CN112968451B - 一种含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法 - Google Patents

一种含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法，该系统包括：机侧变流器、网侧变流器及储能变流器；机侧变流器分别与永磁同步发电机及网侧变流器相连；机侧变流器采用最大功率跟踪控制的基础上加入惯量响应控制环路，将风轮惯量传递到电网侧；网侧变流器采用惯性同步控制策略，以使直流侧电压自主感知电网频率波动；储能变流器与直流侧相连；用于根据直流侧电压所感知的电网频率来吸收或发出功率参与电网一次调频。通过本发明，能够使电压源控制的风电机组同时具有参与一次调频与惯量响应功能。

Description

一种含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电学技术领域，特别涉及一种含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法。
背景技术
全功率变换机组风力发电系统，风电机组主要包括：风轮、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器。全功率变换机组的网测变流器通常采用基于电网电压定向的矢量控制方式，由于背靠背变流器的隔离作用，使得风轮的物力惯量无法被传递到电网，全功率变换机组对电网不体现惯量。另外，在弱电网条件下矢量控制的全功率风电机组存在谐波振荡等交互失稳问题，危及其安全稳定运行。
现有技术中，申请号为：201811124760.8的中国发明专利，公开了一种电压源型控制的全功率风电机组，其并网系统结构如图1所示，其中机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制，网测变流器采用“惯性同步”控制。在网测变流器控制环路中，直流侧电压的标幺值
Figure BDA0002974695540000011
输入到积分控制器，该控制器的输出作为网侧变流器输出电压ug的相位θ用于脉冲宽度调制(PWM)。可以通过调节调制电压幅值
Figure BDA0002974695540000012
来控制网侧变流器输出的无功功率
Figure BDA0002974695540000013
PWM模块基于θ，
Figure BDA0002974695540000014
和
Figure BDA0002974695540000015
生成三相开关信号sabc。机侧变流器采用功率外环、电流内环的双环控制结构，根据风轮转速产生最优功率参考值
Figure BDA0002974695540000016
实现最优功率控制。
其中，风电机组直流侧电压能够自主感知电网频率变化。惯量传递控制器通过检测直流电压的变化率，并将变化率乘以惯量传递系数KC，该结果乘以-1即为惯量传递控制器的输出值
Figure BDA0002974695540000021
加上最大功率控制器的输出值
Figure BDA0002974695540000022
作为有功功率参考值
Figure BDA0002974695540000023
惯量传递控制环路将风轮惯量传递到电网侧，能够实现风电机组对电网的惯量响应功能，无法实现参与电网的一次调频功能。
因此，有必要研究一种风电机组控制系统及方法，使其同时具备惯量响应、参与电网一次调频的功能。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法，能够使电压源控制的风电机组同时具有参与一次调频与惯量响应功能。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种含储能的全功率变换风电机组控制系统，其包括：机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器；其中，
所述机侧变流器分别与永磁同步发电机以及网侧变流器相连；
所述机侧变流器采用最大功率跟踪控制的基础上加入惯量响应控制环路，将风轮惯量传递到电网侧；
所述网侧变流器采用惯性同步控制策略，以使直流侧电压自主感知电网频率波动；
所述储能变流器与直流侧相连；所述储能变流器用于根据直流侧电压所感知的电网频率来吸收或发出功率参与电网一次调频。
较佳地，所述储能变流器包括：电池以及储能单元；其中，
