CN108565888A - 一种用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器，该稳定器包括直流电压稳定器和网侧控制器，其中直流电压稳定器用于采集风机直流电压、电网频率和风机输出有功功率在次同步频率段的振荡信号，通过计算和处理后形成端电压的补偿信号，同时将端电压的补偿信号输送至网侧控制器；网侧控制器用于实时采集风机直流电压信号、风机三相输出电流信号以及三相端电压信号，并结合所接收到的端电压补偿信号，相应调节网侧电压源型变换器的驱动信号。本发明还公开了相应的抑制风机直流电压振荡的控制方法。通过本发明，能够有效的抑制风机接入弱交流电网时风力发电系统直流电压产生的振荡，增强风机直流电压的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，更具体地，涉及一种抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器。
背景技术
永磁直驱风力发电系统主要包括风力涡轮机，永磁同步发电机，机侧电压源型变换器，直流侧电容和网侧电压源型变换器。其中，永磁直驱风力发电系统直流电压的稳定是通过控制网侧电压源型变换器来实现的，此方法得到的广泛的应用。在该方法中，将直流电压参考值和直流电压检测值做差，经过直流电压控制器后生成网侧电压源型变换器d轴电流参考值。将d轴电流参考值和d轴电流检测值做差，经过d轴电流控制器后生成d轴输出电压。网侧电压源型变换器根据d轴输出电压输出相应的有功功率。当直流电压发生变化的时候，直流电压参考值和直流电压检测值的误差也会发生变化，d轴输出电压也会根据这个误差发生变化，网侧电压源型变换器根据d轴输出电压来调节有功功率输出，从而稳定直流电压。
在美国专利US 2011/0140438 A1中公布了一种直驱型风力发电机的直流电压稳定方法。利用电网侧的并网变换器对直流电压的稳定进行调节，利用风力发电机侧的PWM整流器对风力发电机的电磁转矩进行调节。在美国专利US 7,692,321 B2中也公布了一种利用风力发电机侧的PWM整流器对直流电压的稳定性进行调节的方法。与前述方法不同之处在于此方法利用了风力发电机的转速信息，使得电网侧并网变换器对风力发电机的转速进行调控。
上述通过网侧电压源型变换器控制直流电压的方法在风机接入弱交流电网时有局限性，控制效果变差。在弱交流电网工况下，风机的有功功率输出的变化会影响并网点电压的变化，并网点电压的变化反过来会影响控制系统，从而影响风机有功功率输出，导致风机有功功率的输出会有一个延迟，不足以稳定直流电压。因此，在相关领域中需要寻求更加完善的控制方法，以解决这个实际问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器。在现有的控制方案基础上，它能有效的抑制风机接入弱交流电网时电压源型并网变换器直流电压产生的振荡。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于抑制风力发电系统直流电压振荡控制方法及系统。该方案如下：系统主要包括风力涡轮机，永磁同步发电机，机侧电压源型变换器，直流侧电容和网侧电压源型变换器。直流电压振荡的稳定器包括直流电压稳定器和网侧控制器。
所述直流电压稳定器用于检测风机直流电压、电网频率和风机输出有功功率在次同步频率的振荡信号，通过信号处理后形成端电压的补偿信号，同时将端电压的补偿信号输送至网侧控制器；
所述网侧控制器用于实时采集风机直流电压信号、风机三相输出电流信号以及三相端电压信号，并结合所接收到的端电压补偿信号，相应调节网侧电压源型变换器的驱动信号。
作为进一步优选地，所述直流电压稳定器包括比例调节器、带通滤波器和相位调节器，其中：
比例调节器用于实时采集风机直流电压信号、风机三相输出电流信号以及三相端电压信号，并基于采集值通过计算和选择得出调理信号，然后将其输出至带通滤波器；
带通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的次同步频率段的振荡信号，并将次同步频率段的振荡信号输出至相位调节器；
相位调节器用于接收次同步频率段的振荡信号，并将其相位进行调节和处理得到风机端电压补偿信号。
