CN112186814A - 一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法 - Google Patents

一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112186814A
CN112186814A CN202010947807.1A CN202010947807A CN112186814A CN 112186814 A CN112186814 A CN 112186814A CN 202010947807 A CN202010947807 A CN 202010947807A CN 112186814 A CN112186814 A CN 112186814A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
regulator
fan
direct current
current bus
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010947807.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112186814B (zh
Inventor
朱介北
邓兆顺
李峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN202010947807.1A priority Critical patent/CN112186814B/zh
Publication of CN112186814A publication Critical patent/CN112186814A/zh
Priority to US17/308,929 priority patent/US20220069751A1/en
Application granted granted Critical
Publication of CN112186814B publication Critical patent/CN112186814B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
    • H02J3/48—Controlling the sharing of the in-phase component
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/007—Control circuits for doubly fed generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0272—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor by measures acting on the electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/043—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic
    • F03D7/044—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic with PID control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/006—Means for protecting the generator by using control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/107—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for limiting effects of overloads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32—Wind speeds
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28—The renewable source being wind energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/15—Special adaptation of control arrangements for generators for wind-driven turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发明公开了一种双馈风机有功输出速降控制系统，包括直流卸荷电路，直流卸荷电路为制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接；全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器包括第一反相加法器、第一PI调节器及脉冲宽度调制器；第一反相加法器的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，第一反相加法器输出信号至第一PI调节器；第一PI调节器输出信号至脉冲宽度调制器；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。本发明还公开了一种双馈风机有功输出速降控制方法。本发明通过启动直流卸荷电路可以更快速地抑制转子过转速，更好地保证转子运行安全。

Description

一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电技术领域，特别涉及一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法。
背景技术
目前，风电机组通常运行在最大功率点跟踪(MPPT)模式，其有功功率输出具有间歇波动性，且与交流电网频率解耦导致系统惯量降低，影响系统频率稳定。因此，当今风电渗透率的日益提高给电网的安全稳定运行带来严峻挑战。
世界多国电网规程要求在电网发生输电线路阻塞、直流闭锁、短路故障等异常状况时迅速降低风场有功功率输出，以减轻风电的上述负面影响来提升电网的安全稳定性。通过控制风机内部快速响应的电力电子变流器，风机有功功率输出速降本身容易实现。然而，风机机械输入与速降后的有功功率输出间的不匹配产生的盈余功率会以转子动能的形式累积，易发生转子过转速，损害风机机械部件甚至造成风机停机。尽管通过调整桨距角来减小机械输入可以缓解这一问题，但其动作缓慢，效果不明显。
为此，有必要在功率速降后及时投入额外的储能或耗能装置来吸收这部分盈余能量。考虑到储能装置造价较高，在功率速降这种启用频率相对较低的场合不够划算，且储能技术本身还存在能量密度低、充放电速率低、寿命短等诸多限制，因此选用直流chopper吸收盈余能量较为合理。然而，现有引入chopper的控制方案大都未调整传统MPPT运行模式，这使得不平衡能量持续存在，功率速降后的盈余能量问题未能得到根本解决，且需要chopper持续运行以吸收这部分盈余能量，这无疑增加了功率速降后的运行成本。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法。本发明旨在解决电网异常状况下，双馈风机采用现有控制方案进行有功功率输出速降时，不平衡能量不能得到及时或根本消除，造成转子转速超过最大允许转速或盈余能量吸收装置不能及时退出运行的缺陷。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种双馈风机有功功率输出速降控制系统，包括：风机变桨伺服系统、直流母线以及并联在直流母线两极的转子侧变流器及网侧变流器；还包括直流卸荷电路，直流卸荷电路包括制动电阻及全控型功率开关器件；制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接；全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器包括第一反相加法器、第一PI调节器及脉冲宽度调制器；第一反相加法器的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，第一反相加法器输出信号至第一PI调节器；第一PI调节器输出信号至脉冲宽度调制器；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。
