一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法

文档序号:10537784阅读:723来源:国知局
一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,机侧变流器的处理模块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐标系,采用外环为电压环,内环为电流环的双闭环策略控制机侧变流器,维持直流侧电压稳定;网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率、发电机的最大功率追踪算法得到有功功率指令,获取电网调度无功功率,进行有功功率及无功功率外环控制;通过合成三相电流参考指令,实现电流内环控制,由此构成网侧变流器的功率外环,电流内环的双闭环控制。采用本发明控制方法,提高了嵌入式微机执行的速度和效率,降低控制算法对系统参数的依赖,提高系统的稳定性和可靠性。
【专利说明】
一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及风力发电技术领域,具体涉及一种直驱永磁同步风力发电机并网系统 控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石燃料的渐渐枯竭,环境污染日益严重。新能源越来越受到广泛的关注,在 所有新能源中风能逐渐成为一种主流的可再生能源。根据我国能源局公布的近四年全社会 用电量情况可知风电并网以每年近30 %的速度增长。永磁同步发电机因其结构简单,功率 密度大,可靠性高,无需安装齿轮箱等优点引起了国内外许多学者的研究。
[0003] 现在大多数永磁同步发电系统都采用风力机直接带动发电机,通过"背靠背"双 PWM变流器向电网输送能量。双PWM变流器系统控制策略的优劣直接关系到风能转换的效 率,可靠性。目前风能转换系统PWM变流器大多采用在dq坐标系下的矢量控制。这种控制需 要经过多次坐标变换,且需要系统的精确参数进行有功分量和无功分量的解耦。特别在嵌 入式微机实现以上算法时,在park变换时涉及较多的正余弦计算,这需要很大的内存、运算 时间开销;这对于算法实现的精度,以及相应速度都大打折扣。对于发电机侧变流器的控制 均采用磁场定向控制,那就更加依赖于发电机的参数;而且许多参数如电机定子电阻和电 感值都会随温度的改变而改变。对于双PWM变流器系统有两种不同的控制方案:方案1.机侧 变流器控制发电机进行最大功率追踪控制(MPPT),网侧变流器控制直流侧的电压稳定向电 网输送能量。方案2.通过机侧变流器控制直流侧电压的稳定,网侧变流器进行最大功率追 踪控制(MPPT)向电网输送功率。方案1在电网电压降落时,为抑制直流侧电压的波动通常需 要增加卸荷转置或储能转置。而方案2无需以上附加装置,通过将直流侧电压的波动转化为 发电机的转速变化,进而转换为机械能储存于风力发电机中。目前方案2的实现结构复杂, 需坐标变换,三解函数运算,使得嵌入式微机执行的速度和效率低,有必要进行进一步的研 究改进。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种直驱永磁同步风力发电机并网系统控制方法,解决目 前永磁同步发电机并网控制系统稳定性差、可靠性不高、对系统参数过分依赖的问题。
[0005] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
[0006] -种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,该系统包括依次电连接的风轮 机,发电机,机侧变流器,直流侧电容,网侧变流器,变压器,所述的发电机为直驱永磁同步 风力发电机,所述的机侧、网侧变流器设有信号采集模块和处理模块,机侧变流器的处理模 块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐标系,采用外环为电压环,内环为电流环的双闭环策略 控制机侧变流器,维持直流侧电压稳定;网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬 时无功功率、发电机的最大功率追踪算法得到有功功率指令,获取电网调度无功功率,进行 有功功率及无功功率外环控制;通过合成三相电流参考指令,实现电流内环控制,由此构成 网侧变流器的功率外环,电流内环的双闭环控制,向电网输送功率。
[0007] 进一步地,机侧变流器的控制步骤如下,
[0008] S1.采集信号:机侧变流器的采集模块采集永磁同步发电机定子电流、发电机转 速、机侧变流器开关信号及直流侧电容电压;
[0009] S2.虚拟磁链计算:计算发电机机端相电压,对电压积分得到发电机的机端虚拟磁 链;
