CN105896600B - 一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,机侧变流器的处理模块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐标系，采用外环为电压环，内环为电流环的双闭环策略控制机侧变流器，维持直流侧电压稳定；网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率、发电机的最大功率追踪算法得到有功功率指令，获取电网调度无功功率，进行有功功率及无功功率外环控制；通过合成三相电流参考指令，实现电流内环控制，由此构成网侧变流器的功率外环，电流内环的双闭环控制。采用本发明控制方法，提高了嵌入式微机执行的速度和效率，降低控制算法对系统参数的依赖，提高系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种直驱永磁同步风力发电机并网系统控制方法。
背景技术
随着化石燃料的渐渐枯竭，环境污染日益严重。新能源越来越受到广泛的关注，在所有新能源中风能逐渐成为一种主流的可再生能源。根据我国能源局公布的近四年全社会用电量情况可知风电并网以每年近30％的速度增长。永磁同步发电机因其结构简单，功率密度大，可靠性高，无需安装齿轮箱等优点引起了国内外许多学者的研究。
现在大多数永磁同步发电系统都采用风力机直接带动发电机，通过“背靠背”双PWM变流器向电网输送能量。双PWM变流器系统控制策略的优劣直接关系到风能转换的效率，可靠性。目前风能转换系统PWM变流器大多采用在dq坐标系下的矢量控制。这种控制需要经过多次坐标变换，且需要系统的精确参数进行有功分量和无功分量的解耦。特别在嵌入式微机实现以上算法时，在park变换时涉及较多的正余弦计算，这需要很大的内存、运算时间开销；这对于算法实现的精度，以及相应速度都大打折扣。对于发电机侧变流器的控制均采用磁场定向控制，那就更加依赖于发电机的参数；而且许多参数如电机定子电阻和电感值都会随温度的改变而改变。对于双PWM变流器系统有两种不同的控制方案：方案1.机侧变流器控制发电机进行最大功率追踪控制(MPPT),网侧变流器控制直流侧的电压稳定向电网输送能量。方案2.通过机侧变流器控制直流侧电压的稳定，网侧变流器进行最大功率追踪控制(MPPT)向电网输送功率。方案1在电网电压降落时，为抑制直流侧电压的波动通常需要增加卸荷转置或储能转置。而方案2无需以上附加装置，通过将直流侧电压的波动转化为发电机的转速变化，进而转换为机械能储存于风力发电机中。目前方案2的实现结构复杂，需坐标变换，三解函数运算，使得嵌入式微机执行的速度和效率低，有必要进行进一步的研究改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直驱永磁同步风力发电机并网系统控制方法，解决目前永磁同步发电机并网控制系统稳定性差、可靠性不高、对系统参数过分依赖的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,该系统包括依次电连接的风轮机，发电机，机侧变流器，直流侧电容，网侧变流器，变压器，所述的发电机为直驱永磁同步风力发电机，所述的机侧、网侧变流器设有信号采集模块和处理模块，机侧变流器的处理模块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐标系，采用外环为电压环，内环为电流环的双闭环策略控制机侧变流器，维持直流侧电压稳定；网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率、发电机的最大功率追踪算法得到有功功率指令，获取电网调度无功功率，进行有功功率及无功功率外环控制；通过合成三相电流参考指令，实现电流内环控制，由此构成网侧变流器的功率外环，电流内环的双闭环控制，向电网输送功率。
进一步地，机侧变流器的控制步骤如下，
S1.采集信号：机侧变流器的采集模块采集永磁同步发电机定子电流、发电机转速、机侧变流器开关信号及直流侧电容电压；
S2.虚拟磁链计算：计算发电机机端相电压，对电压积分得到发电机的机端虚拟磁链；
S3.定子单位有功/无功电流计算：定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的方向，由机端虚拟磁链的幅值得到机端虚拟磁链同向的定子电流三相单位无功分量及有功分量；
S4.三相电流参考指令合成：将定子电流三相单位无功分量与有功分量叠加，得到内环三相电流的参考值，即合成指令电流；
