CN111431186A - 一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其控制方法，发电系统由至少两台带储能单元的打开定子绕组的双馈风力发电机组并联组成；所述双馈风力发电机组的定子绕组连接有定子侧变换器，双馈风力发电机组的转子绕组连接有转子侧变换器，定子侧变换器和转子侧变换器通过直流母线依次连接DC/DC变换器和储能单元；每个双馈风力发电机组均有交流侧和直流侧两个端口，交流侧端口是定子绕组的出口侧，直流侧端口是定子侧变换器、转子侧变换器和储能单元相连的直流母线；每个双馈风力发电机组直流侧端口直接为各自的直流负载供电；而各个双馈风力发电机组的交流侧端口并联到一起，共同为交流负载供电。

Description

一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及分风力发电系统领域，特别是涉及一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其功率协同控制方法。
背景技术
因为离岸海岛、草原和高原等特殊地区的地理因素和人口较少，使用输电线路为当地提供电能的成本较高，充分利用当地可再生能源发电资源开发独立供电的微电网为当地供电问题提供了一种有效的解决方案。因为可再生能源的波动性，在新能源发电配合储能系统就可以为独立微电网提供稳定的电源。并且微电网容量正在不断扩大，负载类型灵活多样，这使得大容量可再生能源发电单元和灵活的交直流混合微电网系统的应用成为了可能。双馈风力发电机以其单机容量较大，并兼具交流端口和直流端口，配合一定的储能单元就可应用于交直流混合微电网系统，为微电网系统提供电力支撑。但因为不同的风力发电机组安装的地点存在一定的差异，所以捕获的风能会存在一定的差异，并且由于负载的波动性，会造成储能单元的电量消耗速度不一致。
传统的离网型双馈风力发电系统和储能单元配合一般采用风力发电机组和储能单元并联的方式，在此种拓扑结构下可以实现对独立的交直流混合微电网进行供电，但存在一些不足之处。
第一，在电力变换的次数方面。因为，在传统的结构中储能单元升压后通过三相逆变器和双馈风力发电机的交流侧直接并联，额外需要一级直流到交流的电力变换，需要给每个储能单元额外增加一个三相逆变器，进而增加了系统的成本。
第二，在储能单元DC/DC变换器方面，传统的拓扑结构中，储能单元首先经DC/DC变换器升压，然后经三相逆变器逆变接到双馈发电机组交流侧，因此直流母线电压要比较高，增加了DC/DC变换器的成本，并且无法直接为直流负载供电，需要额外增加降压环节。
第三，传统的拓扑结构中有采用交流有功功率下垂控制的方案，可以实现各个双馈风力发电机组的交流侧功率按预先给定进行分配，但未能灵活有效地解决交直流侧的功率协调问题，仍会存在不同储能单元消耗速率不一致的情况，这些差异如果不加以调整都会造成储能单元的电量以不同的速度下降，这势必会造成系统中的一个或几个储能单元先耗尽电能，这不利于系统稳定运行。
并且传统的交直流混合微电网的功率协调是应用专门的接口变换器来实现，并且这种协调仅仅停留在交直流子网归一化下垂深度存在差异的情况下，使两个子网的归一化下垂深度趋于一致。这种方法的确可以借鉴到这种离网型交直流混合双馈风力发电系统中，但专门的接口变换器不仅会增加成本，而且还会增加控制的复杂程度。目前，还没有提出关于这种离网型交直流混合双馈风力发电系统的拓扑以及应用在这种离网型交直流混合双馈风力发电系统中的交直流侧功率协调控制策略。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其控制方法，该方法能够保证系统有相对较低的直流母线电压、灵活的供电电源和交直流有功功率的自主协调。显著提高了离网型交直流混合风力发电系统的稳定性，使储能单元的能量消耗速率大致相等，不必频繁停机更换储能单元，最大程度上延长整个系统的稳定运行时间。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种离网型交直流混合双馈风力发电系统，由至少两台带储能单元的打开定子绕组的双馈风力发电机组并联组成；所述双馈风力发电机组的定子绕组连接有定子侧变换器，双馈风力发电机组的转子绕组连接有转子侧变换器，定子侧变换器和转子侧变换器通过直流母线依次连接DC/DC变换器和储能单元；每个双馈风力发电机组均有交流侧和直流侧两个端口，交流侧端口是定子绕组的出口侧，直流侧端口是定子侧变换器、转子侧变换器和储能单元相连的直流母线；每个双馈风力发电机组直流侧端口直接为各自的直流负载供电；而各个双馈风力发电机组的交流侧端口并联到一起，共同为交流负载供电。
