技术领域
[0001] 本
发明涉及
风能发电技术，具体涉及永磁直驱
风力发电系统参与电网频率调节的方法，属于新
能源发电领域。
背景技术
[0002] 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，国内外学者对含风电电力系统频率调节技术已开展了相关研究工作。如已公开的下列文献：
[0003] (1)李军军，吴政球.风电参与一次调频的小扰动稳定性分析.中国电机工程学报，2011，31(13)：1-9.
[0004] (2)李立成，叶林.变风速下永磁直驱风电机组频率—转速协调控制策略，电力系统自动化，2011，35(17)：26-31.
[0005] (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.
[0006] 文献（1）、文献（2）研究了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来源，但是具有不能再全工况下提供调频能力和降低风能利用率以及增大机组
应力等缺点。
[0007] 文献（3）采用飞轮储能系统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。但所提控制方案需利用或预测风速来频率调节指令
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。 [0008] 在工程实际运用中，考虑到频率波动产生的因素较多，因此，迫切需要一种新的、简单实用的风电机组辅助频率控制方式，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具有重要的现实意义。
发明内容
[0009] 针对现有含风电电力系统频率波动大的问题，本发明的目的是提供一种永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，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。
[0010] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0011] 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储能单元侧变换器的控制，各变换器的控制分别为：
[0012] （A）发电机侧变换器的控制：
[0013] 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udc通过空间矢量调制产生发电机侧变换器PWM驱动信号；
[0014] （B）电网侧变换器的控制为：
[0015] 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，以反映飞轮侧变换器瞬时功率的Pf/egd与反映发电机侧变换器瞬时功率的Pe/egd两者之和作为前馈补偿量；
[0016] 电网侧变换器的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；
[0017] （C）储能单元变换器的控制步骤为：
[0018] 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ifa，ifb，ifc；
[0019] C2)利用
转子位置传感器检测飞轮电机转子位置 及转速ωf，根据 和ωf计算得到永磁同步电机转子电
角速度pfωf及转子电角度 pf为永磁同步飞轮
驱动电机极对数；
[0020] C3)利用采集的三相定子电流ifa，ifb，ifc和转子位置 实现坐标变换，将飞轮电机三相定子电流从静止三相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ifd和ifq；
[0021] C4)利用
锁相环PLL检测得到电网频率f；* *
[0022] 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做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：
[0023]
[0024] 式中，Kpf为飞轮电机功率环比例系数，τdf为飞轮电机功率环微分时间常数； [0025] 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ifd、ifq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压ufd和ufq，控制方程为： [0026]
[0027] 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；
[0028] C7)通过电压和电流计算飞轮电机输出有功功率Pf，计算公式为Pf=ufdifd+ufqifq； [0029] C8)通过控制电压再结合转子位置角 和直流链电压udc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；
[0030] 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；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；
[0031] 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。
[0032] 发电机侧变换器的具体控制步骤为：
[0033] A1)利用电压霍尔传感器测量直流链电压udc；
[0034] 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isa，isb，isc；
[0035] 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ωs=psω及转子电角度θs=psθ；ps为发电机极对数； [0036] A4)利用采集的三相定子电流isa，isb，isc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，采用恒功率变换得到isd和isq； [0037] 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