S5.SPWM调制：步骤S1的三相定子电流的采样值和步骤S4得到的指令电流的偏差经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号，再经SPWM波调制得到开关管的驱动信号，完成对发电机侧变电流器的控制。
进一步地，所述的网侧变流器的控制步骤如下，
(1)信号采集：网侧变流器采集模块采集信号交流侧电压和电流；
(2)瞬时有功、无功功率计算：根据信号交流侧电压和电流得到瞬时有功和无功功率；
(3)有功功率/无功功率指令计算：测定发电机转子转速，根据最佳功率曲线得到有功功率指令，获取电网功调度无功功率指令；
(4)电网单位有功/无功电流计算：有功功率指令和实际有功功率的偏差经PI调节器输出得到有功电流指令，无功功率指令和实际无功功率的偏差经PI调节器输出得无功电流指令；由交流侧电压计算电网电压幅值，定义电压方向为有功方向，得到电网单位有功电流、无功电流；
(5)三相电流参考指令合成：有功电流和无功电流结合功率外环输出的电流指令，计算得到三相电流参考指令；
(6)SPWM调制：步骤(1)的电流采样值和步骤(5)得到的指令电流的偏差经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号，再经SPWM波调制得到开关管的驱动信号，完成对网侧变流器的控制。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
(1)本发明结构简单易于实现，对于机侧变流器的控制本发明基于物理的控制方案，基于物理的控制方案，无需电机的模型和参数，避免对系统参数过分依赖，提高了系统的稳定性和可靠性。
(2)网侧变流器的主要目标为发电机输出功率的直接控制，本发明采用新型的直接功率控制策略，无需任何坐标变换，避免了三角函数的运算，提高了嵌入式微机执行的速度和效率，结构简单物理意义易于理解。
附图说明
图1为本发明方法控制流程框图。
图2为本发明并网控制步骤示意图。
图3为本发明机侧变流器电流内环指令合成结构图。
图4为本发明网侧变流器电流内环指令合成结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,该永磁同步直驱风力发电机系统包括依次电连接的风轮机，发电机，机侧变流器，直流侧电容，网侧变流器，变压器，发电机为直驱永磁同步风力发电机，机侧、网侧变流器设有信号采集模块和处理模块。风轮机捕获风能带动永磁同步发电机转动。
本发明的控制方法为：机侧变流器的处理模块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐标系，采用外环为电压环，内环为电流环的双闭环策略控制机侧变流器，维持直流侧电压稳定。
网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率、发电机的最大功率追踪算法得到有功功率指令，获取电网调度无功功率，进行有功功率及无功功率外环控制；通过合成三相电流参考指令，实现电流内环控制，由此构成网侧变流器的功率外环，电流内环的双闭环控制，向电网输送功率。
结合图2所示，本发明包括机侧变流器和网侧变流器的控制，控制过程详述如下：
一、机侧变流器的控制步骤
S1.采集信号：机侧变流器的采集模块采集永磁同步发电机定子电流isa，isb，isc，发电机转速ωm、机侧变流器开关信号Sa，Sb，Sc，及直流侧电容电压udc。
S2.虚拟磁链计算：计算发电机机端相电压usa，usb，usc，对电压积分得到发电机的机端虚拟磁链ψva，ψvb，ψvc，计算公式如下：
对于积分环节，采用两个级联的一阶低通滤波器代替。其传递函数为
其中ωm为同步发电机的角频率，由于变流器器输出PWM电压含有高次谐波，对其进行积分运算，以获得仅含基波分量的机端虚拟磁链，这样消除纯积分固有的漂移及饱和特性影响，可将机端虚拟磁链的PWM电压积分计算改为依转速变化的变频滤波计算。
S3.定子单位有功/无功电流计算：定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的方向，计算机端虚拟磁链的幅值ψv，
计算电流三相单位无功分量为：
其中ε为较小的正数，为在数学上避免除零运算。
构造出发电机定子电流三相单位有功分量为：
S4.三相电流参考指令合成：直流侧参考电压和信号采集模块的采样值udc的偏差经PI调节器输出得发电机无需外部无功励磁给定则取零，实现单位功率因数运行，然后按下列公式6计算得到内环三相电流的参考值
机侧变流器电流内环指令合成结构见图3。