进一步地，转子侧变流器由转子侧双闭环矢量控制单元驱动；转子侧双闭环矢量控制单元包括转子侧电流内环电路和转子侧功率外环电路；其中转子侧功率外环电路包括两个支路；其中一个支路包括依次连接的用于将风机转速换算为风机定子参考功率的功率换算器、第二反相加法器及第二PI调节器；另一个支路包括依次连接的第三反相加法器及第三PI调节器；两条支路的输出端分别通过第一多路选择开关与转子侧电流内环电路的输入端相连，第一多路选择开关的控制端由上位机调度指令信号控制；功率换算器，其输入风机实际转速，其依据风机MPPT曲线输出定子参考功率；第二反相加法器，其正极输入端与功率换算器的输出端连接，其负极输入端输入定子实际功率；第三反相加法器的正负极输入端分别对应输入实际有功功率及有功功率速降指令值；第二PI调节器、第三PI调节器分别输出参考电流至第一多路选择开关的数据输入端。
进一步地，网侧变流器由网侧双闭环矢量控制单元驱动；网侧双闭环矢量控制单元包括网侧电流内环电路和网侧电压外环电路；其中网侧电压外环电路包括：用于将风机转速偏差换算为直流母线参考电压的直流母线电压换算器、第四反相加法器、第五反相加法器、第四PI调节器及第二多路选择开关；第四反相加法器的正负极输入端分别对应输入风机实际转速及风机MPPT最优转速，第四反相加法器输出风机转速偏差至直流母线电压换算器，直流母线电压换算器输出直流母线参考电压；第二多路选择开关的数据输入端分别输入直流母线额定电压及来自直流母线电压换算器的直流母线参考电压；第二多路选择开关的输出端与第五反相加法器的正极输入端相连；第五反相加法器的负极输入端输入直流母线实际电压，第五反相加法器输出直流母线电压偏差至第四PI调节器；第四PI调节器输出直流母线参考电流至网侧电流内环电路；第二多路选择开关的控制端由上位机调度指令信号控制。
进一步地，风机变桨伺服系统包括驱动变桨距伺服电机的伺服驱动器、风能利用系数计算器、桨距角指令值查询表、第六反相加法器、第五PI调节器及第三多路选择开关；风能利用系数计算器输入有功功率速降指令值，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数至桨距角指令值查询表；桨距角指令值查询表输出对应风能利用系数的桨距角指令值；第六反相加法器的正负极输入端分别对应输入风机实际转速及风机最大转速，第六反相加法器的输出端与第五PI调节器的输入端相连；第五PI调节器输出桨距角参考值；第三多路选择开关的数据输入端分别输入来自桨距角指令值查询表的桨距角指令值及来自第五PI调节器的桨距角参考值；第三多路选择开关的数据输出端与风机变桨伺服驱动器相连；第三多路选择开关的控制端由上位机调度指令信号控制。
本发明还提供了一种双馈风机有功功率输出速降控制方法，该方法为：采用风机变桨伺服系统、直流母线以及并联在直流母线两极的转子侧变流器及网侧变流器进行调控，还设置直流卸荷电路，直流卸荷电路由制动电阻及全控型功率开关器件构成；将制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接；全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器设置第一反相加法器、第一PI调节器及脉冲宽度调制器；使第一反相加法器的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，使第一反相加法器输出信号至第一PI调节器；使第一PI调节器输出信号至脉冲宽度调制器，从而调整脉冲宽度调制器输出脉冲的占空比；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。
进一步地，转子侧变流器由转子侧双闭环矢量控制单元驱动；转子侧双闭环矢量控制单元采用转子侧电流内环电路和转子侧功率外环电路；其中转子侧功率外环电路采用两个支路；其中一个支路由依次连接的用于将风机转速换算为风机定子参考功率的功率换算器、第二反相加法器及第二PI调节器构成；另一个支路由依次连接的第三反相加法器及第三PI调节器构成；使功率换算器输入风机实际转速，并依据风力机MPPT曲线输出定子参考功率；由第二反相加法器计算定子实际功率与额定功率的偏差，并将该偏差输入第二PI调节器；由第三反相加法器计算实际有功功率与有功功率速降指令值的偏差；并将该偏差输入第三PI调节器；使第二PI调节器、第三PI调节器分别输出参考电流至第一多路选择开关的数据输入端；在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关选择第二PI调节器或第三PI调节器的输出端与转子侧电流内环电路输入端间信号传输。
进一步地，网侧变流器由网侧双闭环矢量控制单元驱动；网侧双闭环矢量控制单元采用网侧电流内环电路和网侧电压外环电路；其中网侧电压外环电路采用：用于将风机转速偏差换算为直流母线参考电压的直流母线电压换算器、第四反相加法器、第五反相加法器、第四PI调节器及第二多路选择开关；由第四反相加法器计算风机实际转速与风机MPPT最优转速的偏差，由直流母线电压换算器输入此偏差并换算成直流母线参考电压；在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关选择将直流母线额定电压或直流母线参考电压传输至第五反相加法器的正极输入端，使第五反相加法器的负极输入端输入直流母线实际电压；使第五反相加法器输出端与第四PI调节器的输入端连接；使第四PI调节器输出直流母线参考电流至网侧电流内环电路。
进一步地，风机变桨伺服系统设置驱动变桨距伺服电机的伺服驱动器、风能利用系数计算器、桨距角指令值查询表、第六反相加法器、第五PI调节器及第三多路选择开关，风能利用系数计算器输入有功功率速降指令值，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数至桨距角指令值查询表；桨距角指令值查询表输出对应风能利用系数的桨距角指令值；由第六反相加法器计算风机实际转速与风机最大转速的偏差，并将该偏差输入第五PI调节器；使第五PI调节器输出桨距角参考值；在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关选择输入桨距角指令值或桨距角参考值至风机变桨伺服驱动器。
进一步地，风能利用系数计算器按照下式计算当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数：
Figure BDA0002675905220000041
式中，CP0为风能利用系数，Pm为风机机械输入功率，Pe *为有功功率速降指令值，P0为驱动风机桨叶旋转的风能功率，Pmax表示MPPT运行模式下风机实际捕获的最大风能功率，CPmax为最大风能功率下的风能利用系数。
进一步地，桨距角指令值查询表的建立方法包括：
建立风能利用系数与叶尖速比的关系式，并令叶尖速比等于MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比，从而得出对应风能利用系数的桨距角指令值，计算公式如下：
Figure BDA0002675905220000042
式中，CP0为风能利用系数；λi为中间变量；λopt为MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比；β为桨距角指令值。
