离网型风电系统两发电机级联运行控制系统及方法

摘要

本发明属于离网型永磁风电系统运行控制领域，为实现两台发电机同时并网运行，扩大系统容量的同时，拓展发电机调速范围。为此，本发明采取的技术方案是，离网型风电系统两发电机级联运行控制系统及方法，结构为：两台永磁风力发电机，每台发电机定子接不控整流电路；每套不控整流电路后接一套升压斩波电路；每套升压斩波电路包括一个升压电感、一个升压用功率开关管和一个快恢复二极管。以及步骤一、由永磁风力发电机原理，并分析电流换相过程，得不控整流电路输出电压平均值为：步骤二、分别计算升压斩波电路串、并联状态下升压用功率开关管占空比；步骤三、滞环控制方法。本发明主要应用于永磁风电系统运行控制。

权利要求

1.一种离网型风电系统两发电机级联运行控制方法，其特征是，借助于如下系统实现，并包括如下步骤；

系统是：

两台永磁风力发电机，每台发电机定子接不控整流电路；每套不控整流电路后接一套升压斩波电路；每套升压斩波电路包括一个升压电感、一个升压用功率开关管和一个快恢复二极管，所述的升压电感串联在本升压斩波电路的输入正极与升压用功率开关管正向导通输入端之间，所述的快恢复二极管阳极与升压用功率开关管正向导通输入端连接，阴极与本升压斩波电路的输出正极连接；第1套升压斩波电路的输出正极和第2套升压斩波电路的输出负极分别与储能电容正负极相连，两套升压斩波电路的输出端通过一个换流用功率开关管串联连接，其连接方式为，第1套升压斩波电路的输出负极与换流用功率开关管正向导通输出端连接，第2套升压斩波电路的输出正极与换流用功率开关管正向导通输入端连接；第1套升压斩波电路的输入负极与第2套升压斩波电路的输入负极通过一个级联用二极管D4连接，该级联用二极管D4的阴极与第1套升压斩波电路的输入负极连接，阳极与第2套升压斩波电路的输入负极连接；第1套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端与第2套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端之间也通过一个级联用二极管D3连接，该级联用二极管D3阴极与第1套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端连接，阳极与第2套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端连接步骤是：步骤一、由永磁风力发电机原理，并分析电流换相过程，得不控整流电路输出电压平均值为式中，U1d、U2d分别为两套不控整流电路输出电压平均值；ω1、ω2分别为两台发电机转速；I1s、I2s分别为两台发电机相电流有效值；Ke为反电势系数；Vdiode为不控整流电路二极管管压降；Ls为发电机定子相电感；

步骤二、分别计算升压斩波电路串、并联状态下升压用功率开关管占空比

由升压斩波电路原理可得不控整流电路输出电压平均值与升压斩波电路输出电压平均值间的关系为式中，U1dc、U2dc分别为两套升压斩波电路输出电压平均值；d1、d2分别为两个升压用功率开关管的占空比；

当两套升压斩波电路处于串联状态时，直流侧电容电压为

Udc＝U1dc+U2dc

式中，Udc为直流侧电容电压；

当两套升压斩波电路处于并联状态时，直流侧电容电压为

Udc＝U1dc＝U2dc

由以上公式即能够近似计算出不同转速、不同级联方式下的升压用功率开关管占空比；

步骤三、滞环控制方法

设定系统中升压用功率开关管占空比上下限，由占空比上下限及计算得到的占空比确定状态切换临界转速；把计算得到的不同转速下占空比与占空比上下限相比较，在串联方式下，当计算得到的占空比低于占空比下限时，该转速即为由串联方式切换至并联方式的临界转速ωmax；在并联方式下，当计算得到的占空比高于占空比上限时，该转速即为由并联方式切换至串联方式的临界转速ωmin；

当风速较低时，发电机转速较慢、端电压较低，令换流用功率开关管导通，使系统工作于串联状态，以满足逆变器对直流侧电容电压的要求；当风速升高时，发电机转速升高，端电压较高，两台发电机转速均超过临界转速ωmax时，令换流用功率开关管关断，使系统工作于并联状态，保证直流侧电容电压的稳定，同时避免了升压用功率开关管出现极限占空比；

