一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统及方法，包括整流器、并网逆变器、双向DC/DC变流器、控制器和储能装置，其中，所述整流器将永磁同步发电机输出的交流电转换为直流电，并网逆变器将其逆变为恒频恒压的工频交流电送入电网；并网逆变器的直流侧通过双向DC/DC变流器接入风机直流侧，储能装置通过双向DC/DC变流器并联在直流母线上，工作状态为恒母线电压模式；控制器控制双向DC/DC变流器的开断。本发明协调各单元对母线电压的影响，有效抑制减少功率不匹配引起的电压冲击，提高系统动态响应速度，保证系统功率动态平衡。

权利要求

1.一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统，其特征是：包括整流器、并网逆变器、双向DC/DC变流器、控制器和储能装置，其中，所述整流器将永磁同步发电机输出的交流电转换为直流电，并网逆变器将其逆变为恒频恒压的工频交流电送入电网；

并网逆变器的直流侧通过双向DC/DC变流器接入风机直流侧，储能装置通过双向DC/DC变流器并联在直流母线上，工作状态为恒母线电压模式；

所述控制器控制双向DC/DC变流器的开断。

2.如权利要求1所述的一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统，其特征是：所述双向DC/DC变流器包括第一开关管和第二开关管，第二开关管连接在并网逆变器的一端，连接储能装置，所述第一开关管并联在储能装置两端，控制器触发第一开关管和第二开关管工作。

3.如权利要求1所述的一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统，其特征是：所述开关管为绝缘栅双极型晶体管。

4.如权利要求1所述的一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统，其特征是：所述双向DC/DC变流器并联在并网逆变器的直流母线上。

5.如权利要求1所述的一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统，其特征是：所述控制器为PI控制与切换理论控制结合方式。

6.一种基于切换理论的风电直流母线电压控制方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)实时采集永磁同步风电并网系统的各个元件的电压、电流值，基于基尔霍夫电压定律和电流定律，计算下一控制周期时双向DC/DC变流器的状态变量；

(2)根据设定的功率期望平衡点，给予最小投影法，确定切换律；

(3)根据切换律通过投影值确定双向DC/DC变流器的第一开关管和第二开关管的状态，使双向DC/DC变流器工作在buck或boost状态，使得储能装置向直流母线吸收或释放能量，平衡功率。

7.如权利要求6所述的一种基于切换理论的风电直流母线电压控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，切换律为任意状态始终能选择一个指向期望平衡点的向量场。

8.如权利要求6所述的一种基于切换理论的风电直流母线电压控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，当永磁同步发电机的功率大于并网功率时，保证第二开关管导通，双向DC/DC变流器工作在buck模式，储能装置吸收能量。

9.如权利要求6所述的一种基于切换理论的风电直流母线电压控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，当永磁同步发电机的功率小于并网功率时，保证第一开关管导通，双向DC/DC变流器工作在boost模式，储能装置释放能量。

说明书

一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统及方法。

背景技术

[0002] 在风力发电系统中，当风机功率发生改变，发电功率与储能单元、并网侧吸收的功率不匹配，直流侧电压将发生剧烈波动；若直流侧电压发生波动，可能引起电机侧变流器功率失衡，对电网稳定性产生影响。

[0003] 为抑制直流母线电压波动，现有的方法多为将储能装置通过双向DC/DC并联在直流母线上，工作于恒母线电压模式。当直流母线电压升高时，储能装置通过双向DC/DC变换器充电，吸收能量；当直流母线电压下降时，储能装置通过双向DC/DC变换器放点，释放能量。

[0004] 但是恒压单元采用传统控制器时，扰动电流变化引起电压变化，DC/DC控制器电压环产生误差，由于调节时间和超调的存在，电流不能迅速和准确调整，导致母线电压不稳。