[0010] S3.定子单位有功/无功电流计算:定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的 方向,由机端虚拟磁链的幅值得到机端虚拟磁链同向的定子电流三相单位无功分量及有功 分量;
[0011] S4.三相电流参考指令合成:将定子电流三相单位无功分量与有功分量叠加,得到 内环三相电流的参考值,即合成指令电流;
[0012] S5.SP丽调制:步骤S1的三相定子电流的采样值和步骤S4得到的指令电流的偏差 经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号,再经spmi波调制得到开关管的驱动信号,完 成对发电机侧变电流器的控制。
[0013] 进一步地,所述的网侧变流器的控制步骤如下,
[0014] (1)信号采集:网侧变流器采集模块采集信号交流侧电压和电流;
[0015] (2)瞬时有功、无功功率计算:根据信号交流侧电压和电流得到瞬时有功和无功功 率;
[0016] (3)有功功率/无功功率指令计算:测定发电机转子转速,根据最佳功率曲线得到 有功功率指令,获取电网功调度无功功率指令;
[0017] (4)电网单位有功/无功电流计算:有功功率指令和实际有功功率的偏差经PI调节 器输出得到有功电流指令,无功功率指令和实际无功功率的偏差经PI调节器输出得无功电 流指令;由交流侧电压计算电网电压幅值,定义电压方向为有功方向,得到电网单位有功电 流、无功电流;
[0018] (5)三相电流参考指令合成:有功电流和无功电流结合功率外环输出的电流指令, 计算得到二相电流参考指令;
[0019] (6)SP丽调制:步骤(1)的电流采样值和步骤(5)得到的指令电流的偏差经过内环 PI调节器输出得到电压调制波信号,再经SP丽波调制得到开关管的驱动信号,完成对网侧 变流器的控制。
[0020] 采用上述技术方案后,本发明具有如下优点:
[0021] (1)本发明结构简单易于实现,对于机侧变流器的控制本发明基于物理的控制方 案,基于物理的控制方案,无需电机的模型和参数,避免对系统参数过分依赖,提高了系统 的稳定性和可靠性。
[0022] (2)网侧变流器的主要目标为发电机输出功率的直接控制,本发明采用新型的直 接功率控制策略,无需任何坐标变换,避免了三角函数的运算,提高了嵌入式微机执行的速 度和效率,结构简单物理意义易于理解。
【附图说明】
[0023]图1为本发明方法控制流程框图。
[0024] 图2为本发明并网控制步骤示意图。
[0025] 图3为本发明机侧变流器电流内环指令合成结构图。
[0026] 图4为本发明网侧变流器电流内环指令合成结构图。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。
[0028] 如图1所示,本发明公开了一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,该永 磁同步直驱风力发电机系统包括依次电连接的风轮机,发电机,机侧变流器,直流侧电容, 网侧变流器,变压器,发电机为直驱永磁同步风力发电机,机侧、网侧变流器设有信号采集 模块和处理模块。风轮机捕获风能带动永磁同步发电机转动。
[0029]本发明的控制方法为:机侧变流器的处理模块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐 标系,采用外环为电压环,内环为电流环的双闭环策略控制机侧变流器,维持直流侧电压稳 定。
[0030] 网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率、发电机的最大功 率追踪算法得到有功功率指令,获取电网调度无功功率,进行有功功率及无功功率外环控 制;通过合成三相电流参考指令,实现电流内环控制,由此构成网侧变流器的功率外环,电 流内环的双闭环控制,向电网输送功率。
[0031] 结合图2所示,本发明包括机侧变流器和网侧变流器的控制,控制过程详述如下: [0032] 一、机侧变流器的控制步骤
[0033] S1.采集信号:机侧变流器的采集模块采集永磁同步发电机定子电流isa,isb,isc, 发电机转速ω m、机侧变流器开关信号Sa,Sb,Sc,及直流侧电容电压u dc。
[0034] S2.虚拟磁链计算:计算发电机机端相电压1^,1^,&。,对电压积分得到发电机的 机端虚拟磁链,队。,计算公式如下:
[0035]
[0036]
[0037] 对于积分环节,采用两个级联的一阶低通滤波器代替。其传递函数为
[0038]
[0039] 其中〇^为同步发电机的角频率,由于变流器器输出HVM电压含有高次谐波,对其 进行积分运算,以获得仅含基波分量的机端虚拟磁链,这样消除纯积分固有的漂移及饱和 特性影响,可将机端虚拟磁链的PWM电压积分计算改为依转速变化的变频滤波计算。
[0040] S3.定子单位有功/无功电流计算:定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的 方向,计算机端虚拟磁链的幅值Φν,
