CN107732896A - 海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,通过整流器电流控制器输出减去引入的由虚拟感抗系数决定的代数式,以改变整流器的控制策略,进而改变发电机定子侧及整流器等效模型。该方法通过功率环、电流环并通过电压矢量定向、坐标系变换及坐标系解耦的方法实现。本发明所提出的一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,应用于海上平台直流供电系统,通过控制策略实现整流器输入侧感抗的自适应变化,降低间歇性海风所引起的功率振荡对直流母线电压的影响,具有控制算法简单、输出电流纹波小、应用前景广泛等优点。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域与新能源应用领域,,特别是一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法。
背景技术
随着我国海洋经济与海洋战略的发展,海洋观测仪器、海洋勘测、海工钻井等各种海上平台已成为开发与利用海洋资源、获取海洋信息的重要途径。目前近海平台供电形式主要有柴油发电机供电、高压输电、高压输电与海上风电联合供电等,但对于远海平台而言,面对建设成本与运维成本的巨大压力,人们需寻求其它具有高可靠性的独立供电系统。随着海上风光发电技术的成熟发展,利用海洋风光资源为海上平台负载独立供电成为了可能。受平台面积限制,且供电系统容量有限,如何降低间歇性海风所引起的功率振荡对母线电压的影响,即成为海上平台风光储直流供电系统的关键问题之一。
将风光发电技术应用于海上平台时,风光的间歇性带来的电源侧随机性,而由于海风的间歇性较光照间歇性时间更短,故其对容量有限的风光储微电网系统的稳定性影响更大,成为其正常运行首要面对并亟待解决的关键问题,同时,由于没有大惯性柴油发电机或电网对母线电压的支撑,风、光、储及海上平台各种不同供电要求的负载均需要通过电力电子功率变换器接口电路接在母线上,其自身的小惯性特征决定了系统对外部干扰极其敏感。因此,间歇性海风引起的功率振荡而造成直流母线电压波动,需要建立相应的抑制方法。与交流电力系统相比,直流电力系统由于结构简单、无无功与相位问题,使得系统可靠性更高,更适用于海上平台这种要求功率密度高、扩展灵活的应用场合。
因此,寻求降低间歇性海风所引起的功率振荡对直流母线电压的影响,对海上新能源构成的多能源独立互补供电系统的工程应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,所述海上平台风光储直流供电系统包括分别接入直流母线的风力发电单元、光伏发电单元以及储能单元,所述风力发电单元包括发电机以及整流器,且所述风力发电单元经所述整流器接入所述直流母线,按照如下步骤实现:
步骤S1:在dq两相旋转坐标系下,对所述风力发电单元中发电机输出的三相电压以及三相电流转子进行检测,将三相电压va、vb、vc与三相电流ia、ib、ic进行abc至dq坐标系转换获得两相电压vd、vq与两相电流id、iq,通过有功功率计算获得发电机输出有功功率P;其中,a、b、c分别为所述发电机输出电压三相静止的坐标系,dq为基于电压矢量定向的两相旋转坐标系,且d轴超前q轴 90°;
步骤S2:对所述发电机的转子转角位置检测,获取一转角θ;通过微分计算得到转子转速ω,并经风力最佳捕获曲线获取一功率基准Pr,并与所述发电机输出有功功率P进行比较,获取一功率误差;
步骤S3:将该功率误差通过一功率控制器Gp处理后,得到d轴电流基准idr,且令q轴电流基准iqr为零;将电流基准idr与电流基准iqr对应与发电机输出d轴、 q轴电流id、iq进行比较,分别获取对应的电流误差;
步骤S4:将所获取的电流误差分别进行对应的虚拟感抗处理以及解耦处理,并将所获取的结果进行dq到abc坐标系转换,得到电压调制信号var、vbr、vcr;
步骤S5:将所获取的电压调制信号var、vbr、vcr进行脉冲宽度调制后,生成逆变器功率器件开关信号Sx,其中,x为a、b或c;
