CN105071726A - 开关磁阻风力发电并网系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻风力发电并网系统控制方法，机侧功率变换器采用基于电流斩波控制模式的励磁电流扰动控制法，以实现系统最大风能跟踪，网侧三相电压型逆变器采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，以实现逆变并网。本发明能实现无需安装风速测量装置、无需知道风力机的机械特性下，开关磁阻风力发电的最大风能跟踪并网运行，提高风能利用效率，可用于开关磁阻风力发电并交流微电网系统、分布式开关磁阻风力发电并网系统控制算法的理论及工程设计。

Description

开关磁阻风力发电并网系统控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种开关磁阻风力发电并交流网运行系统的控制方法。

背景技术

目前，风能作为一种丰富的可再生清洁能源，得到了越来越多的重视和发展利用；变速恒频风力发电技术使风力发电系统在不同风速下发出恒定频率的电能，其允许风力机在不同风速下调整其转速，使系统运行于最佳转速，以实现最大风能跟踪，从而最大限度地利用风能发电。

开关磁阻发电机转子上无绕组也无永磁体，具有结构简单、坚固、允许温升较高、容错性强的良好电机本体特性，适用于环境恶劣场合，且其变速运行范围宽，控制灵活，在国内外开关磁阻发电机作为风力机已经开始有所涉及，此外，开关磁阻发电机输出直流电，不同风速下没有输出频率的限制，也可方便地通过网侧逆变器，变换成并网所需频率和幅值的交流电，实现变速恒频并网发电。

开关磁阻风力发电最大风能跟踪的控制方法主要有：风速跟踪控制法、转速反馈控制法和扰动控制法，风速跟踪控制法需要安装风速测量装置，转速反馈控制法需要知道风力机的机械特性，而风力机长时间运行下的机械特性会发生改变；目前，开关磁阻风力发电并网运行系统的控制方法是：通过控制网侧逆变器及其控制同时实现最大风能跟踪和并网逆变功能，但若由网侧逆变器实现最大风能跟踪控制，则只能采用风速跟踪控制法或转速反馈控制法，而风速跟踪控制法会增加系统成本，转速反馈控制法在长期运行中会偏离最大输出功率点，影响风能利用效率。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明提出了一种开关磁阻风力发电并网系统控制方法，机侧功率变换器采用基于电流斩波控制模式的励磁电流扰动控制法，以实现系统最大风能跟踪，网侧三相电压型逆变器采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，以实现逆变并网。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻风力发电并网系统控制方法，包括机侧功率变换器的最大风能跟踪控制方法、网侧三相电压型逆变器的并网控制方法；

其中，所述机侧功率变换器的最大风能跟踪控制方法采用基于电流斩波模式的励磁电流扰动控制法，其基本原则是开关磁阻发电机电流斩波控制模式下，加入励磁电流扰动，通过检测开关磁阻发电机输出功率和转速在励磁电流扰动下的变化情况，来决定下一步励磁电流扰动的大小和方向，从而跟踪最大功率点，具体如下：

开关磁阻发电机采用自励模式，起动阶段，由起励电源经电力二极管提供初始励磁，开关磁阻发电机稳定运行后，电力二极管断开起励电源，此后依赖其输出电压进行自励发电；

机侧功率变换器控制开关磁阻发电机各相的导通与关断，实现发电运行；

开关磁阻发电机通过机侧功率变换器工作在电流斩波控制模式，固定功率变换器的主开关器件的开通角和关断角，给定参考相电流I _ref和电流滞环宽度，在励磁阶段，通过导通或断开功率变换器相应的主开关器件，将相电流维持在I _ref为中心的滞环宽度内，当设定的电流滞环宽度小时，励磁阶段的相电流近似等于I _ref，随着I _ref增加，励磁阶段的相电流增大，从而发电续流阶段的续流相电流也相应增大，输出功率P _e增加，进一步地，定义电流斩波控制模式的给定参考相电流I _ref为励磁电流；

系统稳定运行期间，通过检测直流母线电压U _dc和电流i _dc，得到开关磁阻发电机输出功率P _e=U _dc×i _dc；

设系统k时刻稳定运行，此时给励磁电流加一个扰动量△I _k ，检测加扰动量后k+1时刻的开关磁阻发电机输出功率P _e,k+1及转速n _k+1，然后与k时刻的P _e,k 、n _k 比较，若P _e,k+1>P _e,k ，则可判定当前具有正确的扰动方向，若n _k+1>n _k ，则此时风力机输入的机械功率比开关磁阻发电机输出功率大，上述两种情况均增加下一时刻的励磁电流，以增大开关磁阻发电机输出功率，若P _e,k+1<P _e,k 且n _k+1<n _k ，则使励磁电流的扰动方向与原方向相反，以减小励磁电流，使开关磁阻发电机输出功率减小，从而得到k+1时刻开关磁阻发电机电流斩波模式的给定励磁电流I _ref,k+1为

