CN113411022B - 一种基于直流母线电压的风机功率平滑方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种基于直流母线电压的风机功率平滑方法。该方法包括：获取直流母线电压的平滑变化范围；基于所述直流母线电压的平滑变化范围，根据时间常数τ最大值计算公式进行分析，获得时间常数τ允许的最大值；采用时间分段控制的方式，基于所述时间常数τ允许的最大值，根据直流母线电压参考值计算公式进行分析，确定直流母线电压参考值；根据所述直流母线电压参考值控制所述直流母线电压，实现平滑风机系统的输出功率，可以准确跟踪平滑量并且在风机启动时能较快响应控制，能够能有效平滑风机输出功率，并且提高了平滑功率的准确性。

Description

一种基于直流母线电压的风机功率平滑方法
技术领域
本申请涉及风电技术领域，特别是涉及一种基于直流母线电压的风机功率平滑方法。
背景技术
风能由于其清洁、无污染、储存丰富的特点，成为了最受关注与发展的可再生能源。但由于风速的不确定性引起风能大小随机变化，风电机组的输出功率也将发生波动，使得输出功率电能质量下降、电网中出现频率偏差与电压闪变等。为了让风电机组并网满足要求、提高输出电能质量，如何平滑风电机组输出功率便成为急需解决的问题。
平滑风电机组输出功率的方法按照是否加装储能装置可以分为间接功率控制和直接功率控制。加装储能装置的方法称为间接功率控制，但是其增加了系统成本，且无法平滑单台机组功率波动，因此也考虑使用不加储能装置的直接功率控制。
直接功率控制通过风机自身的调节控制去达到功率平滑的效果，主要有桨距角控制、转子动能控制与直流母线电压控制等方法。在额定风速以下使用桨距角控制将能够显著平滑风机的功率输出，但是其响应速度较慢，且频繁启动与变化将会增加机组机械磨损，减少使用寿命，且该控制大幅降低了风能转换效率。转子动能控制是利用风机转子的加速/减速以实现多余功率的吸收/释放，从而实现风电机组输出功率的平滑。但利用转子动能控制将使得风机工作点偏移最大功率点，使得风能捕获效率降低。
直流母线电压控制相较于前两种直接功率控制方式，并没有得到过多关注，在近几年来才有较多的研究。在以往的风电控制策略中，均将变流器直流侧电容两端电压视为常数，忽略了电容本身作为储能元件的平滑能力，认为发电机侧输出功率与电网侧输入功率相等。然而，不论控制方式如何改变，风速的波动总会引起直流测电容电压的变化，即直流侧电容已经起着平衡二者功率偏差的作用。此外，将电容用于控制，并不影响最大功率点跟踪控制。
现有的直流母线电压控制可分为两种，分别是基于流经直流侧电容上的电流Idc恒定的直流母线电压控制和基于采样周期的直流母线电压控制。对于第一种电压控制而言，若认为Idc不变，那么直流母线电压Udc将随时间线性变化，进一步将得到电容补偿功率Pc＝Udc·Idc随时间线性变化。而风速的变化是随机的，需要的补偿功率Pc不可能是线性变化，因此该控制方式无法有效实现通过控制直流母线电压以平滑功率的目标。第二种电压控制以采样周期T为单位，计算出期望电压。但是忽略了采样周期前后电压差的平方ΔU2的影响，因此直流母线电压实现功率平滑的有效性依赖于T的取值，可是由于电容器本身的快速充放电能力，很难去确定T的大小，因此，目前直流母线电压控制不能有效平滑风机输出功率。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够能有效平滑风机输出功率的基于直流母线电压的风机功率平滑方法。
一种基于直流母线电压的风机功率平滑方法，所述方法包括：
获取直流母线电压的平滑变化范围；
基于所述直流母线电压的平滑变化范围，根据时间常数τ最大值计算公式进行分析，获得时间常数τ允许的最大值；
采用时间分段控制的方式，基于所述时间常数τ允许的最大值，根据直流母线电压参考值计算公式进行分析，确定直流母线电压参考值；
根据所述直流母线电压参考值控制所述直流母线电压，实现平滑风机系统的输出功率。
在其中一个实施例中，所述时间常数τ最大值计算公式为：
Figure BDA0003086792590000031
