本发明专利技术公开了一种基于模糊控制的永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节方法，通过对电机侧变换器、电网侧变换器以及飞轮储能单元侧变换器的协调控制，使永磁直驱风电机组能够根据电网实时频率改变其输出的调频功率。其效果主要有：1.在向电网提供辅助调频功率的同时亦可实现最大风能跟踪控制。2.能够在全工况下根据电网频率状况灵活改变其控制参数，动态调节系统等效惯量和阻尼，使得永磁直驱风电机组能够最大限度参与电网的频率调节。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，通过对电机侧变换器、电网侧变换器以及飞轮储能单元侧变换器的协调控制，使永磁直驱风电机组能够根据电网实时频率改变其输出的调频功率。其效果主要有：1.在向电网提供辅助调频功率的同时亦可实现最大风能跟踪控制。2.能够在全工况下根据电网频率状况灵活改变其控制参数，动态调节系统等效惯量和阻尼，使得永磁直驱风电机组能够最大限度参与电网的频率调节。【专利说明】—种基于模糊控制的永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节方法
本专利技术涉及风力发电技术，特别是涉及，属于电力控制
。
技术介绍
在永磁直驱风力发电系统中，风轮机转轴直接与多级低速无刷永磁同步发电机相连，省去了变速齿轮箱、电刷和滑环，因此机械故障率更低，发电机的运行稳定性和可靠性大幅度增强。同时，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。此外，模糊控制技术以其良好的抗干扰性能、鲁棒性以及无需被控对象的精确模型，已应用于风力发电系统。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特性产生显著影响，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，针对含风电的电力系统频率调节技术，国内外学者已开展了相关研究工作。如已公开的下列文献: (I)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. (2)Juan M M, Alejandro M, Anton1 G.Frequency regulat1n contribut1nthrough variable speed wind energy convers1n systems.1EEE Transact1n on PowerSystems, 2008，24 (I): 173-181. (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. 文献(I)、文献(2)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功率来源。但是由于风电机组转速限制，该方法不具备在全工况下提供调频能力；并且由于该方法导致转子频繁加减速，降低了风能利用率且增大了机组应力。 文献(3)将飞轮储能系统应用于风电机组以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。但是由于风速的不确定性，该方法难以准确获取通过风速计算得到的频率调节指令信号，从而限制其在实际系统中的应用。 在工程实际运用中，考虑到频率波动产生的因素较多，且电网数学模型不确定。因此，迫切需要一种新的风电机组辅助频率控制方式，能够根据电网频率状态动态调整其输出的调频功率，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。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供。本方法整个系统频率波动可以得到有效抑制，且频率波动发生后的恢复时间得到加快，提高风电系统在全工况下的调频能力。 本专利技术的技术方案是这样实现的: ，本方法涉及对电机侧变换器的控制、电网侧变换器的控制以及飞轮储能单元侧变换器的控制，各变换器的控制策略分别为: A)电机侧变换器的控制策略为: 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电机侧变换器P丽驱动信号； B)电网侧变换器的控制策略为: 电网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电网侧变换器PWM驱动信号； C)飞轮储能单元侧变换器的控制策略按如下步骤进行: Cl)采集飞轮电机的三相定子电流ifa、ifb、ifc ； C2)检测飞轮电机转子机械角度〃和机械转速，根据$和0^计算得到飞轮电机转子电角速度PfOf及转子电角度Pf为飞轮电机极对数； C3)利用步骤Cl)采集的三相定子电流ifa、ifb、ifc结合转子电角度Θ f进行从静止三相abc坐标轴系到两相同步旋转dq坐标轴系的恒功率坐标变换，得到两相同步旋转dq坐标轴系下的电流信号ifd和ifq ; C4)采集三相电网电压信号ega，egb, egc ;并经数字锁相环PLL得到电网实时频率f ; C5)计算得到电网频率偏差e和电网频率偏差的变化率ec,e和ec的计算公式如下: 【权利要求】1.，其特征在于，本方法涉及对电机侧变换器的控制、电网侧变换器的控制以及飞轮储能单元侧变换器的控制，各变换器的控制策略分别为: A)电机侧变换器的控制策略为: 电机侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流链电压Ud。通过空间矢量调制产生电机侧变换器PWM驱动信号； B)电网侧变换器的控制策略为: 电网侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流链电压Ud。通过空间矢量调制产生电网侧变换器PWM驱动信号； C)飞轮储能单元侧变换器的控制策略按如下步骤进行: Cl)采集飞轮电机的三相定子电流ifa、4、ifc ； C2)检测飞轮电机转子机械角度$和机械转速cof，根据$和cof计算得到飞轮电机转子电角速度Pf Of及转子电角度Θ f, ?尸PffJ' ； Pf为飞轮电机极对数； C3)利用步骤Cl)采集的三相定子电流ifa、if。