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。

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：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=[K_{p1}({\tau }_{i1}s+1)/{\tau }_{i1}s](i_{\mathrm{sd}}^{*}-i_{\mathrm{sd}})-p_s\omega L_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=[K_{p2}({\tau }_{i2}s+1)/{\tau }_{i2}s](i_{\mathrm{sq}}^{*}-i_{\mathrm{sq}})+p_s\omega L_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+\omega {\psi }_s\end{array}\right)$

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：

$\left(\begin{array}{c}{e}_{\alpha }\\ e_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \sqrt{\frac{3}{4}}& -\sqrt{\frac{3}{4}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{ga}}\\ e_{\mathrm{gb}}\\ e_{\mathrm{gc}}\end{array}\right)$

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：

$e_{\mathrm{gd}}=\sqrt{e_{\alpha }^2+e_{\beta }^2},$${\theta }_g=\mathrm{ar}\tan \frac{e_{\beta }}{e_{\alpha }}$

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：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}=[K_{p3}({\tau }_{i3}s+1)/{\tau }_{i3}s](i_{\mathrm{gd}}^{*}-i_{\mathrm{gd}})+{\omega }_g{L}_g{i}_{\mathrm{gq}}+e_{\mathrm{gd}}\\ u_{\mathrm{gq}}=[K_{p4}({\tau }_{i4}s+1)/{\tau }_{i4}s](i_{\mathrm{gq}}^{*}-i_{\mathrm{gq}})-{\omega }_g{L}_g{i}_{\mathrm{gd}}\end{array}\right)$

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： $P_f^{*}=P_g(\frac{{\omega }_1}{s+{\omega }_1}-\frac{{\omega }_2}{s+{\omega }_2});$

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：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{fd}}=[K_{p5}({\tau }_{i5}s+1)/{\tau }_{i5}s](i_{\mathrm{fd}}^{*}-i_{\mathrm{fd}})-p_f{\omega }_f{L}_{\mathrm{fq}}{i}_{\mathrm{fq}}\\ u_{\mathrm{fq}}=[K_{p6}({\tau }_{i6}s+1)/{\tau }_{i6}s](i_{\mathrm{fq}}^{*}-i_{\mathrm{fq}})+p_f{\omega }_f{L}_{\mathrm{fd}}{i}_{\mathrm{fd}}+{\omega }_f{\psi }_f\end{array}\right)$

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。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1.在功率平滑控制的要求下，亦实现了最大风能跟踪控制。飞轮系统根据功率平滑需求 进行加/减速运行，飞轮电机定子电流d轴分量控制在零左右，q轴电流则根据功率环的调节 输出在驱动/制动状态之间变化，飞轮电机以驱动状态运行时，吸收发电机输出的多余功率； 反之，驱动电机以制动状态运行时，向电网侧变换器输出补充功率，飞轮减速释放能量。

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。

风速变化时电网侧变换器可实现稳定的直流链电压控制，电流解耦控制效果良好，在含 飞轮单元的系统中网侧变换器d轴电流的波动较小，整个系统输出有功功率的波动也得到有 效抑制，在一定程度上可改善该系统的并网电能质量。

总之，本方法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。

附图说明

图1是含飞轮储能单元的永磁直驱风力发电系统图；

图2是整体系统的控制框图；

图3是电机侧电流内环控制图；

图4是电网侧电压外环控制图；

图5是电网侧电流内环控制图；

图6是飞轮驱动电机侧q轴电流给定控制图；

图7是风机系统波形图；

图8是发电机系统波形图；

图9是飞轮系统波形图；

图10是含直流侧飞轮储能与不含直流侧飞轮储能的网侧对比波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1、图2和图6，本发明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，它涉及的控制对象有：电压霍尔传感器1，永磁同步发电机2，电流霍尔传 感器3，转子位置传感器4，abc/dq坐标变换模块5，功率外环控制模块6，发电机侧电流内 环模块7，空间矢量调制器8，电机侧变换器9，abc/αβ坐标变换模块10，电压外环控制模块 11，电网侧电流内环控制模块12，电网侧变换器13，永磁同步电动/发电机14，永磁同步电 动/发电机q轴电流给定模块15，储能单元电流内环控制模块16，储能单元侧变换器17，一 阶低通滤波器18。