其中，τmax是时间常数τ允许的最大值，Pmax是目标控制区间内风机的最大相对功率的绝对值，C是直流侧电容的电容值，Umax是直流母线电压的上限，Umin是直流母线电压的下限，U(t0)是时间t0时刻的直流母线电压，t0是目标控制区间的初始时刻。
在其中一个实施例中，所述直流母线电压参考值计算公式为：
Figure BDA0003086792590000032
Figure BDA0003086792590000033
其中，U(t0)是时间t0时刻的直流母线电压，t0是目标控制区间的初始时刻，U(t)为时刻t的直流母线电压参考值，t是当前时刻，C是直流侧电容的电容值，Pgen为发电机侧输出功率，Pcom为电网侧期望平滑功率，通过对Pcom(s)进行拉普拉斯逆变换获得，τmax是时间常数τ允许的最大值，s是复数域中的变量，Pcom(s)为s域上的电网侧期望平滑功率，Pgen(s)为s域上的发电机侧输出功率。
在其中一个实施例中，所述获取直流母线电压的平滑变化范围的步骤，包括：
根据所述风机系统的耐压水平，确定所述直流母线电压的上限；
根据电网侧逆变器的电压利用率和电网电压，确定所述直流母线电压的下限。
上述基于直流母线电压的风机功率平滑方法，通过获取直流母线电压的平滑变化范围；基于所述直流母线电压的平滑变化范围，根据时间常数τ最大值计算公式进行分析，获得时间常数τ允许的最大值；采用时间分段控制的方式，基于所述时间常数τ允许的最大值，根据直流母线电压参考值计算公式进行分析，确定直流母线电压参考值；根据所述直流母线电压参考值控制所述直流母线电压，实现平滑风机系统的输出功率，可以准确跟踪平滑量并且在风机启动时能较快响应控制，能够能有效平滑风机输出功率，并且提高了平滑功率的准确性。
进一步地，利用风电场自身风机进行功率平滑，无需储能装置，大幅度降低了平滑成本，增加了普遍应用的可行性。
附图说明
图1为一个实施例中基于直流母线电压的风机功率平滑方法的应用环境图；
图2为一个实施例中基于直流母线电压的风机功率平滑方法的背靠背变换器的电网侧逆变器控制框图；
图3为一个实施例中基于直流母线电压的风机功率平滑方法的流程示意图；
图4为一个实施例中基于直流母线电压的风机功率平滑方法的一组风速曲线图；
图5为一个实施例中基于直流母线电压的风机功率平滑方法的直流母线电压控制框图；
图6为通过本申请进行直流母线电压控制和无直流母线电压控制的输出功率的曲线对比图；
图7为一个实施例中基于直流母线电压的风机功率平滑方法的直流母线电压大小示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的基于直流母线电压的风机功率平滑方法，可以应用于如图1所示的永磁直驱风力发电系统环境中。其中，永磁直驱风力发电系统包括风机1、永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)2、背靠背变换器3、直流侧电容4和电网5，永磁同步发电机2直接连接风机1，风机1将吸收的机械能Pw传递给永磁同步发电机2，永磁同步发电机2发出的电能Pe通过背靠背变换器3并网(并网指的是将永磁同步发电机发出的电能输入到电网5中)，背靠背变换器3是永磁直驱风力发电系统实现电功率并网的控制核心，背靠背变换器3包括永磁同步发电机侧的整流器和电网侧的逆变器，其中永磁同步发电机侧的整流器通常控制永磁同步发电机2实现MPPT控制；电网侧的逆变器则用来控制直流母线电压的稳定与功率的流向，控制框图如图2所示，对于q轴，采用iq*＝0控制方式以实现单位功率因数控制。对于d轴，采用双闭环控制结构，外环为直流侧电压控制环，以稳定直流侧电压、避免失控；内环为电流控制环，以实现对于参考电流的及时跟踪，从而控制有功功率。其中Udcref为本申请的基于直流母线电压的风机功率平滑方法计算后得到的直流母线电压参考值。从图2中可见，若直流母线电压超过允许范围将直接关系着逆变器失稳。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种基于直流母线电压的风机功率平滑方法，包括以下步骤：
步骤S220，获取直流母线电压的平滑变化范围。