作为进一步优选地，所述比例调节器包括第一比例器、第二比例器、第三比例器和信号选择器，其中第一比例器采集风机直流电压信号，并输出直流电压调理信号；第二比例器采集电网频率信号，并输出电网频率调理信号；第三比例器采集风机有功功率输出信号，并输出风机有功功率输出调理信号；信号选择器采集直流电压调理信号、电网频率调理信号和风机有功功率输出调理信号，通过计算选择其中一路信号并输出。
作为进一步优选地，所述次同步频率段是频率在2Hz至50Hz之间的电气信号。
作为进一步优选地，所述相位调节是超前的相位调节，以补偿弱交流电网引起的滞后相位带来的影响。
作为进一步优选地，所述网侧控制器包括直流电压控制器、端电压计算器、端电压控制器、网侧电流控制器、锁相环和网侧驱动信号生成器。其中直流电压控制器接收风机直流电压信号和直流电压参考信号，通过计算和处理输出d轴电流参考信号，并将d轴电流参考信号输出至网侧电流控制器；端电压计算器采集风机三相端电压信号，通过计算得到风机端电压幅值信号，并将端电压幅值信号输出至端电压控制器；端电压控制器接收端电压补偿信号、端电压幅值信号和端电压幅值参考信号，通过计算和处理得到q轴电流参考信号，并将q轴电流参考信号输出至网侧电流控制器；锁相环接收风机三相端电压信号，通过锁相控制得到端电压相位信号并输送至网侧电流控制器；网侧电流控制器接收d轴电流参考信号、q轴电流参考信号、风机输出三相电流信号和端电压相位信号，通过计算和处理得到调制信号，并将调制信号输送至网侧驱动信号生成器；网侧驱动信号生成器根据所接收的调制信号得到驱动信号，并将驱动信号输送至网侧电压源型变换器。
作为进一步优选地，所述端电压控制器包括加法器、减法器、比例积分器和限幅器。其中加法器接收端电压补偿信号和端电压幅值参考信号，将两者作加法运算得到端电压修正参考信号，并将计算结果输送至减法器；减法器接收端电压修正参考信号和端电压幅值信号，将两者作减法运算得到端电压误差值，并将计算结果输送至比例积分器；比例积分器接收端电压误差值，通过计算和处理得到初始q轴电流参考信号，并送至限幅器限幅，最后得到q轴电流参考信号。
按照本发明，风机接入弱交流电网的工况下具有良好的稳定性。直流电压稳定器可以有效地抑制风力发电系统直流电压在次同步频率段的振荡，有利于保护直流电容和延长直流电容的使用寿命，有利于提高风机并网运行的稳定性。
附图说明
图1是全功率风机主电路原理示意图；
图2是直流电压稳定器原理示意图；
图3是比例调节器原理示意图；
图4是网侧控制器原理示意图；
图5是端电压控制器原理示意图。
其中，直流电压稳定器5，网侧控制器7，比例调节器51，调理信号52，带通滤波器53，振荡信号54，相位调节器55，端电压补偿信号56，第一比例器511，第二比例器512，第三比例器513，直流电压调理信号514，电网频率调理信号515，风机有功功率输出调理信号516，信号选择器517，驱动信号70，直流电压控制器71，端电压控制器72，端电压计算器73，端电压幅值信号74，d轴电流参考信号75，q轴电流参考信号76，网侧电流控制器77，调制信号771，锁相环78，端电压相位信号781，网侧驱动信号生成器79，加法器721，端电压修正参考信号722，减法器723，端电压误差值724，比例积分器725，初始q轴电流参考信号726，限幅器727，风力涡轮机21，永磁同步发电机22，机侧电压源型变换器31，直流侧电容器32，网侧电压源型变换器33，滤波器34，线路等效电抗35，电网36。
具体实施方式
本发明是用于抑制永磁直驱风力发电系统直流电压振荡的控制方法及系统，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是按照本发明的直流电压稳定器的整体原理示意图。如图1中所示，按照本发明的直流电压稳定器的应用对象譬如为永磁直驱风力发电系统，如同本领域所熟知地，该风力发电系统包括将风能转化为机械能的风力涡轮机21，将机械能转化为电能的永磁同步发电机22，将永磁同步发电机22发出的交流电压转变为直流电压的机侧电压源型变换器31，将电能进行储存的直流侧电容器32，将直流电压转换为交流电压的网侧电压源型变换器33，用于对网侧电压源型并网变换器33所输出的交流电压进行滤波处理的滤波器34，线路等效电抗35，电网36，等等。
直流电压稳定器5用于实时采集风机直流电压信号Udc、电网频率信号fgrid和风机有功功率输出信号Pwt，并基于采集值通过计算和处理得到端电压补偿信号Utcom，然后将端电压补偿信号Utcom输送至网侧控制器7。