本方法包括电机侧变换器控制、电网侧变换器控制、储能单元侧变换器控制三个方面， 其具体实施步骤如下(可同时参见图2)：

A)电机侧变换器的控制，它包括以下步骤：

A1)利用电压霍尔传感器1测量直流链电容电压u_dc；

A2)利用电流霍尔传感器3采集以永磁同步发电机2的定子电流信号，其三相定子电流信 号为i_sa，i_sb，i_sc；

A3)利用转子位置传感器4检测永磁同步发电机2转子位置θ及转速ω，根据θ和ω计 算得到其转子电角速度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，通过abc/dq坐标变换模块5， 采用恒功率变换，其变换式为：

A5)采用功率外环控制器6，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，通过发电机侧电流内环控制模块7得d、q轴控 制电压u_sd和u_sq，参照附图3，其控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=[K_{p1}({\tau }_{i1}s+1)/{\tau }_{i1}s](i_{\mathrm{sd}}^{*}-i_{\mathrm{sd}})-p_s\omega L_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=[K_{p2}({\tau }_{i2}s+1)/{\tau }_{i2}s](i_{\mathrm{sq}}^{*}-i_{\mathrm{sq}})+p_s\omega L_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+\omega {\psi }_s\end{array}\right)$

其中：K_p1、τ_i1、K_p2、τ_i2分别为定子d、q轴电流的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8，得到电机侧 变换器9的PWM驱动信号以控制永磁同步发电机2。

B)电网侧变换器的控制，其控制步骤为：

B1)利用电压霍尔传感器1测量三相电网电压e_ga，e_gb，e_gc；

B2)利用电流霍尔传感器3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，通过abc/αβ坐标变换模块10，采用恒功率变换得到 αβ轴系下的电压e_α，e_β，其变换式表示为：

$\left(\begin{array}{c}{e}_{\alpha }\\ e_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \sqrt{\frac{3}{4}}& -\sqrt{\frac{3}{4}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{ga}}\\ e_{\mathrm{gb}}\\ e_{\mathrm{gc}}\end{array}\right)$

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：

$e_{\mathrm{gd}}=\sqrt{e_{\alpha }^2+e_{\beta }^2},$${\theta }_g=\mathrm{ar}\tan \frac{e_{\beta }}{e_{\alpha }}$

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，通过abc/dq坐标变 换模块5，采用恒功率变换其变换式为：

B5)采用电压外环控制模块11稳定直流链电压，参照附图4，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，通过电网侧电流内环控制模块12，得到d、q轴 控制电压u_gd和u_gq，参照附图5，其控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}=[K_{p3}({\tau }_{i3}s+1)/{\tau }_{i3}s](i_{\mathrm{gd}}^{*}-i_{\mathrm{gd}})+{\omega }_g{L}_g{i}_{\mathrm{gq}}+e_{\mathrm{gd}}\\ u_{\mathrm{gq}}=[K_{p4}({\tau }_{i4}s+1)/{\tau }_{i4}s](i_{\mathrm{gq}}^{*}-i_{\mathrm{gq}})-{\omega }_g{L}_g{i}_{\mathrm{gd}}\end{array}\right)$

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ω_g和直流链电压u_dc经空间矢量调制8得电网侧变换器 13的PWM驱动信号。

C)储能单元变换器的控制，其控制步骤为：

C1)利用电流霍尔传感器3采集永磁同步发电/电动机14的定子电流信号，其三相定子电 流信号为i_fa，i_fb，i_fc；

C2)利用转子位置传感器4检测永磁同步发电/电动机14的位置及转速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，通过abc/dq坐标变换模块5， 采用恒功率变换其变换式为：

