一种附加储能的构网型风电机组的控制系统与方法与流程

本发明涉及风力发电机组的电气控制，具体涉及一种附加储能的构网型风电机组的控制系统与方法。

背景技术：

1、目前，风电机组大多采用基于电网电压定向的矢量控制方法，对电网呈现出电流源外特性，无法主动支撑电网，并且在高比例接入电网时容易出现谐波振荡等问题。构网型控制模拟同步发电机运动方程，使并网变换器呈现出电压源外特性，具有主动响应负荷功率波动、支撑电网等优势，此外在高比例接入电网的工况下运行稳定性较好。

2、在构网型风电机组的直流侧附加一定的储能单元，能够增大风电机组的控制自由度。当前，附加储能单元的构网型风电机组存在两种运行模式：模式一，构网型风电机组工作在最大功率运行模式，利用风轮旋转动能实现对电网的惯量支撑，储能单元不参与惯量响应，这种模式会使构网型风电机组偏离最优功率运行点，影响最大功率捕获；模式二，利用储能单元的充电、放电可以实现构网型风电机组对电网惯量支撑，这种模式不会影响风电机组的最大风能捕获。然而，在模式二中储能单元还存在电池荷电状态异常等情况，如荷电状态过高、荷电状态过低，此时需要对储能单元进行强制放电、充电，以维持荷电状态在合理范围之内。因此，需要研究储能单元、构网型风电机组的协调控制系统与方法，在使构网型风电机组实现最大风能捕获的同时、解决储能单元的充放电问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述现有技术的问题，面向附加储能的全功率变换风电机组，提出一种附加储能的构网型风电机组的控制系统与方法，根据电池的荷电状态协调储能单元和风轮实现对电网的惯量支撑功能；提出适用于储能单元的强制充电、放电方法，避免电池荷电状态异常。

2、为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：一种附加储能的构网型风电机组的控制系统，包括风轮、永磁同步发电机、机侧变换器、网侧变换器与储能单元，机侧变换器、网侧变换器的直流侧并联直流电容，储能单元包含双向直流/直流变换器和电池，双向直流/直流变换器的高压侧与所述直流电容并联，双向直流/直流变换器的低压侧连接电池；

3、所述储能单元的双向直流/直流变换器采用如下控制结构：荷电状态(soc)控制模块输出的直流电容电压额定值的调节量与1相加后为直流电容电压的额定值，直流电容电压的标幺值与直流电容电压的额定值相减后经过一个增益为kd的比例环节后再进入一个使能模块en1；电池的荷电状态soc、直流电压的标幺值进入惯量支撑控制模块后输出储能侧惯量支撑调节量，使能模块en1的输出叠加储能侧惯量支撑调节量后为双向直流/直流变换器吸收电流的参考值，双向直流/直流变换器吸收电流的参考值与双向直流/直流变换器吸收电流的反馈值之差经过一个pi调节器后为调制电压信号；调制电压信号与网侧变换器的直流电压反馈值udc进入储能变换器调制模块后，生成用于调制双向直流/直流变换器的触发信号sg1、sg2。

4、所述网侧变换器采用如下控制结构：

5、网侧变换器的直流电压反馈值udc除以网侧变换器的直流电压参考值udcref后得到直流电压的标幺值，直流电压的标幺值进入映射控制模块后输出为网侧变换器输出电压频率的标幺值，网侧变换器输出电压频率的标幺值经过一个增益为电网基波角频率基准值ωbg(即100π)的积分器后的输出为网侧变换器调制电压的相位θ；

6、并网点电压幅值的参考值与反馈值之差经过一个增益为k的比例环节，再叠加网侧变换器的调制电压初始值后得到网侧变换器调制电压的幅值；脉冲宽度调制环节根据幅值、相位θ生成网侧变换器的触发脉冲信号sgabc。

7、所述映射控制模块采用如下结构：

8、直流电压的标幺值经过一个增益为ky的比例环节后，再经过时间常数为t的一阶低通滤波器后为输出网侧变换器输出电压频率的标幺值；

9、时间常数t的取值范围为。

10、所述机侧变换器采用如下控制结构：

11、电池的荷电状态soc、直流电压的标幺值进入惯量支撑控制模块后的输出为机侧惯量支撑调节量；检测风轮转速ωt进入最大功率跟踪模块(mppt)后的输出为最优功率的参考值，最优功率的参考值与机侧输出有功功率的反馈值进入有功功率控制模块后的输出叠加机侧惯量支撑调节量作为q轴电流的参考值，d轴电流的参考值、q轴电流的参考值进入电流控制模块后再经过脉冲宽度调制生成机侧变换器的触发脉冲信号smabc，d轴电流的参考值为零。