[0038] 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isd、isq，采用交叉耦合控制方式得到d、q轴控制电压usd和usq，控制方程为：
[0039]
[0040] 其中：Kp1、τi1、Kp2、τi2分别为定子d、q轴电流调节环的PI参数；Lsd、Lsq分别为定子d、q轴电感；ψs为转子永磁体磁链；
[0041] A7)通过电压和电流计算发电机输出有功功率Pe，Pe=usdisd+usqisq； [0042] A8)通过控制电压再结合转子位置角θ和直流链电压udc，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。
[0043] 所述电网侧变换器的具体控制步骤为：
[0044] B1)利用电压霍尔传感器测量三相电网电压ega，egb，egc；
[0045] B2)利用电流霍尔传感器采集三相电网电流信号iga，igb，igc；
[0046] 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eα，eβ；
[0047] 采用电网电压定向方式得到电网电压d轴分量egd和电网电角度θg，此时电网电压q轴分量egq为零；
[0048] B4)利用采集的三相电网电流和计算的电网电角度θg实现坐标变换，将三相电网电流从静止三相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igd和igq； [0049] B5)采用电压外环的闭环控制方式稳定直流链电压；以反映飞轮侧变换器瞬时功率的Pf/egd与反映发电机侧变换器瞬时功率的Pe/egd之和作为前馈补偿量，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；Pf为飞轮侧变换器发出的瞬时功率，Pe为发电机侧变换器发出的瞬时功率；
[0050] 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igd、igq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压ugd和ugq，其控制方程为：
[0051]
[0052] 其中：Kp3、τi3、Kp4、τi4分别为d、q轴电流的PI参数；Lｇ为网侧变换器进线电感； [0053] B7)通过坐标变换所得的电压和电流计算并网功率Pg，Pg=egdigd+egqigq； [0054] B8)通过控制电压结合转子位置θg和直流链电压udc经空间矢量调制SVM得到电网侧变换器的PWM驱动信号。
[0055] 相比
现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0056] 1.本发明在系统调频控制的要求下，亦实现了最大风能跟踪控制。飞轮系统根据系统调频需求进行加/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。
[0057] 2.在全工况条件下具有稳定的频率能力。当风速和系统负荷变化时，飞轮储能待遇能提供稳定的双向有功备用。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，整个系统频率波动得到有效抑制，频率波动发生后的恢复时间得到加快，在一定程度上可改善该系统的并网电能质量。
[0058] 总之，本方法通过对发电机侧变换器、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。
附图说明
[0059] 图1是含飞轮储能单元的永磁直驱风力发电系统图。
[0061] 图3是发电机侧电流内环控制图。
[0062] 图4是电网侧电压外环控制图。
[0063] 图5是电网侧电流内环控制图。
[0064] 图6是飞轮驱动电机侧q轴电流给定控制图。
[0065] 图7是恒定风速下突加突减负荷仿真
波形图。
[0066] 图8是风速波动下仿真波形图。
具体实施方式
[0067] 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0068] 参见图1和图2，本发明永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节的方法，它涉及的对象主要有：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，发电机侧变换器9，abc/αβ坐标变换模块10，αβ/dq坐标变换模块11，电网频率检测模块12，电压外环控制模块13，电网侧电流内环控制模块14，电网侧变换器15，永磁同步电动/发电机16，永磁同步电动/发电机q轴电流给定模块17，储能单元电流内环控制模块18，储能单元侧变换器19。
[0069] 本方法包括发电机侧变换器控制、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）：
[0070] A)发电机侧变换器的控制，它包括以下步骤：
[0071] A1)利用电压霍尔传感器1测量直流链电压udc；
[0072] 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isa，isb，isc；
[0073] 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ωs=psω及转子电角度θs=psθ；ps为发电机极对数； [0074] A4)利用采集的三相定子电流isa，isb，isc和转子位置θ实现坐标变换，通过abc/dq坐标变换模块5，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isd和isq；
[0075] A5)采用功率外环
控制器6，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
[0076] 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 利用发电机侧电流内环控制模块7，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isd、isq，采用交叉耦合控制方式得到d、q轴控制电压usd和usq，可同时参照图3，其控制方程为：