网侧控制器7用于实时采集风机直流电压信号Udc、端电压补偿信号Utcom、风机三相输出电流信号iga、igb、igc以及三相端电压信号uta、utb、utc，并基于采集值通过计算和处理得到驱动信号70，然后执行对网侧电压源型变换器33的控制过程。
通过以上构思，相对于现有技术中的直流电压控制器仅根据直流电压Udc来计算网侧d轴电流指令信号idref的方式相比，本发明中引入了电网频率fgrid、直流电压Udc和有功功率输出Pwt，提取振荡的信号量，计算得到风机端电压补偿信号Utcom并将其输出至网侧控制器7中来共同确定对网侧电压源型变换器33的控制信号。这样，能够充分检测到实际场合下系统的次同步频率段的振荡，并将其作为参考因素体现在对电流电压的控制过程中，由此有效地抑制风机直流电压的振荡，提高系统的稳定性。
作为进一步优选地，如图2所示，直流电压稳定器5包括比例调节器51，带通滤波器53和相位调节器55。比例调节器51用于采集电网频率fgrid、直流电压Udc和有功功率输出Pwt，并基于该采集值进行比例调节计算和处理得出调理信号52，然后将其输出至带通滤波器53；带通滤波器用于接收调理信号52，并检测出其中的次同步频率段的振荡信号54，并将次同步频率段的振荡信号54输出至相位调节器55；相位调节器55用于接收次同步频率段的振荡信号54，并将其相位进行调节和处理得到风机端电压补偿信号56。
作为进一步优选地，所述带通滤波器53可以通过滤除低于2Hz和高于50Hz的振荡信号，从而检测出次同步频率段的振荡信号54。
作为进一步优选地，所述相位调节器55是一个相位超前的环节，能够对次同步频率段的振荡信号54起相位超前的作用。
作为进一步优选地，如图3所示，比例调节器51包括第一比例器511、第二比例器512、第三比例器513和信号选择器517。第一比例器511采集风机直流电压信号Udc，通过比例调节计算和处理，输出直流电压调理信号514；第二比例器512采集电网频率信号fgrid，通过比例调节计算和处理，输出电网频率调理信号515；第三比例器513采集风机有功功率输出信号Pwt，通过比例调节计算和处理，输出风机有功功率输出调理信号516；信号选择器517采集直流电压调理信号514、电网频率调理信号515和风机有功功率输出调理信号516，通过选择和处理得到其中一路信号作为调理信号52输出给带通滤波器53。
作为进一步优选地，如图4所示，网侧控制器7包括直流电压控制器71、端电压计算器73、端电压控制器72、网侧电流控制器77、锁相环78和网侧驱动信号生成器79。直流电压控制器71采集风机直流电压信号Udc，结合设定的直流电压参考信号Udcref，通过计算和处理输出d轴电流参考信号75，并将d轴电流参考信号75输出至网侧电流控制器77；端电压计算器73采集风机三相端电压信号uta、utb、utc，通过计算得到风机端电压幅值信号74，并将端电压幅值信号74输出至端电压控制器72；端电压控制器72采集端电压补偿信号Utcom和端电压幅值信号74，并结合设定的端电压幅值参考信号Utref，通过计算和处理得到q轴电流参考信号76，并将q轴电流参考信号76输出至网侧电流控制器77；锁相环78采集风机三相端电压信号uta、utb、utc，通过锁相控制得到端电压相位信号781并输送至网侧电流控制器77；网侧电流控制器77采集d轴电流参考信号75、q轴电流参考信号76、风机输出三相电流信号iga、igb、igc和端电压相位信号781，通过计算和处理得到调制信号771，并将调制信号771输送至网侧驱动信号生成器79；网侧驱动信号生成器79根据所接收的调制信号771通过一定的调制方式进行计算和处理得到驱动信号70，并将驱动信号70输送至网侧电压源型变换器33。
作为进一步优选地，如图5所示，端电压控制器72包括加法器721、减法器723、比例积分器725和限幅器727。加法器721采集端电压补偿信号Utcom和端电压幅值参考信号Utref，将两者作加法运算得到端电压修正参考信号722，并将端电压修正参考信号722输送至减法器723；减法器723采集端电压修正参考信号722和端电压幅值信号74，将两者作减法运算得到端电压误差值724，并将端电压误差值724输送至比例积分器725；比例积分器725接收端电压误差值724，通过计算和处理得到初始q轴电流参考信号726，并送至限幅器727；限幅器727对初始q轴电流参考信号726进行限幅运算得到q轴电流参考信号76。优选地，其中限幅器的最高限幅值为q轴电流额定值的1.2倍，最低限幅值为q轴电流额定值的-1.2倍。
