CN106099903A - 一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统及其控制方法，属于分布式能源发电、并网领域，所述并网系统包括双馈风力发电机、本地负荷、二极管不控整流换流器和交流滤波器；所述双馈风力发电机发出的电能中一部分通过交流母线供给本地负荷，所述双馈风力发电机发出的电能中剩余部分通过所述交流母线连接所述二极管不控整流换流器后汇入直流配电网中的汇流母线，所述交流滤波器连接在所述交流母线上。其控制方法是双馈风力发电机通过二极管不控整流换流器并入直流配电网中的汇流母线，通过改变双馈风力发电机的转子侧换流器的控制策略实现并网。本发明的优点是低成本、高效率、高可靠性。

Description

一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统及其控制 方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统及其控制方法，属于分布式能源发电、并网领域。

背景技术

随着分布式能源在电力系统中的不断发展，以及国内外学者对直流输配电技术研究的日益深入，如何实现分布式能源低成本、高效率、高可靠性的并入直流输配电网引起了人们的广泛关注。

一般而言，当双馈风力发电机(DFIG)作为分布式电源存在于直流配电网中时，其发出的电能一部分用于供给本地负荷，剩余部分通过电压源型换流器汇入直流配网系统中。由于电压源型换流器可以控制其所连交流系统的电压和频率，双馈风力发电机(DFIG)无需对其输出电压的幅值和频率进行控制。但采用电压源型换流器将双馈风力发电机(DFIG)进行并网，成本高、安装复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种低成本、高效率、高可靠性的双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统及其控制方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统，其包括双馈风力发电机、本地负荷、二极管不控整流换流器和交流滤波器；所述双馈风力发电机发出的电能中一部分通过交流母线供给本地负荷，所述双馈风力发电机发出的电能中剩余部分通过所述交流母线连接所述二极管不控整流换流器后汇入直流配电网中的汇流母线，所述交流滤波器连接在所述交流母线上。

进一步的，所述二极管不控整流换流器为双桥十二脉冲不控整流换流器。

一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网控制方法如下：所述双馈风力发电机通过二极管不控整流换流器并入直流配电网中的汇流母线，通过改变双馈风力发电机的转子侧换流器的控制策略实现并网，其具体步骤如下：

步骤1、根据公式(1)～公式(4)计算出转子电压d轴分量的参考值u^* _dr：

首先，利用公式(1)求得等效励磁电流i_ms，公式(1)如下：

$i_{ms}=\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_e{L}_m}---\left(1\right)$

其中，u_s为定子侧相电压幅值；

ω_e为定子侧相电压频率；

L_m为dq坐标系下等效定子绕组与转子绕组间的互感；

利用公式(2)求得等效励磁电流的参考值i^* _ms，公式(2)如下：

$i_{ms}^{*}=K_P(w_e^{*}-w_e)---\left(2\right)$

其中，K_P为控制参数；

w^* _e为定子侧相电压频率的参考值；

ω_e为定子侧相电压频率；

将公式(1)求得的等效励磁电流i_ms和公式(2)求得的等效励磁电流的参考值i^* _ms代入公式(3)得到双馈风力发电机转子电流d轴分量的参考值i^* _dr，公式(3)如下：

$i_{dr}^{*}=K_{P1}(i_{ms}^{*}-i_{ms})+K_{I1}\∫(i_{ms}^{*}-i_{ms})dt---\left(3\right)$

其中，K_P1、K_I1均为控制参数；

将公式(3)求得的双馈风力发电机转子电流d轴分量的参考值i^* _dr代入公式(4)得到转子电压d轴分量的参考值u^* _dr，公式(4)如下：

$u_{dr}^{*}=K_{P2}(i_{dr}^{*}-i_{dr})+K_{I2}\∫(i_{dr}^{*}-i_{dr})dt+{\mathrm{\Δu}}_{dr}---\left(4\right)$

其中，K_P2、K_I2均为控制参数；

Δu_dr为转子电压d轴分量参考值的修正量；

步骤2、由风力发电机的转子转速ω_r和最大功率跟踪曲线获得风力发电输出功率的参考值P^* _G，再根据公式(5)～公式(6)计算出转子电压q轴分量的参考值u^* _qr；