本发明具有的优点和积极效果是：与现有仅依赖桨距角的方案相比，本发明通过快速启动直流卸荷电路可以更快速地抑制转子过转速，更好地保证转子运行安全；与现有的方案相比，本发明增设直流卸荷电路并在正常转速下启用桨距角控制，可以和转子侧变流器及网侧变流器一起，在达到风机有功功率输出速降要求的同时有效避免电机转子过转速。通过调整桨距角减小风机机械输入功率，不仅可以进一步抑制转子转速的上升并将最终转速维持在功率下降前MPPT运行模式下的最优值，而且能够从根本上消除不平衡能量，还可以使chopper退出运行来实现最小化成本运行。
附图说明
图1是本发明的一种控制原理图。
图2是本发明的一种工作流程图。
图3是快速桨角调节算法中的桨距角-风能利用系数(β-CP0)查询曲线。
图4是用于证实本发明有效性和优越性的仿真测试主系统单线图。
图5是以下三种情形下有功速降与恢复发生时风机有功功率输出的暂态响应仿真曲线：仅采用桨距角抑制转子过转速的有功功率输出速降控制方法，仅采用chopper抑制转子过转速的有功功率输出速降控制方法，本发明提出的同时协调采用桨距角和chopper抑制转子过转速的有功功率输出速降控制方法。
图6是以下三种情形下有功速降与恢复发生时风机转子转速的暂态响应仿真曲线：仅采用桨距角有功功率输出速降控制方法，仅采用chopper有功功率输出速降控制方法，同时协调采用桨距角有功功率输出速降控制方法、chopper有功功率输出速降控制方法、转子侧变流器有功功率输出速降控制方法及网侧变流器有功功率输出速降控制方法。
图7是以下两种情形下有功速降与恢复发生时chopper耗散功率的暂态响应仿真曲线：仅采用chopper有功功率输出速降控制方法，同时协调采用桨距角有功功率输出速降控制方法、chopper有功功率输出速降控制方法、转子侧变流器有功功率输出速降控制方法及网侧变流器有功功率输出速降控制方法。
图1中，1、第三多路选择开关；2、第五PI调节器；3、桨距角指令值查询表；4、第六反相加法器；5、风能利用系数计算器；6、第二反相加法器；7、第三反相加法器；8、功率换算器；9、第三PI调节器；10、第二PI调节器；11、第一多路选择开关；12、第一PI调节器；13、第一反相加法器；14、第四PI调节器；15、第五反相加法器；16、第二多路选择开关；17、直流母线电压换算器；18、第四反相加法器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明中涉及的英文的中文释义：
Chopper：直流卸荷电路。
GSC：网侧变流器。
RSC：转子侧变流器。
PI：比例积分。
MPPT：最大功率点跟踪。
PWM：脉冲宽度调制。
请参见图1至图7，一种双馈风机有功功率输出速降控制系统，包括：风机变桨伺服系统、直流母线以及并联在直流母线两极的转子侧变流器及网侧变流器；转子侧变流器的交流侧与风机的转子绕组连接，转子侧变流器的直流侧与直流母线的正负极连接；网侧变流器的直流侧与直流母线的正负极连接；网侧变流器的交流侧与电网连接；还包括直流卸荷电路，直流卸荷电路包括制动电阻及全控型功率开关器件；制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接；全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器包括第一反相加法器13、第一PI调节器12及脉冲宽度调制器；第一反相加法器13的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，第一反相加法器13输出信号至第一PI调节器12；第一PI调节器12输出信号至脉冲宽度调制器；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。
图1中，Vdc为直流母线实际电压；Vdc_th为直流母线电压阈值。第一反相加法器13的正负极输入端分别输入直流母线实际电压Vdc及设定的直流母线电压阈值Vdc_th，直流母线实际电压Vdc可通过电压检测装置获得，直流母线电压阈值Vdc_th为设定值，可采集直流母线正常运行时的电压值并求平均值，将直流母线电压阈值Vdc_th设定为略高于直流母线正常运行的平均值。
转子侧变流器及网侧变流器均设置SPWM模块，SPWM模块根据控制信号生成一定频率的SPWM开关信号控制转子侧变流器及网侧变流器的开关管。
图1的上半部分展示了并网双馈风机主系统结构，其中双馈风机的直流母线并联接入由制动电阻和全控型功率开关器件串联构成的chopper。下半部分虚线框内为双馈风机的控制电路，其中非加粗线路模块为双馈风机传统控制电路，加粗线路模块表示本发明增设的控制电路。图中的第一多路选择开关11、第二多路选择开关16、第三多路选择开关1，用于控制电路或信号的选通切换。
双馈风机的定子绕组和转子绕组都直接或间接地与电网相连，定子侧绕组产生的工频交流电直接馈入电网，转子侧的功率通过整流逆变装置上网。与一般的异步发电机相比，双馈风机允许发电机转速在一定范围内波动，现有技术一般采用设置直流母线，在直流母线的正负极间并联转子侧变流器及网侧变流器，通过调整转子侧变流器及网侧变流器，来调整转子侧(相当于励磁绕组)中电流的大小和频率，从而调整风机转速；控制定子侧输出功率及频率。当需要风机有功功率输出速降时，单纯依靠转子侧变流器及网侧变流器的调节，速降后累积的不平衡能量易造成转子过转速。为此，本发明增设直流卸荷电路并在正常转速下启用桨距角控制，可以和转子侧变流器及网侧变流器一起，在达到风机有功功率输出速降要求的同时有效避免电机转子过转速。
除了增设直流卸荷电路，本发明还在转子侧变流器的控制驱动方面进行了如下改进：
转子侧变流器可由转子侧双闭环矢量控制单元驱动；转子侧双闭环矢量控制单元可包括转子侧电流内环电路和转子侧功率外环电路；其中转子侧功率外环电路可包括两个支路；其中一个支路可包括依次连接的用于将风机转速换算为风机定子参考功率的功率换算器8、第二反相加法器6及第二PI调节器10；另一个支路可包括依次连接的第三反相加法器7及第三PI调节器9；两条支路的输出端可分别通过第一多路选择开关11与转子侧电流内环电路的输入端相连，第一多路选择开关11的控制端可由上位机调度指令信号控制；功率换算器8，其输入风机实际转速，其可依据风机MPPT曲线输出定子参考功率；第二反相加法器6，其正极输入端可与功率换算器8的输出端连接，其负极输入端可输入定子实际功率；定子实际功率为风机定子侧输出的有功功率。第三反相加法器7的正负极输入端可分别对应输入实际有功功率及有功功率速降指令值；第二PI调节器10、第三PI调节器9分别输出参考电流至第一多路选择开关11的数据输入端。实际有功功率是指风机输出功率至电网，电网侧得到的有功功率。
转子侧电流内环电路的输入端可包括转子侧有功电流参考信号输入端和转子侧无功电流参考信号输入端，第一多路选择开关11的数据输出端与转子侧有功电流参考信号输入端连接。
风机实际转速可通过转速检测装置检测得到，实际有功功率是指定子实际输出功率减去馈入GSC的功率。转子侧变流器的SPWM模块可采用现有技术中的SPWM模块，根据转子侧双闭环矢量控制单元生成的内环三相电压参考信号，生成一定频率的SPWM开关信号控制转子侧变流器的开关管。
图1中，PLL表示锁相环；is,abc表示流出定子三相交流电流；ir,abc表示流入转子的三相交流电流；ig,abc表示注入网侧变流器(GSC)的三相交流电流；ie,abc表示注入电网的三相交流电流。vs,abc为并网点三相交流电压。θs为并网点三相电压vs,abc合成矢量超前于A轴的相位。
锁相环PLL用于检测并网点三相交流电压vs,abc，生成并网点三相电压vs,abc合成矢量超前于A轴的相位θs，据此对上述风机定子侧和网侧的三相电压、电流进行派克变换，即由abc分量转换为dq分量。
RSC表示转子侧变流器，图1中转子侧变流器双闭环矢量控制单元中：θs为并网点三相电压vs,abc合成矢量超前于A轴的相位，θr为电机转子相对于定子的实际旋转角度，θslip表示并网点电压矢量超前于转子的角度；ir,dq表示转子电流的d轴和q轴分量。ωr为风机实际转速，Pm表示风机机械输入功率；Ps表示定子实际功率；Ps *表示定子参考功率，Pe表示实际有功功率；Pe *为有功功率速降指令值。