[0041]
[0042]计算电流三相单位无功分量为:
[0043]
[0044]其中ε为较小的正数,为在数学上避免除零运算。
[0045] 构造出发电机定子电流三相单位有功分量为:
[0046]
[0047] S4.二相电流参考指令合成:直流侧参考电压和彳目号米集模块的米样值Udc的偏 差经PI调节器输出得ζ,发电机无需外部无功励磁给定则4取零,实现单位功率因数运行, 然后按下列公式6计算得到内环三相电流的参考值i,ζ:
[0048]
[0049] 机侧变流器电流内环指令合成结构见图3。
[0050] S5. SPWM调制:步骤S1的三相定子电流的采样值isa,isb,isc和步骤S4得到的指令电 流4,ζ?,ζ的偏差经过内环?1调节器输出得到电压调制波信号u J,u2,usc*,再经SPWM波 调制得到开关管的驱动信号83,%,8。,完成对发电机侧变电流器的控制:即外环为电压环, 内环为电流环的双闭环控制。
[0051 ]二、网侧变流器的控制步骤
[0052] ( 1 ).彳目号米集:网侧变流器米集模块米集彳目号交流侧电压Uga,Ugb,Ugc,,电流彳目号 lga ? lgb ? lgc 〇
[0053] (2)瞬时有功、无功功率计算:根据信号交流侧电压和电流得到瞬时有功功率Pg, 瞬时无功功率Qg:
[0054] Pg - Ugaiga+Ugbigb+Ugcigc,
[0055]
[0056] (3)有功功率/无功功率指令计算:由转速测量模块检测到的发电机转子转速ω m, 根据最佳功率曲线得到有功功率的指令为:
[0057]
[0058] (其中P为空气密度,Ar为风力机扫过的面积,R为风力机叶片的半径,为最佳 叶尖速比λ〇ρ?对应的最大风能利用系数,△ P为发电机总得的有功损耗。)
[0059] 根据电网的调度指令风力发电系统为电网提供一定的无功支撑电网无功调度指 令为Qg*。
[0060] (4)电网单位有功/无功电流计算:有功指令和实际有功偏差经PI调节器 输出得到有功电流指令i P/,无功指令Q/和实际无功仏的偏差经PI调节器输出得无功电流 指令i qg#,由网侧电压的采样值Uga,Ugb,Ugc按公式(9 )计算电网电压幅值Ut,定义电压方向为 有功方向,按公式(10),公式(11)计算单位有功正交电流分量vga,vgb,v g。,单位无功电流分 里Wga , Wgb , Wgc :
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] (5)三相电流参考指令合成:步骤(3)得到的有功电流和无功电流结合功率外环输 出的电流指令,计算得到三相电流参考指令;
[0065] 二相电流参考指令zga,纟gb,'.按公式12计算:
[0066]
[0067]网侧变流器电流内环指令合成结构见图4。
[0068] (6) SPWM调制:步骤(1)的电流采样值iga,igb,igc和步骤(5)得到的指令电流 4,Cb,ζ:的偏差经过内环PI调节器输出得到电压调制波信号<,<,<,再经SPWM波调 制得到开关管的驱动信号83,%,^,完成对网侧变流器的控制:即网侧变流器的功率外环, 电流内环的双闭环直接功率控制。
[0069]以上所述,仅为本发明较佳的【具体实施方式】,但本发明的保护范围并不局限于此, 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换, 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,该系统包括依次电连接的风轮 机,发电机,机侧变流器,直流侧电容,网侧变流器,变压器,所述的发电机为直驱永磁同步 风力发电机,所述的机侧、网侧变流器设有信号采集模块和处理模块,其特征在于: 机侧变流器的处理模块采用机端虚拟磁链结合abc自然坐标系,采用外环为电压环,内 环为电流环的双闭环策略控制机侧变流器,维持直流侧电压稳定; 网侧变流器的处理模块通过网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率、发电机的最大功率追 踪算法得到有功功率指令,获取电网调度无功功率,进行有功功率及无功功率外环控制;通 过合成三相电流参考指令,实现电流内环控制,由此构成网侧变流器的功率外环,电流内环 的双闭环控制,向电网输送功率。2. 如权利要求1所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:所述 的机侧变流器的控制步骤如下,51. 采集信号:机侧变流器的采集模块采集永磁同步发电机定子电流、发电机转速、机 侧变流器开关信号及直流侧电容电压;52. 虚拟磁链计算:计算发电机机端相电压,对电压积分得到发电机的机端虚拟磁链; S3 .定子单位有功/无功电流计算:定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的方 向,由机端虚拟磁链的幅值得到机端虚拟磁链同向的定子电流三相单位无功分量及有功分 量; S4.