本发明提供的另一技术方案如下：一种离网型交直流混合双馈风力发电系统的功率协同控制方法，基于上述离网型交直流混合双馈风力发电系统，包括以下步骤：
步骤S1：计算得到各个双馈风力发电机组交流侧端口电压的参考值，用于后续定子侧变换器的控制；采集交流侧端口电压usabc和每个双馈风力发电机组的三相交流电流isabc，计算得到各个双馈风力发电机组输出的有功功率Pac，i和无功功率Qac，i；通过下垂控制策略，计算得到交流侧端口电压的频率和幅值的参考值，进而通过计算得到交流侧端口三相电压的参考值usabcref；
步骤S2：采用上一步得到的三相电压参考值usabcref，将三相电压参考值usabcref变换到dq旋转坐标系下，采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，得到定子侧变换器的输出电压参考，经过SPWM调制得到定子侧变换器的开关信号；
步骤S3：对于转子侧变换器，采用最大磁链利用效率的反电动势的值作为给定参考，也在dq旋转坐标系下采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，得到转子侧变换器的输出电压参考值，经过SPWM调制得到转子侧变换器开关信号；
步骤S4：对于储能单元的DC/DC变换器采用直流下垂控制得到直流电压参考值，然后通过电压电流双闭环控制得到DC/DC变换器的开关信号；
步骤S5：在上述步骤相应的控制基础上，通过上层控制器根据各个储能单元的输出功率大小与电池剩余容量(SOC)的关系协调交流侧与直流侧的功率，使得储能单元输出有功功率与SOC成正比，保证各个储能单元的电量下降速度趋于相同，最大程度上延长整个系统的运行时间。
优选地，步骤S1中的下垂控制策略包括交流有功功率-频率下垂控制策略和无功功率-电压幅值下垂控制策略，即式fi＝fi *+kpdroop,iPac,i和
Figure BDA0002318122880000032
其中fi是各个机组交流端口电压的频率参考值，fi *是交流端口电压频率的基准值，其值为50Hz，kpdroop,i是各个机组有功功率交流下垂系数，其值由上层控制器给定，Pac,i是各个机组所输出的交流侧有功功率大小；Ui是各个机组交流侧端口电压幅值的参考值，
Figure BDA0002318122880000031
是交流侧端口电压幅值的基准值，其值为预先给定，kqdroop,i是各个机组无功功率交流下垂系数，其值由上层控制器给定，Qac,i是各个机组所输出的交流无功功率大小。
优选地，步骤S2中具体包括以下步骤：将三相电压参考值usabcref经park变换得到d-q旋转坐标系下分别在d轴和q轴上的电压参考值usdref和usqref，将得到的d轴和q轴的电压参考值分别减去实际端口电压的测量值经park变换得到的d轴和q轴的值，将得到的差值分别经过PI控制器分别得到在d轴和q轴上的电流参考值isdref和isqref，然后利用得到的d轴和q轴电流参考值分别减去实际电流测量值经park变换得到的d轴和q轴上的分量，将得到的差值经过PI控制器再分别加上前馈补偿项，进而得到定子侧变换器输出电压参考，经过SPWM调制得到定子侧变换器的开关信号。
优选地，步骤S3中具体包括以下步骤：首先通过测量得到双馈风力发电机组定子侧电流isabc和转子侧电流irabc，然后通过估算得到磁链ψsabc，进而将磁链ψsabc求微分再加上电阻上的压降得到定子绕组上感应电动势的幅值大小Vsabc；根据双馈风力发电机的设计参数，防止磁芯饱和以及磁链利用不充分，给定一个满足磁链利用率最大的感应电动势幅值的参考值，用该值减去Vsabc，经过PI控制器得到转子侧d轴电流参考值，然后减去转子实际电流值的d轴分量，用转子电流q轴分量参考值减去转子实际电流的q轴分量，将上述两个差值分别通过PI控制器再加上前馈补偿项得到转子侧变换器的输出电压参考值，经过SPWM调制得到转子侧变换器开关信号；
