CN116191504A - 风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法及系统 - Google Patents

风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法及系统 Download PDF

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CN116191504A CN202211188562.4A CN202211188562A CN116191504A CN 116191504 A CN116191504 A CN 116191504A CN 202211188562 A CN202211188562 A CN 202211188562A CN 116191504 A CN116191504 A CN 116191504A
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Abstract

本发明公开了一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法及系统，其中方法包括：在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；基于所述机侧控制信号、所述网侧控制信号以及所述电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。

Description

风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及高比例新能源电力系统稳定控制技术领域，更具体地，涉及风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法及系统。
背景技术
随着化石能源日益枯竭，能源问题已经成为限制社会发展的重要问题。风力发电以其技术成熟、成本较低和可大规模开发利用的优势，成为具有竞争力的发展方向。但受气候条件的制约，风电出力具有间歇性和波动性的特点，使得风电机组无法为电力系统提供频率支撑。此外，随着风电机组并网容量的增加，风电机组并网点将呈现出弱电网的特征，这将对风电并网的稳定运行造成很大的影响。
在常规控制方式下，风电机组的机械旋转与电网频率解耦合。机侧变流器以最大功率跟踪为参考来控制机组功率输出，网侧变流器控制直流母线电压的稳定。此种控制方法，可以保证机组运行在最大功率跟踪的曲线上，但在电网频率波动时，机组无法提供额外的功率输出。此外，并网点电压出现扰动时，该扰动会传递到变流器直流母线，进而影响机组的稳定运行。
因此，需要一种技术，以实现对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。
发明内容
本发明技术方案提供一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法及系统，以解决如何对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法，所述方法包括：
在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；
在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；
在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；
基于所述机侧控制信号、所述网侧控制信号以及所述电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。
优选地，所述在机侧变流器控制环节，还包括：
将风速及风电机组转速作为控制输入，基于预设的最大功率跟踪控制原则，计算风电机组中发电机的转矩。
优选地，所述计算风电机组中发电机的转矩，包括：
发电机的转矩为：
Te＝1.5pψisq
式中，Te为发电机转矩，p为极对数，ψ为定子磁链，isq为定子q轴电流分量。
优选地，所述将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号，包括：
通过PI控制来模拟转矩与电流之间的线性关系，利用转矩参考值计算得到机侧d轴和q轴参考电流；
Figure BDA0003866239150000021
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，isdref为d轴参考电流，isqref为q轴参考电流，Tref为转矩参考值，T为发电机转矩，1/s为积分环节；
定子电压dq轴分量方程为：
Figure BDA0003866239150000031
其中，usd和usq分别为定子电压d轴和q轴分量，isd和isq分别为定子电流d轴和q轴分量，Rs为定子电阻，Lsd和Lsq分别为定子d轴和q轴电感，ωr为发电机电角速度，ψf为永磁体磁链；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，获取矢量控制电流内环的电压控制方程：
Figure BDA0003866239150000032
将该d轴和q轴电压控制分量转换为abc三相信号，将abc三相信号作为机侧控制信号。
优选地，所述在网侧变流器控制环节，将电网系统的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号，包括：
