CN104578148A - 一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，本发明涉及风电技术领域，特别是涉及永磁直驱式风电系统，且带有超级电容器储能装置，储能装置运行采用模式切换控制方法。该系统由风力机、永磁直驱式同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、超级电容器储能系统和电网接口组成。超级电容器储能系统采用模式切换控制方法运行，当电网正常时，工作于模式1状态，对风电功率进行调节补偿，实现风电功率的平滑输出；当电网出现故障(电压跌落)时，工作于模式2状态，此时超级电容器储能系统进行直流侧电压稳定，保持风电系统不脱网运行，提高系统的低电压故障穿越能力。

Description

一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法。

背景技术

风能是一种清洁友好的可再生能源，风力发电已成为可再生能源发电技术中最具前景的发电方式之一。随着风电穿透功率不断提高，风电与电网之间的影响也越来越大，风电系统输出功率的波动性、随机性对电网电能质量的影响也随之增大。永磁直驱式风电系统采用永磁同步发电机作为动力源，省去了复杂的齿轮箱机构，提高了风力发电机组的运行可靠性和风能利用率，减少了风力发电机组的运行维护成本，因而得到广泛应用。风力发电机与电网接口采用全功率变流器，见笑了电网故障对风力发电机的损害，增强了风电输出功率的可控性和灵活性。在并网风电系统中增加储能装置，可以有效平滑风电功率波动，改善风电并网稳定性和电能质量，提高风电系统的低电压故障穿越能力。超级电容器是一种新兴储能元件，存储容量比普通电容器高很多，同时具有响应时间短、释放能力快等特点，在风电系统储能领域具有很好的应用前景。有鉴于此，本发明提出一种应用于永磁直驱式风电系统的超级电容器储能系统模式切换控制方法，根据电网正常运行和电网故障两种情况，进行模式切换，从而平滑风电功率波动，并在一定程度上保持电网不脱网运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超级储能电容器的模式切换控制方法，可以应用于带有储能装置的风电系统中，通过电网正常运行和故障两种状态，采用不同的控制策略，一方面实现风电功率的平滑输出，解决风电本身的波动性和随机性；另一方面，提高系统的低电压故障穿越能力，保持电网不脱网运行。

一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，系统有机侧变流器、 网侧变流器、超级电容器储能系统、永磁直驱式风力发电机和电网接口组成；

其中，系统由风力机，用于将风能转化为机械能；

永磁直驱式同步发电机，用于将机械能转化为电能输出；

一机侧变流器，机侧变流器由三相不可控整流器、滤波电容和Boost变换器构成，用于将交流电转换为直流电用以实现对风力发电机的有功功率控制；

网侧变流器，由IGBT构成三相全控逆变桥，用于把直流电转化为交流电，进行风电并网；

超级电容器，用于通过采用不同模式运行，进行风电功率平滑和提高低电压。

电网正常状况下运行，此时超级电容器储能系统进行功率平滑调节，调制信号是通过将并网平均有功功率参考值P^*和并网平均有功功率P_AV进行比较，将其偏差ΔP送入功率调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考信号i_ref：参考电流信号i_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量

在电网电压严重跌落时运行，此时超级电容器储能系统吸收直流母线上因电压跌落产生的多余能量，保持直流侧功率平衡，抑制直流侧电压继续升高，提高风电系统的低电压故障穿越能力。调制信号是通过采用电压外环、电流内环双闭环控制策略得到，将网侧变流器直流侧参考电压值u^* _DC与反馈电压u_DC进行比较，将其偏差电压送至电压调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值：参考电流信号i′_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量 一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，系统由风力机，用于将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧变流器——由不可控整流电路和Boost电路构成，将交流电转换为直流电；网侧变流器——由IGBT构成三相全控逆变桥，把直流电转化为交流电，进行风电并网；超级电容器——通过采用不同模式运行，进行风电功率平滑和提高低电压故障穿越能力。

本发明在风电系统的有益效果：

在电网电压正常情况下，风电功率经超级电容器储能系统调节，注入电网的有功功率平滑度比无储能系统情况下明显提高，大大克服了风电功率本身的随机性和波动性。在电网电压故障情况下，超级电容器储能系统能够吸收直流母线上因电压跌落产生的多余能量，保持直流侧功率平衡，有效抑制了直流侧电压继续升高，从而保证风电系统正常运行，大大提高了风电系统的低电压故障穿越能力。