[0077]
[0078] 其中：Kp1、τi1、Kp2、τi2分别为定子d、q轴电流调节环的PI参数；Lsd、Lsq分别为定子d、q轴电感；ψs为转子永磁体磁链。
[0079] A7)通过电压和电流计算发电机输出有功功率Pe，Pe=usdisd+usqisq； [0080] A8)通过控制电压再结合转子位置角θ和直流链电压udc经空间矢量调制SVM8，得到发电机侧变换器9的PWM驱动信号以控制永磁同步发电机2。
[0081] B)电网侧变换器的控制，其控制步骤为：
[0082] B1)利用电压霍尔传感器1测量三相电网电压ega，egb，egc；
[0083] B2)利用电流霍尔传感器3采集三相电网电流信号iga，igb，igc；
[0084] 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，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eα，eβ；
[0085] B4）利用B3)得到的eα，eβ，通过αβ/dq坐标变换模块11，得到电网电压定向下的电网电压d轴分量egd和电网电角度θg，此时电网电压q轴分量egq为零，其计算式为： [0086]
[0087] B5）利用B4）所得到的θg，经过频率检测模块12，得到电网频率信号f； [0088] B6)利用采集的三相电网电流和计算的电网电角度θg实现坐标变换，通过abc/dq坐标变换模块5，将三相电网电流从静止三相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igd和igq；
[0089] B7)采用电压外环控制模块13稳定直流链电压，参照图4，以反映飞轮侧变换器瞬时功率的Pf/egd与反映发电机侧变换器瞬时功率的Pe/egd之和Pe/egd+Pf/egd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；Pf为飞轮侧变换器发出的瞬时功率，Pe为发电机侧变换器发出的瞬时功率； [0090] B8)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14，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igd、igq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压ugd和ugq，同时参照图5，其控制方程为：
[0091]
[0092] 其中：Kp3、τi3、Kp4、τi4分别为d、q轴电流的PI参数；Lｇ为网侧变换器进线电感。 [0093] B9)通过坐标变换所得的电压和电流计算并网功率Pg，Pg=egdigd+egqigq； [0094] B10)通过控制电压结合转子位置ωg和直流链电压udc经空间矢量调制8得电网侧变换器15的PWM驱动信号。
[0095] Ｃ)储能单元变换器的控制，其控制步骤为：
[0096] Ｃ1)利用电流霍尔传感器3采集永磁同步发电/电动机16的定子电流信号，其三相定子电流信号为ifa，ifb，ifc；*
[0097] Ｃ2)利用转子位置传感器4检测永磁同步发电/电动机16的转子位置θf及转* *速ωf，根据θf和ωf计算得到永磁同步电机转子电角速度pfωf及转子电角度θf=pfθf；
pf为永磁同步飞轮 驱动电机极对数；
*
[0098] Ｃ3)利用采集的三相定子电流ifa，ifb，ifc和转子位置θf实现坐标变换，通过abc/dq坐标变换模块5，将飞轮电机三相定子电流从静止三相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ifd和ifq；
[0099] 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17进行选取，参照图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B5）得到的电网频率f计算飞轮电机功率给定，计算公式为： [0100]
[0101] 其中：Kpf为飞轮电机功率环比例系数，τdf为飞轮电机功率环微分时间常数， 为电机的功率给定。
[0102] Ｃ5)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 通过储能单元侧电流内环控制模块16，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ifd、ifq，采用交叉耦合控制方式得d、q轴控制电压ufd和ufq，其控制方程为：
[0103]
[0104] 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。
[0105] Ｃ6)通过电压和电流计算发电机输出电磁功率Pf，计算公式为Pf=ufdifd+ufqifq； [0106] Ｃ7)通过控制电压结合转子位置角θf和直流链电压udc经空间矢量调制8，得到储能单元侧变换器19的PWM驱动信号以控制电机。
[0107] Ｃ8)根据永磁同步电动/发电机q轴电流给定模块17，同时参见图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，即功率/电流闭环控制模式。
[0108] Ｃ9)根据永磁同步电动/发电机q轴电流给定模块17，同时参见图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，即功率/电流闭环控制模式。
[0109] 下面结合附图对本发明的有益效果进行说明：
[0110] 1.实现了最大风能跟踪控制。如附图7(a)、(c)和附图8(a)、(c)所示，当风速在额定风速以下波动时，
风能利用系数基本保持在最佳值0.4382附近，永磁直驱风力发电系统在额定风速以下实现最大风能跟踪控制。
[0111] 2.改善系统频率特性，减小突加负荷时的频率波动，加快频率波动发生后的恢复速度。如附图7(a)、(b)和附图8(a)、(b)所示，在两种不同工况下，采用所提控制策略时的系统频率特性均较佳。
[0112] 3.减小风力发电系统机械应力。如附图7(f)和附图8(f)所示，采用所提控制策略时，风力发电机的
转轴转速波动均较小，永磁直驱风力发电机转轴所受机械应力也较小，有利永磁直驱风力发电机寿命延长。