首先，利用公式(5)求得双馈风力发电机转子电流q轴分量的参考值i^* _qr，公式(5)如下：

$i_{qr}^{*}=K_{P3}(P_G^{*}-P_G)+K_{I3}\∫(P_G^{*}-P_G)dt---\left(5\right)$

其中，K_P3、K_I3均为控制参数；

P^* _G为风力发电输出功率的参考值；

P_G为双馈风力发电机的输出功率；

将公式(5)求得的双馈风力发电机转子电流q轴分量的参考值i^* _qr代入公式(6)得到转子电压q轴分量的参考值u^* _qr，公式(6)如下：

$u_{qr}^{*}=K_{P4}(i_{qr}^{*}-i_{qr})+K_{I4}\∫(i_{qr}^{*}-i_{qr})dt+{\mathrm{\Δu}}_{qr}---\left(6\right)$

其中，K_P4、K_I4均为控制参数；

i_qr为双馈风力发电机转子电流的q轴分量；

Δu_qr为转子电压q轴分量参考值的修正量；

步骤3、对转子电压d轴分量的参考值u^* _dr和转子电压q轴分量的参考值u^* _qr进行派克反变换，得到风力发电机转子三相电压的参考值，然后采用脉冲宽度调制获得转子侧换流器的触发脉冲信号。

本发明的有益效果如下：

由于通过双馈风力发电机的转子侧换流器对其输出电压的幅值和频率进行控制，使得双馈风力发电机可以通过二极管不控整流换流器并入直流配电网，从而大大降低了双馈风力发电机的并网成本，并使其并网系统的可靠性和效率均有所提高；此外，本发明还可以保证对双馈风力发电机输出功率的最大功率跟踪控制。

附图说明

图1为本发明中双馈风力发电机通过二极管不控整流换流器并入直流配电网的并网系统结构示意图。

图2为本发明中双馈风力发电机的转子侧换流器的控制框图。

图3-a为本发明中双馈风力发电机在输入风速突变时，双馈风力发电机的输出电压的幅值变化曲线图。

图3-b为本发明中双馈风力发电机在输入风速突变时，双馈风力发电机的输出电压的频率变化曲线图。

图3-c为本发明中测得的直流配电网中的汇流母线的电压变化曲线图。

图3-d为本发明中双馈风力发电机输出的无功功率变化曲线图。

图3-e为本发明中双馈风力发电机在输入风速突变时，双馈风力发电机输出的有功功率及其参考值的变化曲线图。

其中，1双馈风力发电机、1-1转子侧换流器、1-2网侧换流器、2本地负荷、3二极管不控整流换流器、4交流滤波器、5交流母线、6直流配电网中的汇流母线。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3-a～图3-e以及实施例对本发明做进一步的描述。

本实施例所采用的并网系统包括双馈风力发电机1、本地负荷2、二极管不控整流换流器3和交流滤波器4；所述双馈风力发电机1发出的电能中一部分通过交流母线5供给本地负荷2，所述双馈风力发电机1发出的电能中剩余部分通过所述交流母线5连接所述二极管不控整流换流器3后汇入直流配电网中的汇流母线6，所述交流滤波器4连接在所述交流母线5上。

进一步的，所述二极管不控整流换流器3为双桥十二脉冲不控整流换流器。

图2是风力发电机转子侧换流器的控制原理图，转子侧换流器的控制策略的实现过程为：

利用上述并网系统完成的针对双馈风力发电机并入直流输配电网的并网控制方法如下：所述双馈风力发电机通过二极管不控整流换流器3并入直流配电网中的汇流母线6，通过改变双馈风力发电机1的转子侧换流器1-1的控制策略实现并网，其具体步骤如下：

步骤1、根据公式(1)～公式(4)计算出转子电压d轴分量的参考值u^* _dr，该过程通过图2中所示控制框图的上半部分实现：

首先，利用公式(1)求得等效励磁电流i_ms，公式(1)如下：

$i_{ms}=\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_e{L}_m}---\left(1\right)$

