專利名稱：用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法
用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源(風(fēng)力發(fā)電)研究領(lǐng)域，特別涉及變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)70年代以來(lái)，能源與環(huán)保逐漸成為世界主流關(guān)注的焦點(diǎn)之一。隨著能源消耗的不斷增加及其傳統(tǒng)能源的不斷減少，新能源的發(fā)展引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注及推 動(dòng)，其中風(fēng)力發(fā)電因?yàn)楸阌诖笠?guī)模利用和較低的成本近年來(lái)獲得了迅猛的發(fā)展。變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于其有較寬的風(fēng)速利用區(qū)間、可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤、有功無(wú)功可單獨(dú)控制等諸多優(yōu)點(diǎn)成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的主流選擇。然而因?yàn)樽兯俸泐l式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在很寬的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，在風(fēng)速變化時(shí)該種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功會(huì)有很大的波動(dòng)，從而引起向電網(wǎng)注入無(wú)功的波動(dòng)，進(jìn)而影響電網(wǎng)的頻率和電壓。當(dāng)變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模接入電網(wǎng)后，其輸出有功的波動(dòng)甚至?xí)绊戨娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性，因此有功功率的波動(dòng)會(huì)限制風(fēng)電在電網(wǎng)中的比重，從而限制了新能源的利用率。在風(fēng)場(chǎng)中加裝儲(chǔ)能裝置可以降低輸出有功功率的波動(dòng)，但是現(xiàn)有的儲(chǔ)能材料功率密度和能量密度都很低，而且成本很高，大規(guī)模的儲(chǔ)能裝置由于經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，針對(duì)有功功率平滑，除了使用額外的儲(chǔ)能裝置、制氫裝置以及耗能裝置外，研究人員還提出了一些基于控制的功率平滑方法對(duì)風(fēng)速進(jìn)行濾波、槳距角控制以及輸出功率線性控制。然而這些方法均不能實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，而且前者是單功率環(huán)控制，需要對(duì)輸出功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以防止失穩(wěn)情況的發(fā)生。以下給出檢索的相關(guān)文獻(xiàn)[I]Tomonobu Senjyu, Ryosei Sakamoto, Naomitsu Urasaki, ToshihisaFunabashi, Hideki Fujita and Hideomi Sekine, “Output Power Leveling offfind TurbineGenerator for All Operating Regions by Pitch Angle Control,，’IEEE Trans. EnergyConversion, vol. 21, no. 2, pp. 467 - 475, June. 2006.[2]Wei Li, Geza Joos, and Jean Belanger, “Real—Time Simulation ofaffind Turbine Generator Coupled With a Battery Supercapacitor EnergyStorageSystem，，, IEEE Trans. Industrial electronics, vol. 57, no. 4, pp. 1137-1145, April2010.[3]Barry G. Rawn, Peter ff. Lehn and Manfredi Maggiore, “ControIMethodologyto Mitigate the Grid Impact of Wind Turb ine s，，，IEEE Trans. EnergyConversion, vol. 22, no. 2, pp. 431 - 438, June. 2007.

