一种永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节方法

摘要

本发明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。

主权项

一种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u_dc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i_fa、i_fb、i_fc；C2)检测飞轮电机转子机械角度和机械转速ω_f，根据和ω_f计算得到飞轮电机转子电角速度p_fω_f及转子电角度θ_f，p_f为飞轮电机极对数；C3)利用步骤C1)采集的三相定子电流i_fa、i_fb、i_fc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i_fd和i_fq；C4)采集三相电网电压信号e_ga，e_gb，e_gc；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^*‑f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K_pf和K_df作为模糊控制器的输出，其中，K_pf量化为11个等级，即{‑5,‑4,‑3,‑2,‑1,0,1,2,3,4,5}，K_df量化为6个等级，即{0,1,2,3,4,5}，并且K_pf和K_df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K_pf和K_df的隶属度函数选用高斯型隶属度函数；则根据K_pf和K_df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K_pf和K_df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K_pf和K_df所属于的模糊集词汇，其中生成数K_pf的模糊逻辑为：生成K_df的模糊逻辑为:C10)对K_pf和K_df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：式中：μ_Kpf和μ_Kdf分别为K_pf和K_df的隶属度；C11)根据步骤C10)所得K_pf和K_df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：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i_fd、i_fq，通过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：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；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u_fd、u_fq和电流信号i_fd、i_fq计算飞轮电机输出有功功率P_f：P_f＝u_fdi_fd+u_fqi_fqC14)通过控制电压u_fd、u_fq，并结合转子电角度θ_f和直流链电压u_dc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，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。