[0005] 所以，对于工作在高压侧恒压模式下的DC/DC变流器，急需一个合理的控制方法能减少响应时间，快速平抑电压。

发明内容

[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统及方法，本发明在永磁同步风电并网系统的直流侧，通过双向DC/DC变换单元加入储能装置，建立buck-boost电路模型，分析扰动电流对母线电压的影响，在DC/DC控制器中建模过程中加入扰动电流前馈，设计一种切换律控制开关，使得储能装置快速准确地向直流母线吸收或释放能量，功率得以平衡，直流侧电压得以稳定，当发电功率变化时，抑制风电系统直流母线电压的波动。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种基于切换理论的风电直流母线电压控制系统，包括整流器、并网逆变器、双向DC/DC变流器、控制器和储能装置，其中，所述整流器将永磁同步发电机输出的交流电转换为直流电，并网逆变器将其逆变为恒频恒压的工频交流电送入电网；

[0009] 并网逆变器的直流侧通过双向DC/DC变流器接入风机直流侧，储能装置通过双向DC/DC变流器并联在直流母线上，工作状态为恒母线电压模式；

[0010] 所述控制器控制双向DC/DC变流器的开断。

[0011] 进一步的，所述双向DC/DC变流器包括第一开关管和第二开关管，第二开关管连接在并网逆变器的一端，连接储能装置，所述第一开关管并联在储能装置两端，控制器触发第一开关管和第二开关管工作。

[0012] 优选的，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管。

[0013] 所述双向DC/DC变流器并联在并网逆变器的直流母线上。

[0014] 所述控制器为PI控制与切换理论控制结合方式。

[0015] 一种基于切换理论的风电直流母线电压控制方法，包括以下步骤：

[0016] (1)实时采集永磁同步风电并网系统的各个元件的电压、电流值，基于基尔霍夫电压定律和电流定律，计算下一控制周期时双向DC/DC变流器的状态变量；

[0017] (2)根据设定的功率期望平衡点，给予最小投影法，确定切换律；

[0018] (3)根据切换律通过投影值确定双向DC/DC变流器的第一开关管和第二开关管的状态，使双向DC/DC变流器工作在buck或boost状态，使得储能装置向直流母线吸收或释放能量，平衡功率。

[0019] 所述步骤(2)中，切换律为任意状态始终能选择一个指向期望平衡点的向量场。

[0020] 所述步骤(3)中，当永磁同步发电机的功率大于并网功率时，保证第二开光管导通，双向DC/DC变流器工作在buck模式，储能装置吸收能量。

[0021] 所述步骤(3)中，当永磁同步发电机的功率小于并网功率时，保证第一开关管导通，双向DC/DC变流器工作在boost模式，储能装置释放能量。

[0022] 本发明的有益效果为：

[0023] (1)DC/DC变流器建模方法无近似处理，精度高，能体现离散事件动态系统的特征又体现出连续时间动态系统的特征；

[0024] (2)结合PI控制和切换控制，可以精准控制DC/DC变流器，防止因超调导致的器件过流问题；

[0025] (3)协调各单元对母线电压的影响，有效抑制减少功率不匹配引起的电压冲击，提高系统动态响应速度，保证系统功率动态平衡。

附图说明

[0026] 图1为本发明中永磁同步风力发电并网系统结构示意图；

[0027] 图2为DC/DC变流器拓扑图；

[0028] 图3为切换算法的控制流程图；

[0029] 图4为切换算法的计算过程图；

[0030] 图5为DC/DC变流器的电压电流指令向量x*产生图；

[0031] 图6为DC/DC变流器在boost模式下，使用传统PI控制的直流母线电压曲线图；

[0032] 图7为DC/DC变流器在boost模式下，使用切换理论控制的直流母线电压曲线图。具体实施方式：

[0033] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0034] 本发明所要解决的问题是，当发电功率变化时，抑制风电系统直流母线电压的波动。通过一种基于切换理论的风电直流母线电压稳定控制方法，在永磁同步风电并网系统的直流侧，通过双向DC/DC变换单元加入储能装置，建立buck-boost电路模型，分析扰动电流对母线电压的影响，在DC/DC控制器中建模过程中加入扰动电流前馈，设计一种切换律控制开关，使得储能装置快速准确地向直流母线吸收或释放能量，功率得以平衡，直流侧电压得以稳定。