馈入电网的有功功率和无功功率为:
Figure BDA0003866239150000033
其中，ugd和ugq分别为电网电压d轴和q轴分量，igd和igq为网侧输出电流d轴和q轴分量，P为有功功率，Q为无功功率；
通过PI控制来模拟功率与电流之间的线性关系，利用功率参考值计算得到网侧参考电流：
Figure BDA0003866239150000034
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Pref为有功功率参考值，Qref为无功功率参考值，igdref为网侧d轴电流参考值，igqref为网侧q轴电流参考值，1/s为积分环节；
通过电网电压定向坐标变换后，网侧变流器电压d轴和q轴电压方程为：
Figure BDA0003866239150000041
其中，uld和ulq分别为变流器输出电压d轴和q轴分量，Rg为电阻，Lg为电感，ωg为电网角速度；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，网侧变流器内环控制方程为：
Figure BDA0003866239150000042
将该d轴和q轴电压控制分量(uld、ulq)转换为abc三相信号，将所述abc三相信号作为网侧变流器控制信号。
优选地，在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号，包括：
变流器直流母线的电压方程为：
Figure BDA0003866239150000043
其中，C为直流电容，Udc为直流电压，ib为电池储能DC-DC转换器输出电流，Pin为机侧变流器功率，Pout为网侧变流器功率；
通过PI控制来模拟变流器直流母线电压与DC-DC转换器输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000044
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Udcref为直流电压参考值，Udc为直流电压，1/s为积分环节；
DC-DC转换器输出电压计算公式为：
Ub-Udc＝Rbib
其中，Ub为DC-DC转换器输出电压，Rb为电阻，ib为电池电流；
通过PI控制来模拟DC-DC转换器输出电压与输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000051
Ubref为DC-DC转换器输出电压参考值，ibref为电池电流参考值，将Ubref作为电池储能控制信号。
基于本发明的另一方面，本发明提供一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制系统，所述系统包括：
机侧变流器控制单元，用于在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；
网侧变流器控制单元，用于在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；
电池储能控制单元，用于在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；
结果单元，用于基于所述机侧控制信号、所述网侧控制信号以及所述电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。
优选地，所述机侧变流器控制单元，还用于：
将风速及风电机组转速作为控制输入，基于预设的最大功率跟踪控制原则，计算风电机组中发电机的转矩。
优选地，所述机侧变流器控制单元用于计算风电机组中发电机的转矩，还用于：
发电机的转矩为：
Te＝1.5pψisq
其中，Te为发电机转矩，p为极对数，ψ为定子磁链，isq为定子q轴电流分量。
优选地，所述机侧变流器控制单元用于将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号，还用于：
通过PI控制来模拟转矩与电流之间的线性关系，利用转矩参考值计算得到机侧d轴和q轴参考电流：
Figure BDA0003866239150000061
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，isdref为d轴参考电流，isqref为q轴参考电流，Tref为转矩参考值，T为发电机转矩，1/s为积分环节；
定子电压dq轴分量方程为：
Figure BDA0003866239150000062
其中，usd和usq分别为定子电压d轴和q轴分量，isd和isq分别为定子电流d轴和q轴分量，Rs为定子电阻，Lsd和Lsq分别为定子d轴和q轴电感，ωr为发电机电角速度，ψf为永磁体磁链；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，获取矢量控制电流内环的电压控制方程：
Figure BDA0003866239150000063
将该d轴和q轴电压控制分量转换为abc三相信号，将abc三相信号作为机侧控制信号。
优选地，所述网侧变流器控制单元用于在网侧变流器控制环节，将电网系统的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号，还用于：
馈入电网的有功功率和无功功率为:
Figure BDA0003866239150000071
