CN111049177B - 一种直驱风机虚拟同步发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直驱风机虚拟同步发电系统，包括：系统由新能源并网系统和变流器控制单元组成，变流器控制单元机侧变流器控制单元、网侧变流器控制单元和直流储能变换器控制单元。本发明通过机侧变流器控制单元、直流储能变换器控制单元调节直流母线电压，通过网侧变流器控制单元实现最大风能跟踪，网侧变流器控制单元对外展示的虚拟惯性由风轮惯性、中间直流环节惯性、直流储能惯性组成，在实现最大功率点跟踪的同时能够辅助电网调压、调频，能够呈现类似传统电机惯性，提高电网系统的稳定性。

Description

一种直驱风机虚拟同步发电系统

技术领域

本发明属于风力发电机并网技术领域，具体涉及一种直驱风机虚拟同步发电系统。

背景技术

随着的大规模开发利用，风电发展也出现了一些新的问题和挑战。突出表现为风电并网消纳问题和风电机组运行可靠性问题，主要是由于风能资源与电力需求在地域分布和时间分布上不均衡以及风能资源的随机间歇特性等造成的。风能资源与电力需求在地域和时间上分布不均衡问题通常导致大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心，在更大的地域范围内消纳。风能资源的随机间歇特性，会对电网的电压和频率稳定性、电能质量等方面造成影响。随着风电装机容量越来越大，在电网系统中所占比例逐步增加，风电场的运行对系统稳定性的影响变得越来越大，使得是整个电网系统惯性减小，影响系统稳定性。

借鉴传统电网中的同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，且能主动参与电网电压和频率的调节，将其应用于并网变流器的虚拟同步发电机控制，在促进新能源并网方面的作用逐渐得到重视与发掘。但风力发电并网变流器在采用虚拟同步发电机技术时，研究如何提供必要的并网虚拟惯性支撑方案，对提高虚拟同步发电机技术在风力发电并网系统中具有重要的现实意义。

发明内容

为了解决风力发电并网现有技术中所存在的不足，本发明提供一种直驱风机虚拟同步发电系统。

本发明提供的技术方案是：

一种直驱风机虚拟同步发电系统，所述系统由新能源并网系统和变流器控制单元组成，其改进之处在于，所述控制单元包括：机侧变流器控制单元、网侧变流器控制单元和直流储能变换器控制单元；

所述机侧变流器控制单元，用于利用新能源并网系统中的机侧变流器的直流电压反馈生成机侧变流器驱动脉冲，并利用所述机侧变流器驱动脉冲控制新能源并网系统中的机侧变流器；

所述直流储能变换器控制单元，用于利用新能源并网系统中的直流储能变换器的直流电压反馈生成储能变换器驱动脉冲，并利用所述储能变换器驱动脉冲控制新能源并网系统中的储能变换器；

所述网侧变流器控制单元，用于利用电网调度指令或最大功率点跟踪指令生成网侧变流器驱动脉冲，并利用所述网侧变流器驱动脉冲控制新能源并网系统中的网侧变流器。

优选的，所述机侧变流器控制单元包括依次连接的直流电压下垂控制器、机侧电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述直流电压下垂控制器，用于根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第一直流电压给定值V_dc1 ^*、第一直流电压下限值V_dclow1和第一直流电压上限值V_dcup1生成转矩电流指令i_t；

所述机侧电流闭环控制器，用于根据其输入的转矩电流指令i_t、定子电流反馈i_s和励磁电流指令i_m生成机侧电流闭环控制器调制波；

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的机侧电流闭环控制器调制波，经脉冲宽度调制后，生成机侧变流器驱动脉冲。

优选的，所述直流储能变换器控制单元包括依次连接的直流电压下垂控制器、直流储能电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述直流电压下垂控制器，用于根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第二直流电压给定值V_dc2 ^*、第二直流电压下限值V_dclow2和第二直流电压上限值V_dcup2，生成直流电流指令i_dc；