附图说明

图1为基于超级电容器储能的直驱式风电系统结构示意图；

图2超级电容器储能系统采用的模态切换控制策略结构图。

具体实施方式

为了使从事风电技术相关领域人员能更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。

参见图1，本系统提供了一个永磁直驱式同步风电系统，该系统包含风力机，直接和永磁同步发电机相连接，将风能转换为机械能，带动永磁同步发电机旋转；永磁同步发电机和机侧变流器连接，将机械能转化为电能输出；机侧变流器采用不可控整流电路和Boost变换器构成；网侧变换器采用全控型器件IGBT，通过逆变，将直流电转化为交流电，通过电网接口进行并网，图中变流器直流侧采用电容器作为电压支撑；超级电容器并联于网侧变流器直流侧，在电网正常运行时，平滑风电功率波动，起功率调节和补偿作用，当 电网发生故障时，可以保持风电系统不脱网运行。如图1所示，该系统有机侧变流器、网侧变流器、超级电容器储能系统、永磁直驱式风力发电机和电网接口组成，其中机侧变流器由三相不可控整流器、滤波电容和Boost变换器构成，用以实现对风力发电机的有功功率控制；网侧变流器用以控制直流侧电压和流入电网的无功，实现有功、无功的解耦控制；超级电容器储能系统并入网侧变流器的直流侧，用于实现直驱式风电系统的有功控制，在电网正常运行时，可以平滑风电功率波动，起功率调节和补偿作用，当电网发生故障时，可以保持风电系统不脱网运行。因而，超级电容器储能系统采用模态切换控制策略，其结构如图2所示。

该系统的具体原理如下：当电网电压正常时，切换开关连接至“正常”端口，超级电容器储能系统按照平滑风电功率波动方式运行，系统输出平滑的有功功率(模式1)。当电网电压严重跌落时，网侧变流器有功参考电流将超过限定值，直流电压控制环无法保证直流侧电压稳定，此时将切换开关连接至“故障”端口，使超级电容器储能系统转至直流电压稳定控制方式运行，从而限制网侧变流器直流侧电压升高，保持直流侧功率平衡，从而保证电网故障期间风电系统不脱网运行(模式2)。

模式1工作的具体原理如下：将并网平均有功功率参考值P^*和并网平均有功功率P_Av进行比较，将其偏差ΔP送入功率调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考信号i_ref：

$i_{\mathrm{ref}}=(K_P+\frac{K_I}{s})\mathrm{\ΔP}=(K_P+\frac{K_I}{s})(P^{*}-P_{\mathrm{AV}})$

参考电流信号i_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量

$\hat{D}=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_{\mathrm{ref}}-i_C)$

模式2工作的具体原理如下：当电网电压严重跌落时，采用电压外环、电流内环双闭环控制策略，保持直流侧电压基本恒定，网侧变流器直流侧参考电压值u^* _DC与反馈电压u_DC进行比较，将其偏差电压送至电压调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值：

$i_{\mathrm{ref}}^{\text{'}}=(K_P+\frac{K_I}{s})\mathrm{\Δu}=(K_P+\frac{K_I}{s})(u_{\mathrm{DC}}^{*}-u_{\mathrm{DC}})$

参考电流信号i′_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量

${\hat{D}}_f=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_{\mathrm{ref}}^{\text{'}}-i_C)$

本发明在风电系统的应用效果分析：

在电网电压正常情况下，风电功率经超级电容器储能系统调节，注入电网的有功功率平滑度比无储能系统情况下明显提高，大大克服了风电功率本身的随机性和波动性。在电网电压故障情况下，超级电容器储能系统能够吸收直流母线上因电压跌落产生的多余能量，保持直流侧功率平衡，有效抑制了直流侧电压继续升高，从而保证风电系统正常运行，大大提高了风电系统的低电压故障穿越能力。

一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，系统有机侧变流器、网侧变流器、超级电容器储能系统、永磁直驱式风力发电机和电网接口组成；