优选地，步骤S4中应用下垂系数相同的有功功率-直流电压下垂控制策略得到直流电压参考值，即通过式
Figure BDA0002318122880000045
计算得到直流电压参考值，其中Udc,i是各个机组直流端口电压幅值参考值，
Figure BDA0002318122880000046
是各个机组直流端口电压基准值，其值为预先给定，且各个储能单元DC/DC变换器的值相同，kdcdroop,i是各个储能单元直流功率下垂系数，其值预先给定，并且各个储能单元DC/DC变换器的该参数的值相同，Pdc,i是各个储能单元所输出的直流功率大小。
优选地，步骤S5具体包括以下步骤：首先，采集各个储能单元DC/DC变换器的端口输出电压幅值Udc，i和各个储能单元的SOCi，根据式
Figure BDA0002318122880000041
定义新的变量Ai用于反映储能单元输出功率与剩余容量的比值大小，其中
Figure BDA0002318122880000042
是各个机组直流端口电压幅值的基准值，udc,i是各个机组直流端口电压测量值，SOCi是各个机组的储能单元的剩余容量；由于直流侧DC/DC变换器采用的是下垂系数相同的有功功率-直流电压幅值下垂控制，因此各个机组直流端口电压基准值
Figure BDA0002318122880000043
与各个机组直流端口电压幅值参考值，因为通过电压、电流双闭环控制调节，实现各机组直流端口电压参考值与实际测量电压值基本相同，因此直流端口电压基准值与实际测量电压值的差反映了各个储能单元的输出功率与剩余容量比值的大小；通过低带宽通信将各个储能单元计算得到的Ai值上传到上层控制器，通过上层控制器计算出Ai的平均值，并将各个储能单元的Ai值与计算得到的平均值进行比较，通过式
Figure BDA0002318122880000044
实现对交流侧有功功率下垂系数的调整，其中，kpdroop,i′是各个机组交流端口有功功率下垂系数的基准值，其值为常数，预先设定；m为一个系数，用于保证随着各个储能单元SOC变化而下垂系数变化速度保持稳定，防止出现下垂系数调整速度不断加大；N为发电机组的总数；上层控制器将交流侧有功功率下垂系数kpdroop,i通过低带宽通信发送到各个发电单元，以此改变各个双馈风力发电机组的交流侧输出有功功率大小，进而调节储能单元的输出有功功率大小，保证储能单元保持输出有功功率与SOC成正比，使各个储能单元的电量下降速度大致相同，最大程度上延长整个系统的运行时间。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.每个机组均存在交流侧和直流侧，因此整个系统中有交流端口和直流端口共同存在，可以灵活地为交流负载和直流负载供电，相较于单一类型电源的微电网减少了功率变换环节；
2.采用双馈风力发电机组作为可再生能源发电单元，因为双馈电机单机容量大的特点，可以有效地扩大可再生能源微电网的供电容量，并且转子侧变换器和定子侧变换器容量相较于双馈风力发电机的总容量较小，能有效的降低交直流混合微电网系统的成本；
3.采用打开定子绕组结构的双馈感应电机，相较于定子绕组闭合结构的双馈感应电机，在交流侧输出相同的交流母线电压时，所需要的直流母线电压更低，这方便了定、转子侧变换器直流母线与储能单元连接，降低DC/DC变换器升压变比，以及该直流母线电压更适合直接为直流负载供电，减少电压变换的环节；
4.与传统的交直流混合微电网相比，交流子系统与直流子系统之间不需要单独的接口变换器来协调两个子系统的功率；采用各个发电单元与上层控制器之间的低带宽通信实现交直流侧有功功率的协调，不需要各个单元之间相互通信链路的连接，能够很大程度上节约系统的成本；
5.根据储能单元SOC和直流母线电压等信息来改变交流系统的有功功率下垂系数，进而调节交流侧有功功率出力，进而改变储能单元输出功率大小，实现各个储能单元输出功率与SOC大小成正比，使各个储能单元消耗速度趋于一致；