(1)

(2)

式中，I _ref,k 为k时刻加了扰动量△I _k 后的励磁电流值，△I _k+1 为k+1时刻的励磁电流扰动量，I _ref,max 为设置的励磁电流最大值，△I _min 、△I _max 为设置的励磁电流扰动量的最小值和最大值；M ₁、M ₂为给定常数；

进一步地，通过检测(P _e,k+1－P _e,k )与(n _k+1－n _k )的比值，来判断是否停止加入励磁电流扰动，若其值在正负之间波动，且其绝对值小于设定的允许波动范围，则说明目前稳定在最大功率点附近，暂停扰动，即△I _k+1=0；

所述网侧三相电压型逆变器的并网控制方法采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略，由锁相环模块和电压电流双闭环模块组成，并加入解耦控制，具体如下：

解耦控制，即在三相电压型逆变器输出电流即网侧相电流的d、q轴分量i _d、i _q经比例积分（PI）控制得到相应的u _d ^*、u _q ^*上，分别加上交叉耦合项ωLi _d、ωLi _q、Ri _d、Ri _q（ω为三相电网电压的角频率，R、L为三相电压型逆变器与三相电网间的电阻和滤波电感），得到控制电压量即三相电压型逆变器电压的d、q轴分量u _d、u _q；

锁相环模块采样三相电网电压进行锁相，获得电压频率ω和相位θ信号，作为并网电流的频率和相位给定，并提供dq变换的频率和相位，以保证两者同频同相，满足并网要求；

电压电流双闭环模块的外环是电压环，将直流母线电压给定值U _dc ^*与检测得到的直流母线电压实际值U _dc的差值，经PI调节器得到网侧相电流有功分量给定值i _d ^*，实现持直流母线电压保持在给定值U _dc ^*；

电压电流双闭环模块的内环是电流环，包括网侧相电流有功和无功分量环，将i _d ^*与检测得到的网侧相电流有功分量实际值i _d的差值，经PI调节器后实现无静差控制，从而跟踪i _d ^*，间接实现有功功率的跟踪，网侧相电流无功分量给定值i _q ^*为0时，系统以单位功率因数并网，如果需要调节功率因数，可改变i _q ^*值；

电流环输出信号经解耦控制得到控制电压量u _d、u _q，再经过坐标变换得到两相静止坐标下的控制量u _α 、u _β ，最后经过电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）驱动三相电压型逆变器的主开关器件的导通和关断，进而完成对逆变器的控制；

设k _pu、k _iu分别为电压外环PI调节器的系数，k _pi、k _ii分别为电流内环PI调节器的比例和积分系数，i _q ^*=0时基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略的控制方程为

(3)

式中，e _d为三相电网电压的d轴分量。

本发明所述的开关磁阻风力发电并网系统控制方法，技术效果主要有：

1、能实现在无需安装风速测量装置、无需知道风力机机械特性下，开关磁阻风力发电系统的最大风能跟踪并网运行，提高风能利用效率。

2、基于电流斩波模式的励磁电流扰动控制法，根据功率-转速曲线的斜率的绝对值调节励磁电流扰动量的大小，使得当运行点远离最大功率点时，得到的励磁电流扰动量大，使运行点快速向最大功率点移动，当运行点接近最大功率点时，得到的励磁电流扰动量小，加快了最大风能跟踪控制的响应速度，降低了系统振荡幅度。

3、网侧三相电压型逆变器采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，直流母线电压保持了恒定；当直流母线电压恒定时，机侧开关磁阻发电机电流斩波控制模式下输出功率的大小主要由励磁电流值决定，此时可容易地实现通过调节励磁电流的大小来调节开关磁阻发电机输出功率的大小，从而使系统能够保持良好的最大风能跟踪性能。