其中，ugd和ugq分别为电网电压d轴和q轴分量，igd和igq为网侧输出电流d轴和q轴分量，P为有功功率，Q为无功功率；
通过PI控制来模拟功率与电流之间的线性关系，利用功率参考值计算得到网侧参考电流：
Figure BDA0003866239150000072
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Pref为有功功率参考值，Qref为无功功率参考值，igdref为网侧d轴电流参考值，igqref为网侧q轴电流参考值，1/s为积分环节；
通过电网电压定向坐标变换后，网侧变流器电压d轴和q轴电压方程为：
Figure BDA0003866239150000073
其中，uld和ulq分别为变流器输出电压d轴和q轴分量，Rg为电阻，Lg为电感，ωg为电网角速度；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，网侧变流器内环控制方程为：
Figure BDA0003866239150000074
将该d轴和q轴电压控制分量(uld、ulq)转换为abc三相信号，将所述abc三相信号作为网侧变流器控制信号。
优选地，所述电池储能控制单元用于在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号，还用于：
变流器直流母线的电压方程为：
Figure BDA0003866239150000081
其中，C为直流电容，Udc为直流电压，ib为电池储能DC-DC转换器输出电流，Pin为机侧变流器功率，Pout为网侧变流器功率；
通过PI控制来模拟变流器直流母线电压与DC-DC转换器输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000082
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Udcref为直流电压参考值，Udc为直流电压，1/s为积分环节；
DC-DC转换器输出电压计算公式为：
Ub-Udc＝Rbib
其中，Ub为DC-DC转换器输出电压，Rb为电阻，ib为电池电流；
通过PI控制来模拟DC-DC转换器输出电压与输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000083
Ubref为DC-DC转换器输出电压参考值，ibref为电池电流参考值，将Ubref作为电池储能控制信号。
本发明技术方案提供了一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法及系统，其中方法包括：在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令以及转矩作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；基于机侧控制信号、网侧控制信号以及电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。本发明技术方案解决了风电机组输出功率不可控的问题，并且解耦网侧变流器输出功率与直流母线电压的关系，进而提高机组并网的稳定性。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施方式的一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法流程图；
图2为根据本发明优选实施方式的风电机组变流器直流母线并联电池储能拓扑结构示意图；
图3为根据本发明优选实施方式的机侧变流器控制原理示意图；
图4为根据本发明优选实施方式的网侧变流器控制原理示意图；
图5为根据本发明优选实施方式的电池储能控制原理示意图；
图6为根据本发明优选实施方式的输入转矩示意图；
图7为根据本发明优选实施方式的输出功率示意图；
图8为根据本发明优选实施方式的电池电流示意图；
图9为根据本发明优选实施方式的一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制系统结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施方式的一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法流程图。本发明中风电机组由于采用最大功率跟踪的控制策略，其输出功率由风速决定，这将影响电力系统的稳定性制约风力发电的发展。风电机组需要通过锁相环与电网同步，电网的扰动通过锁相环传递到机组造成直流侧电压的波动，进而导致机组输出功率的波动，影响机组并网的稳定。
风电机组常规控制有一下两个问题：
1、在最大功率跟踪控制模式下机组输出功率不可控；
2、风速波动及弱电网环境会影响机组的并网稳定性。
本发明要解决的技术问题是在风电机组最大功率跟踪控制下，机组并网功率可控，并且提高机组并网的稳定性和电能质量。
本发明提供一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法，所述控制方法包括：变流器机侧控制，变流器网侧控制，电池储能控制。其结构如图2所示。该设计主要包含三部分电力电子设备：机侧变流器、网侧变流器、电池储能变换器。本发明的是提出这三部分设备的控制策略。三个控制策略分别对应三部分电力电子设备。