在一个实施例中，获取直流母线电压的平滑变化范围的步骤，包括：根据风机系统的耐压水平，确定直流母线电压的上限；根据电网侧逆变器的电压利用率和电网电压，确定直流母线电压的下限。
其中，为了使得电压有足够的变化裕度，直流侧母线的初始电压可以为2000V，考虑到整个风机系统的耐压水平，设置其电压上限Umax为系统耐压值3000V。电压下限Umin的取值则和电网侧逆变器的线电压利用率有关系，并且不低于电网的线电压幅值，当使用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)时，线电压利用率为1，直流母线电压最低值Umin为电网线电压的幅值1000V。
步骤S240，基于直流母线电压的平滑变化范围，根据时间常数τ最大值计算公式进行分析，获得时间常数τ允许的最大值。
在一个实施例中，时间常数τ最大值计算公式为：
Figure BDA0003086792590000061
其中，τmax是时间常数τ允许的最大值，Pmax是目标控制区间内风机的最大相对功率的绝对值，C是直流侧电容的电容值，Umax是直流母线电压的上限，Umin是直流母线电压的下限，U(t0)是时间t0时刻的直流母线电压，t0是目标控制区间的初始时刻。
其中，时间常数τ最大值计算公式可根据一阶低通滤波(Low-pass filter,LPF)控制算法得出，具体为：
在s域上，一阶低通滤波控制算法为：
Figure BDA0003086792590000062
其中，Pgen(s)为s域上的发电机侧输出功率；Pcom(s)为s域上的电网侧期望平滑功率，s是复数域中的变量。
根据一阶低通滤波控制算法，可得直流侧电容吸收的功率为：
Figure BDA0003086792590000063
其中，Pc(s)为直流侧电容吸收的功率。
被直流侧电容吸收/释放的电能，为Pc(s)的积分，即：
Figure BDA0003086792590000064
其中，Wc(s)为直流侧电容吸收/释放的电能。
在时间域上，被直流侧电容吸收/释放的电能从卷积计算的角度可表达为：
Figure BDA0003086792590000071
其中，Wc(t)为被直流侧电容吸收/释放的电能，U(t)为在时间t时刻的参考电压，t为时间，U(t0)为时间t0时刻的直流母线电压，e为自然对数的底数，近似等于2.718281828，u为积分里的自变量，Pgenrelative(t)为相对值功率，Pgenrelative(t)＝Pgen(t)-Pgen(t0)，Pgen(t)为在时间t时刻的发电机侧输出功率，Pgen(t0)为在初始时间t0时刻的发电机侧输出功率，t1为是目标控制区间的结束时刻，给定0≤|Pgenrelative(t)|≤Pmax，其中，Pmax是目标控制区间内最大相对功率的绝对值，可进一步得到：
Figure BDA0003086792590000072
τ·Pmax是直流侧电容吸收/释放的最大能量，对应的是目标控制区间内风速的最大绝对值。由于指数函数的性质，当风速的最大绝对值持续时间超过0.2s时，直流侧电容上吸收/释放的能量将达到τ·Pmax并保持不变。由于现实中每次风速的持续时间至少不小于0.2s，所以该式具有实际应用价值。综上，直流侧电容能够吸收/释放的最大能量为：
Figure BDA0003086792590000073
其中，Wcmax直流侧电容能够吸收/释放的最大能量，C为直流侧电容的电容值，取其等于0.15F为例，Umax是直流母线电压的上限，Umin是直流母线电压的下限，U(t0)是时间t0时刻的直流母线电压，t0是目标控制区间的初始时刻。
时间常数τ允许的最大值为：
Figure BDA0003086792590000081
图4中为给定的风速曲线，取目标控制区间N的值为50s，在该风速下，可计算得到时间常数允许的最大值为τmax＝0.45s。
步骤S260，采用时间分段控制的方式，基于时间常数τ允许的最大值，根据直流母线电压参考值计算公式进行分析，确定直流母线电压参考值。