Figure BDA0002675905220000083
表示转子侧电流内环输入的有功电流参考信号；irq *表示转子侧电流内环输入的无功电流参考信号；vr,abc表示转子侧电流内环生成的三相电压参考信号。
并网点电压矢量超前于转子的角度θslip为并网点三相电压vs,abc合成矢量超前于A轴的相位θs与电机转子相对于定子的实际旋转角度θr的偏差；根据并网点电压矢量超前于转子的角度θslip对转子三相电压、电流进行派克变换，生成转子电流的d轴和q轴分量ir,dq。
功率换算器8将风机实际转速ωr换算成定子参考功率Ps *，第二反相加法器6的正负极输入端对应输入定子参考功率Ps *和定子实际功率Ps，第三反相加法器7的正负极输入端分别对应输入实际有功功率Pe及有功功率速降指令值Pe *，第一多路选择开关11输出转子侧电流内环输入的有功电流参考信号
Figure BDA0002675905220000082
至转子侧电流内环电路。转子侧电流内环输入的无功电流参考信号irq *可为转子电流的d轴和q轴分量ir,dq中的q轴分量。
有功功率速降指令值Pe *为有功功率输出速降后的功率目标值。其为上级调度所给出的功率速降指令值。
本发明还在网侧变流器的控制驱动方面进行了如下改进：
网侧变流器可由网侧双闭环矢量控制单元驱动；网侧双闭环矢量控制单元可包括网侧电流内环电路和网侧电压外环电路；其中网侧电压外环电路可包括：用于将风机转速偏差换算为直流母线参考电压的直流母线电压换算器17、第四反相加法器18、第五反相加法器15、第四PI调节器14及第二多路选择开关16；第四反相加法器18的正负极输入端可分别对应输入风机实际转速及风机MPPT最优转速，第四反相加法器18输出风机转速偏差至直流母线电压换算器17，直流母线电压换算器17可输出直流母线参考电压；第二多路选择开关16的数据输入端可分别输入直流母线额定电压及来自直流母线电压换算器17的直流母线参考电压；第二多路选择开关16的输出端可与第五反相加法器15的正极输入端相连；第五反相加法器15的负极输入端可输入直流母线实际电压，第五反相加法器15输出直流母线电压偏差至第四PI调节器14；第四PI调节器14可输出直流母线参考电流至网侧电流内环电路；第二多路选择开关16的控制端可由上位机调度指令信号控制。风机MPPT最优转速可通过现有技术中的算法得到。
图1中的网侧双闭环矢量控制单元中，Vdcb表示直流母线额定电压；Vdcmax表示直流母线电压的最大值；
Figure BDA0002675905220000091
表示网侧电流内环电路输入的有功电流参考信号；igq *表示网侧电流内环电路输入的无功电流参考信号；vg,abc表示网侧三相电压参考信号；ωr为风机实际转速；ωopt表示MPPT模式下的最优转速。Vdc为直流母线实际电压；Vdc *为直流母线参考电压。
网侧双闭环矢量控制单元的控制外环生成网侧电流内环电路输入的有功电流参考信号
Figure BDA0002675905220000092
和网侧电流内环电路输入的无功电流参考信号igq *，网侧双闭环矢量控制单元的网侧电流内环电路生成网侧三相电压参考信号vg,abc。
第四反相加法器18的正负极输入端分别对应输入风机实际转速ωr及风机MPPT模式下的最优转速ωopt，第二多路选择开关16的数据输入端分别输入直流母线额定电压Vdcb及来自直流母线电压换算器17的直流母线参考电压；第二多路选择开关16输出直流母线参考电压Vdc *，第五反相加法器15的正负极对应输入直流母线参考电压Vdc *及直流母线实际电压Vdc，第四PI调节器14输出信号作为网侧电流内环电路输入的有功电流参考信号
Figure BDA0002675905220000093
网侧电流内环电路输入的无功电流参考信号igq *可由现有技术的方法得到。
网侧电流内环电路的输入端可包括网侧有功电流参考信号输入端和网侧无功电流参考信号输入端，第四PI调节器14的输出端与网侧有功电流参考信号输入端连接。
网侧变流器的SPWM模块，网侧变流器的SPWM模块可采用现有技术中的SPWM模块，根据网侧双闭环矢量控制单元生成的内环三相电压参考信号，生成一定频率的SPWM开关信号控制网侧变流器的开关管。
本发明还在风机变桨伺服系统的控制驱动方面进行了如下改进：
风机变桨伺服系统可包括驱动变桨距伺服电机的伺服驱动器、风能利用系数计算器5、桨距角指令值查询表3、第六反相加法器4、第五PI调节器2及第三多路选择开关1；风能利用系数计算器5可输入有功功率速降指令值，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数至桨距角指令值查询表3；桨距角指令值查询表3可输出对应风能利用系数的桨距角指令值；第六反相加法器4的正负极输入端可分别对应输入风机实际转速及风机最大转速，第六反相加法器4的输出端可与第五PI调节器2的输入端相连；第五PI调节器2可输出桨距角参考值；第三多路选择开关1的数据输入端可分别输入来自桨距角指令值查询表3的桨距角指令值及来自第五PI调节器2的桨距角参考值；第三多路选择开关1的数据输出端可与风机变桨伺服驱动器相连；第三多路选择开关1的控制端可由上位机调度指令信号控制。
图1中的风机变桨伺服系统，ωr为风机实际转速，ωmax为风机最大转速；Pmax表示MPPT运行模式下风机实际捕获的最大风能功率，CPmax为最大风能功率下的风能利用系数，CP0表示风能利用系数；Pe *为有功功率速降指令值；β为桨距角参考值。
第六反相加法器4的正极输入端输入风机实际转速ωr，第六反相加法器4的负极输入端输入风机最大转速ωmax。第五PI调节器2输出桨距角参考值β。风能利用系数计算器5输入有功功率速降指令值Pe *、MPPT运行模式下风机实际捕获的最大风能功率Pmax及最大风能功率下的风能利用系数CPmax，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数CP0，将风能利用系数CP0输出至桨距角指令值查询表3。
本发明还提供了一种双馈风机有功功率输出速降控制方法实施例，该方法为：采用风机变桨伺服系统、直流母线以及并联在直流母线两极的转子侧变流器及网侧变流器进行调控，还设置直流卸荷电路，直流卸荷电路由制动电阻及全控型功率开关器件构成；将制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接；全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器设置第一反相加法器13、第一PI调节器12及脉冲宽度调制器；使第一反相加法器13的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，使第一反相加法器13输出信号至第一PI调节器12；使第一PI调节器12输出信号至脉冲宽度调制器，从而调整脉冲宽度调制器输出脉冲的占空比；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。
本发明采用增设直流卸荷电路的方法，可使直流卸荷电路和整流逆变装置一起，很好地达到风机有功功率输出速降要求。
除了增设直流卸荷电路，本发明还在转子侧变流器的控制驱动方面进行了如下改进：
转子侧变流器可由转子侧双闭环矢量控制单元驱动；转子侧双闭环矢量控制单元可采用转子侧电流内环电路和转子侧功率外环电路；其中转子侧功率外环电路可采用两个支路；其中一个支路可由依次连接的用于将风机转速换算为风机定子参考功率的功率换算器8、第二反相加法器6及第二PI调节器10构成；另一个支路可由依次连接的第三反相加法器7及第三PI调节器9构成；可使功率换算器8输入风机实际转速，并依据风力机MPPT曲线输出定子参考功率；可由第二反相加法器6计算定子实际功率与额定功率的偏差，并将该偏差输入第二PI调节器10；可由第三反相加法器7计算实际有功功率与有功功率速降指令值的偏差；并将该偏差输入第三PI调节器9；可使第二PI调节器10、第三PI调节器9分别输出参考电流至第一多路选择开关11的数据输入端；可在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关16选择第二PI调节器10或第三PI调节器9的输出端与转子侧电流内环电路输入端间信号传输。