S5.SPWM调制：步骤S1的三相定子电流的采样值isa，isb，isc和步骤S4得到的指令电流的偏差经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号usa *，usb *，usc *，再经SPWM波调制得到开关管的驱动信号sa，sb，sc，完成对发电机侧变电流器的控制：即外环为电压环，内环为电流环的双闭环控制。
二、网侧变流器的控制步骤
(1).信号采集：网侧变流器采集模块采集信号交流侧电压uga，ugb，ugc，，电流信号iga，igb，igc。
(2)瞬时有功、无功功率计算：根据信号交流侧电压和电流得到瞬时有功功率Pg，瞬时无功功率Qg：
pg＝ugaiga+ugbigb+ugcigc，
(3)有功功率/无功功率指令计算：由转速测量模块检测到的发电机转子转速ωm，根据最佳功率曲线得到有功功率的指令为：
(其中ρ为空气密度，Ar为风力机扫过的面积，R为风力机叶片的半径，CP_opt为最佳叶尖速比λopt对应的最大风能利用系数，ΔP为发电机总得的有功损耗。)
根据电网的调度指令风力发电系统为电网提供一定的无功支撑电网无功调度指令为Qg *。
(4)电网单位有功/无功电流计算：有功指令和实际有功Pg的偏差经PI调节器输出得到有功电流指令ipg *，无功指令Qg *和实际无功Qg的偏差经PI调节器输出得无功电流指令iqg *，由网侧电压的采样值uga，ugb，ugc按公式(9)计算电网电压幅值ut，定义电压方向为有功方向，按公式(10),公式(11)计算单位有功正交电流分量vga,vgb,vgc，单位无功电流分量wga,wgb,wgc：
(5)三相电流参考指令合成：步骤(3)得到的有功电流和无功电流结合功率外环输出的电流指令，计算得到三相电流参考指令；
三相电流参考指令按公式12计算：
网侧变流器电流内环指令合成结构见图4。
(6)SPWM调制：步骤(1)的电流采样值iga，igb，igc和步骤(5)得到的指令电流的偏差经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号再经SPWM波调制得到开关管的驱动信号sa，sb，sc,完成对网侧变流器的控制：即网侧变流器的功率外环，电流内环的双闭环直接功率控制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法，该系统包括依次电连接的风轮机，发电机，机侧变流器，直流侧电容，网侧变流器，变压器，所述的发电机为直驱永磁同步风力发电机，所述的机侧、网侧变流器设有信号采集模块和处理模块，其特征在于：机侧变流器的处理模块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐标系，采用外环为电压环，内环为电流环的双闭环策略控制机侧变流器，维持直流侧电压稳定；
网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率、发电机的最大功率追踪算法得到有功功率指令，获取电网调度无功功率，进行有功功率及无功功率外环控制；通过合成三相电流参考指令，实现电流内环控制，由此构成网侧变流器的功率外环，电流内环的双闭环控制，向电网输送功率：
所述的机侧变流器的控制步骤如下：
S1.采集信号：机侧变流器的采集模块采集永磁同步发电机定子电流、发电机转速、机侧变流器开关信号及直流侧电容电压；
S2.虚拟磁链计算：计算发电机机端相电压，对电压积分得到发电机的机端虚拟磁链；
S3.定子单位有功/无功电流计算：定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的方向，由机端虚拟磁链的幅值得到机端虚拟磁链同向的定子电流三相单位无功分量及有功分量；
S4.三相电流参考指令合成：将定子电流三相单位无功分量与有功分量叠加，得到内环三相内流的参考值，即合成指令电流；
S5.SPWM调制：步骤S1的三相定子电流的采样值和步骤S4得到的指令电流的偏差经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号，再经SPWM波调制得到开关管的驱动信号，完成对发电机侧变电流器的控制；
以上所述的步骤S1中采集得到发电机定子电流isa，isb，isc，发电机转速wm、机侧变流器开关信号Sa，Sb，Sc，及直流侧电容电压udc；步骤S2中发电机机端相电压usa，usb，usc，及发电机的机端虚拟磁链ψva，ψvb，ψvc，计算公式如下：
步骤S3中机端虚拟磁链的幅值按公式3计算：
