[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

摘要

本发明公开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。通过对电机侧变换器、电网侧变换器以及储能单元侧变换器的协调控制，使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。其效果主要有：1.在功率平滑控制的要求下，亦实现了最大风能跟踪控制。2.平滑了网侧有功功率，提高了电能质量，改善了风电系统并网运行特性。

主权项

1.一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，其特征在于，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：usd=[Kp1(τi1s+1)/τi1s](isd*-isd)-psωLsqisqusq=[Kp2(τi2s+1)/τi2s](isq*-isq)+psωLsdisd+ωψs]]>其中：K_p1、τ_i1、K_p2、τ_i2分别为定子d、q轴电流调节环的PI参数；L_sd、L_sq分别为定子d、q轴电感；ψ_s为转子永磁体磁链；A7)通过电压和电流计算发电机输出有功功率P_e，P_e＝u_sdi_sd+u_sqi_sq；A8)通过控制电压再结合转子位置角θ和直流链电压u_dc经空间矢量调制SVM，得到电机侧变换器的PWM驱动信号以控制发电机；(B)电网侧变换器的控制步骤为：B1)利用电压霍尔传感器测量三相电网电压e_ga，e_gb，e_gc；B2)利用电流霍尔传感器采集三相电网电流信号i_ga，i_gb，i_gc；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αβ坐标轴系，采用恒功率变换得到αβ轴系下的电压e_α，e_β，变换式为：eαeβ=231-12-12034-34egaegbegc]]>采用电网电压定向得到电网电压d轴分量e_gd和电网电角度θ_g，此时电网电压q轴分量e_gq为零，其计算式为：egd=eα2+eβ2,]]>θg=artaneβeα]]>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，采用恒功率变换的变换式为：B5)采用电压外环的闭环控制方式稳定直流链电压；以反映变换器瞬时功率变化情况的P_e/e_gd+P_f/e_gd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；P_f为储能单元功率；B6)采用电网电压定向的矢量控制方式，通过d、q轴电流给定以及恒功率变换所得的d、q轴实际电流i_gd、i_gq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压u_gd和u_gq，其控制方程为：ugd=[Kp3(τi3s+1)/τi3s](igd*-igd)+ωgLgigq+egdugq=[Kp4(τi4s+1)/τi4s](igq*-igq)-ωgLgigd]]>其中：K_p3、τ_i3、K_p4、τ_i4分别为d、q轴电流的PI参数；L_g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P_g，P_g＝e_gdi_gd+e_gqi_gq；B8)通过控制电压结合转子位置θ_g和直流链电压u_dc经空间矢量调制SVM得到电网侧变换器的PWM驱动信号；(C)储能单元变换器的控制步骤为：C1)利用电流霍尔传感器采集永磁同步发电/电动机的定子电流信号，三相定子电流信号为i_fa，i_fb，i_fc；C2)利用转子位置传感器检测电机转子位置及转速ω_f，根据和ω_f计算得到永磁同步电机转子电角速度p_fω_f及转子电角度p_f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和转子位置实现坐标变换，将静止三相abc坐标系变换到dq同步旋转坐标轴系，采用恒功率变换的变换式为：C4)利用具有不同截止频率的低通滤波环节来构造功率平滑指令，将电网侧输出有功功率P_g分别经两个一阶低通滤波器滤波后作差作为飞轮电机的功率给定，表示为：Pf*=Pg(ω1s+ω1-ω2s+ω2);]]>其中：ω₁、ω₂分别为两一阶低通滤波器的截止角频率；为飞轮电机的功率给定；C5)采用转子磁场定向的矢量控制方式，通过d、q轴电流给定以及恒功率变换所得的d、q轴实际电流i_fd、i_fq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压u_fd和u_fq，控制方程为：ufd=[Kp5(τi5s+1)/τi5s](ifd*-ifd)-pfωfLfqifqufq=[Kp6(τi6s+1)/τi6s](ifq*-ifq)+pfωfLfdifd+ωfψf]]>其中：K_p5、τ_i5、K_p6、τ_i6分别为定子d、q轴电流的PI输出；L_fd、L_fq分别为定子d、q轴电感；ψ_f为转子永磁体磁链；C6)通过电压和电流计算发电机输出电磁功率P_f，P_f＝u_fdi_fd+u_fqi_fq；C7)通过控制电压再结合转子位置角θ_f和直流链电压u_dc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；C8)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；C9)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。