当风速降低时，两台发电机转速均低于临界转速ωmin时，令换流用功率开关管导通，使系统重新回到串联状态。

2.如权利要求1所述的离网型风电系统两发电机级联运行控制方法，其特征是，令ωmax>ωmin，使得算法具有滞环功能，当风速在某处频繁振荡时，避免了频繁切换系统串、并联状态的情况。

说明书

离网型风电系统两发电机级联运行控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于离网型永磁风电系统运行控制领域，涉及电力电子领域的相关技术。具体讲，涉及离网型风电系统两发电机级联运行控制系统及方法。
技术背景

[0002] 我国地域辽阔，地形复杂，边远的牧区、农村、海岛和边防哨所等处存在用户分散、用电量相对较小等特点。离网型风电系统具有架设方便、成本低廉、形式灵活等优点，可以较好地满足上述地区的用电需求，因而得到广泛应用。随着经济的发展，居民用电设备越来越多，用电量也逐年增加。原有的离网型风电系统容量难以满足居民的用电需求，如抛弃原系统而使用新型较大容量的风电系统，会造成较大的浪费；简单串/并联又会限制发电机的运行范围，因此离网型风电系统增容问题亟待解决。目前单套离网型风电系统设计与控制方法方面的文献较多，但对多套系统级联并网运行方法未见报道。

发明内容

[0003] 为克服现有技术的不足，实现两台发电机同时并网运行，扩大系统容量的同时，拓展发电机调速范围。为此，本发明采取的技术方案是，离网型风电系统两发电机级联运行控制系统，结构为：两台永磁风力发电机，每台发电机定子接不控整流电路；每套不控整流电路后接一套升压斩波电路；每套升压斩波电路包括一个升压电感、一个升压用功率开关管和一个快恢复二极管，所述的升压电感串联在本升压斩波电路的输入正极与升压用功率开关管正向导通输入端之间，所述的快恢复二极管阳极与升压用功率开关管正向导通输入端连接，阴极与本升压斩波电路的输出正极连接；第1套升压斩波电路的输出正极和第2套升压斩波电路的输出负极分别与储能电容正负极相连，两套升压斩波电路的输出端通过一个换流用功率开关管串联连接，其连接方式为，第1套电路的输出负极与换流用功率开关管正向导通输出端连接，第2套电路的输出正极与换流用功率开关管正向导通输入端连接；第1套升压斩波电路的输入负极与第2套升压斩波电路的输入负极通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管的阴极与第1套电路的输入负极连接，阳极与第2套电路的输入负极连接；第1套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端与第2套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端之间也通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管阴极与第1套电路的升压用功率开关管正向导通输入端连接，阳极与第2套电路的升压用功率开关管正向导通输入端连接。

[0004] 离网型风电系统两发电机级联运行控制方法，借助于前述装置实现，并包括如下步骤：

[0005] 步骤一、由永磁风力发电机原理，并分析电流换相过程，得不控整流电路输出电压平均值为：

[0006]

[0007] 式中，U1d、U2d分别为两套不控整流电路输出电压平均值；ω1、ω2分别为两台发电机转速；I1s、I2s分别为两台发电机相电流有效值；Ke为反电势系数；Vdiode为不控整流电路二极管管压降；Ls为发电机定子相电感；

[0008] 步骤二、分别计算升压斩波电路串、并联状态下升压用功率开关管占空比[0009] 由升压斩波电路原理可得不控整流电路输出电压平均值与升压斩波电路输出电压平均值间的关系为

[0010]

[0011] 式中，U1dc、U2dc分别为两套升压斩波电路输出电压平均值；d1、d2分别为两个升压用功率开关管的占空比。

[0012] 当两套升压斩波电路处于串联状态时，直流侧电容电压为

[0013] Udc＝U1dc+U2dc

[0014] 式中，Udc为直流侧电容电压。

[0015] 当两套升压斩波电路处于并联状态时，直流侧电容电压为

[0016] Udc＝U1dc＝U2dc

[0017] 由以上公式即能够近似计算出不同转速、不同级联方式下的升压用功率开关管占空比；

[0018] 步骤三、滞环控制方法

[0019] 设定系统中升压用功率开关管占空比上下限，由上下限及计算得到的占空比确定状态切换临界转速；把计算得到的不同转速下占空比与上下限值相比较，在串联方式下，当计算得到的占空比低于下限值时，该转速即为由串联方式切换至并联方式的临界转速ωmax；在并联方式下，当计算得到的占空比高于上限值时，该转速即为由并联方式切换至串联方式的临界转速ωmin；