步骤S6:通过开关信号Sx控制所述整流器中对应的功率器件的开关状态,进而对整流电路功率器件输入侧电压进行控制。
本发明一实施例中,在所述步骤S1中,通过如下方式获取所述有功功率:
本发明一实施例中,在所述步骤S4中,所述虚拟感抗处理包括将电流误差与对应的虚拟感抗代数式进行相减处理;所述虚拟感抗代数式包括d轴虚拟感抗代数式与q轴虚拟感抗代数式,所述d轴虚拟感抗代数式为:(K-1)Lds idr,所述q轴虚拟感抗代数式为:(K-1)Lqs iqr;其中,K为虚拟感抗系数,Ld、Lq分别为发电机定子绕组等效电感在d轴与q轴的等效电感,s为复频域下的复数因子。
本发明一实施例中,在所述步骤S4中,所述解耦处理包括将进行所述虚拟感抗处理后的信号,与对应的解耦代数式进行相加处理;所述解耦代数式包括d 轴解耦代数式与q轴解耦代数式,所述d轴解耦代数式为:–ωLqiqr,所述q轴解耦代数式为:ω(Ldidr+Ψ);其中,K为虚拟感抗系数,Ld、Lq分别为发电机定子绕组等效电感在d轴与q轴的等效电感,Ψ为发电机磁链,ω为发电机角速度。
本发明一实施例中,所述虚拟感抗系数K通过如下方式获取:根据所述风力发电单元的容量等级及容量配置,确定一预设功率域值δ;对所述发电机输出功率P每隔时间T进行采样读取,并与上一次读取值进行比较,得到绝对差值 |ΔP|;通过如下方式计算所述虚拟感抗系数K:
本发明一实施例中,所述风力发电单元为一直驱式风力发电系统,包括一直驱式永磁同步电机以及一三相全控整流桥;所述永磁同步电机定子侧等效电气模型中三相电路分别包括:代表电机定子感应电动势的电压源、代表输出等效内阻的电阻r与代表定子绕组等效电感的电感L;所述三相全控整流桥包括三个桥臂,且每个桥臂的上桥臂以及下桥臂均设置有一具有双向功率流的高功率开关器件,每个高功率开关器件的输出端并接一电容器后,接入电力系统直流母线。
本发明一实施例中,在所述步骤S6中,当Sx=1时,上桥臂的高功率开关器件Qx1导通、下桥臂的高功率开关器件Qx2截止;当Sx=0时,上桥臂的高功率开关器件Qx1截止、下桥臂的高功率开关器件Qx2导通。
相较于现有技术,本发明具有以下有益效果:本发明所提供一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,通过控制策略实现整流器输入侧感抗的自适应变化,实现功率变换器输出功率的柔性输出,降低间歇性海风所引起的功率振荡对直流母线电压的影响,提高在没有柴油发电机、大电网对母线电压的支撑下直流供电系统的稳定性。本发明应用于海上平台直流供电系统,具有控制算法简单、输出电流纹波小、应用前景广泛等优点。
附图说明
图1是本发明一实施例中海上平台风光储直流供电系统等效电路图。
图2是本发明一实施例中风力发电单元中永磁同步电机定子侧等效电气模型与整流器示意图。
图3是本发明一实施例中虚拟感抗系数生成原理图。
图4是本发明一实施例中虚拟感抗系数与功率变化量的关系曲线。
图5是本发明一实施例中风力发电虚拟感抗控制方法控制原理结构图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,应用于海上平台风光储直流供电系统中的直驱式风力发电单元,具体为整流器电流控制器输出减去引入的由虚拟感抗系数决定的代数式,以改变整流器的控制策略,进而改变发电机定子侧及整流器等效模型,实现整流器输入侧等效虚拟感抗的自适应变化。该方法通过功率环、电流环并通过电压矢量定向、坐标系变换及坐标系解耦的方法实现。
其中,等效整流器输入侧感抗即为虚拟感抗,由感抗系数决定。感抗系数由一定时间内的功率变化量绝对值与设定的域值相比获得,即功率变化量绝对值不超过域值时,感抗系数为1,系统无虚拟感抗,而功率变化量绝对值超过最大值时,感抗系数等于功率变化量绝对值与域值的比值。
进一步的,在本实施例中,海上平台风光储直流供电系统等效电路如图1 所示,储能系统做为主电源,稳定直流母线电压Vdc,而风力发电单元与光伏发电单元分别以等效电流源Iwd、Ipv与储能系统并联。直流供电系统中风力发电单元为永磁同步电机构成的直驱式风力发电系统,其永磁同步电机定子侧等效电气模型与整流器电路如图2所示,其中永磁同步发电机单元三相电路用电压源串联电阻r与电感L表示,分别代表电机定子感应电动势、输出等效内阻、定子绕组等效电感;整流器单元由6个具有双向功率流的高功率开关器件构成的三相整流桥构成,其输出端并接电容器后接入电力系统直流母线。
