开关磁阻风力发电并网系统控制方法

摘要

本发明公开了一种开关磁阻风力发电并网系统控制方法，机侧功率变换器采用基于电流斩波控制模式的励磁电流扰动控制法，以实现系统最大风能跟踪，网侧三相电压型逆变器采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，以实现逆变并网。本发明能实现无需安装风速测量装置、无需知道风力机的机械特性下，开关磁阻风力发电的最大风能跟踪并网运行，提高风能利用效率，可用于开关磁阻风力发电并交流微电网系统、分布式开关磁阻风力发电并网系统控制算法的理论及工程设计。

主权项

一种开关磁阻风力发电并网系统控制方法，其特征在于：包括机侧功率变换器的最大风能跟踪控制方法和网侧三相电压型逆变器的并网控制方法，机侧功率变换器采用基于电流斩波控制模式的励磁电流扰动控制法，以实现系统最大风能跟踪，网侧三相电压型逆变器采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，以实现逆变并网；其中，所述机侧功率变换器的最大风能跟踪控制方法采用基于电流斩波模式的励磁电流扰动控制法，其基本原则是开关磁阻发电机在电流斩波控制模式下，加入励磁电流扰动，通过检测开关磁阻发电机输出功率和转速在励磁电流扰动下的变化情况，来决定下一步励磁电流扰动的大小和方向，从而跟踪最大功率点，具体如下：开关磁阻发电机采用自励模式，起动阶段，由起励电源经电力二极管提供初始励磁，开关磁阻发电机稳定运行后，电力二极管断开起励电源，此后依赖其输出电压进行自励发电；机侧功率变换器控制开关磁阻发电机各相的导通与关断，实现发电运行；开关磁阻发电机通过机侧功率变换器工作在电流斩波控制模式，固定功率变换器的主开关器件的开通角和关断角，给定参考相电流I_ref和电流滞环宽度，在励磁阶段，通过导通或断开功率变换器相应的主开关器件，将相电流维持在I_ref为中心的滞环宽度内，当设定的电流滞环宽度小时，励磁阶段的相电流近似等于I_ref，随着I_ref增加，励磁阶段的相电流增大，从而发电续流阶段的续流相电流也相应增大，输出功率P_e增加，进一步地，定义电流斩波控制模式的给定参考相电流I_ref为励磁电流；系统稳定运行期间，通过检测直流母线电压U_dc和电流i_dc，得到开关磁阻发电机输出功率P_e=U_dc×i_dc；设系统k时刻稳定运行，此时给励磁电流加一个扰动量△I_k，检测加扰动量后k+1时刻的开关磁阻发电机输出功率P_e,k+1及转速n_k+1，然后与k时刻的P_e,k、n_k比较，若P_e,k+1>P_e,k，则可判定当前具有正确的扰动方向，若n_k+1>n_k，则此时风力机输入的机械功率比开关磁阻发电机输出功率大，上述两种情况均增加下一时刻的励磁电流，以增大开关磁阻发电机输出功率，若P_e,k+1<P_e,k且n_k+1<n_k，则使励磁电流的扰动方向与原方向相反，以减小励磁电流，使开关磁阻发电机输出功率减小，从而得到k+1时刻开关磁阻发电机电流斩波模式的给定励磁电流I_ref,k+1为(1)(2)式中，I_ref,k为k时刻加了扰动量△I_k后的励磁电流值，△I_k+1为k+1时刻的励磁电流扰动量，I_ref,max为设置的励磁电流最大值，△I_min、△I_max为设置的励磁电流扰动量的最小值和最大值；M₁、M₂为给定常数；进一步地，通过检测(P_e,k+1－P_e,k)与( n_k+1－n_k)的比值，来判断是否停止加入励磁电流扰动，若其值在正负之间波动，且其绝对值小于设定的允许波动范围，则说明目前稳定在最大功率点附近，暂停扰动，即△I_k+1=0；所述网侧三相电压型逆变器的并网控制方法采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略，由锁相环模块和电压电流双闭环模块组成，并加入解耦控制，具体如下：解耦控制，即在三相电压型逆变器输出电流即网侧相电流的d、q轴分量i_d、i_q经比例积分（PI）控制得到相应的u_d^*、u_q^*上，分别加上交叉耦合项ωLi_d、ωLi_q、Ri_d、Ri_q（ω为三相电网电压的角频率，R、L为三相电压型逆变器与三相电网间的电阻和滤波电感），得到控制电压量即三相电压型逆变器电压的d、q轴分量u_d、u_q；锁相环模块采样三相电网电压进行锁相，获得电压频率ω和相位θ信号，作为并网电流的频率和相位给定，并提供dq变换的频率和相位，以保证两者同频同相，满足并网要求；电压电流双闭环模块的外环是电压环，将直流母线电压给定值U_dc^*与检测得到的直流母线电压实际值U_dc的差值，经PI调节器得到网侧相电流有功分量给定值i_d^*，实现持直流母线电压保持在给定值U_dc*；电压电流双闭环模块的内环是电流环，包括网侧相电流有功和无功分量环，将i_d^*与检测得到的网侧相电流有功分量实际值i_d的差值，经PI调节器后实现无静差控制，从而跟踪i_d^*，间接实现有功功率的跟踪，网侧相电流无功分量给定值i_q^*为0时，系统以单位功率因数并网，如果需要调节功率因数，可改变i_q^*值；电流环输出信号经解耦控制得到控制电压量u_d、u_q，再经过坐标变换得到两相静止坐标下的控制量u_α、u_β，最后经过电压空间矢量脉宽调制（SVPWM ）驱动三相电压型逆变器的主开关器件的导通和关断，进而完成对逆变器的控制；设k_pu、k_iu分别为电压外环PI调节器的系数，k_pi、k_ii分别为电流内环PI调节器的比例和积分系数，i_q^*=0时基于电网电压定向的双闭环矢量控制策略的控制方程为(3)式中，e_d为三相电网电压的d轴分量。