定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的方向，则可得与机端虚拟磁链同向的三相单位无功分量为：
其中ε为较小的正数，为在数学上避免除零运算；
构造出发电机定子电流三相单位有功分量为：
2.根据权利要求1所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法，其特征在于：所述的网侧变流器的控制步骤如下，
(1)信号采集：网侧变流器采集模块采集信号交流侧电压和电流；
(2)瞬时有功、无功功率计算：根据信号交流侧电压和电流得到瞬时有功和无功功率；
(3)有功功率/无功功率指令计算：测定发电机转子转速，根据最佳功率曲线得到有功功率指令，获取电网功调度无功功率指令；
(4)电网单位有功/无功电流计算：有功功率指令和实际有功功率的偏差经PI调节器输出得到有功电流指令，无功功率指令和实际无功功率的偏差经PI调节器输出得无功电流指令；由交流侧电压计算电网电压幅值，定义电压方向为有功方向，得到电网单位有功电流、无功电流；
(5)三相电流参考指令合成：单位有功电流和无功电流指令结合功率外环输出的电流指令，计算得到三相电流参考指令；
(6)SPWM调制：步骤(1)的电流采样值和步骤(5)得到的指令电流的偏差经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号，再经SPWM波调制得到开关管的驱动信号，完成对网侧变流器的控制。
3.如权利要求1所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法，其特征在于：
步骤S4中首先直流侧参考电压U*dc和信号采集模块的采样值Udc的偏差经PI调节器输出得i*sp，发电机无需外部无功励磁给定则i*sq取零，实现单位功率因数运行，然后按下列公式6计算得到内环三相电流的参考值i*sa，i*sb，i*sc：
4.如权利要求1所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法，其特征在于：网侧变流器的控制步骤(1)中侧变流器采集模块采集信号交流侧电压uga，ugb，ugc，电流信号iga，igb，igc，步骤(2)中瞬时有功功率Pg，瞬时无功功率Qg按下式计算：
5.如权利要求2所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法，其特征在于：步骤(3)中转速测量模块检测到的发电机转子转速ωm，根据最佳功率曲线得到有功功率的指令为P* opt：
其中ρ为空气密度，Ar为风力机扫过的面积，R为风力机叶片的半径，CP_opt为最佳叶尖速比λopt对应的最大风能利用系数，ΔP为发电机总得的有功损耗，根据电网的调度指令风力发电系统为电网提供一定的无功支撑电网无功调度指令为Q*g。
6.如权利要求2所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法，其特征在于：步骤(4)中有功指令P*opt和实际有功Pg的偏差经PI调节器输出得到有功电流指令i*pg，无功指令Q*g和实际无功Qg的偏差经PI调节器输出得无功电流指令i*qg，由网侧电压的采样值Uga，Ugb，Ugc按公式(9)计算电网电压幅值ut，按公式(10),公式(11)计算单位有功电流分量vga,vgb,vgc，单位无功电流分量wga,wgb,wgc：
7.如权利要求6所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法，其特征在于：步骤(5)中，三相电流参考指令i*ga，i*gb，i*gc按公式(12)计算：
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| CN103795081A (zh) * | 2014-01-27 | 2014-05-14 | 太原科技大学 | 直驱型风电系统低电压穿越的控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 变速笼型异步风力发电机组的控制策略研究;余国龙;《万方学位论文》;20160505;第7、26-31、42-44页 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105896600A (zh) | 2016-08-24 |
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