进一步的,在本实施例中,虚拟感抗系数确定方法如图3所示,首先根据具体容量等级及容量配置,设定一个功率域值δ;其次对风力发电机输出功率P 每隔时间T进行采样读取,并与上一次读取值进行比较,得到绝对差值|ΔP|;通过以下公式计算虚拟感抗系数K。
感抗系数K与功率变化量|ΔP|的关系曲线如图4所示,即功率变化量绝对值 |ΔP|不超过域值δ时,感抗系数设为1,而功率变化量绝对值|ΔP|超过域值δ时,感抗系数等于功率变化量绝对值|ΔP|与域值δ的比值。
进一步的,在本实施例中,海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗的控制原理结构如图5所示。具体包括如下步骤:
步骤S1:设abc为永磁同步发电机输出电压三相静止坐标系,dq为基于电压矢量定向的两相旋转坐标系,且d轴超前q轴90°,在dq两相旋转坐标系下,通过对发电机输出三相电压、电流以及转子转角位置的检测,将三相电压va、 vb、vc与三相电流ia、ib、ic进行abc至dq坐标系转换获得两相电压vd、vq与电流id、iq,再通过有功功率计算公式获得发电机输出有功功率P。
步骤S2:由转子转角位置检测环节可获得转角θ,再通过微分环节得到转子转速ω,经风力最佳捕获曲线获得的功率基准Pr,与发电机输出功率P进行比较,获取功率误差;
步骤S3:通过功率控制器Gp后,得到d轴电流基准idr,且令q轴电流基准 iqr为零。将idr、iqr分别与同步发电机输出d、q轴电流id、iq进行比较,获取电流误差;
步骤S4:将所获取的电流误差对应通过电流控制器Gc后,分别经虚拟感抗环节与d、q轴的感抗代数式相减、经d、q轴解耦环节与d、q轴的解耦代数式相加,以及从dq到abc轴的坐标变换后,得到电压调制信号var、vbr、vcr;其中, d、q轴虚拟感抗代数式分别为(K-1)Lds idr、(K-1)Lqs iqr;d、q轴的解耦代数式分别为–ωLqiqr、ω(Ldidr+Ψ);Ψ为永磁同步电机磁链、定子绕组等效电感在d、q 轴的等效电感为Ld、Lq,K为虚拟感抗系数。在本实施例中,ω是永磁同步发电机(PMSG)的角速度;图5所示为拉氏变换所构成的s域的模型,s为复频域下的复数因子。
步骤S5:将得到电压调制信号var、vbr、vcr通过脉冲宽度调制后,生成逆变器功率器件开关信号Sx,其中,x为a、b或c,且有Sx=1时,逆变器上桥臂开关器件Qx1导通、下桥臂开关器件Qx2截止,Sx=0时,上桥臂开关器件Qx1截止、下桥臂开关器件Qx2导通。通过三个桥臂开关信号Sa、Sb、Sc,实现对整流电路功率器件开关状态的控制,进而实现对整流桥输入侧电压的控制。
进一步的,本发明所提出的控制方法适用于由直驱式风力发电单元构成的独立直流供电系统,将其应用于海上平台风光储独立运行的直流供电系统,与并网式风力发电、独立式交流风力发电所述虚拟感抗控制方法存在着重要区别。由本发明提出的控制方法构成的海上平台风光储直流供电系统可降低间歇性海风所引起的功率振荡对直流母线电压的影响,提高系统稳定性与综合特性,并可推广到潮流能发电,在海洋能发电、海洋工程、海洋勘测方面具有巨大的应用前景。
以上是本发明的较佳实施例,凡依本发明技术方案所作的改变,所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时,均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,所述海上平台风光储直流供电系统包括分别接入直流母线的风力发电单元、光伏发电单元以及储能单元,所述风力发电单元包括发电机以及整流器,且所述风力发电单元经所述整流器接入所述直流母线,其特征在于,按照如下步骤实现:
