CN114825481B - 一种风电微网控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种风电微网系统和控制方法，实现双馈风力发电机组的系统频率支撑和电压控制，加以最大风能跟踪策略，提高微电网运行经济性。对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。同时结合当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，产生对应的角频率信号，并调制得到转子侧功率变换器开关信号。对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，实现对风能对最大捕获。

Description

一种风电微网控制方法
技术领域
本申请涉及风电控制领域，更具体地说，涉及一种风电微网控制方法。
背景技术
随着新能源发电技术的进步和国家对新能源的激励政策，电力系统中新能源发电占比越来越高，其中风力发电作为新能源发电的一种重要形式，占据了重要的地位。
风力发电是指把风的动能转为电能，主要是通过风力引动风轮来进行能源收集，随着新能源发电从大规模集中式开发逐渐转变为分布式就地消纳模式运行，微电网为新能源提供了全新的应用场景。通过在常年风能充沛的海岛建设风力发电机组，组成自治运行的风电微网，为海岛居民的生产生活及经济发展等提供稳定电力供应，而这也给电力系统带来了巨大的挑战。一方面传统意义的风力发电系统被设计为通过电力电子变换器在最大功率点运行，向网络注入功率，但变换器会将风机旋转动能与系统频率解耦，机组不能响应系统频率，无法为系统提供持续有效的频率、有功功率支撑；另一方面传统的风电控制技术集中于风电机组以电流源方式被动地参与系统调频，难以主动参与系统电压频率调节，无法实现孤岛运行，无法实现孤岛运行。
本申请致力于建立可以用于离网自治运行的风电微网系统和控制方法，以针对风电微网内分布式电源的功率变换器进行协调控制，并使风电机组持续参与系统频率调节和电压控制，提升风电微网对风能的捕获。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种风电微网控制方法，实现风电机组持续参与系统频率调节和电压控制，提升风电微网对风能的捕获。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种风电微网系统，包括数台双馈风力发电机组、一台电池储能机组和微电网线路，所述双馈风力发电机组和所述电池储能机组在所述微电网线路中的交流微网母线上并联运行；
每台所述双馈风力发电机组包括风轮、异步发电机、转子侧功率变换器、网侧功率变换器和风速传感器。
一种风电微网控制方法，应用于上述风电微网系统中的任意一台双馈风力发电机组，包括：
获取当前实时风速，计算与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，所述双馈风力发电机组的发电机转子以所述发电机转子转速最优值运行，可在所述当前实时风速下以最大功率输出，实现对风能的最大捕获；
对所述双馈风力发电机组的所述发电机转子转速最优值和当前发电机转子转速作差得到发电机转子转速偏差值，将所述发电机转子转速偏差值输入PI控制器，产生对应的角频率信号；
采集所述双馈风力发电机组的输出电压和输出电流，计算得到所述双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率；
将所述角频率信号、所述有功功率和所述无功功率输入至下垂控制器中，得到所述下垂控制器输出的d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值；
对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据所述d轴电压参考值、所述q轴电压参考值和所述电压角频率参考值，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值，经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到转子侧功率变换器开关信号，以控制所述异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值；
对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据获取的直流电容电压参考值和直流电容电压实际值，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值，经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。
优选的，对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据所述d轴电压参考值、所述q轴电压参考值和所述电压角频率参考值，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值，包括：
对转子侧功率变换器的电压外环采用基于PI控制器的电压闭环负反馈控制，根据所述d轴电压参考值和所述q轴电压参考值，计算得到电压d轴偏差量和电压q轴偏差量，并将所述电压d轴偏差量和所述电压q轴偏差量输入PI控制器中，得到转子电流内环d轴参考值和转子电流内环q轴参考值并输出至所述转子侧功率变换器的电流内环；
对所述转子侧功率变换器的电流内环采用基于PI控制器的电流闭环负反馈控制，根据输入的所述转子电流内环d轴参考值和所述转子电流内环q轴参考值，计算得到转子电流d轴偏差量和转子电流q轴偏差量，并将所述转子电流d轴偏差量和所述转子电流q轴偏差量输入PI控制器中，结合基于所述电压角频率参考值生成的所述转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值。
优选的，所述转子侧功率变换器的电压外环采用的基于PI控制器的电压闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure GDA0003895672350000031
其中，
Figure GDA0003895672350000032