附图说明

图1所示为本发明的控制系统结构图。

图2所示为本发明的机侧功率变换器与网侧三相电压型逆变器的主电路及其连接拓扑图。

图3所示为网侧三相电压型逆变器的控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，开关磁阻风力发电并网系统主要由风力机及增速器、开关磁阻发电机、机侧功率变换器及其控制器、网侧三相电压型逆变器及其控制器、信号检测构成；风力机带有增速器，增速后与开关磁阻发电机转子同轴连接，风力机用于捕获风能，并将风能转换为机械能，以驱动开关磁阻发电机发电运行；开关磁阻发电机完成风力机输出的机械能到电能的转换；机侧功率变换器是开关磁阻发电机发电的能量交换通道，它不仅要输入励磁功率也要将发出的电功率输出；网侧三相电压型逆变器实现逆变并网。

如图1所示，机侧功率变换器的最大风能跟踪控制器根据其控制策略，综合处理检测得到的开关磁阻发电机转子位置、转速、相电流信号及直流母线电压电流信号，输出机侧功率变换器的主开关器件的驱动控制信号，控制其导通与关断，从而控制开关磁阻发电机的运行状态；

机侧功率变换器的最大风能跟踪控制器采用基于电流斩波模式的励磁电流扰动控制法，其基本原则是开关磁阻发电机电流斩波控制模式下，加入励磁电流扰动，通过检测开关磁阻发电机输出功率和转速在励磁电流扰动下的变化情况，来决定下一步励磁电流扰动的大小和方向，从而跟踪最大功率点；

开关磁阻发电机通过机侧功率变换器工作在电流斩波控制模式，固定功率变换器的主开关器件的开通角和关断角，励磁电流值即为电流斩波控制模式的给定参考相电流值，由励磁电流扰动控制法得到；

开关磁阻发电机采用自励模式，起动阶段，由起励电源经电力二极管提供初始励磁，稳定运行后，电力二极管断开起励电源，此后依赖其输出电压进行自励发电；

稳定运行阶段，设k时刻稳定运行，此时给励磁电流加一个扰动量△I _k ，检测加扰动量后k+1时刻的开关磁阻发电机输出功率P _e,k+1及转速n _k+1，然后与k时刻的P _e,k 、n _k 比较，若P _e,k+1>P _e,k ，则可判定当前具有正确的扰动方向，若n _k+1>n _k ，则此时风力机输入的机械功率比开关磁阻发电机输出功率大，上述两种情况均增加下一时刻的励磁电流，以增大开关磁阻发电机输出功率，若P _e,k+1<P _e,k 且n _k+1<n _k ，则使励磁电流的扰动方向与原方向相反，以减小励磁电流，使开关磁阻发电机输出功率减小，从而得到k+1时刻开关磁阻发电机电流斩波模式的给定励磁电流I _ref,k+1为

(1)

(2)

式中，I _ref,k 为k时刻加了扰动量△I _k 后的励磁电流值，△I _k+1为k+1时刻的励磁电流扰动量，I _ref,max为设置的励磁电流最大值，△I _min、△I _max为设置的励磁电流扰动量的最小值和最大值；M ₁、M ₂为给定常数；

进一步地，通过检测(P _e,k+1－P _e,k )与(n _k+1－n _k )的比值，来判断是否停止加入励磁电流扰动，若其值在正负之间波动，且其绝对值小于设定的允许波动范围，则说明目前稳定在最大功率点附近，暂停扰动，即△I _k+1=0。

如图1所示，网侧三相电压型逆变器的并网控制器根据其控制策略，综合处理检测得到的直流母线电压、网侧相电压电流信号，及直流母线电压给定值、网侧相电流无功分量给定值，输出网侧三相电压型逆变器的主开关器件的驱动控制信号，控制其导通与关断，从而实现开关磁阻风力发电的逆变并网运行；

网侧三相电压型逆变器的并网控制采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略，由锁相环模块和电压电流双闭环模块组成，并加入解耦控制；

解耦控制，即在三相电压型逆变器输出电流即网侧相电流的d、q轴分量i _d、i _q经比例积分（PI）控制得到相应的u _d ^*、u _q ^*上，分别加上交叉耦合项ωLi _d、ωLi _q、Ri _d、Ri _q（ω为三相电网电压的角频率，R、L为三相电压型逆变器与三相电网间的电阻和滤波电感），得到控制电压量即三相电压型逆变器电压的d、q轴分量u _d、u _q；

锁相环模块采样三相电网电压进行锁相，获得电压频率ω和相位θ信号，作为并网电流的频率和相位给定，并提供dq变换的频率和相位，以保证两者同频同相，满足并网要求；

电压电流双闭环模块的外环是电压环，将直流母线电压给定值U _dc ^*与检测得到的直流母线电压实际值U _dc的差值，经PI调节器得到网侧相电流有功分量给定值i _d ^*，实现持直流母线电压保持在给定值U _dc ^*；