C4)电机q轴电流给定根据永磁同步电动/发电机q轴电流给定模块15进行选取，参照 附图6，根据转速选取不同的通道。电机转速在0到额定转速之间时，q轴电流给定选取通道 1，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，将网侧输出有功功率分别经 两个一阶低通滤波器18滤波后作差作为永磁同步发电/电动机14的功率给定，可表示为： $P_f^{*}=P_g(\frac{{\omega }_1}{s+{\omega }_1}-\frac{{\omega }_2}{s+{\omega }_2});$

其中：ω₁、ω₂分别为两一阶低通滤波器的截止角频率；为电机的功率给定。

C5)采用转子磁场定向的矢量控制方式，通过储能单元侧电流内环控制模块16得控制电 压u_fd和u_fq，其控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{fd}}=[K_{p5}({\tau }_{i5}s+1)/{\tau }_{i5}s](i_{\mathrm{fd}}^{*}-i_{\mathrm{fd}})-p_f{\omega }_f{L}_{\mathrm{fq}}{i}_{\mathrm{fq}}\\ u_{\mathrm{fq}}=[K_{p6}({\tau }_{i6}s+1)/{\tau }_{i6}s](i_{\mathrm{fq}}^{*}-i_{\mathrm{fq}})+p_f{\omega }_f{L}_{\mathrm{fd}}{i}_{\mathrm{fd}}+{\omega }_f{\psi }_f\end{array}\right)$

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)通过控制电压结合转子位置角θ_f和直流链电压u_dc经空间矢量调制8，得到储能单元 侧变换器17的PWM驱动信号以控制电机。

C8)根据永磁同步电动/发电机q轴电流给定模块15，参照附图6，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，将 通道1切换为通道2，转速给定设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，重新切换回通道1。

C9)根据永磁同步电动/发电机q轴电流给定模块15，参照附图6，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，将通道1切换为通道3，直至要求飞轮电机重新进入加速状态，切换回 通道1。

下面结合附图对本发明的有益效果进行说明：

1.实现了最大风能跟踪控制。如附图7(a)、(b)、(c)所示，在风速范围内波动，在额定风 速以下，风能利用系数基本保持在最佳值0.4382附近，变桨系统不动作。在额定风速以上， 变桨系统启动，桨距角迅速增大，风机风能利用系数大幅下降。如附图8(a)、(b)、(c)所示， 发电机转速跟随风速变化而变化，发电机定子d、q轴电流可实现良好的电流解耦控制。风力 发电机在额度转速下实现最大风能跟踪，额度转速以上以满功率运行，在功率平滑控制的要 求下，亦实现了最大风能跟踪控制。如附图9(a)、(b)、(c)所示，飞轮系统根据功率平滑需求 进行加/减速运行，飞轮电机定子电流d轴分量控制在零左右，q轴电流则根据功率环的调节 输出在驱动/制动状态之间变化，飞轮电机以驱动状态运行时，吸收发电机输出的多余功率； 反之，驱动电机以制动状态运行时，向电网侧变换器输出补充功率，飞轮减速释放能量。

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。定义网侧有 功功率平滑度系数来评估并网有功功率的平滑程度，P_s为发电机额定功 率。P_glevel越小，输入到电网的有功功率越平滑。

如附图10(a)、(b)、(c)、(d)所示，风速变化时电网侧变换器可实现稳定的直流链电压控 制，电流解耦控制效果良好，在含飞轮单元的系统中网侧变换器d轴电流的波动较小，整个 系统输出有功功率的波动也得到有效抑制，在一定程度上可改善该系统的并网电能质量。通 过两种情况下系统功率平滑程度的对比可知，含飞轮储能单元的发电系统输出功率平滑程度 更优，电能质量更高。