6.通过本发明中所提出的控制策略，在风力涡轮机捕获风能存在差异或者各个单元负载不同的情况下，可以实现各个储能单元的消耗速度趋于一致，进而延长系统稳定运行时间。因此，采用本发明中所提出的基于储能单元SOC和输出功率来调整交流下垂系数，以此来进行交直流侧有功功率协调，实现各个储能单元的消耗速率趋于一致，最大程度上延长系统的整体运行时间。
附图说明
图1-1为本发明所提出的离网型交直流混合双馈风力发电系统的最简的拓扑结构。
图1-2为本发明所提出的打开定子绕组的双馈感应电机的等效电路图。
图2-1为本发明中测量信号的坐标变换信息。
图2-2为本发明中打开定子绕组的双馈感应电机定子侧变换器的控制策略。
图2-3为本发明中打开定子绕组的双馈感应电机转子侧变换器的控制策略。
图2-4为本发明中储能单元双向DC/DC变换器的控制策略。
图2-5为本发明中上层控制器协调交直流功率的控制策略。
图3-1-1为本发明应用时，在风力涡轮机捕获风能发生变化时的有功功率变化波形示意图。
图3-1-2为在风力涡轮机捕获风能发生变化时，本发明应用时与采用传统定下垂系数的下垂控制策略时的储能单元SOC变化对比图。
图3-2-1为本发明应用时，在直流侧负载发生变化时的有功功率变化波形示意图。
图3-2-2为在直流侧负载发生变化时，本发明应用时与采用传统定下垂系数的下垂控制策略时的储能单元SOC变化对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
本发明的控制方法基于如图1-1所示的离网型交直流混合双馈风力发电系统的最简的拓扑结构，并且所采用的双馈感应电机与传统双馈电机不同，而是一种打开定子绕组的双馈感应电机，其等效电路如图1-2所示。因此，以离网型交直流混合双馈风力发电系统的最简的拓扑结构为例对本发明的控制方案进行详细阐述。如图1-1所示，其主电路结构具体如下：整个系统可以分为交流子系统和直流子系统，每个子系统都有自己的源与负荷组合在一起，在交流侧，多台双馈风力发电机并联为交流负荷提供电源；在直流侧，储能单元一方面为直流负载提供电源，另一方面与双馈发电机组的定子侧变换器以及转子侧变换器的直流侧相连，维持直流母线电压，进行能量交互；其中，在交直流侧分别采用相应的下垂控制策略，并通过上层控制器调整交流侧的有功功率下垂系数，进而实现对交直流功率的协调控制。
本发明为一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其功率协调控制方法，具体方法如下：
步骤S1：对于定子侧变换器，采集交流母线三相交流电压usabc和每个双馈风力发电机的三相交流电流isabc，计算得到各个双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率，将计算得到的功率经过数字低通滤波得到有功功率Pac,i和无功功率Qac,i。通过交流有功功率-频率下垂控制策略和无功功率-电压幅值下垂控制策略，即式fi＝fi *+kpdroop,iPac,i和
Figure BDA0002318122880000061
计算得到电压的频率和幅值的参考值，进而通过计算得到交流侧端口三相电压的参考值usabcref；
步骤S2：首先将采集来的电压电流值进行坐标变换，如图2-1所示，分别将定子电流isabc、交流侧端口电压usabc、转子电流irabc、定子绕组上感应电动势vsabc从三相静止坐标系下变换到两相旋转坐标系中，得到d-q旋转坐标系中的量用于后续控制；并且将电机物理转速Ωm乘以极对数p，再经过积分运算得到电机旋转的电角度θm；然后通过步骤S1计算得到的频率参考值f计算得到电机的定子侧参考电角度θs，进而减去电机旋转的电角度θm，得到转差角度θr。对于定子侧变换器，具体的控制策略如图2-2所示，采用前一步骤得到的交流侧端口三相电压的参考值经park变换得到d-q旋转坐标系下分别在d轴和q轴上的电压参考值usdref和usqref，将得到的d轴和q轴的电压参考值分别减去实际端口电压的测量值经park变换得到的d轴和q轴的值，将得到的差值分别经过PI控制器分别得到在d轴和q轴上的电流参考值isdref和isqref，然后利用得到的d轴和q轴电流参考值分别减去实际电流测量值经park变换得到的d轴和q轴上的分量，将得到的差值经过PI控制器在分别加上前馈补偿项，进而得到定子侧变换器输出电压参考，经过SPWM调制得到定子侧变换器的开关信号；