本发明提出的一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制策略，该策略可以解决风电机组输出功率不可控的问题，并且解耦网侧变流器输出功率与直流母线电压的关系，进而提高机组并网的稳定性。
如图1所示，本发明提供一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法，方法包括：
步骤101：在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；
优选地，在机侧变流器控制环节，还包括：
将风速及风电机组转速作为控制输入，基于预设的最大功率跟踪控制原则，计算风电机组中发电机的转矩。
优选地，计算风电机组中发电机的转矩，包括：
发电机的转矩为：
Te＝1.5pψisq
式中，Te为发电机转矩，p为极对数，ψ为定子磁链，isq为定子q轴电流分量；
优选地，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号，包括：
通过PI控制来模拟转矩与电流之间的线性关系，利用转矩参考值计算得到机侧d轴和q轴参考电流：
Figure BDA0003866239150000111
式中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，isdref为d轴参考电流，isqref为q轴参考电流，Tref为转矩参考值，T为发电机转矩，1/s为积分环节；
定子电压dq轴分量方程为：
Figure BDA0003866239150000112
式中，usd和usq分别为定子电压d轴和q轴分量，isd和isq分别为定子电流d轴和q轴分量，Rs为定子电阻，Lsd和Lsq分别为定子d轴和q轴电感，ωr为发电机电角速度，ψf为永磁体磁链；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，获取矢量控制电流内环的电压控制方程：
Figure BDA0003866239150000113
将该d轴和q轴电压控制分量转换为abc三相信号，将abc三相信号作为机侧控制信号。
本发明的变流器机侧控制为AC-DC整流器控制，控制框图，如图3所示。本发明依据风速及机组转速作为控制输入，以最大功率跟踪为原则，计算得到发电机的转矩，通过PI控制环节计算得到机侧控制信号，用于控制发电机输送到直流母线的功率，实现最大功率跟踪。
本发明中，永磁发电机电磁转矩为：
Te＝1.5pψisq
式中，Te为发电机电磁转矩，p为极对数，ψ为定子磁链，isq为定子q轴电流分量。
通过PI控制来模拟转矩与电流之间的线性关系，利用转矩参考值计算得到机侧dq轴参考电流：
Figure BDA0003866239150000121
式中，Kp和Ki为PI控制器的比例和积分常数。
定子电压dq轴分量方程为：
Figure BDA0003866239150000122
式中，usd和usq为定子电压dq轴分量，isd和isq为定子电流dq轴分量，Rs为定子电阻，Lsd和Lsq为定子dq轴电感，ωr为发电机电角速度，ψf为永磁体磁链。
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，可以得到矢量控制电流内环的电压控制方程：
Figure BDA0003866239150000123
最后将该dq轴电压控制分量转换为abc三相信号，即为机侧变流器控制信号。可实现有功功率和无功功率的解耦控制及最大功率跟踪控制。
步骤102：在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；优选地，在网侧变流器控制环节，将电网系统的功率指令以及转矩作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号，包括：
馈入电网的有功功率和无功功率为:
Figure BDA0003866239150000131
其中，ugd和ugq分别为电网电压d轴和q轴分量，igd和igq为网侧输出电流d轴和q轴分量，P为有功功率，Q为无功功率；
通过PI控制来模拟功率与电流之间的线性关系，利用功率参考值计算得到网侧参考电流：
Figure BDA0003866239150000132
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Pref为有功功率参考值，Qref为无功功率参考值，igdref为网侧d轴电流参考值，igqref为网侧q轴电流参考值，1/s为积分环节；
通过电网电压定向坐标变换后，网侧变流器电压d轴和q轴电压方程为：
Figure BDA0003866239150000133
其中，uld和ulq分别为变流器输出电压d轴和q轴分量，Rg为电阻，Lg为电感，ωg为电网角速度；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，网侧变流器内环控制方程为：
Figure BDA0003866239150000134
将该d轴和q轴电压控制分量(uld、ulq)转换为abc三相信号，将abc三相信号作为网侧变流器控制信号。
本发明的变流器网侧控制为DC-AC逆变器控制，控制框图，如图4所示。根据电网/SCADA系统下发的有功、无功功率指令作为网侧变流器控制的参考值，采用双环控制，既功率外环PI控制与电流内环PI控制，计算得到网侧控制信号，用于控制馈入电网的有功功率和无功功率。
馈入电网的有功功率和无功功率为:
Figure BDA0003866239150000141