所述直流储能电流闭环控制器，用于根据其输入的直流电流指令i_dc和直流电流反馈i_dc ^*，生成直流储能电流闭环控制器调制波；

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的直流储能电流闭环控制器输出的调制波，经脉冲宽度调制后，生成直流储能变换器驱动脉冲。

优选的，所述网侧变流器控制单元包括依次相连的虚拟同步电机控制器、电压电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述虚拟同步电机控制器，用于根据其输入的电网调度指令或最大功率点跟踪指令P₀，无功功率指令Q₀、有功功率P和无功功率Q、电压幅值V和电网角频率ω_g，生成电压幅值指令E和功角ψ；

所述电压电流闭环控制器，用于根据其输入的输出电压V_abc、电感电流I_abc、电压幅值指令E和功角ψ，生成电压电流闭环控制器调制波；

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的电压电流闭环控制器输出的调制波，经脉冲宽度调制后，生成网侧变流器驱动脉冲。

进一步的，所述根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第一直流电压给定值V_dc1 ^*、第一直流电压下限值V_dclow1和第一直流电压上限值V_dcup1生成转矩电流指令i_t，包括：

按下式确定转矩电流指令i_t：

其中，i_tMPPT为最大功率点跟踪电流指令。

进一步的，所述根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第二直流电压给定值V_dc2 ^*、第二直流电压下限值V_dclow2和第二直流电压上限值V_dcup2，生成直流电流指令i_dc，包括：

按下式确定直流电流指令i_dc：

其中，i_{disc_max}为最大放电电流，i_{c_max}为最大充电电流。

进一步的，所述根据其输入的电网调度指令P₀，无功功率指令Q₀、有功功率P和无功功率Q、电压幅值V和电网角频率ω_g，生成电压幅值指令E和功角ψ，包括：

按下式确定电压幅值指令E：

按下式确定功角ψ：

Ψ＝∫ω

其中，ω为网侧变流器控制单元的输出角频率，V₀为额定电压幅值；

按下式确定网侧变流器控制单元的输出角频率ω：

其中，P为有功功率，K_p为一次调频系数，J为惯性系数，D为阻尼系数，K为电压系数，s为拉普拉斯算子，ω₀为额定角频率，ω_g为电网角频率。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

本发明提供一种直驱风机虚拟同步发电系统，通过机侧变流器控制单元、直流储能变换器控制单元和网侧变流器控制单元对直驱风机虚拟同步发电机进行控制，使得网侧变流器对外展示的虚拟惯性由风轮惯性、中间直流环节惯性、直流储能惯性组成，在实现最大功率点跟踪电网调度的同时能够辅助电网调压、调频，能够呈现类似传统电机惯性，有效地提高了电网稳定性。

该技术方案利用机侧变流器控制单元控制的机侧变流器和直流储能变换器控制单元控制的直流储能变换器调节直流母线电压，利用网侧变流器控制单元控制的网侧变流器实现最大风能跟踪。当电网频率升高或降低时，网侧变流器根据虚拟同步电机控制特性自动减小或增加输出有功功率，其将反应于中间直流电压；机侧变流器将根据直流电压反馈调整风机转矩，风机转矩的调整将使风机转速随之升高或者降低，释放风机中的转子惯性动能；直流储能变换器单元将根据直流电压反馈调整直流储能的充放电电流，调整直流储能惯性能量；中间直流环节支撑电容随着直流电压的变化，自动吸收和释放中间直流环节的惯性能量；直至达到输入到直流侧功率与网侧和电网的交换功率重新达到平衡，此时直流电压达到稳定。类似地，当电网电压升高或降低时，网侧变流器根据虚拟同步电机控制特性自动减小或增加无功功率，辅助电网调压。在实现最大功率点跟踪的同时能够辅助电网调压、调频，能够呈现类似传统电机惯性，提高电网系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中新能源并网系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种直驱风机虚拟同步发电机控制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中机侧变流器控制单元的控制框图；