其中，u_s为定子侧相电压幅值；

ω_e为定子侧相电压频率；

L_m为dq坐标系下等效定子绕组与转子绕组间的互感；

利用公式(2)求得等效励磁电流的参考值i^* _ms，公式(2)如下：

$i_{ms}^{*}=K_P(w_e^{*}-w_e)---\left(2\right)$

其中，K_P为控制参数；

w^* _e为定子侧相电压频率的参考值；

ω_e为定子侧相电压频率；

将公式(1)求得的等效励磁电流i_ms和公式(2)求得的等效励磁电流的参考值i^* _ms代入公式(3)得到双馈风力发电机转子电流d轴分量的参考值i^* _dr，公式(3)如下：

$i_{dr}^{*}=K_{P1}(i_{ms}^{*}-i_{ms})+K_{I1}\∫(i_{ms}^{*}-i_{ms})dt---\left(3\right)$

其中，K_P1、K_I1均为控制参数；

将公式(3)求得的双馈风力发电机转子电流d轴分量的参考值i^* _dr代入公式(4)得到转子电压d轴分量的参考值u^* _dr，公式(4)如下：

$u_{dr}^{*}=K_{P2}(i_{dr}^{*}-i_{dr})+K_{I2}\∫(i_{dr}^{*}-i_{dr})dt+{\mathrm{\Δu}}_{dr}---\left(4\right)$

其中，K_P2、K_I2均为控制参数；

Δu_dr为转子电压d轴分量参考值的修正量；

步骤2、由风力发电机的转子转速ω_r和最大功率跟踪曲线获得风力发电输出功率的参考值P^* _G，再根据公式(5)～公式(6)计算出转子电压q轴分量的参考值u^* _qr，该过程通过图2中所示控制框图的下半部分实现：

首先，利用公式(5)求得双馈风力发电机转子电流q轴分量的参考值i^* _qr，公式(5)如下：

$i_{qr}^{*}=K_{P3}(P_G^{*}-P_G)+K_{I3}\∫(P_G^{*}-P_G)dt---\left(5\right)$

其中，K_P3、K_I3均为控制参数；

P^* _G为风力发电输出功率的参考值；

P_G为双馈风力发电机的输出功率；

将公式(5)求得的双馈风力发电机转子电流q轴分量的参考值i^* _qr代入公式(6)得到转子电压q轴分量的参考值u^* _qr，公式(6)如下：

$u_{qr}^{*}=K_{P4}(i_{qr}^{*}-i_{qr})+K_{I4}\∫(i_{qr}^{*}-i_{qr})dt+{\mathrm{\Δu}}_{qr}---\left(6\right)$

其中，K_P4、K_I4均为控制参数；

i_qr为双馈风力发电机转子电流的q轴分量；

Δu_qr为转子电压q轴分量参考值的修正量；

步骤3、对转子电压d轴分量的参考值u^* _dr和转子电压q轴分量的参考值u^* _qr进行派克反变换，得到风力发电机转子三相电压的参考值，然后采用脉冲宽度调制获得转子侧换流器的触发脉冲信号。

如图1所示，双馈风力发电机通过二极管不控整流换流器并入直流配电网时的系统结构示意图，双馈风力发电机及其并网系统主要包括：1、一台双馈风力发电机组1；2、一个双桥十二脉波不控整流换流3；3、一套交流滤波装4；4、若干本地负荷2；5、两台变压器。

图1中的双馈风力发电机包括一个转子侧换流器和一个网侧换流器，本发明通过改变转子侧换流器的控制策略来实现对风力发电机输出电压的频率控制和电压控制，同时实现对风力发电机输出功率的最大功率跟踪。

图3-a～图3-e为转子侧换流器采用本发明所公开的控制方法时，风力发电机在输入风速突变情况下的仿真结果。图3-a中，可以看出输入风速变化时，风力发电机输出电压的幅值有所变化，但是始终维持在额定值附近。图3-b中，可以看出输入风速变化时，风力发电机输出电压的频率基本上可以保持在额定值。图3-e中，可以看出输入风速变化时，风力发电机输出的有功功率能够跟踪其参考值，说明实现了对风力发电机输出功率的最大功率跟踪控制。图3-c为测得的直流配电网汇流母线电压，图3-d为风力发电机输出的无功功率。