所述储能单元包括：第一功率开关器件、第二功率开关器件以及滤波电感；
所述电池的负极与所述第二功率开关器件的源极相连，所述电池的正极与所述滤波电感的一端相连；
所述滤波电感的另一端分别与所述第一功率开关器件的源极以及所述第二功率开关器件的漏极相连；
所述第一功率开关器件的源极与所述第二功率开关器件的漏极相连；
所述第一功率开关器件的漏极与所述直流侧的正极相连，所述第二功率开关器件的源极与所述直流侧的负极相连。
较佳地，所述储能变流器的控制单元包括：荷电状态控制环路、选通开关、下垂控制器、PI调节器以及比较器；其中，
所述荷电状态控制环路的输出作为选通开关的第二位置的输入；
所述选通开关的第一位置的输入为0，所述选通开关的输出叠加1后作为直流电压的设定值
Figure BDA0002974695540000031
直流电压的设定值
Figure BDA0002974695540000032
与反馈值
Figure BDA0002974695540000033
之差经过所述下垂控制器，其输出为储能单元输出电流的参考值iesref；
所述储能单元输出电流的参考值iesref与储能单元输出电流的反馈值ies之差经过所述PI调节器，其输出作为第一功率开关器件以及第二功率开关器件的触发脉冲。
较佳地，所述荷电状态控制环路包括：滞环比较器以及比例积分调节器；其中，
电池的实际荷电状态SOC与荷电状态设定值SOCset之差经过所述滞环比较器，其输出经过所述比例积分调节器后作为荷电状态控制环路的输出。
较佳地，所述比例积分调节器的输出处设置有限幅值，可以避免储能变流器无限制地给电池充电或放电。
较佳地，所述滞环比较器在输入值正向大于0.4、负向小于-0.4时，其输出由0变为1；
所述滞环比较器在输入值负向小于0.2，正向大于-0.2时，其输出由1变为0。
较佳地，当所述储能变流器运行在正常工作状态时，所述选通开关处在第一位置，直流电压的设定值
Figure BDA0002974695540000041
为1；
当电网频率处在额定值，基于惯性同步控制的风电机组直流侧电压
Figure BDA0002974695540000042
为1.0p.u.，对应储能单元的输出电流ies为0，即无需储能单元参与电网一次调频；
当电网频率下降，直流侧电压
Figure BDA0002974695540000043
小于1.0p.u.，对应储能单元的输出电流ies大于零，即储能单元对外多发出功率以抑制电网频率继续下跌；
当电网频率上升，直流侧电压
Figure BDA0002974695540000044
大于1.0p.u.，对应储能单元的输出电流小于零，即储能单元对外吸收功率以抑制电网频率继续上升。
较佳地，当所述储能变流器运行在强制充放电状态时，所述选通开关处在第二位置；
当需要强制电池放电时，所述荷电状态控制环路的输出
Figure BDA0002974695540000045
大于零，向上平移下垂特性曲线，强制电池向外放电，从而使电池的荷电状态SOC下降；
当需要强制电池充电时，所述荷电状态控制环路的输出
Figure BDA0002974695540000046
小于零，向下平移下垂特性曲线，强制电池充电，从而使电池的荷电状态SOC上升。
较佳地，所述机侧变流器采用功率外环、电流内环的双环控制结构。
本发明还提供一种含储能的全功率变换风电机组控制方法，其包括：
采用最大功率跟踪控制的基础上加入惯量响应控制环路控制机侧变流器，将风轮惯量传递到电网侧；
采用惯性同步控制策略控制网侧变流器，以使直流侧电压自主感知电网频率波动；
根据直流侧电压所感知的电网频率控制储能变流器来吸收或发出功率参与电网一次调频。
相较于现有技术，本发明实施例具有以下至少一种优点：
(1)本发明提供的含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法，通过在直流侧加入储能变流器，通过储能变流器吸收或发出功率参与电网一次调频，使得全功率变换风电机组同时具备了参与电网一次调频与惯量响应的功能；
(2)本发明提供的含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法，通过在荷电状态控制环路的比例积分调节器的输出处设置有限幅值，可以避免储能变流器无限制地给电池充电或放电；
(3)本发明提供的含储能的全功率变换风电机组控制系统及方法，
