CN104716669A - 一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法 - Google Patents

一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法 Download PDF

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王武
张元敏
罗书克
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Abstract

一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及永磁直驱式风电系统的变流器控制策略，通过采用变流器双模控制策略，既能提高风电机组效率，又能实现功率平稳输出。该系统由风力机、永磁直驱式同步发电机、机侧和网侧变换器、PWM控制信号产生装置、模式切换控制器等构成。通过采用变流器双模控制方法，利用转速和电流双闭环反馈实现低于额定风速时的最大风能跟踪控制模式(模式1)，高于额定风速时，通过发电机电磁转矩，实现发电机功率平稳控制(模式2)，并实现两种模式之间平滑切换。通过对全功率变流器实施双模控制策略，既能发挥永磁直驱式风电机组转子动能缓冲作用，是风电机组输出功率更为平滑，同时减轻变桨距执行机构的负担，取得较好的控制品质。

Description

一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，主要应用于永磁直驱式风力发电系统中全功率变流器控制。
背景技术
风力发电已成为调整优化能源结构、构建现代能源产业体系的主要方式之一。永磁直驱式同步风力发电机组采用全功率并网变换器与电网连接，实现了电网与发电机之间的隔离，应对电网故障的能量更强，省去了齿轮箱机构，简化了风电机组的传动链系统，整体效率大大提高，因而得到了广泛应用。风电机组功率控制是风力发电技术的研究热点，风力发电机组低于额定风速时，利用转速反馈，实现最大风能跟踪，高于额定风速时，通过变桨距控制等方式，保持功率平稳输出，然而，实际风电系统中，桨距执行机构有严重的动作滞后和变桨速率限制，尤其是在高频风速变化和阵风情况下，难以起到很好的功率输出调节作用。有鉴于此，提出一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，利用转速反馈实现低于额定风速时的最大风能跟踪控制模式(模式1)，高于额定风速时，通过发电机电磁转矩，实现发电机功率平稳控制(模式2)，并实现两种模式之间平滑切换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，可以应用于永磁直驱式风力发电系统中，通过对全功率变流器实施双模控制策略，既能发挥永磁直驱式风电机组转子动能缓冲作用，是风电机组输出功率更为平滑，同时减轻变桨距执行机构的负担，取得较好的控制品质。
一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，永磁同步风电系统由风力机——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；机侧和网侧变换器——实现风力发电机输出功率和电网交互；变换器驱动控制——实现变换器功率元件的驱动和控制策略实施；
其中，风力机直接和永磁同步发电机相连接，通过桨叶，将风能转换为机械能，再通过转轴输入到永磁同步发电机转子上，带动永磁同步发电机旋转；永磁同步发电机输出接机侧变流器，可将发电机发出的交流电变换为直流电，通过直流侧大电容，经网侧变换器，将能量馈入电网；网侧变换器和机侧变换器通过各自的变换器进行控制。
一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，在额定风速以下时，使转速跟随风速变化运行于最优转速，以获得最大风能利用率，提高风电机组效率；在高于额定风速时，通过动态调节永磁直驱式同步发电机的电磁转矩，使发电机输出功率维持在额定值附近，同时借助变桨距控制等手段限制发电机的转速，防止其超速；将永磁直驱式风电系统控制划分为最大风能跟踪控制模式(模式1)和功率平稳控制(模式2)两种模式；
最大风能跟踪控制模式运行于风速低于额定风速，采用转速、电流双闭环控制，外环为转速控制环，内环为电流解耦控制环；
功率平稳控制运行于风速超过额定风速，永磁同步发电机输出功率大于额定功率，即：Ps＞PN，此时，采用即时转矩Te代替额定转矩TN：ωr为即时转速，从而得到q轴参考电流信号
3、按照权利要求1所述的一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，其特征在于：两种模式通过一定的切换规律，实现两种模式的平滑过渡，具体模式切换规律为：从模式1到模式2切换时，判断Ps＞PN，按额定功率运行；从模式2到模式1切换时，判断Ps＜PN，切换前q轴参考电流为切换后q轴参考电流为：其中kp、Ti为转速环比例和积分时间常数，ωr为参考转速和实测转速信号；
为保证切换平滑，进而判断若Δωr≠0，为保证功率平稳，仍 采用功率平稳控制模式，并保持q轴参考电流不突变，即将q轴参考电流修正为当Δωr＝0时，平滑进入低于额定风速下运行，切换至转速控制模式下运行。
附图说明
图1永磁直驱式同步风电系统结构图；
图2变流器双模控制结构图。
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。
永磁直驱式同步风电系统结构如图1所示。对于永磁直驱式风电系统，风电机组采用以下控制策略，在额定风速以下时，使转速跟随风速变化运行于最优转速，以获得最大风能利用率，提高风电机组效率；在高于额定风速时，通过动态调节永磁直驱式同步发电机的电磁转矩，使发电机输出功率维持在额定值附近，同时借助变桨距控制等手段限制发电机的转速，防止其超速。因此，可将永磁直驱式风电系统控制划分为最大风能跟踪控制模式(模式1)和功率平稳控制(模式2)两种模式。永磁直驱式风电机组双模控制框图如图2所示。
模式1风速低于额定风速，采用转速、电流双闭环控制，外环为转速控制环，内环为电流解耦控制环。
模式2风速超过额定风速，永磁同步发电机输出功率大于额定功率，即：Ps＞PN，此时，采用即时转矩Te代替额定转矩TN：ωr为即时转速，从而得到q轴参考电流信号
模式切换规律：从模式1到模式2切换时，判断Ps＞PN，按额定功率运行； 从模式2到模式1切换时，判断Ps＜PN，切换前q轴参考电流为切换后q轴参考电流为：其中kp、Ti为转速环比例和积分时间常数，ωr为参考转速和实测转速信号。
为保证切换平滑，进而判断若Δωr≠0，为保证功率平稳，仍采用功率平稳控制模式，并保持q轴参考电流不突变，即将q轴参考电流修正为当Δωr＝0时，平滑进入低于额定风速下运行，切换至转速控制模式下运行。
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，通过桨叶，将风能转换为机械能，再通过转轴输入到永磁同步发电机转子上，带动永磁同步发电机旋转；永磁同步发电机输出接机侧变流器，可将发电机发出的交流电变换为直流电，通过直流侧大电容，经网侧变换器，将能量馈入电网。网侧变换器和机侧变换器通过各自的变换器进行控制。
参见图2，本系统提供了一个机侧变换器的双模控制结构图，形成最大风能跟踪控制模式(模式1)和功率平稳控制模式(模式2)两种模式。模式1运行于风速低于额定风速，采用转速、电流双闭环控制，外环为转速控制环，内环为电流解耦控制环。
模式2运行于风速超过额定风速，永磁同步发电机输出功率大于额定功率。此时，采用即时转矩Te代替额定转矩TN：ωr为即时转速，从而得到q轴参考电流信号
为了实现两种模式平滑切换，采用如下模式切换规律：从模式1到模式2切换时，判断Ps＞PN，按额定功率运行；从模式2到模式1切换时，判断Ps＜PN，切换前q轴参考电流为切换后q轴参考电流为： 为保证切换平滑，进而判断若Δωr≠0，为保证功率平稳，仍采用功率平稳控制模式，并保持q轴参考电流不突变，即将q轴参考电流修正为当Δωr＝0时，平滑进入低于额定风速下运行，切换至转速控制模式下运行。
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)