式中，ugd和ugq为电网电压dq轴分量，igd和igq为网侧输出电流dq轴分量。
通过PI控制来模拟功率与电流之间的线性关系，利用功率参考值计算得到网侧参考电流：
Figure BDA0003866239150000142
以电网电压定向坐标变换后，网侧变流器电压dq轴电压方程为：
Figure BDA0003866239150000143
式中，uld和ulq为变流器输出电压dq轴分量，Rg为电阻，Lg为电感，ωg为电网角速度。
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，网侧变流器内环控制方程为：
Figure BDA0003866239150000144
最后将该dq轴电压控制分量(uld、ulq)转换为abc三相信号，即为网侧变流器控制信号。可实现对机组输出功率的控制，以及对电网/SCADA系统下发的有功功率及无功功率指令的响应。
步骤103：在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；
优选地，在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号，包括：
变流器直流母线的电压方程为：
Figure BDA0003866239150000151
其中，C为直流电容，Udc为直流电压，ib为电池储能DC-DC转换器输出电流，Pin为机侧变流器功率，Pout为网侧变流器功率；
通过PI控制来模拟变流器直流母线电压与DC-DC转换器输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000152
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Udcref为直流电压参考值，Udc为直流电压，1/s为积分环节；
DC-DC转换器输出电压计算公式为：
Ub-Udc＝Rbib
其中，Ub为DC-DC转换器输出电压，Rb为电阻，ib为电池电流；
通过PI控制来模拟DC-DC转换器输出电压与输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000153
Ubref为DC-DC转换器输出电压参考值，ibref为电池电流参考值，将Ubref作为电池储能控制信号。
本发明的电池储能控制为DC-DC转换器控制，控制框图，如图5所示。
以直流母线电压作为控制的输入，根据变流器直流母线电压的测量值与额定电压的差值，通过PI控制计算得到储能电池充电或放电的电流值，其控制目标是维持直流母线电压的稳定，保持机组整体输入、输出功率的平衡，进而保证机组的稳定运行。
变流器直流母线的电压方程为：
Figure BDA0003866239150000161
式中，C为直流电容，Udc为直流电压，ib为电池储能DC-DC转换器输出电流，Pin为机侧变流器功率，Pout为网侧变流器功率。
通过PI控制来模拟变流器直流母线电压与DC-DC转换器输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000162
DC-DC转换器输出电压计算公式为：
Ub-Udc＝Rbib
式中，Ub为DC-DC转换器输出电压，Rb为电阻。
通过PI控制来模拟DC-DC转换器输出电压与输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000163
Ubref为电池储能DC-DC转换器的控制信号，可实现对直流母线电压的控制。
步骤104：基于机侧控制信号、网侧控制信号以及电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。
本发明通过以上控制策略可以同时实现：风电机组最大功率跟踪控制、机组输出功率控制、直流母线电压控制。本发明由于解耦了风电机组输入、输出功率的关系，机组调频的能力得到提高。此外，常规控制模式下，直流母线电压的波动是风电机组出现振荡失稳的原因之一，本发明解耦了输出功率与直流母线电压的关系，可以从根本上解除此类振荡风险。
本发明在保证风电机组运行在大功率跟踪控制模式下，可实现机组输出功率可控，机组具备参与电网调频的能力。由于机组输出功率与直流母线电压解耦，所以风速的波动及电网的扰动所导致的变流器直流母线电压的波动不影响机组的正常运行，机组并网的稳定性和电能质量得到提高。
本发明是通过在风电机组变流器直流母线上添加储能电池并提出一种新型控制策略来实现在风速不变的情况下机组输出功率可控。
为了验证本发明提出的控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了如图2所示的风储一体变流器仿真模型。
假设风速不变，机组的输入转矩恒定在0.83pu(如图6所示)，在13秒时，机组输出功率由0.85pu增加到0.88pu(如图7所示)，为了保证机组的正常运行，电池电流由-365A变为-515A(如图8所示)。电流值为负，
既电池处于放电过程。
本发明提出一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制策略，
包括变流器机侧控制，变流器网侧控制，电池储能控制。
机侧变流器采用最大功率跟踪的控制策略，保证机组发电量，提高风能利用效率，增加收益。
网侧变流器以功率/转矩作为控制的参考值，通过双环控制计算得到网侧变流器的控制信号。
电池储能以变流器直流母线电压为控制对象，通过调节电池储能充电、放电的功率/电流，来维持直流母线电压的稳定。