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明一实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统的机侧变流器以及网侧变流器的控制框图；
图3为本发明一实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统的储能变流器的控制框图；
图4为本发明一实施例的储能变流器的控制中滞环比较器的输入输出特征曲线；
图5为本发明一实施例的储能变流器实现一次调频功能的下垂特征曲线；
图6为本发明一实施例的储能变流器控制电池充放电状态转换关系示意图；
图7为本发明一实施例的含储能的全功率变换风电机组参与电网频率响应的波形；
图8为本发明一实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统强制电池充电、放电的波形。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为本发明一实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统的结构示意图。
请参考图1，本实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统包括：
机侧变流器(MSC)、网侧变流器(GSC)以及储能变流器；其中，机侧变流器分别与永磁同步发电机以及网侧变流器相连。
机侧变流器采用最大功率跟踪控制的基础上加入惯量响应控制环路，将风轮惯量传递到电网侧。
网侧变流器采用惯性同步控制策略，以使直流侧电压自主感知电网频率波动。
储能变流器与直流侧相连；储能变流器用于根据直流侧电压所感知的电网频率来吸收或发出功率参与电网一次调频。本实施例中，电池以及储能单元；其中，储能单元包括：第一功率开关器件g1、第二功率开关器件g2以及滤波电感Les；电池的负极与第二功率开关器件g2的源极相连，电池的正极与滤波电感的一端相连；滤波电感的另一端分别与第一功率开关器件g1的源极以及第二功率开关器件g2的漏极相连；第一功率开关器件g1的源极与第二功率开关器件g2的漏极相连；第一功率开关器件g1的漏极与直流侧udc的正极相连，第二功率开关器件g1的源极与直流侧udc的负极相连。
其中，省略了升压变压器，将电网电压、电网线路阻抗、升压变压器漏抗折算到机组升压变压器的低压侧，Lf为网侧变流器的滤波电感与升压变压器的等效漏电感之和，Lline为电网线路阻抗，Rline为电网线路电阻，udc为风电机组直流侧母线，up为公共连接点电压，ig为风电机组并网输出电流，eg为电网电压。电池经过储能变流器接入风电机组的直流侧，ues为电池电压，其值比风电机组直流侧电压udc低，较佳地，ues值为udc的一半；ies为储能单元的输出电流。本实施例中，储能变流器选择双向Buck/Boost变流器，该变流器具有控制能量双向流动的功能。
较佳实施例中，机侧变流器、网侧变流器采用电压源型脉宽调制变流器，两者的控制框图如图2所示。机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制，网侧变流器采用“惯性同步”控制。在网侧变流器控制环路中，直流侧电压的标幺值
Figure BDA0002974695540000071
输入到积分控制器，该控制器的输出作为网侧变流器输出电压ug的相位θ用于脉冲宽度调制(PWM)。可以通过调节调制电压幅值
Figure BDA0002974695540000072
来控制网侧变流器输出的无功功率
Figure BDA0002974695540000073
PWM模块基于θ，
Figure BDA0002974695540000074
和
Figure BDA0002974695540000075
生成三相开关信号sabc。机侧变流器采用功率外环、电流内环的双环控制结构，根据风轮转速产生最优功率参考值
Figure BDA0002974695540000076
实现最优功率控制。
较佳实施例中，储能变流器的控制框图如图3所示，其包括：荷电状态控制环路、选通开关Ses、下垂控制器(Kd)、PI调节器(PI)以及比较器。其中，荷电状态控制环路的输出作为选通开关Ses的位置2的输入；选通开关Ses的位置1的输入为0，选通开关Ses的输出叠加1后作为直流电压的设定值
Figure BDA0002974695540000077
直流电压的设定值