步骤S3：对于转子侧变换器，具体的控制策略如图2-3所示，采用与传统离网型双馈风力发电系统的控制思想相同，通过转子侧变换器来控制定子绕组上的感应电动势大小。首先通过测量到的双馈电机定子侧电流isabc和转子侧电流irabc,然后通过估算得到磁链ψsabc,进而得到定子绕组上感应电动势的幅值大小Vsabc。用感应电动势幅值的参考值减去磁链估计得到的实际值，经过PI控制器得到转子侧d轴电流参考值，然后减去转子实际电流值的d轴分量，用转子电流q轴分量参考值减去转子实际电流的q轴分量，将上述两个差值分别通过PI控制器再加上前馈补偿项得到转子侧变换器的输出电压参考值，经过SPWM调制得到转子侧变换器开关信号；
步骤S4：对于储能单元的DC/DC变换器具体的控制策略如图2-4所示，采用普通的DC/DC变换器的电压电流双闭环控制方式，只不过应用下垂系数相同的有功功率-直流电压下垂控制策略得到直流电压幅值参考，即通过式
Figure BDA0002318122880000071
计算得到直流电压幅值参考。然后再经传统的电压电流双环控制得到DC/DC变换器的开关信号；
步骤S5：通过上层控制器的控制来实现功率的协调控制。首先，采集各个储能单元DC/DC变换器的端口输出电压幅值udc,i和各个储能单元的SOCi,根据式
Figure BDA0002318122880000072
计算出新的变量Ai,因为直流侧DC/DC变换器采用的是下垂系数相同的有功功率-直流电压幅值下垂控制，所以端口电压幅值参考与实际测量电压值的差就反映了各个储能单元的功率输出大小。通过低带宽通信将各个储能单元计算得到的Ai值上传到上层控制器，通过上层控制器计算出Ai的平均值，并将各个储能单元的Ai值与计算得到的平均值进行比较，通过式
Figure BDA0002318122880000073
来实现对交流侧有功功率下垂系数的调整，并通过低带宽通信发送到各个发电单元，以此来改变各个双馈风力发电机组的交流侧输出有功功率大小，进而调节储能单元的输出有功功率大小，进而保证储能单元保持输出有功功率与SOC成正比，使各个储能单元的电量下降速度大致相同，最大程度上延长整个系统的运行时间。
以下为本发明更具体的实施方式：
步骤S1到S5均以打开定子绕组的双馈感应电机的数学模型为基础，根据图1-2的等效电路图可以得到打开定子绕组的双馈感应电机数学模型，如下
Figure BDA0002318122880000081
其中，ussd和ussq分别是定子侧变换器输出的端口电压在d轴和q轴上的分量，urd,urq分别是双馈电机转子电压在d，q轴的分量，isd,isq,ird,irq分别是定子电流和转子电流在d，q轴上的分量，ψsd,ψsq,ψrd,ψrq分别是定子磁链和转子磁链在d，q轴上的分量，Rs,Rr分别是定子电阻和转子电阻，ωs是定子角频率，ωr是转差角频率，ussd,ussq分别是定子侧变换器的端口电压在d，q轴上的分量。因为电机的电磁关系较传统双馈电机并没有发生变化，因此磁链平衡方程与传统结构的双馈感应电机一致。如下式所示
Figure BDA0002318122880000082
其中，Ls,Lr,Lm分别是定子电感、转子电感和互感，上述打开定子绕组的双馈感应电机的电压平衡方程和磁链平衡方程是本发明控制方法的基础。
步骤S1中：对于定子侧变换器，采用下垂控制策略，其中下垂控制的系数由上层控制器控制，采集交流母线三相交流电压usabc和每个双馈风力发电机的三相交流电流isabc，通过计算得到各个双馈风力发电机组输出的瞬时有功功率和无功功率，将计算得到的功率经过数字低通滤波得到有功功率Pac,i和无功功率Qac,i。通过交流有功功率-频率下垂控制策略和无功功率-电压幅值下垂控制策略，即通过下式
fi＝fi *+kpdroop,iPac,i (3)