本发明还在网侧变流器的控制驱动方面进行了如下改进：
网侧变流器可由网侧双闭环矢量控制单元驱动；网侧双闭环矢量控制单元可采用网侧电流内环电路和网侧电压外环电路；其中网侧电压外环电路可采用：用于将风机转速偏差换算为直流母线参考电压的直流母线电压换算器17、第四反相加法器18、第五反相加法器15、第四PI调节器14及第二多路选择开关16；可由第四反相加法器18计算风机实际转速与风机MPPT最优转速的偏差，可由直流母线电压换算器17输入此偏差并换算成直流母线参考电压；可在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关16选择将直流母线额定电压或直流母线参考电压传输至第五反相加法器15的正极输入端，可使第五反相加法器15的负极输入端输入直流母线实际电压；可使第五反相加法器15输出端与第四PI调节器14的输入端连接；可使第四PI调节器14输出直流母线参考电流至网侧电流内环电路。
本发明还在风机变桨伺服系统的控制驱动方面进行了如下改进：
风机变桨伺服系统可设置驱动变桨距伺服电机的伺服驱动器、风能利用系数计算器5、桨距角指令值查询表3、第六反相加法器4、第五PI调节器2及第三多路选择开关1，风能利用系数计算器5可输入有功功率速降指令值，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数至桨距角指令值查询表3；桨距角指令值查询表3可输出对应风能利用系数的桨距角指令值；可由第六反相加法器4计算风机实际转速与风机最大转速的偏差，并将该偏差输入第五PI调节器2；可使第五PI调节器2输出桨距角参考值；可在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关16选择输入桨距角指令值或桨距角参考值至风机变桨伺服驱动器。
优选地，风能利用系数计算器5可按照下式计算当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数：
Figure BDA0002675905220000121
式中，CP0为风能利用系数，Pm为风机机械输入功率，Pe *为有功功率速降指令值，P0为驱动风机桨叶旋转的风能功率，Pmax表示MPPT运行模式下风机实际捕获的最大风能功率，CPmax为最大风能功率下的风能利用系数。
优选地，桨距角指令值查询表3的建立方法可包括：
可建立风能利用系数与叶尖速比的关系式，并可令叶尖速比等于MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比，从而得出对应风能利用系数的桨距角指令值，计算公式可如下：
Figure BDA0002675905220000122
式中，CP0为风能利用系数；λi为中间变量；λopt为MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比；β为桨距角指令值。
上述中的上位机调度指令信号可为双馈风机的整体控制系统或配电系统等上位机发出的控制指令，上位机调度指令信号与有功功率速降指令同步。
上述第一至第三多路选择开关、第一至第五反相加法器、第一至第五PI调节器、风能利用系数计算器、功率换算器、直流母线电压换算器、桨距角指令值查询表等功能模块均可采用现有技术中软件算法及硬件结构进行构造，上述功能器件的直接输入信号均可通过现有技术中的检测方法或采用现有技术中的计算算法获得。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的结构、工作流程及工作原理：
请参见图1，一种双馈风机有功功率输出速降控制系统，包括：风机变桨伺服系统、直流母线以及并联在直流母线两极的转子侧变流器及网侧变流器；转子侧变流器的交流侧与风机的转子绕组连接，转子侧变流器的直流侧与直流母线的正负极连接；网侧变流器的直流侧与直流母线的正负极连接；网侧变流器的交流侧与电网连接；还包括直流卸荷电路，直流卸荷电路包括制动电阻及全控型功率开关器件；制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接。
全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器包括第一反相加法器13、第一PI调节器12及脉冲宽度调制器；第一反相加法器13的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，第一反相加法器13输出信号至第一PI调节器12；第一PI调节器12输出信号至脉冲宽度调制器；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。
转子侧变流器由转子侧双闭环矢量控制单元驱动；转子侧双闭环矢量控制单元包括转子侧电流内环电路和转子侧功率外环电路；其中转子侧功率外环电路包括两个支路；其中一个支路包括依次连接的用于将风机转速换算为风机定子参考功率的功率换算器8、第二反相加法器6及第二PI调节器10；另一个支路包括依次连接的第三反相加法器7及第三PI调节器9；两条支路的输出端分别通过第一多路选择开关11与转子侧电流内环电路的输入端相连，第一多路选择开关11的控制端由上位机调度指令信号控制；功率换算器8，其输入风机实际转速，其依据风机MPPT曲线输出定子参考功率；第二反相加法器6，其正极输入端与功率换算器8的输出端连接，其负极输入端输入定子实际功率；第三反相加法器7的正负极输入端分别对应输入实际有功功率及有功功率速降指令值；第二PI调节器10、第三PI调节器9分别输出参考电流至第一多路选择开关11的数据输入端。
网侧变流器由网侧双闭环矢量控制单元驱动；网侧双闭环矢量控制单元包括网侧电流内环电路和网侧电压外环电路；其中网侧电压外环电路包括：用于将风机转速偏差换算为直流母线参考电压的直流母线电压换算器17、第四反相加法器18、第五反相加法器15、第四PI调节器14及第二多路选择开关16；第四反相加法器18的正负极输入端分别对应输入风机实际转速及风机MPPT最优转速，第四反相加法器18输出风机转速偏差至直流母线电压换算器17，直流母线电压换算器17输出直流母线参考电压；第二多路选择开关16的数据输入端分别输入直流母线额定电压及来自直流母线电压换算器17的直流母线参考电压；第二多路选择开关16的输出端与第五反相加法器15的正极输入端相连；第五反相加法器15的负极输入端输入直流母线实际电压，第五反相加法器15输出直流母线电压偏差至第四PI调节器14；第四PI调节器14输出直流母线参考电流至网侧电流内环电路；第二多路选择开关16的控制端由上位机调度指令信号控制。
风机变桨伺服系统包括驱动变桨距伺服电机的伺服驱动器、风能利用系数计算器5、桨距角指令值查询表3、第六反相加法器4、第五PI调节器2及第三多路选择开关1；风能利用系数计算器5输入有功功率速降指令值，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数至桨距角指令值查询表3；桨距角指令值查询表3输出对应风能利用系数的桨距角指令值；第六反相加法器4的正负极输入端分别对应输入风机实际转速及风机最大转速，第六反相加法器4的输出端与第五PI调节器2的输入端相连；第五PI调节器2输出桨距角参考值；第三多路选择开关1的数据输入端分别输入来自桨距角指令值查询表3的桨距角指令值及来自第五PI调节器2的桨距角参考值；第三多路选择开关1的数据输出端与风机变桨伺服驱动器相连；第三多路选择开关1的控制端由上位机调度指令信号控制。
由图1可知，本发明是在现有双馈风机的转子侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)的传统双闭环矢量控制策略的基础上，重新设计桨距角控制策略，并加入对chopper的控制实现。通过图1与有功功率速降指令同步动作的第一至第三多路选择开关，当控制系统接收到有功功率速降指令时，立即从常规控制方案切换至本发明。