图4为本发明实施例中机侧变流器的直流电压下垂曲线图；

图5为本发明实施例中直流储能变换器控制单元的控制框图；

图6为本发明实施例中直流储能变换器的直流电压下垂曲线图；

图7为本发明实施例中网侧变流器的直流电压下垂曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本发明实施例提出一种直驱风机虚拟同步发电系统，所述系统由新能源并网系统和变流器控制单元组成，其中，所述新能源并网系统的结构示意图如图1所示，所述控制单元包括：机侧变流器控制单元、网侧变流器控制单元和直流储能变换器控制单元。一种直驱风机虚拟同步发电机控制装置的结构示意图如图2所示，其分别作用于所述新能源并网系统机侧变流器、网侧变流器和直流储能变换器；

具体的，所述机侧变流器控制单元，用于利用新能源并网系统中的机侧变流器的直流电压反馈生成机侧变流器驱动脉冲，并利用所述机侧变流器驱动脉冲控制新能源并网系统中的机侧变流器；

所述直流储能变换器控制单元，用于利用新能源并网系统中的直流储能变换器的直流电压反馈生成直流储能变换器驱动脉冲，并利用所述直流储能变换器驱动脉冲控制新能源并网系统中的直流储能变换器；

所述网侧变流器控制单元，用于利用电网调度指令或最大功率点跟踪指令生成网侧变流器驱动脉冲，并利用所述网侧变流器驱动脉冲控制新能源并网系统中的网侧变流器。

进一步的，所述机侧变流器控制单元主要由直流电压外环和定子电流内环组成。通过采集直流电压送入直流下垂环，如图4所示，通过直流电压下垂曲线给出转矩电流指令，结合励磁电流指令与定子电流反馈进行比较，通过定子电流调节器输出调制波，通过脉冲宽度调制输出机侧变流器驱动脉冲，如图3所示，包括依次连接的直流电压下垂控制器、机侧电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述直流电压下垂控制器，用于根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第一直流电压给定值V_dc1 ^*、第一直流电压下限值V_dclow1和第一直流电压上限值V_dcup1生成转矩电流指令i_t；

所述机侧电流闭环控制器，用于根据其输入的转矩电流指令i_t、定子电流反馈i_s和励磁电流指令i_m生成机侧电流闭环控制器调制波，其中，该过程在现有技术中已非常成熟，主要通过采集定子电流i_s，结合直流电压下垂曲线给出转矩电流指令i_t与励磁电流i_m指令形成定子电流指令i_s ^*，与定子电流反馈i_s进行比较，通过定子电流调节器调节输出调制波，是定子电流调节器决定了如何获得调制波，如采用比例积分调节，则比较差值经过比例积分后得到调制波。

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的机侧电流闭环控制器调制波，经脉冲宽度调制后，生成机侧变流器驱动脉冲。

所述直流储能变换器控制单元主要由直流电压下垂环和直流电流内环组成。通过采集直流电压送入直流电压下垂环，如图6所示，通过直流储能变换器直流电压下垂曲线给出直流电流指令，与直流电流反馈进行比较，通过直流电流调节器输出调制波，通过脉冲宽度调制输出直流储能变换器驱动脉冲，如图5所示，包括依次连接的直流电压下垂控制器、直流储能电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述直流电压下垂控制器，用于根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第二直流电压给定值V_dc2 ^*、第二直流电压下限值V_dclow2和第二直流电压上限值V_dcup2，生成直流电流指令i_dc；

所述直流储能电流闭环控制器，用于根据其输入的直流电流指令i_dc和直流电流反馈i_dc ^*，生成直流储能电流闭环控制器调制波，其中，该过程在现有技术中已非常成熟，主要采集直流电流i_dc，直流电压下垂控制器输出的直流电流指令i_dc和直流电流反馈i_dc ^*进行比较，通过直流电流调节器调节输出调制波，是直流电流调节器决定了如何获得调制波。如采用比例积分调节，则比较差值经过比例积分后得到调制波。

