永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法

专利类型：发明专利

语言：中文

申请号：CN201310565729.9

申请日：20131113

发明人：姚骏刘奥林周特曾欣

申请人：重庆大学

申请人地址：400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号

公开日：20160302

公开号：CN103715712B

代理人：李海华

代理机构：重庆博凯知识产权代理有限公司 50212

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。

主权项：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飞轮电机侧变换器的控制，通过对发电机侧变换器、电网侧变换器以及飞轮电机侧变换器的协调控制，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，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u_dc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u_dc，以反映飞轮电机侧变换器瞬时功率的P_f/e_gd与反映发电机侧变换器瞬时功率的P_e/e_gd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u_dc通过空间矢量调制产生电网侧变换器PWM驱动信号；(C)飞轮电机侧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/电动机的三相定子电流信号，电流信号为i_fa，i_fb，i_fc；C2)利用转子位置传感器检测飞轮电机转子位置角及转速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i_fa，i_fb，i_fc和转子位置角实现坐标变换，将飞轮电机三相定子电流信号i_fa，i_fb，i_fc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i_fd和i_fq；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f^*，将f^*和步骤C4)得到的f进行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： $P_{f}^{*} = K_{p f} ({sτ}_{d f} + 1) (f^{*} - f)$ 式中，K_pf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轴电流给定为零，q轴电流给定通过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： $\{\begin{matrix} u_{f d} = [K_{p 5} (τ_{i 5} s + 1) / τ_{i 5} s] (i_{f d}^{*} - i_{f d}) - p_{f} ω_{f} L_{f q} i_{f q} \\ u_{f q} = [K_{p 6} (τ_{i 6} s + 1) / τ_{i 6} s] (i_{f q}^{*} - i_{f q}) + p_{f} ω_{f} L_{f d} i_{f d} + ω_{f} ψ_{f} \end{matrix}$ 其中：K_p5、τ_i5、K_p6、τ_i6分别为定子d、q轴电流的PI参数；L_fd、L_fq分别为定子d、q轴电感；ψ_f为转子永磁体磁链；C7)通过电压和电流计算飞轮电机输出有功功率P_f，计算公式为P_f＝u_fdi_fd+u_fqi_fq；C8)通过控制电压再结合转子位置角和直流链电压u_dc经空间矢量调制SVM得到飞轮电机侧变换器的PWM驱动信号以控制电机；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；转速/电流闭环控制模式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；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；发电机侧变换器的具体控制步骤为：A1)利用电压霍尔传感器测量直流链电压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角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i_sa，i_sb，i_sc和转子位置角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i_sd和i_sq；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轴电流给定为零，q轴电流给定通过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，控制方程为： $\{\begin{matrix} u_{s d} = [K_{p 1} (τ_{i 1} s + 1) / τ_{i 1} s] (i_{s d}^{*} - i_{s d}) - p_{s} {ωL}_{s q} i_{s q} \\ u_{s q} = [K_{p 2} (τ_{i 2} s + 1) / τ_{i 2} s] (i_{s q}^{*} - i_{s q}) + p_{s} {ωL}_{s d} i_{s d} + {ωψ}_{s} \end{matrix}$ 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，得到发电机侧变换器的PWM驱动信号以控制发电机。

关键词：

法律状态：公开

IPC专利分类号：H02J3/38(2006.01)I;H02J3/30(2006.01)I;H02J3/24(2006.01)I