本发明的工作原理从如下四个部分进行说明：
1.直流母线chopper控制：为快速降低有功功率输出，及时启动chopper抑制过转速，本发明为直流chopper设定了一个略高于正常运行水平的触发阈值，当直流电压超过该阈值时立即投入直流chopper。同时，为保证chopper耗散功率的连续变化，避免影响有功功率输出的平稳控制，由PI调节器根据瞬时直流电压动态调节chopper开关的PWM占空比。具体来说，控制器将检测到的直流电压与设定阈值的差值送入第一PI调节器，输出占空比为D(0≤D≤1)的高频PWM信号来控制chopper的全控型功率开关器件，即：
D＝kpc(Vdc-Vdc_th)+kic∫(Vdc-Vdc_th)dt,0≤D≤1。
其中，Vdc为直流母线实际电压；Vdc_th为直流母线电压阈值，kpc和kic分别为chopper的PI调节器的比例系数和积分系数。
2.转子侧变流器(RSC)直接有功功率控制：通过控制RSC，旨在直接将风机有功功率输出直接控制在有功功率速降指令值。为此，RSC双闭环矢量控制的有功功率控制内环及无功控制内外环沿用传统控制策略，仅将有功功率控制外环修改为：获取有功功率速降指令值Pe *和实际风机有功功率输出功率Pe，将二者差值送入第三PI调节器得到内环有功电流参考指令值，其表达式为：
Figure BDA0002675905220000151
其中，
Figure BDA0002675905220000152
表示转子侧电流内环输入的有功电流参考信号，Pe表示实际有功功率；Pe *为有功功率速降指令值；kp1和ki1分别为有功功率外环PI调节器的比例系数和积分系数。
3.网侧变流器(GSC)直流电压-转子转速下垂控制：为了能够及时启动chopper来吸收不平衡能量，在转子转速超过风机功率速降前MPPT模式下的最优转速ωopt时，通过GSC控制直流电压随转子转速上升而上升。为此，GSC沿用传统双闭环矢量控制方案，将有功功率控制外环直流电压参考值Vdc *依据风机实际转速ωr，通过下式进行动态调整：
Figure BDA0002675905220000153
其中Vdcb为直流母线额定电压，Vdcmax为直流母线电压最大允许值，ωr为风机实际转速，ωopt表示MPPT模式下的最优转速；k是直流电压-转速下垂曲线的斜率。
4.快速桨距角调节：通过调整桨距角减小风机机械输入功率，不仅可以进一步抑制转子转速的上升并将最终转速维持在功率下降前MPPT运行模式下的最优值，而且能够从根本上消除不平衡能量，使chopper退出运行来最小化运行成本。考虑到传统桨距角控制策略的响应性能较差，本发明引入快速桨角调整策略，它依据有功功率速降指令值Pe *的数值，通过以下两个步骤直接给出桨距角指令值β：
1)按照下式计算当机械输入功率Pm调整到与Pe *相等时的风能利用系数CP0：
Figure BDA0002675905220000154
式中，CP0为风能利用系数，Pm为风机机械输入功率，Pe *为有功功率速降指令值，P0为驱动风机桨叶旋转的风能功率，Pmax表示MPPT运行模式下风机实际捕获的最大风能功率，CPmax为最大风能功率下的风能利用系数。
2)将上一步计算出的CP0代入下面风能利用系数与叶尖速比的关系式，并令叶尖速比等于MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比λopt，从而得出桨距角指令值β：
Figure BDA0002675905220000161
式中，CP0为风能利用系数；λi为中间变量；λopt为MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比；β为桨距角指令值。
由上式得出的β-CP0的关系可以表示为图2二维曲线的形式。为方便控制程序的编写，通常将上式转化为β-CP0查询表。
请参见图2，展示了本发明的一种双馈风机有功功率输出速降控制系统的工作流程：
当接收到有功功率速降指令时，RSC直接有功功率控制环将有功功率输出速降至指令值。功率速降产生的盈余功率最初以转子动能的形式积聚，使得电机转子转速出现短暂上升。在GSC网侧双闭环矢量控制单元的控制下，直流母线电压随转子转速上升。当直流电压上升至设定的直流母线电压阈值时，chopper的功率开关器件驱动器，启动chopper的功率开关器件，chopper快速消耗盈余功率，及时抑制转子转速的上升。与此同时，风机变桨伺服系统以最大速率增大桨距角来进一步抑制转速上升，直流电压也逐渐随转速降至设定的直流母线电压阈值以下，最终chopper退出运行并将转速维持在功率下降前MPPT运行模式下的最优值。
可在MATLAB/Simulink仿真软件中建立如图4所示的并网双馈风机系统仿真模型，其中RSC和GSC均采用含功率开关器件的两电平变流器详细模型，一台10MW双馈风机通过一台575V/25kV升压变压器和30km输电线路接至25kV无穷大电网。GSC的额定容量为系统额定容量的50％。风速设定为10m/s，在该工况下，风机在MPPT模式下稳定运行在额定转速并对外输出功率因数0.8pu的有功功率。设定风机在t＝5s时接收到有功功率速降指令，要求其对外发出的有功功率降至0.1pu，并维持25s，pu即功率单位，是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，表示各物理量及参数的相对值。忽略各阶段通信延迟。对比风机在有功功率速降指令下仅启用桨距角、仅启用chopper与协调控制桨距角和chopper的本发明下的响应曲线。由图5可知，本发明与仅启用桨距角的方案都能快速准确地将风机有功功率输出降至指令值，而仅启用chopper的方案由于不平衡能量的持续存在和GSC的有限容量，在这种功率下降数额较大的情况下无法将有功功率输出控制在指令值；由图6可知，仅依赖桨距角的传统方案存在较大的过转速风险，而本发明通过快速启动chopper可以更及时地抑制过转速；由图7可知，与仅启用chopper的方案相比，本发明通过在不同时间尺度下协调控制chopper和桨距角，减少了chopper的投入时间，降低了运行成本。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种双馈风机有功功率输出速降控制系统，包括：风机变桨伺服系统、直流母线以及并联在直流母线两极的转子侧变流器及网侧变流器；其特征在于，还包括直流卸荷电路，直流卸荷电路包括制动电阻及全控型功率开关器件；制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接；全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器包括第一反相加法器、第一PI调节器及脉冲宽度调制器；第一反相加法器的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，第一反相加法器输出信号至第一PI调节器；第一PI调节器输出信号至脉冲宽度调制器；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。
2.根据权利要求1所述的双馈风机有功功率输出速降控制系统，其特征在于，转子侧变流器由转子侧双闭环矢量控制单元驱动；转子侧双闭环矢量控制单元包括转子侧电流内环电路和转子侧功率外环电路；其中转子侧功率外环电路包括两个支路；其中一个支路包括依次连接的用于将风机转速换算为风机定子参考功率的功率换算器、第二反相加法器及第二PI调节器；另一个支路包括依次连接的第三反相加法器及第三PI调节器；两条支路的输出端分别通过第一多路选择开关与转子侧电流内环电路的输入端相连，第一多路选择开关的控制端由上位机调度指令信号控制；功率换算器，其输入风机实际转速，其依据风机MPPT曲线输出定子参考功率；第二反相加法器，其正极输入端与功率换算器的输出端连接，其负极输入端输入定子实际功率；第三反相加法器的正负极输入端分别对应输入实际有功功率及有功功率速降指令值；第二PI调节器、第三PI调节器分别输出参考电流至第一多路选择开关的数据输入端。