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的直流储能电流闭环控制器输出的调制波，经脉冲宽度调制后，生成直流储能变换器驱动脉冲。

所述网侧变流器控制单元主要由虚拟同步电机外环和电压电流双闭环组成。通过采集输出电压、输出电流计算得到有功功率、无功功率、电压幅值和频率，送入虚拟同步电机控制环，与有功功率、无功功率调度指令比较后，通过一次调频、调压系数K_p、K_Q以及惯性系数J、阻尼系数D、电压系数K得到电压幅值和频率指令，再通过电压电流双闭环和脉冲宽度调制输出网侧变流器驱动脉冲，如图7所示，包括依次相连的虚拟同步电机控制器、电压电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述虚拟同步电机控制器，用于根据其输入的电网调度指令或最大功率点跟踪指令P₀，无功功率指令Q₀、有功功率P和无功功率Q、电压幅值V和电网角频率ω_g，生成电压幅值指令E和功角ψ；

所述电压电流闭环控制器，用于根据其输入的输出电压V_abc、电感电流I_abc、电压幅值指令E和功角ψ，生成电压电流闭环控制器调制波，其中，该过程在现有技术中已非常成熟，主要采集输出电压V_abc和电感电流I_abc，电压幅值E和功角ψ形成电压指令V_abc ^*，与电压反馈进行比较，经过电压调节器调节输出电流指令I_abc ^*，与电感电流I_abc进行比较，经过电流调节器调节得到输出调制波；是电流调节器决定了如何获得调制波。如采用比例积分调节，则比较差值经过比例积分后得到调制波。

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的电压电流闭环控制器输出的调制波，经脉冲宽度调制后，生成网侧变流器驱动脉冲。

根据风机工作范围、直流储能容量设置机侧变流器和直流储能变换器直流下垂曲线的电压上、下限。机侧变流器、直流储能变换器调节直流母线电压，网侧变流器实现最大风能跟踪。当电网频率升高/降低时，网侧变流器根据虚拟同步电机控制特性自动减小/增加输出功率。其将反应于中间直流电压，而机侧变流器和直流储能将根据曲线调整输入到直流侧功率重新达到直流电压平衡。此时网侧对外特性曲线展示的虚拟惯性由风轮惯性、中间直流环节惯性、直流储能惯性组成，在实现最大功率点跟踪/电网调度的同时能够辅助电网调压、调频。并能够呈现类似传统电机惯性，有助于电网稳定。

详细的，所述根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第一直流电压给定值V_dc1 ^*、第一直流电压下限值V_dclow1和第一直流电压上限值V_dcup1生成转矩电流指令i_t，其下垂曲线如图4所示，具体包括：

按下式确定转矩电流指令i_t：

其中，i_tMPPT为最大功率点跟踪电流指令。

详细的，所述根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第二直流电压给定值V_dc2 ^*、第二直流电压下限值V_dclow2和第二直流电压上限值V_dcup2，生成直流电流指令i_dc，其下垂曲线如图6所示，具体包括：

按下式确定直流电流指令i_dc：

其中，i_{disc_max}为最大放电电流，i_{c_max}为最大充电电流。

详细的，所述根据其输入的电网调度指令P₀，无功功率指令Q₀、有功功率P和无功功率Q、电压幅值V和电网角频率ω_g，生成电压幅值指令E和功角ψ，包括：

按下式确定电压幅值指令E：

按下式确定功角ψ：

Ψ＝∫ω

按下式确定角频率ω：

其中，P₀为电网调度指令/MPPT跟踪、Q₀为无功功率指令、P为有功功率、Q为无功功率、V为输出电压幅值、ω_g为电网角频率、K_p为一次调频系数、K_Q为一次调压系数、J为惯性系数、D为阻尼系数、K为电压系数、s为拉普拉斯算子、ω₀为额定角频率，V₀为额定电压幅值。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种直驱风机虚拟同步发电系统，所述系统由新能源并网系统和变流器控制单元组成，其特征在于，所述控制单元包括：机侧变流器控制单元、网侧变流器控制单元和直流储能变换器控制单元；