为转子电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000033
为转子电流内环q轴参考值；Kp为比例增益；Ki为积分增益；
Figure GDA0003895672350000038
为下垂控制器输出的d轴电压参考值；
Figure GDA0003895672350000034
为下垂控制器输出的q轴电压参考值；uod为转子侧功率变换器的d轴电压值；uoq为转子侧功率变换器的q轴电压值；
Figure GDA0003895672350000035
为电压d轴偏差量；
Figure GDA0003895672350000036
为电压q轴偏差量。
优选的，所述转子侧功率变换器的电流内环采用的基于PI控制器的电流闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure GDA0003895672350000037
其中，urd为转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值；urq为转子侧功率变换器输出的转子q轴电压目标值；
Figure GDA0003895672350000041
为转子电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000042
为转子电流内环q轴参考值；ird为转子侧功率变换器的d轴电流值；irq为转子侧功率变换器的q轴电流值；
Figure GDA0003895672350000043
为转子电流d轴偏差量；
Figure GDA0003895672350000044
为转子电流q轴偏差量；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωslipσLr为基于所述电压角频率参考值生成的转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项。
优选的，对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据获取的直流电容电压参考值和直流电容电压实际值，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值，包括：
对网侧功率变换器的电压外环采用基于PI控制器的电压闭环负反馈控制，计算得到直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差，并将所述直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差输入PI控制器中，采用q轴定向，得到网侧电流内环d轴参考值和网侧电流内环q轴参考值并输出至所述网侧功率变换器的电流内环；
对网侧功率变换器的电流内环采用基于PI控制器的电流闭环负反馈控制，根据输入的所述网侧电流内环d轴参考值和所述网侧电流内环q轴参考值，计算得到网侧电流d轴偏差量和网侧电流q轴偏差量，并将所述网侧电流d轴偏差量和所述网侧电流q轴偏差量输入PI控制器中，结合基于电压角频率参考值生成的所述网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值。
优选的，所述网侧功率变换器的电压外环采用的基于PI控制器的电压闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure GDA0003895672350000045
其中，
Figure GDA0003895672350000046
为网侧电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000047
为网侧电流内环q轴参考值；Kp为比例增益；Ki为积分增益；
Figure GDA0003895672350000048
为直流电容电压参考值；udc为直流电容电压实际值。
优选的，所述网侧功率变换器的电流内环采用的基于PI控制器的电流闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure GDA0003895672350000051
其中，ugd为网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值；ugq为网侧功率变换器输出的网侧q轴电压目标值；
Figure GDA0003895672350000052
为网侧电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000053
为网侧电流内环q轴参考值；igd为网侧功率变换器的d轴电流值；igq为网侧功率变换器的q轴电流值；
Figure GDA0003895672350000054
为网侧电流d轴偏差量；
Figure GDA0003895672350000055
为网侧电流q轴偏差量；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωLn为基于电压角频率参考值生成的网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项。
优选的，所述下垂控制器计算得到所述电压角频率参考值的计算策略为：
Figure GDA0003895672350000056
其中，ωWT为电压角频率参考值；PWT为双馈风力发电机组输出的有功功率；
Figure GDA0003895672350000057
为电压角频率下垂设置初值；
Figure GDA0003895672350000058
为有功功率下垂系数；Kpwr和Kiwr分别为转速控制器的比例增益和积分增益；
Figure GDA0003895672350000059
为角频率信号包含的发电机转子转速偏差值。
优选的，还包括：
将获取得到的发电机转子实时转速与发电机转子极限转速作差，并按照预设的限制比例生成桨距角参考信号，以控制所述异步发电机转子转速小于所述发电机转子极限转速。