12、所述惯量支撑控制模块采用如下控制结构：

13、直流电压的标幺值分别经过增益为ky、kin的比例环节，再经过一个微分环节后进入使能模块en2，使能模块en2的输出分别作为选通开关s1位置2、选通开关s2位置1的输入；选通开关s1位置1的输入为0，选通开关s2位置2的输入为0，选通开关s1的输出经过一个变化率限幅后，再经过一个传递函数为的滤波器后输出为机侧惯量支撑调节量，其中s为拉普拉斯算子，ti为滤波时间常数；

14、选通开关s2的输出经过一个变化率限幅后，再经过时间常数为ti的一阶低通滤波器后的输出为储能侧惯量支撑调节量；

15、滤波时间常数ti的取值范围为。

16、所述选通开关s1、选通开关s2的输出受控制标志位flag的影响，当控制标志位flag的值为1时，选通开关s1、选通开关s2的输出为位置2的输入，当控制标志位flag的值为0时，选通开关s1、选通开关s2的输出为位置1的输入。

17、检测电池的荷电状态soc，若荷电状态soc大于等于0.9，标志位fh的值为1，否则fh的值为0；若荷电状态soc小于等于0.1，标志位fl的值为1，否则fl的值为0；标志位fh、标志位fl经过逻辑“或”操作后的输出为控制标志位flag。

18、检测电池的荷电状态soc，若荷电状态soc的值增大到0.9以上，荷电状态(soc)控制模块输出的直流电压额定值的调节量变为0.2；若荷电状态soc的值降低到0.8-0.2之间，荷电状态(soc)控制模块输出的直流电压额定值的调节量降低到0；若荷电状态soc的值降低到0.1以下，荷电状态(soc)控制模块输出的直流电压额定值的调节量降低到-0.2。

19、储能变换器调制模块的输入为调制电压信号、网侧变换器的直流电压的反馈值udc，储能变换器调制模块的输出为触发脉冲；调制电压信号为调制波，三角波为载波，载波的幅值为网侧变换器的直流电压的反馈值udc；通过调制波与载波比较生成触发脉冲，当调制波大于载波时输出高电平，当调制波小于或等于载波时输出低电平。

20、本发明的另一个目的在于提供一种附加储能的构网型风电机组的控制方法，该方法包含以下步骤：

21、步骤一：使构网型风电机组具备惯量支撑能力；初始运行阶段，设置使能模块en2的值为0，使构网型风电机组并网稳定运行，但不具备惯量支撑能力；待构网型风电机组稳定运行后，设置使能模块en2的值为1，使构网型风电机组能够提供惯量支撑功能；

22、步骤二：在构网型风电机组具备惯量支撑功能后，协调储能单元和机侧变换器提供惯量支撑所需的能量，确保提供惯量支撑的前提下降低对构网型风电机组的最大功率跟踪状态的影响；利用荷电状态控制模块实时检测电池的荷电状态，在电池的荷电状态正常的条件下，控制标志位flag的值为0，由储能单元提供惯量支撑所需的能量；在电池的荷电状态异常的条件下，控制标志位flag的值为1，由机侧变换器控制风轮释放或吸收能量实现对电网的惯量支撑；

23、步骤三：根据电池的荷电状态，对电池进行控制，使其荷电状态维持在正常水平；在电池的荷电状态正常的条件下，设置使能模块en1的值为0，储能单元中电池的强制充放电控制被切出；在电池的荷电状态异常的条件下，设置使能模块en1的值为1，储能单元中电池的强制充放电控制投入运行。

24、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

25、本发明提供的一种附加储能的构网型风电机组的控制系统与方法，在电池荷电状态正常时由储能单元提供惯量响应所需的能量，不影响风电机组的最大功率运行状态，在电池荷电状态异常时由风轮释放或吸收能量实现对电网的惯量支撑，并且强制电池进行充电或放电、使电池尽快恢复到正常状态；

26、在网侧变换器中加入的映射控制模块能够使直流电压准确定量地跟踪、观测电网频率波动，避免受到电网电压波动、风功率波动的干扰；

27、在储能单元的控制环路中，加入的储能变换器调制模块可以增强风电机组的电气阻尼，提高整机的运行稳定性。