[0035] 如图1所示为本发明实施实例提供的风力发电机并网系统，包括永磁同步发电机(PMSM)、发电机整流器、并网逆变器。发电机发电输出的交流电经整流器转换为直流电，再通过逆变器逆变为恒频恒压的工频交流电送入电网。在直流侧通过双向DC/DC变流器并联储能装置，储能装置通过双向DC/DC接入风机直流侧。如图2所示，双向DC/DC由并联有续流二极管的两个绝缘栅双极型晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transisitor，IGBT)，电阻R，电感L，电容C组成。

[0036] 双向DC/DC变流器高压端接在直流母线上，则电容端电压即为母线电压。高压端输入电流i0和低压侧输出电流i1，流入电容C。

[0037] 对双向DC/DC变流器的优化控制流程如图3所示。

[0038] 按照控制流程，计算方法如图4所示，具体计算过程如下：

[0039] 输入电流i0等于风机侧电流iwind与并网侧电流igrid之差：

[0040] i0＝iwind-igrid  (1)

[0041] 令电感电流为iL，高压侧电压为udc，储能装置端电压为us，电感值为L，与电感串联的电阻值为R，高压侧电容值为C，状态变量向量为 基于基尔霍夫电压定律和电流定律，开关S1闭合时的状态方程表示为：

[0042]

[0043]

[0044] 开关S1断开时的状态方程表示为：

[0045]

[0046]

[0047] 切换系统是一个由一个系列的连续或离散的子系统以及协调这些子系统之间起切换的规则组成的混合系统。上述双向DC/DC变流器即为一种切换系统，式(2)和式(3)分别描述了其在不同开关状态下的子系统。

[0048] 最小投影法：对于某一切换系统 σ(t,x)∈{1,2...m}为切换信号。假设平衡点为原点，则子系统fσ(t,x)(x(t),u(t))在状态变量x(t)上的投影为：

[0049] Γσ(t,x)(x)＝xTfσ(t,x)(x(t),u(t))/||x||,x≠0  (4)

[0050] 当Γσ(t,x)(x)＜0时，表明系统沿着向量场fσ(t,x)(x(t),u(t))不断向平衡点趋近。投影值越小，系统的收敛速度越快。

[0051] 假设系统的期望平衡点为x*，基于最小投影法，设计切换律：

[0052] σ(t,x)＝argmin{(x-x*)TPfσ(t,x)(x(t),u(t))}  (5)

[0053] 对于双向DC/DC变流器，选择储能元件值作为正定矩阵P，则

[0054]

[0055] 假设系统的期望平衡点为x*，基于最小投影法，设计切换律：

[0056]

[0057] 该切换律是在任意状态始终能选择一个指向平衡点x*的向量场。

[0058] x(t)表示当前时刻t时的状态变量向量；设控制周期为ΔT，则xi(t+ΔT)表示在第i个子系统下，下一控制周期时刻t+ΔT时的状态变量向量，其求解过程如式(8)，[0059]

[0060] 用状态变量的商差代替微商进行离散化：

[0061] xi(t+ΔT)＝(Ai·ΔT+Ie)·x(t)+Bi·ΔT  (9)

[0062] Ie为单位矩阵。

[0063] 确定平衡点 uref为直流侧电压给定，电流指令值iref由电压误差经PI控制器产生，如图5所示。

[0064] 令发电机发出的功率为Pw，并网功率为Pg，当Pw>Pg时，S2触发，DC/DC工作在buck模式，储能装置吸收能量；当Pw

[0065] 使用MATLAB进行仿真：

[0066] 在1s时风速改变，风电功率由14.4kW降低至3.6kW，直流母线电压如图5、6所示。

[0067] 通过波形对比，使用切换理论方法进行控制，直流母线电压保持稳定，不存在波动。

[0068] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。