[0020] 当风速较低时，发电机转速较慢、端电压较低，令换流用功率开关管导通，使系统工作于串联状态，以满足逆变器对直流侧电容电压的要求；当风速升高时，发电机转速升高，端电压较高，两台发电机转速均超过临界转速ωmax时，令换流用功率开关管关断，使系统工作于并联状态，保证直流侧电容电压的稳定，同时避免了升压用功率开关管出现极限占空比；当风速降低时，两台发电机转速均低于临界转速ωmin时，令换流用功率开关管导通，使系统重新回到串联状态。

[0021] 令ωmax>ωmin，使得算法具有滞环功能，当风速在某处频繁振荡时，避免了频繁切换系统串、并联状态的情况。

[0022] 与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

[0023] 本发明提出了一种离网型风电系统两发电机级联运行控制方法，以两台永磁风力发电机、两套不控整流电路、两套升压斩波电路及相关外围器件为硬件基础，采用滞环控制算法实现两台发电机同时并网运行，因而可以有效增加系统容量，并扩展发电机调速范围；同时可使升压用功率开关管占空比运行于合理范围内，减小高次谐波，改善系统性能。

附图说明

[0024] 图1本发明离网型风电系统框图。

[0025] 图2发电机与不控整流电路等效电路图。

[0026] 图3电流从c相换至a相的过程。

具体实施方式

[0027] 针对离网型风电系统增容问题，提出了一种离网型风电系统两发电机级联运行控制方法，以两台永磁风力发电机、两套不控整流电路、两套升压斩波电路及相关外围器件为硬件基础，采用滞环控制算法实现两台发电机同时并网运行，扩大系统容量的同时，拓展了发电机调速范围。本发明采用的技术方案是：

[0028] 步骤一、近似计算不控整流电路输出电压平均值

[0029] 系统具体结构为：两台永磁风力发电机，每台发电机定子接不控整流电路；每套不控整流电路后接一套升压斩波电路；每套升压斩波电路包括一个升压电感、一个升压用功率开关管和一个快恢复二极管，所述的升压电感串联在本升压斩波电路的输入正极与升压用功率开关管正向导通输入端之间，所述的快恢复二极管阳极与升压用功率开关管正向导通输入端连接，阴极与本升压斩波电路的输出正极连接；第1套升压斩波电路的输出正极和第2套升压斩波电路的输出负极分别与储能电容正负极相连，两套升压斩波电路的输出端通过一个换流用功率开关管串联连接，其连接方式为，第1套电路的输出负极与换流用功率开关管正向导通输出端连接，第2套电路的输出正极与换流用功率开关管正向导通输入端连接；第1套升压斩波电路的输入负极与第2套升压斩波电路的输入负极通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管的阴极与第1套电路的输入负极连接，阳极与第2套电路的输入负极连接；第1套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端与第2套升压斩波电路的升压用功率开关管正向导通输入端之间也通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管阴极与第1套电路的升压用功率开关管正向导通输入端连接，阳极与第2套电路的升压用功率开关管正向导通输入端连接。

[0030] 由永磁风力发电机原理，并分析电流换相过程，可得发电机转速与不控整流电路输出电压平均值之间的关系为

[0031]

[0032] 式中，U1d、U2d分别为两套不控整流电路输出电压平均值；ω1、ω2分别为两台发电机转速；I1s、I2s分别为两台发电机相电流有效值；Ke为反电势系数；Vdiode为不控整流电路二极管管压降；Ls为发电机定子相电感。

[0033] 步骤二、分别计算升压斩波电路串、并联状态下升压用功率开关管占空比[0034] 由升压斩波电路原理可得不控整流电路输出电压平均值与升压斩波电路输出电压平均值间的关系为

[0035]