Claims (5)
1.一种用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器，所述风力发电系统包括风力涡轮机，永磁同步发电机，机侧电压源型变换器，直流侧电容和网侧电压源型变换器；直流电压振荡的稳定器包括直流电压稳定器和网侧控制器；
所述直流电压稳定器用于检测风机直流电压、电网频率和风机输出有功功率在次同步频率范围内的振荡信号，通过信号处理后形成端电压的补偿信号，同时将端电压的补偿信号输送至网侧控制器；
所述网侧控制器用于实时采集风机直流电压信号、风机三相输出电流信号以及三相端电压信号，并结合所接收到的端电压补偿信号，相应调节网侧电压源型变换器的驱动信号。
2.如权利要求1所述的用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器，其特征在于：所述直流电压稳定器包括比例调节器、带通滤波器和相位调节器，其中：
比例调节器用于实时采集风机直流电压信号、风机三相输出电流信号以及三相端电压信号，并基于采集值通过计算和选择得出调理信号，然后将其输出至带通滤波器；
带通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的次同步频率段的振荡信号，并将次同步频率段的振荡信号输出至相位调节器；
相位调节器用于接收次同步频率段的振荡信号，并将其相位进行调节和处理得到风机端电压补偿信号。
3.如权利要求2所述的用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器，其特征在于：所述比例调节器包括第一比例器、第二比例器、第三比例器和信号选择器，其中
第一比例器采集风机直流电压信号，并输出直流电压调理信号；
第二比例器采集电网频率信号，并输出电网频率调理信号；
第三比例器采集风机有功功率输出信号，并输出风机有功功率输出调理信号；
信号选择器采集直流电压调理信号、电网频率调理信号和风机有功功率输出调理信号，通过计算选择其中一路信号并输出。
4.如权利要求1-3任意一项所述的用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器，其特征在于：所述网侧控制器包括直流电压控制器、端电压计算器、端电压控制器、网侧电流控制器、锁相环和网侧驱动信号生成器；其中直流电压控制器接收风机直流电压信号和直流电压参考信号，通过计算和处理输出d轴电流参考信号，并将d轴电流参考信号输出至网侧电流控制器；端电压计算器采集风机三相端电压信号，通过计算得到风机端电压幅值信号，并将端电压幅值信号输出至端电压控制器；端电压控制器接收端电压补偿信号、端电压幅值信号和端电压幅值参考信号，通过计算和处理得到q轴电流参考信号，并将q轴电流参考信号输出至网侧电流控制器；锁相环接收风机三相端电压信号，通过锁相控制得到端电压相位信号并输送至网侧电流控制器；网侧电流控制器接收d轴电流参考信号、q轴电流参考信号、风机输出三相电流信号和端电压相位信号，通过计算和处理得到调制信号，并将调制信号输送至网侧驱动信号生成器；网侧驱动信号生成器根据所接收的调制信号得到驱动信号，并将驱动信号输送至网侧电压源型变换器。
5.如权利要求4所述的用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器，其特征在于：所述端电压控制器包括加法器、减法器、比例积分器和限幅器；其中加法器接收端电压补偿信号和端电压幅值参考信号，将两者作加法运算得到端电压修正参考信号，并将计算结果输送至减法器；减法器接收端电压修正参考信号和端电压幅值信号，将两者作减法运算得到端电压误差值，并将计算结果输送至比例积分器；比例积分器接收端电压误差值，通过计算和处理得到初始q轴电流参考信号，并送至限幅器限幅，最后得到q轴电流参考信号。
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| CN108565888B (zh) | 2021-05-18 |
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