Figure BDA0002974695540000078
与反馈值
Figure BDA0002974695540000079
之差经过下垂控制器，此处系数为Kd，其输出为储能单元输出电流的参考值iesref；储能单元输出电流的参考值iesref与储能单元输出电流的反馈值ies之差经过所述PI调节器，其输出作为第一功率开关器件以及第二功率开关器件的触发脉冲。本实施例中，荷电状态控制环路包括：滞环比较器以及比例积分调节器；其中，电池的实际荷电状态SOC与荷电状态设定值SOCset之差经过滞环比较器(GHY)，其输出经过比例积分调节器(PI)后作为荷电状态控制环路的输出。
较佳实施例中，为了避免储能变换器无限制地给电池充电或者放电，在荷电状态控制环路中PI调节器的输出处设置了限幅值，如图4所示为该实施例的储能变流器的控制中滞环比较器的输入输出特征曲线。滞环比较器在输入值正向大于0.4、负向小于-0.4时，其输出由0变为1；在输入值负向小于0.2、正向大于-0.2时，其输出由1变为0。该实施例中，荷电状态控制环路中电池荷电状态设定值SOCset为0.5。
较佳实施例中，储能变换器具有正常工作、强制充放电两种工作状态，如图5所示为储能变流器实现一次调频功能的下垂特性曲线。储能变换器运行在正常工作状态时，选通开关Ses处在位置1，直流电压的设定值
Figure BDA0002974695540000081
为1，储能变流器的下垂特性曲线位于图5中的正常运行实线。从图5中可以看出，当电网频率处在额定值，基于“惯性同步”控制的风电机组直流侧电压
Figure BDA0002974695540000082
为1.0p.u.，对应储能单元输出电流ies为0，即无需储能单元参与电网一次调频；当电网频率下降，直流侧电压
Figure BDA0002974695540000083
小于1.0p.u.，对应储能单元输出电流ies大于零，即储能单元对外多发出功率以抑制电网频率继续下跌；当电网频率上升，直流侧电压
Figure BDA0002974695540000084
大于1.0p.u.，对应储能单元输出电流ies小于零，即储能单元对外吸收功率以抑制电网频率继续上升。储能变流器运行在正常工作状态时，直流侧附加储能单元的全功率风电机组能够实现参与电网一次调频的功能。
储能变换器运行在强制充放电工作状态时，选通开关Ses处在位置2。强制电池充放电的机理为调节下垂曲线的直流电压设定值
Figure BDA0002974695540000085
对应上下平移图5中的下垂特性曲线。当需要强制电池放电时，荷电状态控制环路输出
Figure BDA0002974695540000086
大于零，向上平移下垂特性曲线，强制电池向外放电，从而使电池的荷电状态SOC下降；当需要强制电池充电时，荷电状态控制环路输出
Figure BDA0002974695540000087
小于零，向下平移下垂特性曲线，强制电池充电，从而使电池的荷电状态SOC上升。
如图6所示为一较佳实施例的储能变流器控制电池充放电状态转换关系示意图，电池充放电的控制策略为：电池SOC超过90％即向上平移下垂曲线，对电池强制放电，当SOC下降到70％以下时停止对电池的强制放电，电池的下垂曲线恢复正常，储能单元正常参与电网的一次调频；电池SOC低于10％即向下平移下垂曲线，对电池强制充电，当SOC上升到30％以上时停止对电池的强制充电，电池的下垂曲线恢复正常，储能单元正常参与电网的一次调频。
如图7所示为一仿真实施例的含储能的全功率风电机组参与电网频率响应的波形，其中电网短路比kSCR为2.5，机侧变流器的惯量传递系数KC为30，储能变流器的下垂系数Kd为30，电池电压为0.6kV。在图7(a)中，电网频率fg在30s时由1.00p.u.降为0.99p.u.，风电机组直流侧电压udc在30s时相应地由1.00p.u.降为0.99p.u.。机侧变流器输出功率Ps、网侧变流器输出功率Pg均同时增大实现对电网的惯量响应，而后机侧变流器输出功率Ps恢复到额定值1.00p.u.，网侧变流器输出功率Pg稳定在1.09p.u.，实现了对电网的一次调频功能。储能变流器输出功率Pes由0增大到0.09p.u.，该值与基于下垂曲线计算出的储能变流器输出功率值相同。风轮转速ωt下降了大约0.03p.u.而后恢复。图7(a)中的仿真结果表明，在含储能的全功率风电机组中加入惯量传递控制和下垂控制，能够在电网频率下降时同时实现对电网的惯量响应、一次调频功能，其中机侧变流器提取风轮动能提供惯量响应，储能变流器提供一次调频。
