一种飞轮储能单元抑制永磁直驱风力发电系统直流侧2倍频波动的控制方法

摘要

一种飞轮储能单元抑制永磁直驱风力发电系统直流侧2倍频波动的控制方法，对电网不对称故障下永磁直驱风力发电机系统中间直流环节两侧功率进行计算，获取飞轮储能电机功率控制指令，进而计算得到飞轮电机q轴电流给定指令，控制飞轮储能单元吸收或释放功率实现对直流电容的波动功率补偿，实现对直流侧电压2倍频波动的抑制。本发明是通过对电网不对称故障下永磁直驱风力发电机系统中间直流环节两侧功率的计算，获取飞轮储能电机功率控制指令，进而计算得到飞轮电机q轴电流给定指令，控制飞轮储能单元吸收或释放功率，实现对直流电容的波动功率补偿，从而实现对直流侧电压2倍频波动的抑制。

主权项

一种飞轮储能单元抑制永磁直驱风力发电系统直流侧2倍频波动的控制方法，其特征在于，对电网不对称故障下永磁直驱风力发电机系统中间直流环节两侧功率进行计算，获取飞轮储能电机功率控制指令，进而计算得到飞轮电机q轴电流给定指令，控制飞轮储能单元吸收或释放功率实现对直流电容的波动功率补偿，实现对直流侧电压2倍频波动的抑制；所述获取飞轮储能电机功率控制指令，计算得到飞轮电机q轴电流给定指令，获得控制飞轮电机侧变换器的开关信号，实现控制飞轮储能单元吸收或释放功率实现对直流电容的波动功率补偿的具体步骤如下：(1)采集电网三相电压信号和三相电流信号，对该三相电压信号和三相电流信号进行正负序分离，转换为正向同步旋转轴系的电压信号：反向同步旋转轴系的电压信号：正向同步旋转轴系的电流信号：反向同步旋转轴系的电流信号：(2)由网侧变换器功率矩阵计算电网侧功率平均分量P_{g_av}，Q_{g_av}及其正、余弦分量P_{g_sin2}，P_{g_cos2}，Q_{g_sin2}，Q_{g_cos2}，计算公式为：$\left[\begin{array}{c}{P}_{g\_\mathrm{av}}\\ Q_{g\_\mathrm{av}}\\ P_{g\_\cos 2}\\ P_{g\_\sin 2}\\ Q_{g\_\cos 2}\\ Q_{g\_\sin 2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}+}^{+}& u_{\mathrm{gd}-}^{-}& u_{\mathrm{gq}-}^{-}\\ u_{\mathrm{gq}+}^{+}& -u_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}-}^{-}& -u_{\mathrm{gd}-}^{-}\\ u_{\mathrm{gd}-}^{-}& u_{\mathrm{gq}-}^{-}& u_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}+}^{+}\\ u_{\mathrm{gq}-}^{-}& -u_{\mathrm{gd}-}^{-}& -u_{\mathrm{gq}+}^{+}& u_{\mathrm{gd}+}^{+}\\ u_{\mathrm{gq}-}^{-}& -u_{\mathrm{gd}-}^{-}& u_{\mathrm{gq}+}^{+}& -u_{\mathrm{gd}+}^{+}\\ -u_{\mathrm{gd}-}^{-}& -u_{\mathrm{gq}-}^{-}& u_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}+}^{+}\end{array}\right]·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{gd}+}^{+}\\ i_{\mathrm{gq}+}^{+}\\ i_{\mathrm{gd}-}^{-}\\ i_{\mathrm{gq}-}^{-}\end{array}\right]$(3)根据步骤(1)，计算进线电抗器瞬时有功功率平均值P_{gL_av}和无功功率平均值Q_{gL_av}及该进线电抗器瞬时有功功率平均值的正弦分量P_{gL_sin2}和余弦分量P_{gL_cos2}，计算公式如下：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{gL}\_\mathrm{av}}=R_g(i_{\mathrm{gd}+}^{+2}+i_{\mathrm{gq}+}^{+2}+i_{\mathrm{gd}-}^{-2}+i_{\mathrm{gq}-}^{-2})\\ Q_{\mathrm{gL}\_\mathrm{av}}=\omega L_g(i_{\mathrm{gd}+}^{+2}+i_{\mathrm{gq}+}^{+2}-i_{\mathrm{gd}-}^{-2}-i_{\mathrm{gq}-}^{-2})\\ P_{\mathrm{gL}\_\cos 2}=2·[R_g(i_{\mathrm{gd}+}^{+}{i}_{\mathrm{gd}-}^{-}+i_{\mathrm{gq}+}^{+}{i}_{\mathrm{gq}-}^{-})+\omega L_g(i_{\mathrm{gd}+}^{+}{i}_{\mathrm{gq}-}^{-}-i_{\mathrm{gq}+}^{+}{i}_{\mathrm{gd}-}^{-})]\\ P_{\mathrm{gL}\_\sin 2}=2·[R_g(i_{\mathrm{gd}+}^{+}{i}_{\mathrm{gq}-}^{-}-i_{\mathrm{gq}+}^{+}{i}_{\mathrm{gd}-}^{-})-\omega L_g(i_{\mathrm{gd}+}^{+}{i}_{\mathrm{gd}-}^{-}+i_{\mathrm{gq}+}^{+}{i}_{\mathrm{gq}-}^{-})]\end{array}\right.$(4)计算网侧变换器交流输出端口功率值，计算公式如下：$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{gc}}=P_g+P_{\mathrm{gL}}\\ =(P_{g\_\mathrm{av}}+P_{\mathrm{gL}\_\mathrm{av}})+(P_{g\_\cos 2}+P_{\mathrm{gL}\_\cos 2})\cos 2\mathrm{\omega t}\\ +(P_{g\_\sin 2}+P_{\mathrm{gL}\_\sin 2})\sin 2\mathrm{\omega t}\end{array}$(5)机侧变换器输出功率P_s与步骤(4)的网侧变换器交流输出端口功率值作差，将该差值作为飞轮储能单元补偿直流侧2倍频波动功率给定值；$\Delta P_f^{*}=P_s-P_{\mathrm{gc}}$(6)将直流侧实际电压U_dc与该直流侧预设的标准电压作比较，偏差通过永磁同步电机电压外环PI调节器后再与预设的标准电压相乘作为飞轮平均吸收功率：$P_{f\_\mathrm{av}}^{*}=\left[(K_p+K_i/s)(U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}})\right]U_{\mathrm{dc}}^{*}$式中，K_p和K_i分别表示永磁同步电机电压外环PI调节器的比例系数和积分系数；(7)根据步骤(5)和步骤(6)以及电机侧变换器输出功率P_s，得到飞轮储能系统总功率指令：$P_f^{*}=P_s+P_{f\_\mathrm{av}}^{*}+\Delta P_f^{*}$(8)根据步骤(7)所得到的飞轮储能系统总功率指令，进一步通过下式得到永磁同步电机q轴电流给定指令：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fd}}^{*}=0\\ i_{\mathrm{fq}}^{*}=\frac{P_f^{*}}{p_f{\omega }_f{\psi }_f}\end{array}\right.$式中ω_f为永磁同步电机转子电角速度，ψ_f为永磁同步电机永磁体磁链，p_f为永磁同步电机极对数；(9)利用电流霍尔传感器采集永磁同步电机三相电流信号，并采用转子磁场定向的方式，将其转换为两相旋转dq坐标轴系电流i_fd，i_fq；并与步骤(8)永磁同步电机dq轴电流给定指令构成电流内环控制，其控制方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{fd}}=(K_{\mathrm{fp}}+K_{\mathrm{fi}}/s)(i_{\mathrm{fd}}^{*}-i_{\mathrm{fd}})-{\omega }_f{L}_f{i}_{\mathrm{fq}}\\ u_{\mathrm{fq}}=(K_{\mathrm{fp}}+K_{\mathrm{fi}}/s)(i_{\mathrm{fq}}^{*}-i_{\mathrm{fq}})+{\omega }_f{L}_f{i}_{\mathrm{fd}}+{\omega }_f{\Psi }_f\end{array}\right.$式中，K_fp和K_fi分别为飞轮电机侧变换器控制电压的PI调节器的比例系数和积分系数，L_f为永磁同步电机的定子电感，ω_f为永磁同步电机的转子电角速度，ψ_f为永磁同步电机的永磁体磁链；(10)将永磁同步电机定子控制电压u_fd、u_fq经空间矢量脉宽调制模块调制后即可获得控制飞轮电机侧变换器的开关信号。