[0036] 式中，U1dc、U2dc分别为两套升压斩波电路输出电压平均值；d1、d2分别为两个升压用功率开关管的占空比。

[0037] 当两套升压斩波电路处于串联状态时，直流侧电容电压为

[0038] Udc＝U1dc+U2dc

[0039] 式中，Udc为直流侧电容电压。

[0040] 当两套升压斩波电路处于并联状态时，直流侧电容电压为

[0041] Udc＝U1dc＝U2dc

[0042] 由以上公式即可近似计算出不同转速、不同级联方式下的升压用功率开关管占空比。

[0043] 步骤三、滞环控制方法

[0044] 设定系统中升压用功率开关管占空比上下限，由上下限及计算得到的占空比确定状态切换临界转速。把计算得到的不同转速下占空比与上下限值相比较，在串联方式下，当计算得到的占空比低于下限值时，该转速即为由串联方式切换至并联方式的临界转速ωmax；在并联方式下，当计算得到的占空比高于上限值时，该转速即为由并联方式切换至串联方式的临界转速ωmin。

[0045] 当风速较低时，发电机转速较慢、端电压较低，令换流用功率开关管导通，使系统工作于串联状态，以满足逆变器对直流侧电容电压的要求；当风速升高时，发电机转速升高，端电压较高，两台发电机转速均超过临界转速ωmax时，令换流用功率开关管关断，使系统工作于并联状态，保证直流侧电容电压的稳定，同时避免了升压用功率开关管出现极限占空比；当风速降低时，两台发电机转速均低于临界转速ωmin时，令换流用功率开关管导通，使系统重新回到串联状态。在算法中，令ωmax>ωmin，使得算法具有滞环功能，当风速在某处频繁振荡时，避免了频繁切换系统串、并联状态的情况。

[0046] 下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。

[0047] 本发明适用于由两台永磁风力发电机、两套不控整流电路、两套升压斩波电路及相关外围器件组成的离网型风电系统。下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步详述。实例采用的发电机数量为2台(发电机1与发电机2)，处理器采用TI公司的TMS320F28335单芯片进行控制。系统框图如图1所示，图中，U1d、U2d为不控整流电路输出电压平均值；U1dc、U2dc为升压斩波电路输出电压平均值；Udc为直流侧电容电压；S1、S2为升压用功率开关管；S3为换流用功率开关管；D1、D2为快恢复二极管；D3、D4为级联用二极管；L1、L2为升压电感。

[0048] (1)当发电机低速运行时，控制器采集风速信息，由最大风能捕获原理计算出发电机参考转速ω1ref和ω2ref。

[0049] (2)近似计算不控整流电路输出电压平均值，具体计算过程如下：

[0050] 以第1台发电机为例，忽略发电机定子电阻，将发电机与不控整流电路作为一个整体，可得等效电路如图2所示。图中，u1a、u1b、u1c为发电机端电压；e1a、e1b、e1c为发电机相反电势，i1a、i1b、i1c为发电机定子相电流；Ls为发电机定子电感；U1d为不控整流电路输出电压平均值；I1d为不控整流电路输出电流平均值；D11～D16为不控整流电路二极管；a点、b点、c点为发电机相反电势输出点；n点为发电机定子绕组中性点。根据永磁发电机运行原理可知，发电机相反电势有效值可表示为

[0051]

[0052] 式中，E1S为发电机相反电势有效值，p1为发电机极对数，ω1为发电机转速，Ψ1f为转子磁链，Ke为反电势系数。

[0053] 在不控整流电路工作过程中，由于发电机定子存在电感，因此电流换相过程无法瞬时完成。在三相平衡电路中各次换相情况均相同，此处我们以电流从c相换至a相为例研究电流的换相过程，换相过程相关的等效电路及电流变化情况如图3所示。图中，i1d为不控整流电路输出电流瞬时值；u1comm为a相和c相间的电压差；i1m为a相和c相组成回路的环流电流；u1La、u1Lc为a、c相定子电感电压；u1an、u1bn、u1cn为a点、b点、c点和n点之间的电压差；P点、N点分别为不控整流电路输出正、负极；u1Pn、u1Nn为P点、N点和n点之间的电压差；t为时间；0～m为换相过程；面积A1m为换相跌落电压的积分结果。

[0054] 在此过程中，从t＝0时刻开始(起始时间任选)，电流从D15换至D11，在此之前，电流i1d流过D15和D16。

[0055] 在换相过程中，不考虑不控整流电路二极管管压降，a相和c相间的电压差为u1comm＝u1an-u1cn，D15和D11同时导通组成回路的环流电流i1m，由电路原理可得