参照图7(b)，电网频率fg在30s时由1.00p.u.增大到1.01p.u.，风电机组直流侧电压udc在30s时相应地由1.00p.u.增大为1.01p.u.。机侧变流器输出功率Ps、网侧变流器输出功率Pg均同时减小实现对电网的惯量响应，而后机侧变流器输出功率Ps恢复到额定值1.00p.u.，网侧变流器输出功率Pg稳定在0.91p.u.，实现了对电网的一次调频功能。储能变流器输出功率Pes由0减小到-0.09p.u.，该值与基于下垂曲线计算出的储能变流器输出功率值相同。风轮转速ωt上升了大约0.03p.u.而后恢复。图7(b)中的仿真结果表明，在含储能的全功率风电机组中加入惯量传递控制和下垂控制，能够在电网频率上升时同时实现对电网的惯量响应、一次调频功能，其中机侧变流器将多余能量转移到风轮以提供惯量响应，储能变流器提供一次调频。
如图8所示为一仿真实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统强制电池充电、放电的波形，其中电网短路比kSCR为2.5，储能变流器的下垂系数Kd为30，电池电压为0.6kV。在图8(a)中，20s时下垂控制中直流电压设定值
Figure BDA0002974695540000101
由1.00p.u.减小到0.98p.u.，直流电压实际值
Figure BDA0002974695540000102
保持在1.00p.u.不变，机侧变流器输出功率保持在1.00p.u.不变，而网侧变流器输出功率由1.00p.u.逐渐减小到0.82p.u.，相应的储能变流器输出功率由0减小为0.18p.u.，即储能变流器以0.18p.u.的功率为电池充电。图8(a)中的仿真结果表明，减小下垂控制中直流电压设定值
Figure BDA0002974695540000103
能够强制储能单元为电池充电。
参照图8(b)，20s时下垂控制中直流电压设定值
Figure BDA0002974695540000104
由1.00p.u.增大到1.02p.u.，直流电压实际值
Figure BDA0002974695540000105
保持在1.00p.u.不变，机侧变流器输出功率保持在1.00p.u.不变，而网侧变流器输出功率由1.00p.u.逐渐增大到1.18p.u.，相应的储能变流器输出功率由0增大为0.18p.u.，即储能变流器以0.18p.u.的功率为电池放电。图8(b)中的仿真结果表明，增大下垂控制中直流电压设定值
Figure BDA0002974695540000106
能够强制储能单元为电池放电。
一实施例中，还提供一种含储能的全功率变换风电机组控制方法，其为上述实施例的含储能的全功率变换风电机组控制系统的控制方法，其包括以下流程：
S11：采用最大功率跟踪控制的基础上加入惯量响应控制环路控制机侧变流器，将风轮惯量传递到电网侧；
S12：采用惯性同步控制策略控制网侧变流器，以使直流侧电压自主感知电网频率波动；
S13：根据直流侧电压所感知的电网频率控制储能变流器来吸收或发出功率参与电网一次调频；
上述流程S11～S13不分先后顺序。
具体上述控制方法实施例的实现，可以参照前面系统中的技术，在此不再赘述。
以上公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种含储能的全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，包括：机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器；所述机侧变流器分别与永磁同步发电机以及网侧变流器相连；其中，
所述机侧变流器采用最大功率跟踪控制的基础上加入惯量响应控制环路，将风轮惯量传递到电网侧；
所述网侧变流器采用惯性同步控制策略，以使直流侧电压自主感知电网频率波动；
所述储能变流器与直流侧相连；所述储能变流器用于根据直流侧电压所感知的电网频率来吸收或发出功率参与电网一次调频；
所述储能变流器包括：电池以及储能单元；其中，
所述储能单元包括：第一功率开关器件、第二功率开关器件以及滤波电感；
所述电池的负极与所述第二功率开关器件的源极相连，所述电池的正极与所述滤波电感的一端相连；
所述滤波电感的另一端分别与所述第一功率开关器件的源极以及所述第二功率开关器件的漏极相连；
所述第一功率开关器件的源极与所述第二功率开关器件的漏极相连；