结合转子电角度Qf进行从静止三相abc坐标轴系到两相同步旋转dq坐标轴系的恒功率坐标变换，得到两相同步旋转dq坐标轴系下的电流信号ifd和ifq; C4)采集三相电网电压信号ega，egb, egc ;并经数字锁相环PLL得到电网实时频率f ； C5)计算得到电网频率偏差e和电网频率偏差的变化率ec, e和ec的计算公式如下: e = f*-fdif-f) cc =^:——:^ dt 其中#为电网频率给定，我国规定为50Hz ； C6)将 e 和 ec 分别量化为 13 个等级，即{_6，_5，_4，-3，-2，-1, O, I, 2，3，4，5，6}； C7)将e和ec作为模糊控制器的输入，其模糊集用七个词汇来表示，即{NB,匪，NS, ZS, PS, PM, PB}，输入变量e和ec的隶属度函数选用三角形隶属度函数；则根据e和ec的等级，通过隶属函数计算出其属于各模糊集词汇的隶属度，根据最大隶属原则即可判断e和ec所属于的模糊集词汇； C8)将飞轮电机控制参数Kpf和Kdf作为模糊控制器的输出，其中，Kpf量化为11个等级，BP {-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5} ,Ktlf 量化为 6 个等级，SP {O, I，2，3，4，5}，并且 Kpf 和 Ktlf的模糊集仍用七个词汇来表示，即{NB，匪，NS, ZS, PS, PM, PB}，输本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于模糊控制的永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节方法，其特征在于，本方法涉及对电机侧变换器的控制、电网侧变换器的控制以及飞轮储能单元侧变换器的控制，各变换器的控制策略分别为：A)电机侧变换器的控制策略为：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udc通过空间矢量调制产生电机侧变换器PWM驱动信号；B)电网侧变换器的控制策略为：电网侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流链电压udc通过空间矢量调制产生电网侧变换器PWM驱动信号；C)飞轮储能单元侧变换器的控制策略按如下步骤进行：C1)采集飞轮电机的三相定子电流ifa、ifb、ifc；C2)检测飞轮电机转子机械角度和机械转速ωf，根据和ωf计算得到飞轮电机转子电角速度pfωf及转子电角度θf，pf为飞轮电机极对数；C3)利用步骤C1)采集的三相定子电流ifa、ifb、ifc结合转子电角度θf进行从静止三相abc坐标轴系到两相同步旋转dq坐标轴系的恒功率坐标变换，得到两相同步旋转dq坐标轴系下的电流信号ifd和ifq；C4)采集三相电网电压信号ega，egb，egc；并经数字锁相环PLL得到电网实时频率f；C5)计算得到电网频率偏差e和电网频率偏差的变化率ec，e和ec的计算公式如下：e＝f*‑fec=d(f*-f)dt]]>其中：f*为电网频率给定，我国规定为50Hz；C6)将e和ec分别量化为13个等级，即{‑6,‑5,‑4,‑3,‑2,‑1,0,1,2,3,4,5,6}；C7)将e和ec作为模糊控制器的输入，其模糊集用七个词汇来表示，即{NB,NM,NS,ZS,PS,PM,PB}，输入变量e和ec的隶属度函数选用三角形隶属度函数；则根据e和ec的等级，通过隶属函数计算出其属于各模糊集词汇的隶属度，根据最大隶属原则即可判断e和ec所属于的模糊集词汇；C8)将飞轮电机控制参数Kpf和Kdf作为模糊控制器的输出，其中，Kpf量化为11个等级，即{‑5,‑4,‑3,‑2,‑1,0,1,2,3,4,5}，Kdf量化为6个等级，即{0,1,2,3,4,5}，并且Kpf和Kdf的模糊集仍用七个词汇来表示，即{NB,NM,NS,ZS,PS,PM,PB}，输出变量Kpf和Kdf的隶属度函数选用高斯型隶属度函数；则根据Kpf和Kdf的等级，通过隶属函数计算出其属于各模糊集词汇的隶属度，根据最大隶属原则即可判断Kpf和Kdf所属于的模糊集词汇；C9)根据模糊规则对e和ec进行判断得到其所属于的模糊集词汇，通过模糊逻辑判断输出相应的数Kpf和Kdf所属于的模糊集词汇，其中生成数Kpf的模糊逻辑为：生成Kdf的模糊逻辑为:C10)对Kpf和Kdf进行解模糊化，其解模糊化方法选择为重心法，解模糊化公式为：Kpf=∫SKpfμKpf(Kpf)dKpf∫SμKpf(Kpf)dKpfKdf=∫SKdfμKdf(Kdf)dKdf∫SμKdf(Kdf)dKdf]]>式中：μKpf和μKdf分别为Kpf和Kdf的隶属度；C11)根据步骤C10)所得Kpf和Kdf以及步骤C4)所得电网实时频率f计算得到飞轮电机dq轴电流给定，飞轮电机q轴电流给定计算公式为：其中Δf＝f*‑f为电网频率偏差e；；飞轮电机d轴电流给定计算公式为：ifd*=0]]>C12)采用转子磁场定向的矢量控制方式，根据d、q轴电流给定和步骤C3)恒功率变换所得的d、q轴实际电流ifd、ifq，通过交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压ufd和ufq，控制方程为：ufd=[Kp5(τi5s+1)/τi5s](ifd*-ifd)-pfωfLfqifqufq=[Kp6(τi6s+1)/τi6s](ifq*-ifq)+pfωfLfdifd+ωfψf]]>其中：Kp5、τi5、Kp6、τi6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；ψf为转子永磁体磁链；s为复频域F(s)的独立变量，称为“复频率”；C13)通过步骤C12)所得两相同步旋转dq坐标轴系下飞轮电机的控制电压ufd、ufq和电流信号ifd、ifq计算飞轮电机输出有功功率Pf：Pf＝ufdifd+ufqifqC14)通过控制电压ufd、ufq，并结合转子电角度θf和直流链电压udc经空间矢量调制SVM得飞轮储能单元侧变换器的PWM驱动信号以控制电机；C15)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；C16)在飞轮电机连续减速至零时...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姚骏，余梦婷，周特，赵磊，谭义，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85
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