[发明专利]一种利用直流侧飞轮储能单元平滑永磁直驱风力发电系统输出有功功率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及风能发电技术，具体涉及一种利用直流侧飞轮储能单元平滑永磁直驱风力发电系统输出有功功率的方法，属于新能源发电领域。

背景技术

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，使得风力发电机组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电压和频率产生显著影响，会带来诸如系统电压波动、频率波动以及闪变等一系列电能质量问题，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风速波动情况下亦能产生较为平滑的有功输出，满足系统调频和调压等运行需求。目前，国内外学者对风电机组输出功率平滑控制已开展了相关研究工作。如已公开的下列文献：

(1)集成嵌入式储能的双馈风力发电系统功率控制.电力系统自动化，2010，34(15)：80-86.

(2)Application of STATCOM/BES S for wind power smoothening and hydrogen generation.Electric Power Systems Research，2009，79(5)：365-373.

(3)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.

文献(1)、文献(2)以电池储能系统与风电机组相结合实现风电系统输出功率平滑，虽然电池储能系统具有技术较为成熟的优势，但其也存在成本高、需定期维护以及具有环境污染性等缺点。

文献(3)采用飞轮储能系统辅助风电机组实现有功功率平滑控制，在很大程度上提高了风电系统的并网电能质量。但所提控制方案需利用或预测风速来形成功率平滑指令信号，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。

在工程实际运用中，考虑到功率波动产生的因素较多，因此，迫切需要一种新的、简单实用的功率平滑方式，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而言就具有重要的现实意义。

发明内容

本发明目的是为了解决风力发电机组输出有功功率随风速的变化而波动的问题，提供了一种利用直流侧飞轮储能单元平滑永磁直驱风力发电系统输出有功功率的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种利用直流侧飞轮储能单元平滑永磁直驱风力发电系统输出有功功率的方法，本方法同时包含对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)电机侧变换器的控制步骤为：

A1)利用电压霍尔传感器测量直流链电容电压u_dc；

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i_sa，i_sb，i_sc；

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ω_s＝p_sω及转子电角度θ_s＝p_sθ；p_s为发电机极对数；

A4)利用采集的三相定子电流和转子位置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，变换式为：

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；

A6)采用转子磁场定向的矢量控制方式，通过d、q轴给定电流和恒功率变换所得的d、q轴实际电流i_sd、i_sq，采用交叉耦合控制方式得到d、q轴控制电压u_sd和u_sq，其控制方程为：