性时间常数、转速、转速观测值、机械转矩、机械转矩观测值、电磁转矩和风速观测器增益，K_P,Tm、K_I,Tm分别为风速观测器第一、第二待调参数，t为时间。

步骤2)中的最大风能追踪曲线采用以下方式进行优化：

如图4所示，在双馈风机转速极限值ω_limit处，采用以下公式3对双馈风机最大功率跟踪曲线进行修正，并计算风机最大可输入机械功率的估计值，使得双馈风机转速和最大功率满足一一对应的关系：

其中，ω为双馈风机转速，ω_0.6为双馈风机输出功率为0.6p.u.时对应的转速。

步骤2)中的双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值采用以下公式4进行计算：

$P_{\mathrm{ref}}=\min \{P_{\mathrm{ref}}^0,{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{wind}}\left(\widehat{\mathrm{\ω}}\right),P\left(\mathrm{\ω}\right)\}---\left(4\right)$

其中，P_ref为双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值，为微网监控系统给双馈风机的初始有功功率，为双馈风机最大可输入机械功率的估计值，P(ω)为当前转速下符合双馈风机最大功率曲线的有功出力。

步骤2)中对双馈风机和储能器件的下垂曲线均采用参考文献“Shafiee Q,Guerrero J M,Vasquez J C.Distributed Secondary Control for IslandedMicrogrids-A Novel Approach[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(2):1018-1031.”中所述的方法进行平移。

步骤2)中对微网孤网运行模式的电压的频率和幅值的控制采用以下公式5实现：

$\frac{P_{\mathrm{wind}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{wind}}\left(\widehat{\mathrm{\ω}}\right)}=\frac{P_{\mathrm{ESS}}}{P_{\mathrm{ESS}}}---\left(5\right)$

其中，P_wind(w)和P_ESS分别为双馈风机和微网中储能器件的实际出力，为储能器件的有功功率上限，为双馈风机最大可输入机械功率的估计值。

步骤2)中在微网并网运行和孤网运行模式下，采用以下公式6进行对微网电压的幅值进行控制：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{ref}}^0+K_Q(Q_{\mathrm{ref}}-Q)---\left(6\right)$

其中，V_ref为双馈风机定子侧输出电压的幅值，为双馈风机定子侧输出电压的幅值的额定运行点，K_Q为幅值下垂特性曲线的增益，Q为双馈风机定子侧输出的无功功率，Q_ref为双馈风机定子侧输出的无功功率的参考值。

本发明尤其适用于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制。先在风机转子侧通过定子磁链定向控制实现风机下垂电压源型运行；在并网模式下，风机通过最大可输入机械功率估计和风能追踪曲线，可以稳定跟踪微网系统的指令，或自动工作于最大功率跟踪模式；在孤网情况下，通过微网系统的指令，风机可以参与系统调频调压功能。

本发明的步骤1)双馈风机下垂电压源型控制方法可以实现风机下垂电压源型运行，即在并网和孤网运行模式下，采用频率和幅值下垂控制方法，控制双馈风机输出的有功功率和无功功率。

本发明的步骤2)设计风速观测器估计双馈风机的有效风速，同时优化最大风能追踪曲线。不仅可以准确估计双馈风机的最大可输入机械功率的估计值，修正功率指令，实现微网有功功率的高效控制，还可以修正最大功率曲线做，使得转速和功率能够满足一一对应的关系，使得风机在任何初始运行点都能最后到达稳定平衡点。

本发明的步骤3)在孤网运行时，系统控制的目标是在负荷波动的条件下维持系统电压和频率的稳定。由于本发明采用了和储能器件对等的下垂控制，因此亦可以参与系统调度，通过平移风机和储能的下垂曲线，最终完成频率和电压的二次控制。

通过双馈风机定转子磁链、电压在dq坐标下的标幺值方程，可以得到转子侧变流器的模型，如下公式5：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=L_r\mathrm{\σ}\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+R_r{i}_d-({\mathrm{\ω}}_e-{\mathrm{\ω}}_r)L_r\mathrm{\σ}{i}_q\\ u_q=L_r\mathrm{\σ}\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+R_r{i}_q-({\mathrm{\ω}}_e-{\mathrm{\ω}}_r)(\frac{L_m^2}{L_s}{i}_{\mathrm{ms}}+L_r\mathrm{\σ}{i}_d)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，u_d、u_q、i_d、i_q、L_r、L_m、L_s、R_r、i_ms、ω_r分别代表双馈风机的定转子d轴电压、转子q轴电压、转子d轴电流、转子q轴电流、转子自感、定转子互感、定子自感、转子电阻、等效d轴励磁电流、转子角速度，

上式为双馈风机转子侧变流器的模型，该模型是通过本发明实现双馈风机转子侧变流器控制和微网控制的公知依据。

本发明的实施例如下：

在图5所示的微网仿真算例图上对本发明提出的控制方法进行了仿真实验。仿真试验参数如表1所示。

表1

在Matlab/Simulink中建立仿真模型，采用本发明提出的控制方法，所得仿真实验数据：风速估计的误差小于0.1m/s，频率和电压恢复时间小于1s，频率波动小于0.1Hz，电压波动小于3％。