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有理論與技術(shù)上存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于風(fēng)轉(zhuǎn)矩前饋的用于變速恒頻風(fēng)場(chǎng)有功功率平滑的控制方法。該控制方法在不增加硬件設(shè)施的條件下施加功率平滑控制，有效地減小風(fēng)場(chǎng)輸出功率波動(dòng)，降低風(fēng)場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法，包括以下步驟步驟一，實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速Vw，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)查找相應(yīng)的轉(zhuǎn)速指令ω* ；步驟二，檢測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω，與轉(zhuǎn)速指令ω*做差后送入外環(huán)調(diào)節(jié)器，外環(huán)調(diào)節(jié)器輸 出電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令rj；；步驟三，根據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)速Vw和電機(jī)轉(zhuǎn)速ω估算此時(shí)風(fēng)轉(zhuǎn)矩Γ將電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令C與風(fēng)轉(zhuǎn)矩指令t相加后得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令2；;步驟四，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令:C通過(guò)內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，得到三相電壓輸出指令M:、<和*
Uc O本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)方法在于步驟二中外環(huán)調(diào)節(jié)器將輸出電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令Γβ1折算為有功電流指令本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)方法在于步驟三中，根據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)速Vw和電機(jī)轉(zhuǎn)速ω估算此時(shí)風(fēng)轉(zhuǎn)矩:C2，然后將風(fēng)轉(zhuǎn)矩折算為響應(yīng)的有功電流值/=2，與電機(jī)加減速有功電流指令/二相加后得到電機(jī)有功電流指令/:。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)方法在于步驟四中，將電機(jī)有功電流指令/:通過(guò)內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，得到三相電壓輸出指令、uhm*c。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)方法在于風(fēng)速變化對(duì)輸出有功功率變換的傳遞函數(shù)為
爾=衫賢，其中，η為風(fēng)機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)，Kp和K1為控制器參數(shù)^
為風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速標(biāo)么值，/ (|為風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值，Pwn為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)風(fēng)速標(biāo)幺值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明利用風(fēng)轉(zhuǎn)矩前饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)的抑制。該控制過(guò)程只需檢測(cè)風(fēng)速及電機(jī)轉(zhuǎn)速，無(wú)需額外的儲(chǔ)能裝置。從仿真結(jié)果中可以看到，本發(fā)明能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出有功功率波動(dòng)的抑制。

圖I為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速外環(huán)轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制框圖；圖2為本發(fā)明中轉(zhuǎn)速外環(huán)轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制框圖；圖3為傳統(tǒng)控制小信號(hào)模型；圖4為本發(fā)明控制小信號(hào)模型；圖5為兩種控制方法下風(fēng)速到輸出有功傳遞函數(shù)的波特圖，其中，圖5-1為傳統(tǒng)模式下風(fēng)速變化對(duì)輸出有功功率變化的傳遞函數(shù)的波特圖，圖5-2為本發(fā)明模式下風(fēng)速變化對(duì)輸出有功功率變化的傳遞函數(shù)的波特圖；圖6為某實(shí)測(cè)風(fēng)速下兩種控制方法下的控制效果，其中(a)為風(fēng)速曲線；(b)為兩種控制方法下電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線；(C)為兩種控制方法下系統(tǒng)輸出有功功率曲線；(d)為所示時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)兩種控制方法下系統(tǒng)輸出能量曲線。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。參照?qǐng)D1，傳統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速外環(huán)和轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，其中轉(zhuǎn)速指令隨著風(fēng)速實(shí)時(shí)變化以達(dá)到最大風(fēng)能跟蹤，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速Vw可以得到轉(zhuǎn)速指令ω*以達(dá)到最大風(fēng)能跟蹤，兩者的關(guān)系由風(fēng)機(jī)廠商提供。轉(zhuǎn)速指令ω*與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω做差后送入外環(huán)調(diào)節(jié)器，得到轉(zhuǎn)矩指令Γ轉(zhuǎn)矩指令與實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te做差后送入內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器。圖I中K為摩擦系數(shù)，Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩。在風(fēng)速變化時(shí)，傳統(tǒng)的控制方法會(huì)導(dǎo)致輸出有功功率的劇烈波動(dòng)。以風(fēng)速突增為例，一方面在風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器降低輸出轉(zhuǎn)矩以加速電機(jī)至新的轉(zhuǎn)速，另一方面風(fēng)速 增大后穩(wěn)態(tài)輸出功率會(huì)增大，所以系統(tǒng)輸出有功功率會(huì)是一個(gè)先降低后增大的過(guò)程，變化較為劇烈。