步骤S1:在dq两相旋转坐标系下,对所述发电机输出的三相电压以及三相电流转子进行检测,将三相电压va、vb、vc与三相电流ia、ib、ic进行abc至dq坐标系转换获得两相电压vd、vq与两相电流id、iq,通过有功功率计算获得发电机输出有功功率P;其中,a、b、c分别为所述发电机输出电压三相静止的坐标系,dq为基于电压矢量定向的两相旋转坐标系,且d轴超前q轴90°;
步骤S2:对所述发电机的转子转角位置检测,获取一转角θ;通过微分计算得到转子转速ω,并经风力最佳捕获曲线获取一功率基准Pr,并与所述发电机输出有功功率P进行比较,获取一功率误差;
步骤S3:将该功率误差通过一功率控制器Gp处理后,得到d轴电流基准idr,且令q轴电流基准iqr为零;将电流基准idr与电流基准iqr对应与发电机输出d轴、q轴电流id、iq进行比较,分别获取对应的电流误差;
步骤S4:将所获取的电流误差分别进行对应的虚拟感抗处理以及解耦处理,并将所获取的结果进行dq到abc坐标系转换,得到电压调制信号var、vbr、vcr;
步骤S5:将所获取的电压调制信号var、vbr、vcr进行脉冲宽度调制后,生成功率器件开关信号Sx,其中,x为a、b或c;
步骤S6:通过开关信号Sx控制所述整流器中对应的功率器件的开关状态,进而对整流电路功率器件输入侧电压进行控制。
2.根据权利要求1所述的海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,其特征在于,在所述步骤S1中,通过如下方式获取所述有功功率:
3.根据权利要求1所述的海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,其特征在于,在所述步骤S4中,所述虚拟感抗处理包括将电流误差与对应的虚拟感抗代数式进行相减处理;所述虚拟感抗代数式包括d轴虚拟感抗代数式与q轴虚拟感抗代数式,所述d轴虚拟感抗代数式为:(K-1)Lds idr,所述q轴虚拟感抗代数式为:(K-1)Lqs iqr;其中,K为虚拟感抗系数,Ld、Lq分别为发电机定子绕组等效电感在d轴与q轴的等效电感,s为复频域下的复数因子。
4.根据权利要求1所述的海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,其特征在于,在所述步骤S4中,所述解耦处理包括将进行所述虚拟感抗处理后的信号,与对应的解耦代数式进行相加处理;所述解耦代数式包括d轴解耦代数式与q轴解耦代数式,所述d轴解耦代数式为:–ωLqiqr,所述q轴解耦代数式为:ω(Ldidr+Ψ);其中,K为虚拟感抗系数,Ld、Lq分别为发电机定子绕组等效电感在d轴与q轴的等效电感,Ψ为发电机磁链,ω为发电机角速度。
5.根据权利要求3或4所述的海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,其特征在于,所述虚拟感抗系数K通过如下方式获取:根据所述风力发电单元的容量等级及容量配置,确定一预设功率域值δ;对所述发电机输出功率P每隔时间T进行采样读取,并与上一次读取值进行比较,得到绝对差值|ΔP|;通过如下方式计算所述虚拟感抗系数K:
6.根据权利要求1所述的海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,其特征在于,所述风力发电单元为一直驱式风力发电系统,包括一直驱式永磁同步电机以及一三相全控整流桥;所述永磁同步电机定子侧等效电气模型中三相电路分别包括:代表电机定子感应电动势的电压源、代表输出等效内阻的电阻r与代表定子绕组等效电感的电感L;所述三相全控整流桥包括三个桥臂,且每个桥臂的上桥臂以及下桥臂均设置有一具有双向功率流的高功率开关器件,每个高功率开关器件的输出端并接一电容器后,接入电力系统直流母线。
7.根据权利要求6所述的海上平台风光储直流供电系统中风力发电虚拟感抗控制方法,其特征在于,在所述步骤S6中,当Sx=1时,上桥臂的高功率开关器件Qx1导通、下桥臂的高功率开关器件Qx2截止;当Sx=0时,上桥臂的高功率开关器件Qx1截止、下桥臂的高功率开关器件Qx2导通。
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