Figure BDA0002318122880000083
计算得到电压的频率和幅值的参考值，进而通过计算得到交流侧端口三相电压的参考值usabcref；
步骤S2中：采用的电压电流双闭环控制策略，具体的控制策略如图2-2所示。采用步骤S1中由下垂方程计算得到的交流侧端口三相电压的参考值usabcref经坐标变换分别得到d-q旋转坐标系下在d轴和q轴上的电压参考值usdref和usqref，将得到的usdref和usqref分别减去实际端口电压的测量值经坐标变换得到的d轴和q轴的值usd和usq，将得到的差值分别经过PI控制器分别得到在d轴和q轴上的电流参考值isdref和isqref。通过打开定子绕组的双馈电机数学模型可以得到式
Figure BDA0002318122880000091
其中ims＝ψs/Ls，然后根据数学模型计算得到的表达式，对电流环采用PI控制，再加上前馈补偿项，进而得到定子侧变换器输出电压参考，经过SPWM调制得到定子侧变换器的开关信号；
步骤S3中：对于转子侧变换器，借鉴了传统离网型双馈风力发电系统的控制思想，采用电压电流双闭环控制，外环控制双馈感应电机的反电动势大小，内环控制转子电流，具体控制策略如图2-3所示。首先通过测量到的双馈电机定子侧电流isabc和转子侧电流irabc,然后通过式
ψsabc＝Lsisabc+Lmirabc (6)
估算得到磁链ψsabc,进而通过式
Figure BDA0002318122880000092
得到定子绕组上感应电动势的幅值大小Vsabc。用感应电动势幅值的参考值减去磁链估计得到的实际值，经过PI控制器得到转子侧d轴电流参考值，然后根据式
Figure BDA0002318122880000093
对电流内环采用PI控制，再加上前馈补偿项得到转子侧变换器的输出电压参考值，经过SPWM调制得到转子侧变换器开关信号；
步骤S4中：对于储能单元的DC/DC变换器应用DC/DC变换器普遍采用的电压电流双闭环控制方式，只不过参考电压不再是直接给定的固定值，这个DC/DC变换器的直流电压参考值是通过下垂系数相同的直流下垂控制得到的，具体控制策略如图2-4所示。即通过式
Figure BDA0002318122880000094
计算得到直流电压幅值参考。然后再经电压电流双闭环控制得到DC/DC变换器的开关信号；
步骤S5中：通过上层控制器在线改变有功功率交流下垂系数来实现功率的协调控制。首先，采集各个储能单元的端口输出电压幅值udc,i和各个储能单元的SOCi,为了更加方便的表达，定义了一个新的变量Ai,表达如下
Figure BDA0002318122880000101
从式(10)中可以得出，Ai的值反映了各个储能单元输出的有功功率与储能单元SOC的计算出新的变量Ai,因为直流侧DC/DC变换器采用的是下垂系数相同的有功功率-直流电压幅值下垂控制，所以端口电压幅值参考与实际测量电压值的差就反映了各个储能单元的功率输出大小。具体控制策略如图2-5所示，通过低带宽通信将各个储能单元计算得到的Ai值上传到上层控制器，通过上层控制器计算出Ai的平均值，并将各个储能单元的Ai值与计算得到的平均值进行比较，通过式
Figure BDA0002318122880000102
来实现对交流侧有功功率下垂系数的调整，并通过低带宽通信发送到各个发电单元，以此来改变各个双馈风力发电机组的交流侧输出有功功率大小，进而调节储能单元的输出有功功率大小，进而保证储能单元保持输出有功功率与SOC成正比，使各个储能单元的电量下降速度大致相同，最大程度上延长整个系统的运行时间。
根据图3-1-1和图3-1-2可以看出当采用本发明所提出的控制策略时，能够在风力涡轮机捕获风能发生变化时，调节交流下垂系数，改变风电机组在交流侧的出力，进而实现各个储能单元出力大致相同，而不会出现采用固定下垂系数时一个储能单元先耗尽的情况；根据图3-2-1和图3-2-2可以看出当采用本发明所提出的控制策略时，能够在各个储能单元所带直流负载存在差异时，调节交流下垂系数，改变风电机组在交流侧的出力，进而影响储能单元与交流侧交换的功率，实现各个储能单元出力大致相同，也不会出现采用固定下垂系数时一个储能单元先耗尽的情况。