所述机侧变流器控制单元，用于利用新能源并网系统中的机侧变流器的直流电压反馈生成机侧变流器驱动脉冲，并利用所述机侧变流器驱动脉冲控制新能源并网系统中的机侧变流器；

所述直流储能变换器控制单元，用于利用新能源并网系统中的直流储能变换器的直流电压反馈生成储能变换器驱动脉冲，并利用所述储能变换器驱动脉冲控制新能源并网系统中的储能变换器；

所述网侧变流器控制单元，用于利用电网调度指令或最大功率点跟踪指令生成网侧变流器驱动脉冲，并利用所述网侧变流器驱动脉冲控制新能源并网系统中的网侧变流器；

所述直流储能变换器控制单元包括依次连接的直流电压下垂控制器、直流储能电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述直流电压下垂控制器，用于根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第二直流电压给定值V_dc2 ^*、第二直流电压下限值V_dclow2和第二直流电压上限值V_dcup2，生成直流电流指令i_dc；

所述直流储能电流闭环控制器，用于根据其输入的直流电流指令i_dc和直流电流反馈i_dc ^*，生成直流储能电流闭环控制器调制波；

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的直流储能电流闭环控制器调制波，经脉冲宽度调制后，生成直流储能变换器驱动脉冲；

所述根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第二直流电压给定值V_dc2 ^*、第二直流电压下限值V_dclow2和第二直流电压上限值V_dcup2，生成直流电流指令i_dc，包括：

按下式确定直流电流指令i_dc：

其中，i_{disc_max}为最大放电电流，i_{c_max}为最大充电电流；

所述网侧变流器控制单元包括依次相连的虚拟同步电机控制器、电压电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述虚拟同步电机控制器，用于根据其输入的电网调度指令或最大功率点跟踪指令P₀，无功功率指令Q₀、有功功率P和无功功率Q、电压幅值V和电网角频率ω_g，生成电压幅值指令E和功角ψ；

所述电压电流闭环控制器，用于根据其输入的输出电压V_abc、电感电流I_abc、电压幅值指令E和功角ψ，生成电压电流闭环控制器调制波；

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的电压电流闭环控制器输出的调制波，经脉冲宽度调制后，生成网侧变流器驱动脉冲；

用于根据其输入的电网调度指令或最大功率点跟踪指令P₀，无功功率指令Q₀、有功功率P和无功功率Q、电压幅值V和电网角频率ω_g，生成电压幅值指令E和功角ψ，包括：

按下式确定电压幅值指令E：

按下式确定功角ψ：

Ψ＝∫ω

其中，ω为网侧变流器控制单元的输出角频率，V₀为额定电压幅值；

按下式确定网侧变流器控制单元的输出角频率ω：

其中，P为有功功率，K_p为一次调频系数，J为惯性系数，D为阻尼系数，K为电压系数，s为拉普拉斯算子，ω₀为额定角频率，ω_g为电网角频率。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机侧变流器控制单元包括依次连接的直流电压下垂控制器、机侧电流闭环控制器和脉冲宽度调制器；

所述直流电压下垂控制器，用于根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第一直流电压给定值V_dc1 ^*、第一直流电压下限值V_dclow1和第一直流电压上限值V_dcup1生成转矩电流指令i_t；

所述机侧电流闭环控制器，用于根据其输入的转矩电流指令i_t、定子电流反馈i_s和励磁电流指令i_m生成机侧电流闭环控制器调制波；

所述脉冲宽度调制器，用于根据其输入的机侧电流闭环控制器调制波，经脉冲宽度调制后，生成机侧变流器驱动脉冲。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述根据其输入的机侧直流电压反馈V_dc、第一直流电压给定值V_dc1 ^*、第一直流电压下限值V_dclow1和第一直流电压上限值V_dcup1生成转矩电流指令i_t，包括：

按下式确定转矩电流指令i_t：

其中，i_tMPPT为最大功率点跟踪电流指令。

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