其中，考虑电容平滑功率的持续，以目标控制区间N为单位，从时间t0开始到t1积分，下一个目标控制区间以上一个目标控制区间最后的电压作为初始电压，重新进行积分，以得出更准确的直流母线电压参考值。在一个目标控制区间N＝t0-t1内的任意时刻直流母线电压参考值可以由直流母线电压参考值计算公式计算获得。
其中，具体控制框图如图5所示，以目标控制区间N为单位，根据时间t确定初始的直流母线电压U(t0)的大小，在每个目标控制区间内利用直流母线电压参考值计算公式进行计算，得到直流母线电压参考值Udcref。下一个目标控制区间以上一个目标控制区间最后的电压作为初始电压，重新进行积分，以得出更准确的直流母线电压参考值。
在一个实施例中，直流母线电压参考值计算公式为：
Figure BDA0003086792590000082
Figure BDA0003086792590000083
其中，U(t0)是时间t0时刻的直流母线电压，t0是目标控制区间的初始时刻，U(t)为时刻t的直流母线电压参考值，t是当前时刻，C是直流侧电容的电容值，Pgen为发电机侧输出功率，Pcom为电网侧期望平滑功率，通过对Pcom(s)进行拉普拉斯逆变换获得，τmax是时间常数τ允许的最大值，s是复数域中的变量，Pcom(s)为s域上的电网侧期望平滑功率，Pgen(s)为s域上的发电机侧输出功率。
步骤S280，根据直流母线电压参考值控制直流母线电压，实现平滑风机系统的输出功率。
上述基于直流母线电压的风机功率平滑方法，通过
为验证本申请的基于直流母线电压的风机功率平滑方法的有效性，请参阅图6，图6为通过本申请进行直流母线电压控制和无直流母线电压控制的输出功率的曲线对比图，可见本申请进行直流母线电压控制让功率更加平缓，功率上升段和下降段的变化速度得到减少，整条功率曲线更加平滑，说明其有效抑制了功率波动。基于本申请进行直流母线电压控制的直流母线电压如图7所示，可见利用本申请所提出的方法，在使用直流母线电压去平滑功率时，电压会很接近直流母线电压的上下限，这也说明了本申请的方法的有效。
应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于直流母线电压的风机功率平滑方法，其特征在于，所述方法包括：
获取直流母线电压的平滑变化范围；
基于所述直流母线电压的平滑变化范围，根据时间常数τ最大值计算公式进行分析，获得时间常数τ允许的最大值；
采用时间分段控制的方式，基于所述时间常数τ允许的最大值，根据直流母线电压参考值计算公式进行分析，确定直流母线电压参考值；
根据所述直流母线电压参考值控制所述直流母线电压，实现平滑风机系统的输出功率；
所述时间常数τ最大值计算公式为：
Figure FDA0003693090700000011
其中，τmax是时间常数τ允许的最大值，Pmax是目标控制区间内风机的最大相对功率的绝对值，C是直流侧电容的电容值，Umax是直流母线电压的上限，Umin是直流母线电压的下限，U(t0)是时间t0时刻的直流母线电压，t0是目标控制区间的初始时刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流母线电压参考值计算公式为：
Figure FDA0003693090700000012
Figure FDA0003693090700000013
其中，U(t0)是时间t0时刻的直流母线电压，t0是目标控制区间的初始时刻，U(t)为时刻t的直流母线电压参考值，t是当前时刻，C是直流侧电容的电容值，Pgen为发电机侧输出功率，Pcom为电网侧期望平滑功率，通过对Pcom(s)进行拉普拉斯逆变换获得，τmax是时间常数τ允许的最大值，s是复数域中的变量，Pcom(s)为s域上的电网侧期望平滑功率，Pgen(s)为s域上的发电机侧输出功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取直流母线电压的平滑变化范围的步骤，包括：
根据所述风机系统的耐压水平，确定所述直流母线电压的上限；
根据电网侧逆变器的电压利用率和电网电压，确定所述直流母线电压的下限。
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