综上：本发明提出的一种离网型交直流混合双馈风力发电系统及其功率协同控制方法。将双馈风力发电机组应用在微电网中，能够在风力涡轮机捕获风能发生变化或者负载存在变化时，起到很好的交直流侧有功功率协调的效果，能够实现储能单元的电能大致以同等速率消耗，进而最大程度上延长系统的稳定运行时间。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种离网型交直流混合双馈风力发电系统，其特征在于，由至少两台带储能单元的打开定子绕组的双馈风力发电机组并联组成；所述双馈风力发电机组的定子绕组连接有定子侧变换器，双馈风力发电机组的转子绕组连接有转子侧变换器，定子侧变换器和转子侧变换器通过直流母线依次连接DC/DC变换器和储能单元；每个双馈风力发电机组均有交流侧和直流侧两个端口，交流侧端口是定子绕组的出口侧，直流侧端口是定子侧变换器、转子侧变换器和储能单元相连的直流母线；每个双馈风力发电机组直流侧端口直接为各自的直流负载供电；而各个双馈风力发电机组的交流侧端口并联到一起，共同为交流负载供电。
2.一种离网型交直流混合双馈风力发电系统的功率协同控制方法，基于权利要求1所述离网型交直流混合双馈风力发电系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：计算得到各个双馈风力发电机组交流侧端口电压的参考值，用于后续定子侧变换器的控制；采集交流侧端口电压usabc和每个双馈风力发电机组的三相交流电流isabc，计算得到各个双馈风力发电机组输出的有功功率Pac，i和无功功率Qac，i；通过下垂控制策略，计算得到交流侧端口电压的频率和幅值的参考值，进而通过计算得到交流侧端口三相电压的参考值usabcref；
步骤S2：采用上一步得到的三相电压参考值usabcref，将三相电压参考值usabcref变换到dq旋转坐标系下，采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，得到定子侧变换器的输出电压参考，经过SPWM调制得到定子侧变换器的开关信号；
步骤S3：对于转子侧变换器，采用最大磁链利用效率的反电动势的值作为给定参考，也在dq旋转坐标系下采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，得到转子侧变换器的输出电压参考值，经过SPWM调制得到转子侧变换器开关信号；
步骤S4：对于储能单元的DC/DC变换器采用直流下垂控制得到直流电压参考值，然后通过电压电流双闭环控制得到DC/DC变换器的开关信号；
步骤S5：在上述步骤相应的控制基础上，通过上层控制器根据各个储能单元的输出功率大小与电池剩余容量(SOC)的关系协调交流侧与直流侧的功率，使得储能单元输出有功功率与SOC成正比，保证各个储能单元的电量下降速度趋于相同，最大程度上延长整个系统的运行时间。
3.根据权利要求2所述一种离网型交直流混合双馈风力发电系统的功率协同控制方法，其特征在于，步骤S1中的下垂控制策略包括交流有功功率-频率下垂控制策略和无功功率-电压幅值下垂控制策略，即式fi＝fi *+kpdroop,iPac,i和
Figure FDA0002318122870000011
其中fi是各个机组交流端口电压的频率参考值，fi *是交流端口电压频率的基准值，其值为50Hz，kpdroop,i是各个机组有功功率交流下垂系数，其值由上层控制器给定，Pac,i是各个机组所输出的交流侧有功功率大小；Ui是各个机组交流侧端口电压幅值的参考值，
Figure FDA0002318122870000023
是交流侧端口电压幅值的基准值，其值为预先给定，kqdroop,i是各个机组无功功率交流下垂系数，其值由上层控制器给定，Qac,i是各个机组所输出的交流无功功率大小。