1.一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，其特征在于：永磁同步风电系统由风力机——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；机侧和网侧变换器——实现风力发电机输出功率和电网交互；变换器驱动控制——实现变换器功率元件的驱动和控制策略实施；
其中，风力机直接和永磁同步发电机相连接，通过桨叶，将风能转换为机械能，再通过转轴输入到永磁同步发电机转子上，带动永磁同步发电机旋转；永磁同步发电机输出接机侧变流器，可将发电机发出的交流电变换为直流电，通过直流侧大电容，经网侧变换器，将能量馈入电网；网侧变换器和机侧变换器通过各自的变换器进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，，其特征在于：在额定风速以下时，使转速跟随风速变化运行于最优转速，以获得最大风能利用率，提高风电机组效率；在高于额定风速时，通过动态调节永磁直驱式同步发电机的电磁转矩，使发电机输出功率维持在额定值附近，同时借助变桨距控制等手段限制发电机的转速，防止其超速；将永磁直驱式风电系统控制划分为最大风能跟踪控制模式(模式1)和功率平稳控制(模式2)两种模式；
最大风能跟踪控制模式运行于风速低于额定风速，采用转速、电流双闭环控制，外环为转速控制环，内环为电流解耦控制环；
功率平稳控制运行于风速超过额定风速，永磁同步发电机输出功率大于额定功率，即：Ps＞PN，此时，采用即时转矩Te代替额定转矩TN： ωr为即时转速，从而得到q轴参考电流信号 。
3.按照权利要求1所述的一种永磁同步风电系统变流器双模控制方法，其特征在于：两种模式通过一定的切换规律，实现两种模式的平滑过渡，具体模式切换规律为：从模式1到模式2切换时，判断Ps＞PN，按额定功率运行；从模式2到模式1切换时，判断Ps＜PN，切换前q轴参考电流为切换后q轴参考电流为： 其中kp、Ti为转速环比例和积分时间常数， ωr为参考转速和实测转速信号；
为保证切换平滑，进而判断若Δωr≠0，为保证功率平稳，仍采用功率平稳控制模式，并保持q轴参考电流不突变，即将q轴参考电流修正为当Δωr＝0时，平滑进入低于额定风速下运行，切换至转速控制模式下运行。
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