电压电流双闭环模块的内环是电流环，包括网侧相电流有功和无功分量环，将i _d ^*与检测得到的网侧相电流有功分量实际值i _d的差值，经PI调节器后实现无静差控制，从而跟踪i _d ^*，间接实现有功功率的跟踪，网侧相电流无功分量给定值i _q ^*为0时，系统以单位功率因数并网，如果需要调节功率因数，可改变i _q ^*值；

电流环输出信号经解耦控制得到控制电压量u _d、u _q，经过坐标变换得到两相静止坐标下的控制量u _α 、u _β ，再经过电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）驱动三相电压型逆变器的主开关器件的导通和关断，进而完成对逆变器的控制；

设k _pu、k _iu分别为电压外环PI调节器的系数，k _pi、k _ii分别为电流内环PI调节器的比例和积分系数，i _q ^*=0时基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略的控制方程为

(3)

式中，e _d为三相电网电压的d轴分量。

如图2所示，本实例的开关磁阻发电机为三相绕组（分别如图2所示的A、B、C相绕组），开关磁阻发电机采用自励模式的三相半桥不对称功率变换器，图中，功率变换器的主开关器件均为IGBT，二极管均为电力二极管，C _d为直流母线侧电容，U _dc为直流母线电压，i _dc为直流母线侧电流，E _s为起励电源；开关磁阻发电机自励模式由起励电源E _s提供初始励磁，稳定运行后，由电力二极管断开E _s，此后开关磁阻发电机依赖直流母线侧电容C _d的存储功能进行自励发电。

如图2所示，本实例的开关磁阻风力发电并网系统的网侧采用基于三相电压型逆变器的单级式并网逆变结构，图中，三相电压型逆变器的主开关器件均为IGBT，e _a、e _b、e _c为三相电网电压；i _a、i _b、i _c为网侧相电流；u _a、u _b、u _c为三相电压型逆变器电压；R、L为三相电压型逆变器与三相电网间的电阻和滤波电感。

如图3所示，网侧三相电压型逆变器采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，并加入前馈解耦控制；锁相环模块采样三相电网电压e _a、e _b、e _c进行锁相，获得电压频率ω和相位θ信号作为并网电流的频率和相位给定，并提供dq变换的频率和相位；图中，电压电流双闭环模块的外环是电压环，将直流母线电压给定值U _dc ^*与检测得到的直流母线电压实际值U _dc的差值，经PI调节器得到网侧相电流有功分量给定值i _d ^*，实现持直流母线电压保持在给定值U _dc ^*，既保持了直流母线电压的恒定也为电流内环提供了输入；电压电流双闭环模块的内环是电流环，将i _d ^*与检测得到的网侧相电流有功分量实际值i _d的差值，经PI调节器后实现无静差控制，从而跟踪i _d ^*，间接实现有功功率的跟踪，网侧相电流无功分量给定值i _q ^*为0时，系统以单位功率因数并网，如果需要调节功率因数，可改变i _q ^*值；电流环输出信号经解耦控制、坐标变换中得到两相静止坐标下的控制量u _α 、u _β ，最后经SVPWM调制，得到三相电压型逆变器的主开关器件的驱动控制信号。

Claims (3)

1.一种开关磁阻风力发电并网系统控制方法，其特征在于：包括机侧功率变换器的最大风能跟踪控制方法和网侧三相电压型逆变器的并网控制方法，机侧功率变换器采用基于电流斩波控制模式的励磁电流扰动控制法，以实现系统最大风能跟踪，网侧三相电压型逆变器采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，以实现逆变并网；

其中，所述机侧功率变换器的最大风能跟踪控制方法采用基于电流斩波模式的励磁电流扰动控制法，其基本原则是开关磁阻发电机在电流斩波控制模式下，加入励磁电流扰动，通过检测开关磁阻发电机输出功率和转速在励磁电流扰动下的变化情况，来决定下一步励磁电流扰动的大小和方向，从而跟踪最大功率点，具体如下：