4.根据权利要求2所述一种离网型交直流混合双馈风力发电系统的功率协同控制方法，其特征在于，步骤S2中具体包括以下步骤：将三相电压参考值usabcref经park变换得到d-q旋转坐标系下分别在d轴和q轴上的电压参考值usdref和usqref，将得到的d轴和q轴的电压参考值分别减去实际端口电压的测量值经park变换得到的d轴和q轴的值，将得到的差值分别经过PI控制器分别得到在d轴和q轴上的电流参考值isdref和isqref，然后利用得到的d轴和q轴电流参考值分别减去实际电流测量值经park变换得到的d轴和q轴上的分量，将得到的差值经过PI控制器再分别加上前馈补偿项，进而得到定子侧变换器输出电压参考，经过SPWM调制得到定子侧变换器的开关信号。
5.根据权利要求2所述一种离网型交直流混合双馈风力发电系统的功率协同控制方法，其特征在于，步骤S3中具体包括以下步骤：首先通过测量得到双馈风力发电机组定子侧电流isabc和转子侧电流irabc，然后通过估算得到磁链ψsabc，进而将磁链ψsabc求微分再加上电阻上的压降得到定子绕组上感应电动势的幅值大小Vsabc；根据双馈风力发电机的设计参数，防止磁芯饱和以及磁链利用不充分，给定一个满足磁链利用率最大的感应电动势幅值的参考值，用该值减去Vsabc，经过PI控制器得到转子侧d轴电流参考值，然后减去转子实际电流值的d轴分量，用转子电流q轴分量参考值减去转子实际电流的q轴分量，将上述两个差值分别通过PI控制器再加上前馈补偿项得到转子侧变换器的输出电压参考值，经过SPWM调制得到转子侧变换器开关信号。
6.根据权利要求2所述一种离网型交直流混合双馈风力发电系统的功率协同控制方法，其特征在于，步骤S4中应用下垂系数相同的有功功率-直流电压下垂控制策略得到直流电压参考值，即通过式
Figure FDA0002318122870000021
计算得到直流电压参考值，其中Udc,i是各个机组直流端口电压幅值参考值，
Figure FDA0002318122870000022
是各个机组直流端口电压基准值，其值为预先给定，且各个储能单元DC/DC变换器的值相同，kdcdroop,i是各个储能单元直流功率下垂系数，其值预先给定，并且各个储能单元DC/DC变换器的该参数的值相同，Pdc,i是各个储能单元所输出的直流功率大小。
7.根据权利要求2所述一种离网型交直流混合双馈风力发电系统的功率协同控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：首先，采集各个储能单元DC/DC变换器的端口输出电压幅值Udc，i和各个储能单元的SOCi，根据式
Figure FDA0002318122870000031
定义新的变量Ai用于反映储能单元输出功率与剩余容量的比值大小，其中
Figure FDA0002318122870000032
是各个机组直流端口电压幅值的基准值，udc,i是各个机组直流端口电压测量值，SOCi是各个机组的储能单元的剩余容量；由于直流侧DC/DC变换器采用的是下垂系数相同的有功功率-直流电压幅值下垂控制，因此各个机组直流端口电压基准值
Figure FDA0002318122870000034
与各个机组直流端口电压幅值参考值，因为通过电压、电流双闭环控制调节，实现各机组直流端口电压参考值与实际测量电压值基本相同，因此直流端口电压基准值与实际测量电压值的差反映了各个储能单元的输出功率与剩余容量比值的大小；通过低带宽通信将各个储能单元计算得到的Ai值上传到上层控制器，通过上层控制器计算出Ai的平均值，并将各个储能单元的Ai值与计算得到的平均值进行比较，通过式
Figure FDA0002318122870000033
实现对交流侧有功功率下垂系数的调整，其中，kpdroop,i′是各个机组交流端口有功功率下垂系数的基准值，其值为常数，预先设定；m为一个系数，用于保证随着各个储能单元SOC变化而下垂系数变化速度保持稳定，防止出现下垂系数调整速度不断加大；N为发电机组的总数；上层控制器将交流侧有功功率下垂系数kpdroop,i通过低带宽通信发送到各个发电单元，以此改变各个双馈风力发电机组的交流侧输出有功功率大小，进而调节储能单元的输出有功功率大小，保证储能单元保持输出有功功率与SOC成正比，使各个储能单元的电量下降速度大致相同，最大程度上延长整个系统的运行时间。
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