适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法，该控制方法所采用的低风速分布式风力发电系统包括：风力机、发电机、机侧换流器、稳压电容C、网侧换流器以及直流母线，该低风速分布式风力发电系统能够直接接入交流配电网，该低风速分布式风力发电系统还包括超级电容，该超级电容通过与双向的DC/DC变流器并联后接入机侧换流器后侧的直流母线上，通过DC/DC变流器控制任一控制周期T内的超级电容的充放电来维持注入风力发电系统的直流母线的功率稳定。本发明专利技术的方法能够维持直流母线的功率稳定，从而减小网侧换流器电压外环控制中PI调节器输出的d轴电流实际值与参考值之间的延迟，实现直流母线的电压稳定。

DC bus voltage control method for low wind speed distributed wind power generation

The invention discloses a DC bus voltage control method suitable for low wind speed distributed wind power generation. The low wind speed distributed wind power generation system used in the control method includes: wind turbine, generator, machine side converter, stabilizing capacitor C, network side converter and direct current bus. The low wind speed distributed wind power generation system can be directly connected to the AC distribution network, and the low wind The speed distributed wind power generation system also includes a super capacitor, which is connected to the DC bus at the back of the converter at the turbine side through parallel connection with a bidirectional DC / DC converter. The DC / DC converter controls the charge and discharge of the super capacitor in any control cycle T to maintain the power stability of the DC bus injected into the wind power generation system. The method can maintain the power stability of the DC bus, thereby reducing the delay between the actual value of the d-axis current output by the PI regulator and the reference value in the voltage outer loop control of the grid side converter, and realizing the voltage stability of the DC bus.

【技术实现步骤摘要】
适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法
本专利技术涉及属于风力发电领域，具体地说是一种简单可靠且能提升网侧换流器定电压控制效果的适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法。
技术介绍
传统风力发电多为集中式发电，其风速特性为幅值高、湍流低，为了更好地开发利用风能，在靠近负荷中心开发分布式风电是一条有利途径，而分布式风电地区风速特性为幅值低、湍流高，需要寻找适用于低风速分布式风电的直流母线电压控制方法。机侧和网侧换流器的控制是永磁直驱型风力发电系统的核心，其中机侧换流器实现了最大风能利用，网侧换流器采用基于电网电压定向的矢量控制，控制直流母线电压和并网功率。在实际工作中，两侧换流器通过直流电路相连，因此控制直流母线电压稳定是保证两侧换流器能够独立控制的关键。针对风功率波动造成网侧换流器难以维持直流母线电压稳定的问题，传统的方法是在直流部分采用大容量的电容，以增加系统惯性，但这样会导致系统的动态性能受到严重影响，影响了风电系统的整体性。在传统的高风速低湍流的集中式风场直流母线电压稳定控制的研究中，研究人员提出了多种改善直流母线电压的方法。常用的方法有基于直流母线中并联电容的瞬时电流为零的电容电流直接控制和两侧换流器的功率协调控制，该方法建立在明确的数学模型之上，对换流器控制机理进行改造，响应速度快，但鲁棒性较差，易产生误差，不适用于湍流强度更大的低风速分布式风场。另有研究针对常规控制中所用PI控制器动态性能不足的缺点，采用模糊控制以实现动态控制，该法无需精确数学模型，鲁棒性强，但其控制结构复杂，控制精度不佳。综上所述，在低风速高湍流的分布式风电场，其面对的直流母线电压问题更加严峻。因而，对该问题进行改善十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种简单可靠且能提升网侧换流器定电压控制效果的适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法；该直流母线电压控制通过增设超级电容，超级电容通过与双向的DC/DC变流器并联后接入机侧换流器后侧的直流母线上，通过DC/DC变流器控制任一控制周期T内的超级电容的充放电来维持注入风力发电系统的直流母线的功率稳定，进而实现直流母线的电压稳定。本专利技术的目的是通过以下技术方案解决的：一种适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法，该直流母线电压控制方法所采用的低风速分布式风力发电系统包括：风力机、发电机、机侧换流器、稳压电容C、网侧换流器以及直流母线，该低风速分布式风力发电系统能够直接接入交流配电网，其特征在于：该低风速分布式风力发电系统还包括超级电容，该超级电容通过与双向的DC/DC变流器并联后接入机侧换流器后侧的直流母线上，通过DC/DC变流器控制任一控制周期T内的超级电容的充放电来维持注入风力发电系统的直流母线的功率稳定，进而实现直流母线的电压稳定。所述的超级电容采用双环PI控制，其中外环为功率控制、内环为电流控制。用于控制超级电容充放电的控制模块与DC/DC变流器相连接。所述的控制模块是基于控制周期T内风电系统输入到直流母线的参考功率PDC_ref与风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG之间的差值PSC_ref对DC/DC变流器进行控制的，即：PSC_ref＝PDC_ref-PPMSG(0<t<T)(1)式(1)中：PSC_ref为超级电容参考输出功率；将控制周期T内风电系统输入到直流母线的平均功率Ppredict作为该控制周期T内风电系统输入到直流母线的参考功率PDC_ref，则：Ppredict＝PDC_ref(0<t<T)(2)计算风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG的步骤为：S1、检测发电机转子的实时角速度ω并测得风速v的大小；S2、计算风力机从风能中捕获的功率Pm，所用的公式为：式(3)中，R为风轮半径，ρ为空气密度，S为风力机桨叶扫过的面积，Cp为风能利用系数，β为桨距角，λ为叶尖速比且λ定义为λ＝ωR/v；S3、由步骤S2所得Pm去除机侧变流器的功率损耗和发电机的功率损耗即可得风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG，所用公式如下：PPMSG＝Pm-ΔP1-ΔP2(4)式(4)中，ΔP1为发电机的功率损耗；ΔP2为机侧换流器的功率损耗。所述的控制模块包括若干个运算模块以及功率PI控制器和电流PI控制器，控制周期T内风电系统输入到直流母线的平均功率Ppredict与风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG输入到第一个运算模块获得的差值为超级电容参考输出功率PSC_ref，超级电容参考输出功率PSC_ref与超级电容实时输出功率PSC输入到第二个运算模块获得的偏差经过功率PI控制器后得到超级电容参考输出电流ISC_ref，超级电容参考输出电流ISC_ref与超级电容实时输出电流ISC输入到第三个运算模块获得的偏差再经过一个电流PI控制器得到的信号生成互补的PWM信号，该互补的PWM信号输入DC/DC变流器并对其进行控制。当风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG大于控制周期T内风电系统输入到直流母线的平均功率Ppredict时，超级电容处于充电状态；当风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG小于控制周期T内风电系统输入到直流母线的平均功率Ppredict时，超级电容处于放电状态。所述的DC/DC变流器包括可控的功率开关管S1和其反向并联的二极管D1、可控的功率开关管S2和其反向并联的二极管D2、以及作为驱动模块的PWM模块，其中PWM模块用于接收控制模块发出的互补的PWM信号，由功率开关管S1和功率开关管S2接收PWM模块传递的互补的PWM信号来调节功率开关管S1和功率开关管S2的占空比以控制功率开关管S1或功率开关管S2的通断，实现超级电容的充放电。所述的超级电容通过与双向的DC/DC变流器并联后接入机侧换流器和稳压电容C之间的直流母线上。所述的超级电容与稳流电感L串联后再与DC/DC变流器并联。所述的发电机为直驱永磁同步风力发电机。另外需要说明的是：控制周期T内风电系统输入到直流母线的平均功率Ppredict实质上是预测值，该预测值能够采用现今常用的预测方法进行风功率预测，常用方法有基于天气、地形等因素的物理方法和基于数学统计的算法，如自回归滑动平均模型、人工神经网络、小波分析和支持向量机等；一个控制周期T结束后，重新预测Ppredict的值并进入下一个控制周期T。本专利技术相比现有技术有如下优点：1)本专利技术的直流母线电压控制方法无需对原有换流器的控制策略进行复杂的改造，而从功率角度入手，控制策略简单易行，并提升了原有控制策略的控制效果；2)本专利技术的直流母线电压控制方法引入的控制周期T内风电系统输入到直流母线的平均功率Ppredict实质上是预测值，该预测值能够在一定程度上蕴含未来的变化趋势，具有很好的前馈特性，提升了超级电容控制的精准性和快速性，并很好的应对了低风速分布式风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法，该直流母线电压控制方法所采用的低风速分布式风力发电系统包括：风力机、发电机、机侧换流器、稳压电容C、网侧换流器以及直流母线，该低风速分布式风力发电系统能够直接接入交流配电网，其特征在于：该低风速分布式风力发电系统还包括超级电容，该超级电容通过与双向的DC/DC变流器并联后接入机侧换流器后侧的直流母线上，通过DC/DC变流器控制任一控制周期T内的超级电容的充放电来维持注入风力发电系统的直流母线的功率稳定，进而实现直流母线的电压稳定。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法，该直流母线电压控制方法所采用的低风速分布式风力发电系统包括：风力机、发电机、机侧换流器、稳压电容C、网侧换流器以及直流母线，该低风速分布式风力发电系统能够直接接入交流配电网，其特征在于：该低风速分布式风力发电系统还包括超级电容，该超级电容通过与双向的DC/DC变流器并联后接入机侧换流器后侧的直流母线上，通过DC/DC变流器控制任一控制周期T内的超级电容的充放电来维持注入风力发电系统的直流母线的功率稳定，进而实现直流母线的电压稳定。