从上述的技术方案可以看出，本申请实施例提供的一种风电微网控制方法，风电微网系统包括数台双馈风力发电机组、一台电池储能机组和微电网线路，所述双馈风力发电机组和所述电池储能机组在所述微电网线路中的交流微网母线上并联运行，且每台双馈风力发电机组包括风轮、异步发电机、转子侧功率变换器、网侧功率变换器和风速传感器。其中的每台所述双馈风力发电机组通过获取当前实时风速，计算与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，产生对应的角频率信号；采集所述双馈风力发电机组的输出电压和输出电流，计算得到所述双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率；将所述角频率信号、所述有功功率和所述无功功率输入至下垂控制器中，得到所述下垂控制器输出的d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值；对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，调制得到转子侧功率变换器开关信号，以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值；对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。
本申请满实现双馈风力发电机组的系统频率支撑和电压控制，加以最大风能跟踪策略，提高微电网运行经济性。对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。同时结合当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，产生对应的角频率信号，并调制得到转子侧功率变换器开关信号。对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，实现对风能对最大捕获。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种风电微网系统的示意图；
图2为本申请公开的一种风电微网控制方法的流程图；
图3为本申请实施例公开的一种下垂控制策略的示意图；
图4为本申请实施例公开的一种转子侧功率变换器的控制策略的示意图；
图5为本申请实施例公开的一种网侧功率变换器的控制策略的示意图；
图6为本申请实施例公开的一种桨距角控制器的控制策略的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
接下来介绍本申请方案，本申请提出如下技术方案，具体参见下文。
图1为本申请实施例公开的一种风电微网系统的示意图，如图1所示，风电微网系统可以包括数台双馈风力发电机组(DFIG，Doubly fed Induction Generator)、一台电池储能机组和微电网线路，所述双馈风力发电机组和所述电池储能机组在所述微电网线路中的交流微网母线上并联运行；
每台所述双馈风力发电机组包括风轮、异步发电机(AG，AsynchronousGenerator)、转子侧功率变换器、网侧功率变换器和风速传感器。
具体的，风电微网系统中包含数台双馈风力发电机组、一台电池储能机组和微电网线路，其中数台双馈风力发电机组收集的电能经交流微网母线存储在电池储能机组中，双馈风力发电机组、电池储能机组和负载并联运行在交流微网母线上，并经由交流微网母线传送给负载。
每台双馈风力发电机组经与之一一对应连接的功率变换器，交流侧连接滤波器后在公共耦合点并联，电池储能机组经过逆变器后并联于公共耦合点，负载经过输电线路同样并联于公共耦合点，形成风电微网的拓扑结构。
风电微网系统施加有效控制后，可以实现孤岛运行场景下稳定功率输出以及有功功率、无功功率之间的合理分配；根据储能机组的电量状态以及风速大小，实现双馈风力发电机组的最大功率点跟踪控制，即控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，达到风能最大利用以及电池储能机组经济运行的效果。
图2为本申请实施例公开的一种风电微网控制方法流程图，该方法可以应用于上述的风电微网系统中的任意一台双馈风力发电机组，即上述的风电微网系统中的任意一台双馈风力发电机组中都可单独执行本风电微网控制方法。如图2所示，该方法可以包括：
步骤S1、获取当前实时风速，计算与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值。
具体的，与当前实时风速对应的发电机转子转速最优值可通过预先记录的发电机转子转速最优值表确定，也可以通过收集的功率输出信息确定。对于每一风速，都存在一个对应的发电机转子转速最优值，可使双馈风力发电机组的发电机转子在以所述发电机转子转速最优值运行的情况下，实现在当前实时风速下以最大功率输出，实现对风能的最大捕获。因此，若控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速始终跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，即可达到风能最大利用以及电池储能机组经济运行的效果。
步骤S2、对所述双馈风力发电机组的所述发电机转子转速最优值和当前发电机转子转速作差得到发电机转子转速偏差值，将所述发电机转子转速偏差值输入PI控制器，产生对应的角频率信号。
具体的，如图3所示，当双馈风力发电机组工作在最大功率点跟踪(MaximumPowerPoint Tracking，MPPT)模式，根据当前风速计算出发电机转子转速最优值，与实际转子转速作差，得到发电机转子转速偏差值，将得到发电机转子转速偏差值输入PI控制器中，PI控制器产生对应的角频率信号，所述角频率信号中包含需要调整的发电机转子转速偏差值信息。MPPT控制器可以实时计算最大风能对应的最佳转速，并兼顾负荷大小与储能机组电量状态，控制目标为发电机转子转速跟踪至发电机转子转速最优值，产生角频率信号叠加至下垂控制中，实现双馈机组的最大风能捕获。一旦发电机转子转速跟踪上发电机转子转速最优值，即以发电机转子转速最优值进行运行，双馈风力发电机组在当前风速下达到最大功率输出。
步骤S3、采集所述双馈风力发电机组的输出电压和输出电流，计算得到所述双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率。