3.根据权利要求1所述的双馈风机有功功率输出速降控制系统，其特征在于，网侧变流器由网侧双闭环矢量控制单元驱动；网侧双闭环矢量控制单元包括网侧电流内环电路和网侧电压外环电路；其中网侧电压外环电路包括：用于将风机转速偏差换算为直流母线参考电压的直流母线电压换算器、第四反相加法器、第五反相加法器、第四PI调节器及第二多路选择开关；第四反相加法器的正负极输入端分别对应输入风机实际转速及风机MPPT最优转速，第四反相加法器输出风机转速偏差至直流母线电压换算器，直流母线电压换算器输出直流母线参考电压；第二多路选择开关的数据输入端分别输入直流母线额定电压及来自直流母线电压换算器的直流母线参考电压；第二多路选择开关的输出端与第五反相加法器的正极输入端相连；第五反相加法器的负极输入端输入直流母线实际电压，第五反相加法器输出直流母线电压偏差至第四PI调节器；第四PI调节器输出直流母线参考电流至网侧电流内环电路；第二多路选择开关的控制端由上位机调度指令信号控制。
4.根据权利要求1所述的双馈风机有功功率输出速降控制系统，其特征在于，风机变桨伺服系统包括驱动变桨距伺服电机的伺服驱动器、风能利用系数计算器、桨距角指令值查询表、第六反相加法器、第五PI调节器及第三多路选择开关；风能利用系数计算器输入有功功率速降指令值，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数至桨距角指令值查询表；桨距角指令值查询表输出对应风能利用系数的桨距角指令值；第六反相加法器的正负极输入端分别对应输入风机实际转速及风机最大转速，第六反相加法器的输出端与第五PI调节器的输入端相连；第五PI调节器输出桨距角参考值；第三多路选择开关的数据输入端分别输入来自桨距角指令值查询表的桨距角指令值及来自第五PI调节器的桨距角参考值；第三多路选择开关的数据输出端与风机变桨伺服驱动器相连；第三多路选择开关的控制端由上位机调度指令信号控制。
5.一种双馈风机有功功率输出速降控制方法，其特征在于，采用风机变桨伺服系统、直流母线以及并联在直流母线两极的转子侧变流器及网侧变流器进行调控，还设置直流卸荷电路，直流卸荷电路由制动电阻及全控型功率开关器件构成；将制动电阻与全控型功率开关器件串联后与直流母线的正负极连接；全控型功率开关器件由功率开关器件驱动器驱动；功率开关器件驱动器设置第一反相加法器、第一PI调节器及脉冲宽度调制器；使第一反相加法器的正负极输入端分别输入直流母线实际电压及设定的直流母线电压阈值，使第一反相加法器输出信号至第一PI调节器；使第一PI调节器输出信号至脉冲宽度调制器，从而调整脉冲宽度调制器输出脉冲的占空比；脉冲宽度调制器输出脉冲信号至全控型功率开关器件的控制端。
6.根据权利要求5所述的双馈风机有功功率输出速降控制方法，其特征在于，转子侧变流器由转子侧双闭环矢量控制单元驱动；转子侧双闭环矢量控制单元采用转子侧电流内环电路和转子侧功率外环电路；其中转子侧功率外环电路采用两个支路；其中一个支路由依次连接的用于将风机转速换算为风机定子参考功率的功率换算器、第二反相加法器及第二PI调节器构成；另一个支路由依次连接的第三反相加法器及第三PI调节器构成；使功率换算器输入风机实际转速，并依据风力机MPPT曲线输出定子参考功率；由第二反相加法器计算定子实际功率与额定功率的偏差，并将该偏差输入第二PI调节器；由第三反相加法器计算实际有功功率与有功功率速降指令值的偏差；并将该偏差输入第三PI调节器；使第二PI调节器、第三PI调节器分别输出参考电流至第一多路选择开关的数据输入端；在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关选择第二PI调节器或第三PI调节器的输出端与转子侧电流内环电路输入端间信号传输。
7.根据权利要求5所述的双馈风机有功功率输出速降控制方法，其特征在于，网侧变流器由网侧双闭环矢量控制单元驱动；网侧双闭环矢量控制单元采用网侧电流内环电路和网侧电压外环电路；其中网侧电压外环电路采用：用于将风机转速偏差换算为直流母线参考电压的直流母线电压换算器、第四反相加法器、第五反相加法器、第四PI调节器及第二多路选择开关；由第四反相加法器计算风机实际转速与风机MPPT最优转速的偏差，由直流母线电压换算器输入此偏差并换算成直流母线参考电压；在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关选择将直流母线额定电压或直流母线参考电压传输至第五反相加法器的正极输入端，使第五反相加法器的负极输入端输入直流母线实际电压；使第五反相加法器输出端与第四PI调节器的输入端连接；使第四PI调节器输出直流母线参考电流至网侧电流内环电路。
8.根据权利要求5所述的双馈风机有功功率输出速降控制方法，其特征在于，风机变桨伺服系统设置驱动变桨距伺服电机的伺服驱动器、风能利用系数计算器、桨距角指令值查询表、第六反相加法器、第五PI调节器及第三多路选择开关，风能利用系数计算器输入有功功率速降指令值，输出当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数至桨距角指令值查询表；桨距角指令值查询表输出对应风能利用系数的桨距角指令值；由第六反相加法器计算风机实际转速与风机最大转速的偏差，并将该偏差输入第五PI调节器；使第五PI调节器输出桨距角参考值；在上位机调度指令信号控制下，第二多路选择开关选择输入桨距角指令值或桨距角参考值至风机变桨伺服驱动器。
9.根据权利要求8所述的双馈风机有功功率输出速降控制方法，其特征在于，风能利用系数计算器按照下式计算当机械输入功率调整到与有功功率速降指令值相等时的风能利用系数：
Figure FDA0002675905210000031
式中，CP0为风能利用系数，Pm为风机机械输入功率，Pe *为有功功率速降指令值，P0为驱动风机桨叶旋转的风能功率，Pmax表示MPPT运行模式下风机实际捕获的最大风能功率，CPmax为最大风能功率下的风能利用系数。
10.根据权利要求8所述的双馈风机有功功率输出速降控制方法，其特征在于，桨距角指令值查询表的建立方法包括：
建立风能利用系数与叶尖速比的关系式，并令叶尖速比等于MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比，从而得出对应风能利用系数的桨距角指令值，计算公式如下：
Figure FDA0002675905210000041
式中，CP0为风能利用系数；λi为中间变量；λopt为MPPT运行模式下风机捕获最大风能功率下最优叶尖速比；β为桨距角指令值。
CN202010947807.1A 2020-09-01 2020-09-10 一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法 Active CN112186814B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010947807.1A CN112186814B (zh) 2020-09-10 2020-09-10 一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法
US17/308,929 US20220069751A1 (en) 2020-09-01 2021-05-05 Fast active power output reduction system of doubly-fed induction generator and method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010947807.1A CN112186814B (zh) 2020-09-10 2020-09-10 一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112186814A true CN112186814A (zh) 2021-01-05
CN112186814B CN112186814B (zh) 2022-04-19

Family