2.根据权利要求1所述的适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法，其特征在于：所述的超级电容采用双环PI控制，其中外环为功率控制、内环为电流控制。


3.根据权利要求1所述的适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法，其特征在于：用于控制超级电容充放电的控制模块与DC/DC变流器相连接。


4.根据权利要求3所述的适用于低风速分布式风力发电的直流母线电压控制方法，其特征在于：所述的控制模块是基于控制周期T内风电系统输入到直流母线的参考功率PDC_ref与风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG之间的差值PSC_ref对DC/DC变流器进行控制的，即：
PSC_ref＝PDC_ref-PPMSG(0<t<T)(1)
式(1)中：PSC_ref为超级电容参考输出功率；
将控制周期T内风电系统输入到直流母线的平均功率Ppredict作为该控制周期T内风电系统输入到直流母线的参考功率PDC_ref，则：
Ppredict＝PDC_ref(0<t<T)(2)
计算风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG的步骤为：
S1、检测发电机转子的实时角速度ω并测得风速v的大小；
S2、计算风力机从风能中捕获的功率Pm，所用的公式为：



式(3)中，R为风轮半径，ρ为空气密度，S为风力机桨叶扫过的面积，Cp为风能利用系数，β为桨距角，λ为叶尖速比且λ定义为λ＝ωR/v；
S3、由步骤S2所得Pm去除机侧变流器的功率损耗和发电机的功率损耗即可得风电系统输入到直流母线的实时功率PPMSG，所用公式如下：
PPMSG＝Pm-ΔP1-ΔP2(4)
式(4)中，ΔP1为发电机的功率损耗；ΔP2为机侧换流器的功率损耗。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小莲，郝思鹏，倪良华，韦伟，胡佳玮，汪麒，李恒聪，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32