圖2給出了本發(fā)明中的控制框圖。其中轉(zhuǎn)速外環(huán)的工作模式是相同的，通過(guò)檢測(cè)風(fēng)速得出的轉(zhuǎn)速指令ω*與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω做差后送入外環(huán)調(diào)節(jié)器，得到轉(zhuǎn)矩指令。不同的是在此增加一項(xiàng)新的轉(zhuǎn)矩指令Γ:2，為當(dāng)前的風(fēng)轉(zhuǎn)矩的估計(jì)量，通過(guò)檢測(cè)風(fēng)速Vw和當(dāng)前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω得到。外環(huán)給出的轉(zhuǎn)矩指令Γ；；與前饋風(fēng)轉(zhuǎn)矩7；2相加得到內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩指令^「內(nèi)環(huán)的工作模式與傳統(tǒng)方法一致。本發(fā)明提出用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的一種控制方法，包括以下步驟步驟一，實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速Vw，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)查找相應(yīng)的轉(zhuǎn)速指令ω'步驟二，檢測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω，與轉(zhuǎn)速指令ω*做差后送入外環(huán)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令Γ；；。步驟三，根據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)速Vw和電機(jī)轉(zhuǎn)速ω估算此時(shí)風(fēng)轉(zhuǎn)矩Γ:2，將電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令r:與風(fēng)轉(zhuǎn)矩指令r相加后得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令？T。步驟四，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令Γ通過(guò)內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，得到三相電壓輸出指令<、Uhm
本
liC。對(duì)圖I和圖2所示的系統(tǒng)進(jìn)行小信號(hào)分析，可以得到系統(tǒng)的小信號(hào)模型。傳統(tǒng)控制下系統(tǒng)的小信號(hào)模型如圖3所示，其中是風(fēng)速變化的標(biāo)么值，&和Ki是轉(zhuǎn)速環(huán)控制器的控制參數(shù)，Δξ為轉(zhuǎn)速環(huán)控制器輸出轉(zhuǎn)矩指令的標(biāo)幺值，Δ7'為風(fēng)速變化的標(biāo)幺值，H為風(fēng)機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)，Δ 為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的標(biāo)么值。本發(fā)明提出的控制方法下系統(tǒng)的小信號(hào)模型如圖4所示，其中Δ&為轉(zhuǎn)速環(huán)控制器輸出轉(zhuǎn)矩指令的標(biāo)幺值Δ ；2為前饋風(fēng)轉(zhuǎn)矩變化量的標(biāo)幺值。根據(jù)圖3所示的傳統(tǒng)控制下的小信號(hào)模型，可以得出風(fēng)速變化對(duì)輸出有功功率變換的傳遞函數(shù)如下
權(quán)利要求
1.用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速Vw，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)查找相應(yīng)的轉(zhuǎn)速指令ω* ； 步驟二，檢測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω，與轉(zhuǎn)速指令ω*做差后送入外環(huán)調(diào)節(jié)器，外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令; 步驟三，根據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)速Vw和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω估算此時(shí)風(fēng)轉(zhuǎn)矩:C2，將電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令 ；與風(fēng)轉(zhuǎn)矩指令Γ:2相加后得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令I(lǐng)；; 步驟四，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令C通過(guò)內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，得到三相電壓輸出指令w:、uhm/c。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法，其特征在于步驟二中，外環(huán)調(diào)節(jié)器將輸出電機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩指令rj折算為有功電流指令
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法，其特征在于步驟三中，根據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)速Vw和電機(jī)轉(zhuǎn)速ω估算此時(shí)風(fēng)轉(zhuǎn)矩C2，然后將風(fēng)轉(zhuǎn)矩折算為響應(yīng)的有功電流值/:2，與電機(jī)加減速有功電流指令相加后得到電機(jī)有功電流指0/
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法，其特征在于步驟四中，將電機(jī)有功電流指令/:通過(guò)內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，得到三相電壓輸出指令w:、uhmuc c
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法，其特征在于風(fēng)速變化對(duì)輸出有功功率變換的傳遞函數(shù)為
全文摘要
本發(fā)明提供用于變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率平滑的控制方法，利用風(fēng)轉(zhuǎn)矩的前饋抑制降低風(fēng)機(jī)輸出有功功率的波動(dòng)；該控制過(guò)程只需根據(jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計(jì)并在控制系統(tǒng)中做前饋，無(wú)需額外的儲(chǔ)能裝置即可實(shí)現(xiàn)有功功率的平滑，降低風(fēng)場(chǎng)輸出功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響；從仿真結(jié)果中可以看到，相比于傳統(tǒng)控制方法，本發(fā)明能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率波動(dòng)的衰減。
文檔編號(hào)H02P9/00GK102969961SQ20121051098
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者劉進(jìn)軍, 周臨原, 周思展 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)