实验截图如下：

(1)图6显示了仿真过程中实际风速(即双馈风机的实际转速)、估计风速(即双馈风机的转速观测值)和误差量。可以看到，系统对风速(即双馈风机的转速)的估计精度可以满足控制要求，大部分时段风速估计的误差在0.1m/s以内，提高了微网系统的动态性能。

(2)图7模拟系统调度指令P_ref＝1MW条件下风速变化过程中双馈风机出力的变化，前10s风速较高(大于12m/s)，风机以1MW输出进行恒功率运行；10s以后风速下降导致双馈风机进入最大功率点运行模式，输出最大功率由仿真图可以看出，本发明提出的控制方法可以实现微网系统并网运行的稳定性。

(3)图8显示该过程中双馈风机和储能出力的λ值和偏差，图9显示过程中频率和电压的变化。从图8可以看到，在孤网运行过程中，两者的λ值在大部分时间都非常接近，差值小于5％。从图9可以看到，频率和幅值恢复时间在1s以内，系统控制对负荷波动有较快的响应速度。由于分布式电源都采用采用了电压源控制，负荷投切时系统频率和幅值的波动也都得到了控制，频率波动小于0.1Hz，电压波动小于3％。上述实验也说明了双馈风机和储能通过下垂控制可以很好地参与系统调度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对双馈风机进行控制，在并网和孤网运行模式下，根据频率和幅值下垂特性，采用电压源型控制方法控制双馈风机定子侧输出端电压的频率和幅值，以提高微网在并网和孤网运行模式下电压的频率和幅值的稳定性；

2)当在微网并网运行模式下，构建转速观测器以观测得到双馈风机的转速，同时优化最大风能追踪曲线，在优化后的最大风能追踪曲线上获得最大可输入机械功率的估计值，再计算双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值，进而对微网并网运行模式的电压的频率进行控制；

当在微网孤网运行模式下，平移双馈风机和储能器件的下垂曲线，并对微网孤网运行模式的电压的频率进行控制；

同时在微网并网运行和孤网运行模式下，均根据无功功率幅值下垂特性对微网电压的幅值进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的双馈风机输出端的电压和频率采用以下公式1进行控制

${\mathrm{\ω}}_e={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^0+K_P(P_{\mathrm{ref}}-P)---\left(1\right)$

其中，ω_e为双馈风机定子侧输出电压的频率，为双馈风机定子侧输出电压频率的额定运行点，K_P为频率下垂特性曲线的增益，P为双馈风机定子侧输出的有功功率，P_ref为双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值。

3.根据权利要求1所述的一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中的转速观测器采用以下公式2构建：

$\left\{\begin{array}{c}2H\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_g\\ 2H\frac{d\widehat{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{dt}}={\hat{T}}_m-T_g+L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})\\ {\hat{T}}_m=K_{P,\mathrm{Tm}}L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})+K_{I,\mathrm{Tm}}L\∫L(\mathrm{\ω}-\widehat{\mathrm{\ω}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，2H、ω、T_m、T_g、L分别为双馈风机惯性的时间常数、转速、转速观测值、机械转矩、机械转矩观测值、电磁转矩和风速观测器增益，K_P,Tm、K_I,Tm分别为风速观测器第一、第二待调参数，t为时间。

4.根据权利要求1所述的一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中的最大风能追踪曲线采用以下方式进行优化：

在双馈风机转速极限值ω_limit处，采用以下公式3对双馈风机最大功率跟踪曲线进行修正，并计算风机最大可输入机械功率的估计值，使得双馈风机转速和最大功率满足一一对应的关系：

其中，ω为双馈风机转速，ω_0.6为双馈风机输出功率为0.6p.u.时对应的转速。

5.根据权利要求1所述的一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中的双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值采用以下公式4进行计算：

$P_{\mathrm{ref}}=\min \{P_{\mathrm{ref}}^0,{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{wind}}\left(\widehat{\mathrm{\ω}}\right),P\left(\mathrm{\ω}\right)\}---\left(4\right)$

其中，P_ref为双馈风机定子侧输出的有功功率的参考值，为微网监控系统给双馈风机的初始有功功率，为双馈风机最大可输入机械功率的估计值，P(ω)为当前转速下符合双馈风机最大功率曲线的有功出力。

6.根据权利要求1所述的一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中对微网孤网运行模式的电压的频率和幅值的控制采用以下公式5实现：

$\frac{P_{\mathrm{wind}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{wind}}\left(\widehat{\mathrm{\ω}}\right)}=\frac{P_{\mathrm{ESS}}}{P_{\mathrm{ESS}}}---\left(5\right)$

其中，P_wind(w)和P_ESS分别为双馈风机和微网中储能器件的实际出力，为储能器件的有功功率上限，为双馈风机最大可输入机械功率的估计值。

7.根据权利要求1所述的一种适应于微网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中在微网并网运行和孤网运行模式下，采用以下公式6进行对微网电压的幅值进行控制，

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{ref}}^0+K_Q(Q_{\mathrm{ref}}-Q)---\left(6\right)$

其中，V_ref为双馈风机定子侧输出电压的幅值，为双馈风机定子侧输出电压的幅值的额定运行点，K_Q为幅值下垂特性曲线的增益，Q为双馈风机定子侧输出的无功功率，Q_ref为双馈风机定子侧输出的无功功率的参考值。