具体的，如图3所示，uoabc和ioabc分别是采集的所述双馈风力发电机组在abc坐标系下的输出电压和输出电流，根据所述双馈风力发电机组的输出电压和输出电流，可以计算得到所述双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率，所述有功功率和所述无功功率可进一步输入至下垂控制器中进行计算。所述有功功率和所述无功功率具体计算方式为：
Figure GDA0003895672350000081
Figure GDA0003895672350000082
其中，uod为转换后的得到的dq坐标系下的d轴电压，在后续也即为所述双馈风力发电机组中转子侧功率变换器的d轴电压值；uoq为转换后的得到的dq坐标系下的q轴电压，在后续也即为所述双馈风力发电机组中转子侧功率变换器的q轴电压值；iod为为转换后的得到的dq坐标系下的d轴电流；ioq为为转换后的得到的dq坐标系下的q轴电流；ωc为低通滤波器的截止频率；Pwr和QWT分别为双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率；s为传递函数的微分算子。
步骤S4、将所述角频率信号、所述有功功率和所述无功功率输入至下垂控制器中，得到所述下垂控制器输出的d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值。
具体的，下垂控制器输出量为d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值，给予转子侧功率变换器的电压外环作为电压参考以及电压角频率参考。下垂控制器可以实现并网后机组之间有功功率、无功功率的有效分配。
首先可依据输入的所述角频率信号、所述有功功率和所述无功功率计算得到电压参考值和电压角频率参考值，经过dq坐标系转换，得到下垂控制器输出的d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值。
计算得到电压参考值的计算策略为：
Figure GDA0003895672350000091
其中，VWT为电压参考值；
Figure GDA0003895672350000092
为风电微网的电压下垂设置初值；
Figure GDA0003895672350000093
为无功功率下垂系数；QWT为双馈风力发电机组输出的无功功率。
计算得到所述电压角频率参考值的计算策略为：
Figure GDA0003895672350000094
其中，ωWT为电压角频率参考值；PWT为双馈风力发电机组输出的有功功率；
Figure GDA0003895672350000095
为电压角频率下垂设置初值；
Figure GDA0003895672350000096
为有功功率下垂系数；Kpwr和Kiwr分别为转速控制器的比例增益和积分增益；
Figure GDA0003895672350000097
为角频率信号包含的发电机转子转速偏差值。
步骤S5、对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据所述d轴电压参考值、所述q轴电压参考值和所述电压角频率参考值，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值，经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到转子侧功率变换器开关信号。
具体的，转子侧功率变换器的控制回路包括电压外环和电流内环控制，根据下垂控制器输出的d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值，分析并调制得到转子侧功率变换器开关信号，以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值。
转子侧功率变换器采用q轴电压定向，即d轴电压参考值为零，电压外环模块采用电压闭环负反馈和PI控制器，控制输出点电压，对转子侧功率变换器的电压外环采用基于PI控制器的电压闭环负反馈控制。根据所述d轴电压参考值和所述q轴电压参考值，得到转子电流内环d轴参考值和转子电流内环q轴参考值并输出至所述转子侧功率变换器的电流内环。电流内环采用电流闭环负反馈和PI控制器，根据输入的所述转子电流内环d轴参考值和所述转子电流内环q轴参考值，计算得到转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值。PWM调制后驱动三相桥式逆变器，完成转子侧功率变换器的控制，即经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到转子侧功率变换器开关信号，以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值。
转子侧功率变换器的执行策略以微分方程总结为下式：
Figure GDA0003895672350000101
Figure GDA0003895672350000102
其中，
Figure GDA0003895672350000103
和
Figure GDA0003895672350000104
分别为转子侧功率变换器的电压外环和电流内环的dq轴积分项输出；uodq为输出的dq轴电压；irdq为转子侧功率变换器的dq轴电流；
Figure GDA0003895672350000105
为下垂控制器输出的dq轴电压参考值；矩阵A和矩阵B均可由对应控制器的常微分方程计算得到。
步骤S6、对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据获取的直流电容电压参考值和直流电容电压实际值，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值，经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到网侧功率变换器开关信号。
具体的，网侧功率变换器的控制回路包括电压外环和电流内环控制，根据获取的直流电容电压参考值和直流电容电压实际值，分析调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。