图9为根据本发明优选实施方式的一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制系统结构示意图。
如图9所示，本发明提供一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制系统，系统包括：
机侧变流器控制单元901，用于在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；
网侧变流器控制单元902，用于在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令以及转矩作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；
电池储能控制单元903，用于在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；
结果单元904，用于基于机侧控制信号、网侧控制信号以及电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。
优选地，机侧变流器控制单元901，还用于：
将风速及风电机组转速作为控制输入，基于预设的最大功率跟踪控制原则，计算风电机组中发电机的转矩。
优选地，机侧变流器控制单元901用于计算风电机组中发电机的转矩，还用于：
发电机的转矩为：
Te＝1.5pψisq
其中，Te为发电机转矩，p为极对数，ψ为定子磁链，isq为定子q轴电流分量。
优选地，机侧变流器控制单元901用于将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号，还用于：
通过PI控制来模拟转矩与电流之间的线性关系，利用转矩参考值计算得到机侧d轴和q轴参考电流：
Figure BDA0003866239150000181
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，isdref为d轴参考电流，isqref为q轴参考电流，Tref为转矩参考值，T为发电机转矩，1/s为积分环节；
定子电压dq轴分量方程为：
Figure BDA0003866239150000182
其中，usd和usq分别为定子电压d轴和q轴分量，isd和isq分别为定子电流d轴和q轴分量，Rs为定子电阻，Lsd和Lsq分别为定子d轴和q轴电感，ωr为发电机电角速度，ψf为永磁体磁链；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，获取矢量控制电流内环的电压控制方程：
Figure BDA0003866239150000191
将该d轴和q轴电压控制分量转换为abc三相信号，将abc三相信号作为机侧控制信号。
优选地，网侧变流器控制单元902用于在网侧变流器控制环节，将电网系统的功率指令以及转矩作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号，还用于：
馈入电网的有功功率和无功功率为:
Figure BDA0003866239150000192
其中，ugd和ugq分别为电网电压d轴和q轴分量，igd和igq为网侧输出电流d轴和q轴分量，P为有功功率，Q为无功功率；
通过PI控制来模拟功率与电流之间的线性关系，利用功率参考值计算得到网侧参考电流：
Figure BDA0003866239150000193
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Pref为有功功率参考值，Qref为无功功率参考值，igdref为网侧d轴电流参考值，igqref为网侧q轴电流参考值，1/s为积分环节；
通过电网电压定向坐标变换后，网侧变流器电压d轴和q轴电压方程为：
Figure BDA0003866239150000194
其中，uld和ulq分别为变流器输出电压d轴和q轴分量，Rg为电阻，Lg为电感，ωg为电网角速度；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，网侧变流器内环控制方程为：
Figure BDA0003866239150000201
将该d轴和q轴电压控制分量(uld、ulq)转换为abc三相信号，将abc三相信号作为网侧变流器控制信号。
优选地，电池储能控制单元903用于在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号，还用于：
变流器直流母线的电压方程为：
Figure BDA0003866239150000202
其中，C为直流电容，Udc为直流电压，ib为电池储能DC-DC转换器输出电流，Pin为机侧变流器功率，Pout为网侧变流器功率；
通过PI控制来模拟变流器直流母线电压与DC-DC转换器输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000203
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Udcref为直流电压参考值，Udc为直流电压，1/s为积分环节；
DC-DC转换器输出电压计算公式为：
Ub-Udc＝Rbib
其中，Ub为DC-DC转换器输出电压，Rb为电阻，ib为电池电流；
通过PI控制来模拟DC-DC转换器输出电压与输出电流之间的线性关系：
Figure BDA0003866239150000204
