一种直驱风力发电系统功率控制方法与流程

本发明涉及一种直驱风力发电系统，尤其涉及一种直驱风力发电系统功率控制方法。

背景技术：

与双馈型风力发电系统相比，直驱型风力发电系统因具有机械损耗小、运行可靠性和发电效率高、装机容量大、便于维护等特点，近年来在风电场中逐步得到了广泛应用。

随着风力发电的电网穿透率（即风力发电占电网的比重）的不断增加，风电系统与电网之间的相互影响也变得越来越大。其主要表现在:一方面，风电系统由于风速、风向等自然条件的变化而不能持续地、稳定地输出电能，这会对电网的电能质量及其稳定性产生较大的影响。另一方面，随着风电在电网中所占比例不断增大，若风机在电网发生故障时仍采取被动保护式解列方式，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，严重影响电网的安全运行。为此，新的电网规则均要求当电网发生故障时，并网风电机组能够在一定时间范围内实现低电压穿越运行，并在故障切除后发电机组能够迅速恢复正常运行，以帮助电网恢复正常工作。

目前大部分文献都只是针对风电系统的功率平抑和低电压穿越这两个核心问题中的某一个进行研究和探讨，因此，有必要将这两方面问题结合起来分析，并在此基础上提出能同时解决这两个问题的可行性方案。

技术实现要素：

为了克服风电系统功率平抑和低电压穿越的难题，本发明提出一种直驱风力发电系统功率控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是。

本发明结合基于储能元件（超级电容器）的并网永磁直驱风力发电系统的运行特点，提出了一种综合的控制策略。在该控制策略下，当电网正常运行时，系统能实现平滑的有功输出，当电网发生故障时，同时具有较强的低电压穿越能力。

直驱风力发电系统功率控制方法包括永磁直驱式风力发电系统、电机侧变换器控制、电网侧变换器控制和储能系统控制四个部分。

所述永磁直驱式风力发电系统由永磁式风力发电机组成，通过变换器控制器空滤输出。

所述电机侧变换器控制电机侧变换器由三相不可控整流桥、滤波电容Boost变换器构成，电网侧变换器控制其直流侧电压和流向电网的无功功率。

所述电网侧变换器控制是通过调节Boost变换器的功率参考值以实现风能的最大功率跟踪。

所述储能系统控制通过双向DC-DC变换器连接超级电容器组，实现效抑制双向DC-DC变换器两端的电压波动给电流控制带来的干扰。

本发明的有益效果是：本发明提出了永磁直驱风力发电系统控制策略是安全、稳定、优质运行的综合控制策略。这种控制策略在电网正常运行时都能起到功率平抑的作用，当电网发生故障时，同时具有较强的低电压穿越能力，从而使系统的正常运行基本不受电网故障的影响。

附图说明

图1永磁直驱式风力发电系统。

图2变换器控制结构。

具体实施方案

图1中，电机侧变换器由三相不可控整流桥、滤波电容和Boost变换器构成，用于控制风力发电机的有功输出；电网侧变换器通过调节网侧的d轴和q轴电流，控制其直流侧电压和流向电网的无功功率，实现有功和无功的解耦控制，通常运行在单位功率因数状态。电网侧变换器直流侧并入储能系统，该系统由超级电容器组以及双向DC-DC变换器等构成，用于控制风电系统的有功输出。电网正常运行时，当风力发电机输出功率高于系统输出功率参考值，即时，把多余的能量存储在储能设备中；当发电机输出功率低于系统输出功率参考值，即时，可把储能设备中存储的能量释放出来为电网提供功率支撑。当电网发生故障（如电网电压跌落）时，风力机和发电机继续保持正常运行，电机侧Boost变换器仍保持其控制不变；控制储能设备吸收因电网电压跌落在直流侧所产生的多余能量，保持直流侧的功率平衡，限制其电压的升高，使故障期间风电系统仍能正常并网运行。

图2中，通过调节Boost变换器的功率参考值以实现风能的最大功率跟踪，与风力发电机输出功率进行比较通过功率调节器得到Boost变换器的调制电流参考值。与升压斩波器输入电流进行比较再通过电流调节器得到升压斩波器占空比的反馈控制量，以达到电流对其参考值的快速跟踪。

表示并网平均有功功率及并网平均无功功率；、表示为2倍频有功分量；表示为2倍频无功分量；表示并网基波电流的正序、负序电流的d、q分量。所有变量均采用标幺值。由于并网风电系统通常运行在单位功率因数状态，可令并网平均无功功率参考值。网侧变换器直流电压参考值 与其反馈值进行比较通过电压调节器得到网侧变换器直流侧电流的参考值。

图2中，风力发电机输出的有功功率经一阶低通滤波器（时间常数为T）得到并网平均有功功率参考值，与并网平均有功功率的偏差通过功率调节器得到双向DC-DC变换器的调制电流参考值。与超级电容器组输出电流进行比较再通过电流调节器得到双向DC-DC变换器占空比d1的反馈控制量 ，以达到电流对其参考值的快速跟踪。电网故障时，采用电压外环、电流内环的双环控制策略，使网侧变换器的直流侧电压保持恒定。由网侧变换器直流电压参考值与其反馈值进行比较通过电压调节器得到双向DC-DC变换器的调制电流参考值。与超级电容器组输出电流进行比较再通过电流调节器得到双向DC-DC变换器占空比d1的反馈控制量，以达到电流对其参考值的快速跟踪。