电压外环模块采用电压闭环负反馈和PI控制器，直流电容电压实际值为参考值。采取电压定向策略，直流电容电压参考值和直流电容电压实际值作差后输入外环PI控制器，采用q轴定向策略，d轴电流参考值为零，得到网侧电流内环d轴参考值和网侧电流内环q轴参考值并输出至所述网侧功率变换器的电流内环。电流内环采用电流闭环负反馈和PI控制器，根据输入的所述网侧电流内环d轴参考值和所述网侧电流内环q轴参考值，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值，经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。
网侧功率变换器的执行策略以微分方程总结为下式：
Figure GDA0003895672350000111
ΓGSC＝[γdc，γidq，udc]T
其中，γdc和γidq分别为网侧功率变换器的电压外环和电流内环的dq轴积分项输出；udc为直流电容电压参考值；ugdq为网侧功率变换器的dq轴电压；igdq为为网侧功率变换器的dq轴电流；urdq为转子侧功率变换器的dq轴电压；矩阵A和矩阵B均可由对应控制器的常微分方程计算得到。
从上述的技术方案可以看出，本申请实施例提供的一种风电微网控制方法，风电微网系统包括数台双馈风力发电机组、一台电池储能机组和微电网线路，所述双馈风力发电机组和所述电池储能机组在所述微电网线路中的交流微网母线上并联运行，且每台双馈风力发电机组包括风轮、异步发电机、转子侧功率变换器、网侧功率变换器和风速传感器。其中的每台所述双馈风力发电机组通过获取当前实时风速，计算与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，产生对应的角频率信号；采集所述双馈风力发电机组的输出电压和输出电流，计算得到所述双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率；将所述角频率信号、所述有功功率和所述无功功率输入至下垂控制器中，得到所述下垂控制器输出的d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值；对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，调制得到转子侧功率变换器开关信号，以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值；对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。
本申请满实现双馈风力发电机组的系统频率支撑和电压控制，加以最大风能跟踪策略，提高微电网运行经济性。对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。同时结合当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，产生对应的角频率信号，并调制得到转子侧功率变换器开关信号。对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，实现对风能对最大捕获。
在本申请的一些实施例中，对步骤S5、对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据所述d轴电压参考值、所述q轴电压参考值和所述电压角频率参考值，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值的过程进行介绍，具体可以包括：
步骤S51、对转子侧功率变换器的电压外环采用基于PI控制器的电压闭环负反馈控制，根据所述d轴电压参考值和所述q轴电压参考值，计算得到电压d轴偏差量和电压q轴偏差量，并将所述电压d轴偏差量和所述电压q轴偏差量输入PI控制器中，得到转子电流内环d轴参考值和转子电流内环q轴参考值并输出至所述转子侧功率变换器的电流内环。
具体的，如图4所示，将d轴电压参考值和q轴电压参考值输入至转子侧功率变换器的电压外环，电压外环计算得到转子侧功率变换器的d轴电压值与d轴电压参考值的差值，也即电压d轴偏差量，以及，计算得到转子侧功率变换器的q轴电压值和q轴电压参考值的差值，也即电压q轴偏差量。
将电压d轴偏差量和电压q轴偏差量输入至电压外环的PI控制器中，得到得到转子电流内环d轴参考值和转子电流内环q轴参考值并输出至所述转子侧功率变换器的电流内环。
进一步，所述转子侧功率变换器的电压外环采用的基于PI控制器的电压闭环负反馈控制的控制策略可以为：
Figure GDA0003895672350000131
其中，
Figure GDA0003895672350000132
为转子电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000133
为转子电流内环q轴参考值；Kp为比例增益；Ki为积分增益；
Figure GDA0003895672350000134
为下垂控制器输出的d轴电压参考值；
Figure GDA0003895672350000135
为下垂控制器输出的q轴电压参考值；uod为转子侧功率变换器的d轴电压值；uoq为转子侧功率变换器的q轴电压值；
Figure GDA0003895672350000136
为电压d轴偏差量；
Figure GDA0003895672350000137
为电压q轴偏差量。
步骤S52、对所述转子侧功率变换器的电流内环采用基于PI控制器的电流闭环负反馈控制，根据输入的所述转子电流内环d袖参考值和所述转子电流内环q轴参考值，计算得到转子电流d轴偏差量和转子电流q轴偏差量，并将所述转子电流d轴偏差量和所述转子电流q轴偏差量输入PI控制器中，结合基于所述电压角频率参考值生成的所述转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值。
具体的，如图4所示，转子侧功率变换器的电流内环根据输入的所述转子电流内环d轴参考值和所述转子电流内环q轴参考值，计算得到转子电流内环d轴参考值和转子侧功率变换器的d轴电流值之间的差值，也即转子电流d轴偏差量，以及，计算得到转子电流内环q轴参考值和转子侧功率变换器的q轴电流值之间的差值，即转子电流q轴偏差量。
将所述转子电流d轴偏差量和所述转子电流q轴偏差量输入电流内环的PI控制器中，结合基于所述电压角频率参考值生成的所述转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，前馈解耦项中包含电压角频率参考值与当前的电压角频率的差值、漏磁系数以及转子侧功率变换器电感。最终计算得到所述转子侧功率变换器输出的转子d袖电压目标值和转子q轴电压目标值。
进一步，所述转子侧功率变换器的电流内环采用的基于PI控制器的电流闭环负反馈控制的控制策略可以为：
Figure GDA0003895672350000141
其中，urd为转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值；urq为转子侧功率变换器输出的转子q轴电压目标值；
Figure GDA0003895672350000142
为转子电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000143
为转子电流内环q轴参考值；ird为转子侧功率变换器的d轴电流值；irq为转子侧功率变换器的q轴电流值；
Figure GDA0003895672350000144
为转子电流d轴偏差量；
Figure GDA0003895672350000145
为转子电流q轴偏差量；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωslipσLr为基于所述电压角频率参考值生成的转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项。
在基于所述电压角频率参考值生成的转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项中，ωslip为滑差角频率，也即电压角频率参考值与当前的电压角频率的差值；σ为漏磁系数；Lr为转子侧功率变换器电感。
在本申请的一些实施例中，对步骤S6、对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据获取的直流电容电压参考值和直流电容电压实际值，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值的过程进行介绍，具体可以包括：
步骤S61、对网侧功率变换器的电压外环采用基于PI控制器的电压闭环负反馈控制，计算得到直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差，并将所述直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差输入PI控制器中，采用q轴定向，得到网侧电流内环d轴参考值和网侧电流内环q轴参考值并输出至所述网侧功率变换器的电流内环。
具体的，如图5所示，直流电容电压参考值是一个不变的定值，而直流电容电压实际值是通过一个安装在风机直流侧电容上的电压传感器获得的。在确定了直流电容电压参考值和直流电容电压实际值后，网侧功率变换器的电压外环计算得到直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差。
将直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差输入至电压外环的PI控制器中，采用q轴定向，得到网侧电流内环d轴参考值和网侧电流内环q轴参考值，其中网侧电流内环d轴参考值为零。
进一步，所述网侧功率变换器的电压外环采用的基于PI控制器的电压闭环负反馈控制的控制策略可以为：
Figure GDA0003895672350000151
其中，
Figure GDA0003895672350000152
为网侧电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000153
为网侧电流内环q轴参考值；Kp为比例增益；Ki为积分增益；
Figure GDA0003895672350000154
为直流电容电压参考值；udc为直流电容电压实际值。
步骤S62、对网侧功率变换器的电流内环采用基于PI控制器的电流闭环负反馈控制，根据输入的所述网侧电流内环d轴参考值和所述网侧电流内环q轴参考值，计算得到网侧电流d轴偏差量和网侧电流q轴偏差量，并将所述网侧电流d轴偏差量和所述网侧电流q轴偏差量输入PI控制器中，结合基于电压角频率参考值生成的所述网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值。
具体的，如图5所示，网侧功率变换器的电流内环根据输入的网侧电流内环d轴参考值和网侧电流内环q轴参考值，计算得到网侧电流内环d轴参考值和网侧功率变换器的d轴电流值之间的差值，也即网侧电流d轴偏差量，以及，计算得到网侧电流内环q轴参考值和网侧功率变换器的q轴电流值之间的差值，即网侧电流q轴偏差量。
将所述网侧电流d轴偏差量和所述网侧电流q轴偏差量输入电流内环的PI控制器中，结合基于电压角频率参考值生成的所述网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，前馈解耦项中包含电压角频率和网侧功率变换器的电感。最终计算得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值。
进一步，所述网侧功率变换器的电流内环采用的基于PI控制器的电流闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure GDA0003895672350000161
其中，ugd为网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值；ugq为网侧功率变换器输出的网侧q轴电压目标值；
Figure GDA0003895672350000162
为网侧电流内环d轴参考值；
Figure GDA0003895672350000163
为网侧电流内环q轴参考值；igd为网侧功率变换器的d轴电流值；igq为网侧功率变换器的q轴电流值；
Figure GDA0003895672350000164
为网侧电流d轴偏差量；
Figure GDA0003895672350000165
为网侧电流q轴偏差量；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωLn为基于电压角频率参考值生成的网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项。
在基于电压角频率参考值生成的网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项中，ω为电压角频率；Ln为网侧功率变换器的电感。
在本申请的一些实施例中，考虑到在风速过高或孤岛低负载的情况下，双馈风力发电机组的异步发电机转子转速可能上升到较高水平，风轮超速运行将会导致机械结构受损，因此为避免机械结构受损，还可以在双馈风力发电机组的机械部分施加一个桨距角控制器，以限制发电机转子转速。
具体执行方法为：将获取得到的发电机转子实时转速与发电机转子极限转速作差，并按照预设的限制比例生成桨距角参考信号，以控制所述双馈风力发电机组的异步发电机转子转速小于所述发电机转子极限转速。
具体的，如图6所示，当在风速过高或孤岛低负载等情况下，双馈风力发电机组的异步发电机转子转速将会上升到较高水平，此时可以通过增大桨距角将发电机转子转速限制至合理范围内，也即控制发电机转子转速始终处于0至发电机转子极限转速的范围内，控制策略总结为下式：
Figure GDA0003895672350000166
其中，β为风力机桨距角；βmax为风力机桨距角最大值；ωr为发电机转子转速；ωlimit为发电机转子极限转速，K为预设的限制比例。
可以理解的是，本申请中的对于双馈风力发电机组施加的控制策略均可应用于本申请中风电微网系统中其他的双馈风力发电机组，双馈风力发电机组的数量不构成对本申请中控制策略的影响或限定。
本申请中双馈风力发电机组的各个控制回路的可以集成在同一个处理单元中，也可以各单元单独存在，也可以两个或多个单元集成在同一个单元中，本申请并不对此进行限定。在实际应用过程中，包含上述控制策略的处理单元以硬件功能单元的形式出现，并且可以存储在一个可读取存储介质中，例如数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)芯片中。DSP控制器安装在各个双馈风力发电机组的功率变换器内，实现对网侧功率变换器、转子侧功率变换器的有效控制，进而实现各个机组的有效控制。具备有效控制功能的控制器，配合风力发电机与储能、线路、负荷等物理单元，形成本申请实施的风电微网系统。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种风电微网控制方法，其特征在于，应用于风电微网系统中的任意一台双馈风力发电机组；
所述风电微网系统，包括数台双馈风力发电机组、一台电池储能机组和微电网线路，所述双馈风力发电机组和所述电池储能机组在所述微电网线路中的交流微网母线上并联运行；
每台所述双馈风力发电机组包括风轮、异步发电机、转子侧功率变换器、网侧功率变换器和风速传感器；
所述风电微网控制方法，包括：
获取当前实时风速，计算与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值，所述双馈风力发电机组的发电机转子以所述发电机转子转速最优值运行，可在所述当前实时风速下以最大功率输出，实现对风能的最大捕获；
对所述双馈风力发电机组的所述发电机转子转速最优值和当前发电机转子转速作差得到发电机转子转速偏差值，将所述发电机转子转速偏差值输入PI控制器，产生对应的角频率信号；
采集所述双馈风力发电机组的输出电压和输出电流，计算得到所述双馈风力发电机组输出的有功功率和无功功率；
将所述角频率信号、所述有功功率和所述无功功率输入至下垂控制器中，得到所述下垂控制器输出的d轴电压参考值、q轴电压参考值和电压角频率参考值；
对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据所述d轴电压参考值、所述q轴电压参考值和所述电压角频率参考值，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值，经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到转子侧功率变换器开关信号，以控制所述异步发电机转子转速跟踪至与所述当前实时风速对应的发电机转子转速最优值；
对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据获取的直流电容电压参考值和直流电容电压实际值，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值，经过PWM结合所述电压角频率参考值调制得到网侧功率变换器开关信号，以维持直流侧电容电压稳定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对转子侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据所述d轴电压参考值、所述q轴电压参考值和所述电压角频率参考值，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值，包括：
对转子侧功率变换器的电压外环采用基于PI控制器的电压闭环负反馈控制，根据所述d轴电压参考值和所述q轴电压参考值，计算得到电压d轴偏差量和电压q轴偏差量，并将所述电压d轴偏差量和所述电压q轴偏差量输入PI控制器中，得到转子电流内环d轴参考值和转子电流内环q轴参考值并输出至所述转子侧功率变换器的电流内环；
对所述转子侧功率变换器的电流内环采用基于PI控制器的电流闭环负反馈控制，根据输入的所述转子电流内环d轴参考值和所述转子电流内环q轴参考值，计算得到转子电流d轴偏差量和转子电流q轴偏差量，并将所述转子电流d轴偏差量和所述转子电流q轴偏差量输入PI控制器中，结合基于所述电压角频率参考值生成的所述转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，得到所述转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值和转子q轴电压目标值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转子侧功率变换器的电压外环采用的基于PI控制器的电压闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure FDA0003895672340000021
其中，