ID=73920415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010947807.1A Active CN112186814B (zh) 2020-09-01 2020-09-10 一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20220069751A1 (zh)
CN (1) CN112186814B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3872979A1 (en) * 2020-02-26 2021-09-01 Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation & Technology, S.L. Control of an induction generator of a wind turbine

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102769423A (zh) * 2012-07-16 2012-11-07 上海电力学院 基于z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法
CN103078339A (zh) * 2013-01-29 2013-05-01 武汉大学 容量最优的储能型双馈风机低压穿越控制系统及其方法
CN105591395A (zh) * 2016-01-06 2016-05-18 清华大学 一种双馈风机虚拟惯量控制后的转速恢复方法
CN107134814A (zh) * 2017-05-10 2017-09-05 武汉大学 一种双馈风机协同有功备用控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102769423A (zh) * 2012-07-16 2012-11-07 上海电力学院 基于z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法
CN103078339A (zh) * 2013-01-29 2013-05-01 武汉大学 容量最优的储能型双馈风机低压穿越控制系统及其方法
CN105591395A (zh) * 2016-01-06 2016-05-18 清华大学 一种双馈风机虚拟惯量控制后的转速恢复方法
CN107134814A (zh) * 2017-05-10 2017-09-05 武汉大学 一种双馈风机协同有功备用控制方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JING SHI,ET AL: "SMES Based Excitation System for Doubly-Fed", 《IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY》 *
LIHUI YANG，ET AL: "Advanced Control Strategy of DFIG Wind Turbines", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS》 *
ZHU JIEBEI.ET AL: "Coordinated direct current matching control strategy for", 《ELECTRIC POWER SYSTEMS RESEARCH》 *
刘勇 等: "含 chopper 电路的直驱风机响应电网短路的", 《电 力 科 学 与 工 程》 *
赵冬梅 等: "全风况下双馈风机参与调频的协调控制策略研究", 《电力系统保护与控制》 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20220069751A1 (en) 2022-03-03
CN112186814B (zh) 2022-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3292625B1 (en) Wind turbine power generation system
CN110071531B (zh) 一种大规模储能与永磁风力发电协调控制系统及方法
US8183704B2 (en) Connection and disconnection sequence for variable speed wind turbine having an exciter machine and a power converter not connected to the grid
EP2315345B1 (en) Grid fault ride-through for current source converter-based wind energy conversion systems
CN108242814B (zh) 变速变频风电机组的一次调频方法和设备
Youssef et al. MPPT control technique for direct-drive five-phase PMSG wind turbines with wind speed estimation
CN113346562B (zh) 一种永磁直驱式风电机组低电压穿越的控制方法
CN111969616B (zh) 基于限功率运行的dfig与svg协调控制电压的方法
CN111969649B (zh) 弱电网下提升双馈风机功率传输极限的控制方法及系统
CN111355260B (zh) 一种全功率变速可逆式抽水蓄能机组变流器功率控制方法
CN109962496B (zh) 一种基于高压直流输电的海上风电场集成拓扑设计方法
CN112186814B (zh) 一种双馈风机有功功率输出速降控制系统及方法
Cortajarena et al. DFIG wind turbine grid connected for frequency and amplitude control in a smart grid
CN113193587B (zh) 孤岛双馈风电场经高压直流输电外送协同控制方法及系统
CN104362674B (zh) 一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法
CN107706937A (zh) 一种储能型双馈风电机组的协调控制方法
CN116054169A (zh) 一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法和设备
CN111342489B (zh) 基于双馈风电场主动功率控制的电网故障电压提升方法
Ling et al. Improvement of the low-voltage ride-through capability of doubly fed induction generator wind turbines
CN114421498A (zh) 基于能量路由器的中压风电系统波动功率平抑方法及系统
CN114938014A (zh) 混合储能与撬棒电阻的风电并网低电压穿越控制方法
Shanmugam et al. Design and implementation of power electronic converters in wind turbine system
CN109386427B (zh) 考虑逆变器限流特性的直驱式永磁同步风电机组控制方法
CN115833276B (zh) 一种双馈风机故障穿越控制方法及设备
Fu et al. L/HVRT scheme of offshore permanent magnet synchronous wind turbine

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant