永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法
【专利摘要】本发明公开了永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，包含对发电机侧变换器、电网侧变换器及储能单元侧变换器的控制，储能单元变换器通过控制电压再结合转子位置角和直流链电压经空间矢量调制SVM得储能单元侧变换器的PWM驱动信号以控制电机。在电机加速到最高转速时，将功率/电流闭环控制模式切换为转速/电流闭环控制模式，转速给定为飞轮电机额定转速；在飞轮电机连续减速至零时，将转速外环给定值设定为零，控制电机转速为零，采用转速/电流闭环控制实现飞轮电机在零速下运行。本方法使风电机组能够在全工况下亦能得到较为稳定的调频能力，改善风电系统并网适应性。
【专利说明】永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风能发电技术，具体涉及永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，属于新能源发电领域。
【背景技术】
[0002]采用无刷永磁同步发电机的直驱风力发电系统省去了电刷、滑环和齿轮箱，因此减少了系统的维护费用并提高了系统的可靠性。基于双PWM变换器的永磁同步发电系统能实现变速恒频发电运行和有功无功独立控制，发电效率高，结构较为简单，运行稳定性好。由于风能为不稳定能源，风速具有不可控性、不可准确预期性和随机波动等特性，使得风力发电系统输出有功功率随风速的变化而波动。随着风电容量在电网中所占比重的增加，大规模并网风电功率的波动将会对电网的频率产生显著影响，造成电网频率稳定性下降，频率波动增大和频率波动恢复时间增大等问题，这无疑会恶化电网的运行特性，增加电力系统运行与控制的难度。为改善风电接入电网的电能质量，希望风电机组能够在全工况下参与系统频率调节。目前，国内外学者对含风电电力系统频率调节技术已开展了相关研究工作。如已公开的下列文献:
[0003](I)李军军，吴政球.风电参与一次调频的小扰动稳定性分析.中国电机工程学报，2011,31(13):1-9.[0004](2)李立成，叶林.变风速下永磁直驱风电机组频率一转速协调控制策略，电力系统自动化，2011，35 (17):26-31.[0005](3)孙春顺，王耀南，李欣然.飞轮辅助的风力发电系统功率和频率综合控制.中国电机工程学报，2008，28 (29):111-116.[0006]文献(I)、文献(2)研究了利用风力发电系统大转动惯量所储存的动能作为调频所需有功来源，但是具有不能再全工况下提供调频能力和降低风能利用率以及增大机组应力等缺点。
[0007]文献(3)采用飞轮储能系统辅助风电机组频率调节控制，在很大程度上提高了风电系统的频率调节能力。但所提控制方案需利用或预测风速来频率调节指令信号，由于风速的不确定性，将会使得该指令信号难以准确获取，从而限制其在实际系统中的应用。
[0008]在工程实际运用中，考虑到频率波动产生的因素较多，因此，迫切需要一种新的、简单实用的风电机组辅助频率控制方式，以提高风电机组输出电能质量，对于增强电网消纳大规模风电的能力、改善风电系统并网运行特性以及有效利用风能资源具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0009]针对现有含风电电力系统频率波动大的问题，本发明的目的是提供一种永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，本方法使风电机组能够在全工况下亦能得到较为稳定的调频能力，改善风电系统并网适应性。[0010]本发明的技术方案是这样实现的:
[0011]永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，其特征在于，本方法同时包含对发电机侧变换器的控制、电网侧变换器的控制以及储能单元侧变换器的控制，各变换器的控制分别为:
[0012](A)发电机侧变换器的控制:
[0013]发电机侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流链电压Ud。通过空间矢量调制产生发电机侧变换器PWM驱动信号；
[0014](B)电网侧变换器的控制为:
[0015]电网侧变换器采用矢量控制策略，以功率外环控制方式稳定直流链电压，以反映飞轮侧变换器瞬时功率的Pf/egd与反映发电机侧变换器瞬时功率的Pyegd两者之和作为前馈补偿量；
[0016]电网侧变换器的控制电压和直流链电压ud。通过空间矢量调制产生电网侧变换器PWM驱动信号；
[0017](C)储能单元变换器的控制步骤为:
[0018]Cl)利用电流霍尔传感器采集永磁同步发电/电动机的三相定子电流信号，电流信号为 ifa，ifc ;
[0019]C2)利用转子位置传感器检测飞轮电机转子位置戌及转速，根据劣和cof计算得到永磁同步电机转子电角速度PfQf及转子电角度pf为永磁同步飞轮驱动电机极对数；
[0020]C3)利用采集的三相定子`电流ifa，Ifb, if。和转子位置贫实现坐标变换，将飞轮电机三相定子电流从静止三相abc坐标系变换到dq同步旋转坐标轴系，采用恒功率变换得到ifd 和 if,；
[0021]C4)利用锁相环PLL检测得到电网频率f ；
[0022]C5)利用系统工频作为频率给定信号f%将f*和步骤C4)得到的f做比例微分控制得到飞轮电机有功给定，飞轮电机有功给定计算方程为:
[0023]Pf' = Κρ{{5ΤΛ{ + I) (/.- f )
[0024]式中，Kpf为飞轮电机功率环比例系数，τ df为飞轮电机功率环微分时间常数；
[0025]C6)采用转子磁场定向的矢量控制方式，此时飞轮电机侧变换器d轴电流给定4为零，Q轴电流给定4=只，通过d、q轴电流给定4、4以及恒功率变换所得的d、q轴实际电流ifd、ifq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压Ufd和Ufq，控制方程为:
「 ^ f ~+1)/ η,ν](/； -Z1,)- PyO),L i
[0026]i
卜沟=[^p6Cw+- ^fq)+A-^fVfd+W-
[0027]其中:Κρ5、τ i5、κρ6、τ i6分别为定子d、q轴电流的PI输出；Lfd、Lfq分别为定子d、q轴电感；Vf为转子永磁体磁链；
[0028]C7)通过电压和电流计算飞轮电机输出有功功率Pf，计算公式为Pf=ufdifd+uf(1if(1 ；
[0029]CS)通过控制电压再结合转子位置角铒和直流链电压Ud。经空间矢量调制SVM得储能单元侧变换器的PWM驱动信号以控制电机；[0030]C9)在电机加速到最高转速时，切换电机的外环工作模式，将功率/电流闭环控制模式切换为转速/电流闭环控制模式，转速给定为飞轮电机额定转速；该过程持续至飞轮电机获得减速信号时，重新切换为功率/电流闭环控制模式；
[0031]C10)在飞轮电机连续减速至零时，将转速外环给定值设定为零，控制电机转速为零，采用转速/电流闭环控制实现飞轮电机在零速下运行，直至要求飞轮电机重新进入加速状态，切换为功率/电流闭环控制模式。
[0032]发电机侧变换器的具体控制步骤为:
[0033]Al)利用电压霍尔传感器测量直流链电压ud。；
[0034]A2)利用电流霍尔传感器采集永磁同步发电机的定子电流信号，永磁同步发电机的三相定子电流信号分别为isa，isb，isc ；
[0035]A3)利用转子位 置传感器检测发电机转子位置Θ及转速ω，根据Θ和ω计算得到永磁同步发电机转子电角速度Os=PsO及转子电角度Qs=Ps0 ;PS为发电机极对数；
[0036]A4)利用采集的三相定子电流isa，isb，is。和转子位置Θ实现坐标变换，将静止的三相abc坐标系变换到dq同步旋转坐标轴系，采用恒功率变换得到isd和isq ；
[0037]A5)采用功率外环的闭环控制方式，控制发电机实现最大风能跟踪，得到发电机有功功率给定八％
[0038]A6)采用转子磁场定向的矢量控制方式，此时发电机d轴电流给定4为零，q轴电流给定C1=K ,通过d、q轴给定电流C、‘和恒功率变换所得的d、q轴实际电流isd、isq,采用交叉耦合控制方式得到d、q轴控制电压Usd和Usq，控制方程为:
【权利要求】
1.永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，其特征在于，本方法同时包含对发电机侧变换器的控制、电网侧变换器的控制以及储能单元侧变换器的控制，各变换器的控制分别为: (A)发电机侧变换器的控制: 发电机侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流链电压ud。通过空间矢量调制产生发电机侧变换器PWM驱动信号； (B)电网侧变换器的控制为: 电网侧变换器采用矢量控制策略，以功率外环控制方式稳定直流链电压，以反映飞轮侧变换器瞬时功率的Pf/egd与反映发电机侧变换器瞬时功率的Pyegd两者之和作为前馈补偿量； 电网侧变换器的控制电压和直流链电压ud。通过空间矢量调制产生电网侧变换器PWM驱动信号； (C)储能单元变换器的控制步骤为: Cl)利用电流霍尔传感器采集永磁同步发电/电动机的三相定子电流信号，电流信号为 ifa， ifb，ifc ; C2)利用转子位置传感器检测飞轮电机转子位置贫及转速，根据贫和Cof计算得到永磁同步电机转子电角速度pf?f及转子电角度^=/7#; pf为永磁同步飞轮驱动电机极对数； C3)利用采集的三相定子电流ifa，ifb，if。和转子位置贫实现坐标变换，将飞轮电机三相定子电流从静止三相abc坐标系变换到dq同步旋转坐标轴系，采用恒功率变换得到ifd和Ifq ? C4)利用锁相环PLL检测得到电网频率f ； C5)利用系统工频作为频率给定信号-，将-和步骤C4)得到的f做比例微分控制得到飞轮电机有功给定，飞轮电机有功给定计算方程为:Pf =ITpfCsrdf +I)Cr-/I 式中，Kpf为飞轮电机功率环比例系数，τ df为飞轮电机功率环微分时间常数； C6)采用转子磁场定向的矢量控制方式，此时飞轮电机侧变换器d轴电流给定4为零，q轴电流给定4=^，通过d、q轴电流给定4、‘以及恒功率变换所得的d、q轴实际电流ifd、ifq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压Ufd和Ufq，控制方程为:
2.根据权利要求1所述的永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，其特征在于:发电机侧变换器的具体控制步骤为: Al)利用电压霍尔传感器测量直流链电压ud。； A2)利用电流霍尔传感器采集永磁同步发电机的定子电流信号，永磁同步发电机的三相定子电流信号分别为isa，isb，isc ; A3)利用转子位置传感器检测发电机转子位置Θ及转速ω，根据Θ和ω计算得到永磁同步发电机转子电角速度Os=PsO及转子电角度Qs=Ps0 ;PS为发电机极对数； A4)利用采集的三相定子电流isa，isb，is。和转子位置Θ实现坐标变换，将静止的三相abc坐标系变换到dq同步旋转坐标轴系，采用恒功率变换得到isd和isq ； A5)采用功率外环的闭环控制方式，控制发电机实现最大风能跟踪，得到发电机有功功率给定Z3 A6)采用转子磁场定向的矢量控制方式，此时发电机d轴电流给定4为零，q轴电流给定C1=只，通过d、q轴给定电流C、C1.和恒功率变换所得的d、q轴实际电流isd、isq,采用交叉耦合控制方式得到d、q轴控制电压Usd和usq，控制方程为:
3.根据权利要求1所述的永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，其特征在于:所述电网侧变换器的具体控制步骤为: BI)利用电压霍尔传感器测量三相电网电压ega，egb, egc ； B2)利用电流霍尔传感器采集三相电网电流信号iga，igb，igc ； B3)利用采集的三相电网电压信号，将静止三相abc坐标系变换到静止两相α β坐标轴系，采用恒功率变换得到α β轴系下的电压ea，ee ； 采用电网电压定向方式得到电网电压d轴分量egd和电网电角度Θ g，此时电网电压q轴分量egq为零； B4)利用采集的三相电网电流和计算的电网电角度Θ g实现坐标变换，将三相电网电流从静止三相abc坐标系变换到dq同步旋转坐标轴系,采用恒功率变换得到igd和igq ； B5)采用电压外环的闭环控制方式稳定直流链电压；以反映飞轮侧变换器瞬时功率的Pf/egd与反映发电机侧变换器瞬时功率的Pyegd之和作为前馈补偿量，与以额定直流链电压为给定值的电压PI控制，一起构成电网侧变换器的d轴电流给定值；Pf为飞轮侧变换器发出的瞬时功率，Pe为发电机侧变换器发出的瞬时功率； B6)采用电网电压定向的矢量控制方式，通过d、q轴电流给定&、ζ,以及恒功率变换所得的d、q轴实际电流igd、igq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压Ugd和ugq，其控制方程为:
I^gd = [[P“ V +!)丨 V) + 6Wm + ^gd
I Mgq =[^p4(^ + 1)/^](^ 其中:Kp3、τ?3, Kp4, Ti4分别为d、q轴电流的PI参数；Lg为网侧变换器进线电感； B7)通过坐标变换所得的电压和电流计算并网功率Pg，Pg=egdigd+egqigq ； B8)通过控制电压结合转子位置Qg和直流链电压Ud。经空间矢量调制SVM得到电网侧变换器的PWM驱动信号。`
【文档编号】H02J3/30GK103715712SQ201310565729
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】姚骏, 刘奥林, 周特, 曾欣 申请人:重庆大学