Figure FDA0003895672340000022
为转子电流内环d轴参考值；
Figure FDA0003895672340000023
为转子电流内环q轴参考值；Kp为比例增益；Ki为积分增益；
Figure FDA0003895672340000024
为下垂控制器输出的d轴电压参考值；
Figure FDA0003895672340000025
为下垂控制器输出的q轴电压参考值；uod为转子侧功率变换器的d轴电压值；uoq为转子侧功率变换器的q轴电压值；
Figure FDA0003895672340000026
为电压d轴偏差量；
Figure FDA0003895672340000027
为电压q轴偏差量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转子侧功率变换器的电流内环采用的基于PI控制器的电流闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure FDA0003895672340000028
其中，urd为转子侧功率变换器输出的转子d轴电压目标值；urq为转子侧功率变换器输出的转子q轴电压目标值；
Figure FDA0003895672340000031
为转子电流内环d轴参考值；
Figure FDA0003895672340000032
为转子电流内环q轴参考值；ird为转子侧功率变换器的d轴电流值；irq为转子侧功率变换器的q轴电流值；
Figure FDA0003895672340000033
为转子电流d轴偏差量；
Figure FDA0003895672340000034
为转子电流q轴偏差量；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωslipσLr为基于所述电压角频率参考值生成的转子侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对网侧功率变换器采用基于PI控制器的电压、电流双闭环控制，根据获取的直流电容电压参考值和直流电容电压实际值，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值，包括：
对网侧功率变换器的电压外环采用基于PI控制器的电压闭环负反馈控制，计算得到直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差，并将所述直流电容电压参考值和直流电容电压实际值的差输入PI控制器中，采用q轴定向，得到网侧电流内环d轴参考值和网侧电流内环q轴参考值并输出至所述网侧功率变换器的电流内环；
对网侧功率变换器的电流内环采用基于PI控制器的电流闭环负反馈控制，根据输入的所述网侧电流内环d轴参考值和所述网侧电流内环q轴参考值，计算得到网侧电流d轴偏差量和网侧电流q轴偏差量，并将所述网侧电流d轴偏差量和所述网侧电流q轴偏差量输入PI控制器中，结合基于电压角频率参考值生成的所述网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项，得到所述网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值和网侧q轴电压目标值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述网侧功率变换器的电压外环采用的基于PI控制器的电压闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure FDA0003895672340000035
其中，
Figure FDA0003895672340000036
为网侧电流内环d轴参考值；
Figure FDA0003895672340000037
为网侧电流内环q轴参考值；Kp为比例增益；Ki为积分增益；
Figure FDA0003895672340000038
为直流电容电压参考值；udk为直流电容电压实际值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述网侧功率变换器的电流内环采用的基于PI控制器的电流闭环负反馈控制的控制策略为：
Figure FDA0003895672340000041
其中，ugd为网侧功率变换器输出的网侧d轴电压目标值；ugq为网侧功率变换器输出的网侧q轴电压目标值；
Figure FDA0003895672340000042
为网侧电流内环d袖参考值；
Figure FDA0003895672340000043
为网侧电流内环q轴参考值；igd为网侧功率变换器的d轴电流值；igq为网侧功率变换器的q轴电流值；
Figure FDA0003895672340000045
为网侧电流d轴偏差量；
Figure FDA0003895672340000046
为网侧电流q轴偏差量；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωLn为基于电压角频率参考值生成的网侧功率变换器的电流内环的前馈解耦项；uoq为转子侧功率变换器的q轴电压值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下垂控制器计算得到所述电压角频率参考值的计算策略为：
Figure FDA0003895672340000047
其中，ωWT为电压角频率参考值；PWT为双馈风力发电机组输出的有功功率；
Figure FDA0003895672340000048
为电压角频率下垂设置初值；
Figure FDA0003895672340000049
为有功功率下垂系数；Kpwr和Kiwr分别为转速控制器的比例增益和积分增益；
Figure FDA00038956723400000410
为角频率信号包含的发电机转子转速偏差值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将获取得到的发电机转子实时转速与发电机转子极限转速作差，并按照预设的限制比例生成桨距角参考信号，以控制所述异步发电机转子转速小于所述发电机转子极限转速。
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