Ubref为DC-DC转换器输出电压参考值，ibref为电池电流参考值，将Ubref作为电池储能控制信号。
本发明优选实施方式的一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制系统与本发明优选实施方式的一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法相对应，在此不再进行赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (12)

1.一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制方法，所述方法包括：
在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；
在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；
在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；
基于所述机侧控制信号、所述网侧控制信号以及所述电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，所述在机侧变流器控制环节，还包括：
将风速及风电机组转速作为控制输入，基于预设的最大功率跟踪控制原则，计算风电机组中发电机的转矩。
3.根据权利要求2所述的方法，所述计算风电机组中发电机的转矩，包括：
发电机的转矩为：
Te＝1.5pψisq
式中，Te为发电机转矩，p为极对数，ψ为定子磁链，isq为定子q轴电流分量。
4.根据权利要求3所述的方法，所述将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号，包括：
通过PI控制来模拟转矩与电流之间的线性关系，利用转矩参考值计算得到机侧d轴和q轴参考电流；
Figure FDA0003866239140000021
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，isdref为d轴参考电流，isqref为q轴参考电流，Tref为转矩参考值，T为发电机转矩，1/s为积分环节；
定子电压dq轴分量方程为：
Figure FDA0003866239140000022
其中，usd和usq分别为定子电压d轴和q轴分量，isd和isq分别为定子电流d轴和q轴分量，Rs为定子电阻，Lsd和Lsq分别为定子d轴和q轴电感，ωr为发电机电角速度，ψf为永磁体磁链；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，获取矢量控制电流内环的电压控制方程：
Figure FDA0003866239140000023
将该d轴和q轴电压控制分量转换为abc三相信号，将abc三相信号作为机侧控制信号。
5.根据权利要求1所述的方法，所述在网侧变流器控制环节，将电网系统的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号，包括：
馈入电网的有功功率和无功功率为:
Figure FDA0003866239140000024
其中，ugd和ugq分别为电网电压d轴和q轴分量，igd和igq为网侧输出电流d轴和q轴分量，P为有功功率，Q为无功功率；
通过PI控制来模拟功率与电流之间的线性关系，利用功率参考值计算得到网侧参考电流：
Figure FDA0003866239140000031
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Pref为有功功率参考值，Qref为无功功率参考值，igdref为网侧d轴电流参考值，igqref为网侧q轴电流参考值，1/s为积分环节；
通过电网电压定向坐标变换后，网侧变流器电压d轴和q轴电压方程为：
Figure FDA0003866239140000032
其中，uld和ulq分别为变流器输出电压d轴和q轴分量，Rg为电阻，Lg为电感，ωg为电网角速度；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，网侧变流器内环控制方程为：
Figure FDA0003866239140000033
将该d轴和q轴电压控制分量(uld、ulq)转换为abc三相信号，将所述abc三相信号作为网侧变流器控制信号。
6.根据权利要求1所述的方法，在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号，包括：
变流器直流母线的电压方程为：
Figure FDA0003866239140000034
其中，C为直流电容，Udc为直流电压，ib为电池储能DC-DC转换器输出电流，Pin为机侧变流器功率，Pout为网侧变流器功率；
通过PI控制来模拟变流器直流母线电压与DC-DC转换器输出电流之间的线性关系：
Figure FDA0003866239140000041
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Udcref为直流电压参考值，Udc为直流电压，1/s为积分环节；
DC-DC转换器输出电压计算公式为：
Ub-Udc＝Rbib
其中，Ub为DC-DC转换器输出电压，Rb为电阻，ib为电池电流；
通过PI控制来模拟DC-DC转换器输出电压与输出电流之间的线性关系：