其中，系统由风力机，用于将风能转化为机械能；

永磁直驱式同步发电机，用于将机械能转化为电能输出；

一机侧变流器，机侧变流器由三相不可控整流器、滤波电容和Boost变换器构成，用于将交流电转换为直流电用以实现对风力发电机的有功功率控制；

网侧变流器，由IGBT构成三相全控逆变桥，用于把直流电转化为交流电，进行风电并网；

超级电容器，用于通过采用不同模式运行，进行风电功率平滑和提高低电压。

电网正常状况下运行，此时超级电容器储能系统进行功率平滑调节，调制信号是通过将并网平均有功功率参考值P^*和并网平均有功功率P_AV进行比较，将其偏差ΔP送入功率调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换 器的调制电流参考信号i_ref：参考电流信号i_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量

在电网电压严重跌落时运行，此时超级电容器储能系统吸收直流母线上因电压跌落产生的多余能量，保持直流侧功率平衡，抑制直流侧电压继续升高，提高风电系统的低电压故障穿越能力。调制信号是通过采用电压外环、电流内环双闭环控制策略得到，将网侧变流器直流侧参考电压值u^* _DC与反馈电压u_DC进行比较，将其偏差电压送至电压调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值：参考电流信号i′_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量 一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，系统由风力机，用于将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧变流器——由不可控整流电路和Boost电路构成，将交流电转换为直流电；网侧变流器——由IGBT构成三相全控逆变桥，把直流电转化为交流电，进行风电并网；超级电容器——通过采用不同模式运行，进行风电功率平滑和提高低电压故障穿越能力。

参见图2，为超级电容器储能系统的模态切换控制策略，该系统主要为产生双向DC/DC变换器的PWM调制信号，该信号通过切换开关进行模式1和模式2的选择。模式1代表在电网正常状况下运行，此时超级电容器储能系统进行功率平滑调节，调制信号是通过将并网平均有功功率参考值P^*和并网平均有功功率P_AV进行比较，将其偏差ΔP送入功率调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考信号i_ref： 参考电流信号i_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量功率调节器和电流调节器参数按照风电系统运行实际状况进行调节。

模式2代表系统在电网电压严重跌落时运行，此时超级电容器储能系统吸收直流母线上因电压跌落产生的多余能量，保持直流侧功率平衡，抑制直流侧电压继续升高，提高风电系统的低电压故障穿越能力。调制信号是通过采用电压外环、电流内环双闭环控制策略得到，将网侧变流器直流侧参考电压值u^* _DC与反馈电压u_DC进行比较，将其偏差电压送至电压调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值： 参考电流信号i′_ref与超级电容器输出电流i_C进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量电压调节器和电流调节器参数按照风电系统运行实际状况进行调节。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，其特征在于：系统有机侧变流器、网侧变流器、超级电容器储能系统、永磁直驱式风力发电机和电网接口组成；

其中，系统由风力机，用于将风能转化为机械能；

永磁直驱式同步发电机，用于将机械能转化为电能输出；

一机侧变流器，机侧变流器由三相不可控整流器、滤波电容和Boost变换器构成，用于将交流电转换为直流电用以实现对风力发电机的有功功率控制；

网侧变流器，由IGBT构成三相全控逆变桥，用于把直流电转化为交流电，进行风电并网；

超级电容器，用于通过采用不同模式运行，进行风电功率平滑和提高低电压。

2.按照权利要求1所述的永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，其特征在于：

电网正常状况下运行，此时超级电容器储能系统进行功率平滑调节，调制信号是通过将并网平均有功功率参考值P^*和并网平均有功功率P_AV进行比较，将其偏差ΔP送入功率调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考信号i_ref：参考电流信号i_ref与超级电容器输出电流i_c进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量

3.按照权利要求1所述的永磁直驱式风电系统模式切换控制方法，其特征在于：在电网电压严重跌落时运行，此时超级电容器储能系统吸收直流母线上因电压跌落产生的多余能量，保持直流侧功率平衡，抑制直流侧电压继续升高，提高风电系统的低电压故障穿越能力。调制信号是通过采用电压外环、电流内环双闭环控制策略得到，将网侧变流器直流侧参考电压值u^* _DC与反馈电压u_DC进行比较，将其偏差电压送至电压调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值：参考电流信号i′_ref与超级电容器输出电流i_c进行比较，将其通过电流调节器(比例积分调节器)，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量 ${\hat{D}}_f=(K_P+\frac{K_I}{s})({i^{\′}}_{\mathrm{ref}}-i_C).$