当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变型等都将落在本发明权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统，其特征在于：其包括双馈风力发电机(1)、本地负荷(2)、二极管不控整流换流器(3)和交流滤波器(4)；所述双馈风力发电机(1)发出的电能中一部分通过交流母线(5)供给本地负荷(2)，所述双馈风力发电机(1)发出的电能中剩余部分通过所述交流母线(5)连接所述二极管不控整流换流器(3)后汇入直流配电网中的汇流母线(6)，所述交流滤波器(4)连接在所述交流母线(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网系统，其特征在于：所述二极管不控整流换流器(3)为双桥十二脉冲不控整流换流器。

3.一种双馈风力发电机并入直流输配电网的并网控制方法，其特征在于：所述双馈风力发电机通过二极管不控整流换流器(3)并入直流配电网中的汇流母线(6)，通过改变双馈风力发电机(1)的转子侧换流器(1-1)的控制策略实现并网，其具体步骤如下：

步骤1、根据公式(1)～公式(4)计算出转子电压d轴分量的参考值u^* _dr：

首先，利用公式(1)求得等效励磁电流i_ms，公式(1)如下：

$i_{ms}=\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_e{L}_m}---\left(1\right)$

其中，u_s为定子侧相电压幅值；

ω_e为定子侧相电压频率；

L_m为dq坐标系下等效定子绕组与转子绕组间的互感；

利用公式(2)求得等效励磁电流的参考值i^* _ms，公式(2)如下：

$i_{ms}^{*}=K_P(w_e^{*}-w_e)---\left(2\right)$

其中，K_P为控制参数；

w^* _e为定子侧相电压频率的参考值；

ω_e为定子侧相电压频率；

将公式(1)求得的等效励磁电流i_ms和公式(2)求得的等效励磁电流的参考值i^* _ms代入公式(3)得到双馈风力发电机转子电流d轴分量的参考值i^* _dr，公式(3)如下：

$i_{dr}^{*}=K_{P1}(i_{ms}^{*}-i_{ms})+K_{I1}\∫(i_{ms}^{*}-i_{ms})dt---\left(3\right)$

其中，K_P1、K_I1均为控制参数；

将公式(3)求得的双馈风力发电机转子电流d轴分量的参考值i^* _dr代入公式(4)得到转子电压d轴分量的参考值u^* _dr，公式(4)如下：

$u_{dr}^{*}=K_{P2}(i_{dr}^{*}-i_{dr})+K_{I2}\∫(i_{dr}^{*}-i_{dr})dt+{\mathrm{\Δu}}_{dr}---\left(4\right)$

其中，K_P2、K_I2均为控制参数；

Δu_dr为转子电压d轴分量参考值的修正量；

步骤2、由风力发电机的转子转速ω_r和最大功率跟踪曲线获得风力发电输出功率的参考值P^* _G，再根据公式(5)～公式(6)计算出转子电压q轴分量的参考值u^* _qr；

首先，利用公式(5)求得双馈风力发电机转子电流q轴分量的参考值i^* _qr，公式(5)如下：

$i_{qr}^{*}=K_{P3}(P_G^{*}-P_G)+K_{I3}\∫(P_G^{*}-P_G)dt---\left(5\right)$

其中，K_P3、K_I3均为控制参数；

P^* _G为风力发电输出功率的参考值；

P_G为双馈风力发电机的输出功率；

将公式(5)求得的双馈风力发电机转子电流q轴分量的参考值i^* _qr代入公式(6)得到转子电压q轴分量的参考值u^* _qr，公式(6)如下：

$u_{qr}^{*}=K_{P4}(i_{qr}^{*}-i_{qr})+K_{I4}\∫(i_{qr}^{*}-i_{qr})dt+{\mathrm{\Δu}}_{qr}---\left(6\right)$

其中，K_P4、K_I4均为控制参数；

i_qr为双馈风力发电机转子电流的q轴分量；

Δu_qr为转子电压q轴分量参考值的修正量；

步骤3、对转子电压d轴分量的参考值u^* _dr和转子电压q轴分量的参考值u^* _qr进行派克反变换，得到风力发电机转子三相电压的参考值，然后采用脉冲宽度调制获得转子侧换流器的触发脉冲信号。