开关磁阻发电机采用自励模式，起动阶段，由起励电源经电力二极管提供初始励磁，开关磁阻发电机稳定运行后，电力二极管断开起励电源，此后依赖其输出电压进行自励发电；

机侧功率变换器控制开关磁阻发电机各相的导通与关断，实现发电运行；

开关磁阻发电机通过机侧功率变换器工作在电流斩波控制模式，固定功率变换器的主开关器件的开通角和关断角，给定参考相电流I _ref和电流滞环宽度，在励磁阶段，通过导通或断开功率变换器相应的主开关器件，将相电流维持在I _ref为中心的滞环宽度内，当设定的电流滞环宽度小时，励磁阶段的相电流近似等于I _ref，随着I _ref增加，励磁阶段的相电流增大，从而发电续流阶段的续流相电流也相应增大，输出功率P _e增加，进一步地，定义电流斩波控制模式的给定参考相电流I _ref为励磁电流；

系统稳定运行期间，通过检测直流母线电压U _dc和电流i _dc，得到开关磁阻发电机输出功率P _e=U _dc×i _dc；

设系统k时刻稳定运行，此时给励磁电流加一个扰动量△I _k ，检测加扰动量后k+1时刻的开关磁阻发电机输出功率P _e,k+1及转速n _k+1，然后与k时刻的P _e,k 、n _k 比较，若P _e,k+1>P _e,k ，则可判定当前具有正确的扰动方向，若n _k+1>n _k ，则此时风力机输入的机械功率比开关磁阻发电机输出功率大，上述两种情况均增加下一时刻的励磁电流，以增大开关磁阻发电机输出功率，若P _e,k+1<P _e,k 且n _k+1<n _k ，则使励磁电流的扰动方向与原方向相反，以减小励磁电流，使开关磁阻发电机输出功率减小，从而得到k+1时刻开关磁阻发电机电流斩波模式的给定励磁电流I _ref,k+1为

(1)

(2)

式中，I _ref,k 为k时刻加了扰动量△I _k 后的励磁电流值，△I _k+1 为k+1时刻的励磁电流扰动量，I _ref,max 为设置的励磁电流最大值，△I _min 、△I _max 为设置的励磁电流扰动量的最小值和最大值；M ₁、M ₂为给定常数；

进一步地，通过检测(P _e,k+1－P _e,k )与(n _k+1－n _k )的比值，来判断是否停止加入励磁电流扰动，若其值在正负之间波动，且其绝对值小于设定的允许波动范围，则说明目前稳定在最大功率点附近，暂停扰动，即△I _k+1=0；

所述网侧三相电压型逆变器的并网控制方法采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略，由锁相环模块和电压电流双闭环模块组成，并加入解耦控制，具体如下：

解耦控制，即在三相电压型逆变器输出电流即网侧相电流的d、q轴分量i _d、i _q经比例积分（PI）控制得到相应的u _d ^*、u _q ^*上，分别加上交叉耦合项ωLi _d、ωLi _q、Ri _d、Ri _q（ω为三相电网电压的角频率，R、L为三相电压型逆变器与三相电网间的电阻和滤波电感），得到控制电压量即三相电压型逆变器电压的d、q轴分量u _d、u _q；

锁相环模块采样三相电网电压进行锁相，获得电压频率ω和相位θ信号，作为并网电流的频率和相位给定，并提供dq变换的频率和相位，以保证两者同频同相，满足并网要求；

电压电流双闭环模块的外环是电压环，将直流母线电压给定值U _dc ^*与检测得到的直流母线电压实际值U _dc的差值，经PI调节器得到网侧相电流有功分量给定值i _d ^*，实现持直流母线电压保持在给定值U _dc*；

电压电流双闭环模块的内环是电流环，包括网侧相电流有功和无功分量环，将i _d ^*与检测得到的网侧相电流有功分量实际值i _d的差值，经PI调节器后实现无静差控制，从而跟踪i _d ^*，间接实现有功功率的跟踪，网侧相电流无功分量给定值i _q ^*为0时，系统以单位功率因数并网，如果需要调节功率因数，可改变i _q ^*值；

电流环输出信号经解耦控制得到控制电压量u _d、u _q，再经过坐标变换得到两相静止坐标下的控制量u _α 、u _β ，最后经过电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）驱动三相电压型逆变器的主开关器件的导通和关断，进而完成对逆变器的控制；

设k _pu、k _iu分别为电压外环PI调节器的系数，k _pi、k _ii分别为电流内环PI调节器的比例和积分系数，i _q ^*=0时基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略的控制方程为

(3)

式中，e _d为三相电网电压的d轴分量。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电并网系统控制方法，其特征是，所述的开关磁阻发电机可变速运行。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电并网系统控制方法，其特征是，所述的开关磁阻风力发电并网系统网侧采用基于三相电压型逆变器的单级式并网逆变结构。