Figure FDA0003866239140000042
Ubref为DC-DC转换器输出电压参考值，ibref为电池电流参考值，将Ubref作为电池储能控制信号。
7.一种风电机组变流器直流母线并联电池储能的控制系统，所述系统包括：
机侧变流器控制单元，用于在机侧变流器控制环节，将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号；
网侧变流器控制单元，用于在网侧变流器控制环节，将电网的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号；
电池储能控制单元，用于在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号；
结果单元，用于基于所述机侧控制信号、所述网侧控制信号以及所述电池储能控制信号对风电机组变流器直流母线并联电池储能进行控制。
8.根据权利要求7所述的系统，所述机侧变流器控制单元，还用于：
将风速及风电机组转速作为控制输入，基于预设的最大功率跟踪控制原则，计算风电机组中发电机的转矩。
9.根据权利要求8所述的系统，所述机侧变流器控制单元用于计算风电机组中发电机的转矩，还用于：
发电机的转矩为：
Te＝1.5pψisq
其中，Te为发电机转矩，p为极对数，ψ为定子磁链，isq为定子q轴电流分量。
10.根据权利要求9所述的系统，所述机侧变流器控制单元用于将风电机组中发电机的转矩作为控制输入，通过PI控制环节获取机侧控制信号，还用于：
通过PI控制来模拟转矩与电流之间的线性关系，利用转矩参考值计算得到机侧d轴和q轴参考电流：
Figure FDA0003866239140000051
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，isdref为d轴参考电流，isqref为q轴参考电流，Tref为转矩参考值，T为发电机转矩，1/s为积分环节；
定子电压dq轴分量方程为：
Figure FDA0003866239140000052
其中，usd和usq分别为定子电压d轴和q轴分量，isd和isq分别为定子电流d轴和q轴分量，Rs为定子电阻，Lsd和Lsq分别为定子d轴和q轴电感，ωr为发电机电角速度，ψf为永磁体磁链；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，获取矢量控制电流内环的电压控制方程：
Figure FDA0003866239140000061
将该d轴和q轴电压控制分量转换为abc三相信号，将abc三相信号作为机侧控制信号。
11.根据权利要求7所述的系统，所述网侧变流器控制单元用于在网侧变流器控制环节，将电网系统的功率指令作为控制输入，通过功率外环PI控制与电流内环PI控制，获取网侧控制信号，还用于：
馈入电网的有功功率和无功功率为:
Figure FDA0003866239140000062
其中，ugd和ugq分别为电网电压d轴和q轴分量，igd和igq为网侧输出电流d轴和q轴分量，P为有功功率，Q为无功功率；
通过PI控制来模拟功率与电流之间的线性关系，利用功率参考值计算得到网侧参考电流：
Figure FDA0003866239140000063
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Pref为有功功率参考值，Qref为无功功率参考值，igdref为网侧d轴电流参考值，igqref为网侧q轴电流参考值，1/s为积分环节；
通过电网电压定向坐标变换后，网侧变流器电压d轴和q轴电压方程为：
Figure FDA0003866239140000064
其中，uld和ulq分别为变流器输出电压d轴和q轴分量，Rg为电阻，Lg为电感，ωg为电网角速度；
通过PI环节模拟电流的比例项和微分项，网侧变流器内环控制方程为：
Figure FDA0003866239140000071
将该d轴和q轴电压控制分量(uld、ulq)转换为abc三相信号，将所述abc三相信号作为网侧变流器控制信号。
12.根据权利要求7所述的系统，所述电池储能控制单元用于在电池储能控制环节，将直流母线电压作为控制输入，基于变流器直流母线电压的测量值与直流母线额定电压的差值，通过PI控制获取电池储能控制信号，还用于：
变流器直流母线的电压方程为：
Figure FDA0003866239140000072
其中，C为直流电容，Udc为直流电压，ib为电池储能DC-DC转换器输出电流，Pin为机侧变流器功率，Pout为网侧变流器功率；
通过PI控制来模拟变流器直流母线电压与DC-DC转换器输出电流之间的线性关系：
Figure FDA0003866239140000073
其中，Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分常数，Udcref为直流电压参考值，Udc为直流电压，1/s为积分环节；
DC-DC转换器输出电压计算公式为：
Ub-Udc＝Rbib
其中，Ub为DC-DC转换器输出电压，Rb为电阻，ib为电池电流；
通过PI控制来模拟DC-DC转换器输出电压与输出电流之间的线性关系：
Figure FDA0003866239140000074
Ubref为DC-DC转换器输出电压参考值，ibref为电池电流参考值，将Ubref作为电池储能控制信号。
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