[0056]

[0057] 当t＝m时换相过程结束，电流i1m从0增大到I1d，如图3(b)所示，a相定子电感电压为

[0058] u1La＝Lsdi1a/dt＝Lsdi1m/dt    (3)

[0059] 式中，d为微分算子。

[0060] 设I1d在换流过程中保持不变，则c相定子电感电压为

[0061] u1Lc＝Lsdi1c/dt＝-Lsdi1m/dt    (4)

[0062] 对图3(a)所示等效电路中a相和c相组成回路应用KVL定律，并由式(3)和式(4)可得

[0063]

[0064] 进一步整理上式可得

[0065]

[0066] 在0～m换相时间段内对上式两边积分可得

[0067]

[0068] 发电机定子线反电势可以表示为

[0069]

[0070] 将式(8)代入式(7)，并计算可得

[0071]

[0072] 进一步整理可得

[0073]

[0074] 由图3(c)可以看出，在电流换相的起始时刻有u1Pn＝u1an。在换相过程中，即0

[0075]

[0076] 式中，u1La等于换相期间电压u1Pn的跌落部分，如图3(c)所示。换相跌落电压的积分结果为面积A1m，由式(7)可得

[0077] A1m＝ω1LsI1d    (12)

[0078] 跌落的面积A1m每60°电角度出现一次，因此不控整流电路输出电压平均值将减小，换相跌落电压为

[0079]

[0080] 式中，△u1d为换相跌落电压。

[0081] 因此，每次换相期间的不控整流电路输出电压平均值为

[0082]

[0083] 式中，U1d0是理想的不控整流电路输出电压平均值。

[0084] 式(14)中的I1d与发电机相电流有效值的关系为

[0085]

[0086] 式中，I1s为发电机相电流有效值。

[0087] 将式(15)代入式(14)中，并考虑不控整流电路二极管管压降Vdiode，则不控整流电路输出电压平均值为

[0088]

[0089] 将式(1)代入上式可得

[0090]

[0091] 同理，另一台发电机与不控整流电路也具有类似的数学关系。由此即可近似计算出不控整流电路输出电压平均值。

[0092] (3)确定临界转速ωmax和ωmin。

[0093] 由升压斩波电路原理可得不控整流电路输出电压平均值与升压斩波电路输出电压平均值间的关系为

[0094]

[0095] 式中，d1、d2分别为两个升压用功率开关管的占空比。

[0096] 当两套升压斩波电路处于串联状态时，直流侧电容电压为

[0097] Udc＝U1dc+U2dc    (19)

[0098] 当两套升压斩波电路处于并联状态时，直流侧电容电压为

[0099] Udc＝U1dc＝U2dc    (20)

[0100] 由式(1)～(20)即可近似计算出不同转速、不同级联方式下升压用功率开关管占空比。

[0101] 预先设定好升压用功率开关管占空比上下限，把计算得到的不同转速下占空比与该上下限值相比较，在串联方式下，当计算得到的占空比低于下限值时，该转速即为由串联方式切换至并联方式的临界转速ωmax；在并联方式下，当计算得到的占空比高于上限值时，该转速即为由并联方式切换至串联方式的临界转速ωmin。

[0102] (4)分别调节升压用功率开关管S1和S2的占空比，使发电机实际转速不断趋近参考转速。此时换流用功率开关管S3处于导通状态，两套升压斩波电路工作在串联方式，直流侧电压的数学关系如式(19)所示，S1和S2占空比较大。

[0103] (5)随着两台发电机转速逐渐升高，S1和S2占空比不断减小，当发电机转速升至临界转速ωmax时，换流用功率开关管S3断开，两套升压斩波电路工作在并联方式，直流侧电压的数学关系如式(20)所示，S1和S2占空比重新回到较大的数值。

[0104] (6)当发电机由高速向低速运行时，S1和S2占空比不断增大，当发电机转速降至临界转速ωmin时，换流用功率开关管S3导通，两套升压斩波电路由并联方式重新回到串联方式，以保证S1和S2占空比始终位于合适的数值，保持系统稳定运行。

[0105] 尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。