三相电流参考指令合成:将定子电流三相单位无功分量与有功分量叠加,得到内环 三相内流的参考值,即合成指令电流; S5 . SPmi调制:步骤S1的三相定子电流的采样值和步骤S4得到的指令电流的偏差经过 内环PI调节器输出得到电压调制波信号,再经SPWM波调制得到开关管的驱动信号,完成对 发电机侧变电流器的控制。3. 如权利要求1或2所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于: 所述的网侧变流器的控制步骤如下, (1) 信号采集:网侧变流器采集模块采集信号交流侧电压和电流; (2) 瞬时有功、无功功率计算:根据信号交流侧电压和电流得到瞬时有功和无功功率; (3) 有功功率/无功功率指令计算:测定发电机转子转速,根据最佳功率曲线得到有功 功率指令,获取电网功调度无功功率指令; (4) 电网单位有功/无功电流计算:有功功率指令和实际有功功率的偏差经PI调节器输 出得到有功电流指令,无功功率指令和实际无功功率的偏差经PI调节器输出得无功电流指 令;由交流侧电压计算电网电压幅值,定义电压方向为有功方向,得到电网单位有功电流、 无功电流; (5) 三相电流参考指令合成:单位有功电流和无功电流指令结合功率外环输出的电流 指令,计算得到二相电流参考指令; (6) SPWM调制:步骤(1)的电流采样值和步骤(5)得到的指令电流的偏差经过内环PI调 节器输出得到电压调制波信号,再经SPmi波调制得到开关管的驱动信号,完成对网侧变流 器的控制。4. 如权利要求2所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:步骤 Sl中采集得到发电机定子电流:^3,:^,:!^,发电机转速《111、机侧变流器开关信号5&,313,3(3, 及直流侧电容电压Ud。;步骤S2中发电机机端相电压1^,11^,113。及发电机的机端虚拟磁链 ,Φλ,^vc,计算公式加下,5. 如权利要求4所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:步骤 S3中机端虚拟磁链的幅值按公式3计算:定义机端虚拟磁链方向为定子电流无功功率的方向,则可得与机端虚拟磁链同向的三 相单位无功分量为:其中ε为较小的正数,为在数学上避免除零运算; 构造出发电机定子电流三相单位有功分量为:6. 如权利要求5所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:步骤 S4中首先直流侧参考电压Wl和信号采集模块的采样值Udc的偏差经PI调节器输出得ζ,发 电机无需外部无功励磁给定则ζ取零,实现单位功率因数运行,然后按下列公式6计算得到 内环三相电流的参考值4 , 4,C :7. 如权利要求3所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:网侧 变流器的控制步骤(1)中侧变流器采集模块采集信号交流侧电压u ga,ugb,ugc;,电流信号iga, igb,ig。;步骤(2)中瞬时有功功率?8,瞬时无功功率仏按下式计算:8. 如权利要求7所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:步骤 (3) 中转速测量模块检测到的发电机转子转速,根据最佳功率曲线得到有功功率的指令 ^ ^Op t '(其中P为空气密度,Ar为风力机扫过的面积,R为风力机叶片的半径,为最佳叶尖 速比Acipt对应的最大风能利用系数,△ P为发电机总得的有功损耗) 根据电网的调度指令风力发电系统为电网提供一定的无功支撑电网无功调度指令为 Qg*。9. 如权利要求8所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:步骤 (4) 中有功指令/?和实际有功?8的偏差经PI调节器输出得到有功电流指令iP/,无功指令 Q/和实际无功仏的偏差经PI调节器输出得无功电流指令iq/,由网侧电压的采样值uga,u gb, ug。按公式(9)计算电网电压幅值Ut,按公式(10),公式(11)计算单位有功电流分量v ga, Vgb, Vgc, 单位无功电流分量Wga,Wgb,Wg。,:10. 如权利要求9所述的永磁同步直驱风力发电机并网系统控制方法,其特征在于:步 骤(5)中,三相电流参考指令ζ,匕,ζ。按公式(12)计算:
【文档编号】H02J3/38GK105896600SQ201610293660
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】卢子广, 张文元, 林靖宇, 林远, 胡立坤, 张力
【申请人】广西大学
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