所述第一功率开关器件的漏极与所述直流侧的正极相连，所述第二功率开关器件的源极与所述直流侧的负极相连；
所述储能变流器的控制单元包括：荷电状态控制环路、选通开关、下垂控制器、PI调节器以及比较器；其中，
所述荷电状态控制环路的输出作为选通开关的第二位置的输入；
所述选通开关的第一位置的输入为0，所述选通开关的输出叠加1后作为直流电压的设定值
Figure FDA0003995602760000011
直流电压的设定值
Figure FDA0003995602760000012
与反馈值
Figure FDA0003995602760000013
之差经过所述下垂控制器，其输出为储能单元输出电流的参考值iesref；
所述储能单元输出电流的参考值iesref与储能单元输出电流的反馈值ies之差经过所述PI调节器，其输出作为第一功率开关器件以及第二功率开关器件的触发脉冲。
2.根据权利要求1所述的含储能的全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，所述荷电状态控制环路包括：滞环比较器以及比例积分调节器；其中，
电池的实际荷电状态SOC与荷电状态设定值SOCset之差经过所述滞环比较器，其输出经过所述比例积分调节器后作为荷电状态控制环路的输出。
3.根据权利要求2所述的含储能的全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，所述比例积分调节器的输出处设置有限幅值。
4.根据权利要求2所述的含储能的全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，所述滞环比较器在输入值正向大于0.4、负向小于-0.4时，其输出由0变为1；
所述滞环比较器在输入值负向小于0.2，正向大于-0.2时，其输出由1变为0。
5.根据权利要求1所述的含储能的全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，当所述储能变流器运行在正常工作状态时，所述选通开关处在第一位置，直流电压的设定值
Figure FDA0003995602760000021
为1；
当电网频率处在额定值，基于惯性同步控制的风电机组直流侧电压
Figure FDA0003995602760000022
为1.0p.u.，对应储能单元的输出电流ies为0，即无需储能单元参与电网一次调频；
当电网频率下降，直流侧电压
Figure FDA0003995602760000023
小于1.0p.u.，对应储能单元的输出电流ies大于零，即储能单元对外多发出功率以抑制电网频率继续下跌；
当电网频率上升，直流侧电压
Figure FDA0003995602760000024
大于1.0p.u.，对应储能单元的输出电流小于零，即储能单元对外吸收功率以抑制电网频率继续上升。
6.根据权利要求1所述的含储能的全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，当所述储能变流器运行在强制充放电状态时，所述选通开关处在第二位置；
当需要强制电池放电时，所述荷电状态控制环路的输出
Figure FDA0003995602760000031
大于零，向上平移下垂特性曲线，强制电池向外放电，从而使电池的荷电状态SOC下降；
当需要强制电池充电时，所述荷电状态控制环路的输出
Figure FDA0003995602760000032
小于零，向下平移下垂特性曲线，强制电池充电，从而使电池的荷电状态SOC上升。
7.根据权利要求1所述的含储能的全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，所述机侧变流器采用功率外环、电流内环的双环控制结构。
8.一种含储能的全功率变换风电机组控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一项所述的含储能的全功率变换风电机组控制系统，其包括：
采用最大功率跟踪控制的基础上加入惯量响应控制环路控制机侧变流器，将风轮惯量传递到电网侧；
采用惯性同步控制策略控制网侧变流器，以使直流侧电压自主感知电网频率波动；
根据直流侧电压所感知的电网频率控制储能变流器来吸收或发出功率参与电网一次调频。
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