CN103390906A - 风力发电***接入直流微电网的控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开风力发电***接入直流微电网的控制装置及方法。该装置根据接收来自能量管理器的模式变量命令，使风力发电***处于不同的工作模式，包括最大功率点跟踪模式、恒压模式和恒功率模式。在不同工作模式下运行相应的控制算法，从而，使风力发电***可根据直流微电网的能量需求而调整输入到直流微电网的能量，这样，使风力发电***可控，有助于实现整个直流微电网的稳定运行；另外，由于控制算法设计时考虑了风力发电***的输出功率、功率差值和电压差值等，所以，控制精度高，可靠性也高，能量利用率也高。

Description

风力发电***接入直流微电网的控制装置及方法
技术领域
本发明涉及风力发电***，尤其涉及风力发电***接入直流微电网的控制装置及其控制方法。
背景技术
近年来，在能源紧缺与环境污染的双重压力下，风力并网发电***应用越来越多。然而，简单将大量的风力并网发电***直接接入到交流大电网中，将改变原有***的网络拓扑，从而影响潮流的分布，给电网的稳定性带来了不确定性，并影响了电能质量。因此，在风力发电***进行并网发电时，存在着一定的障碍。
为提高交流大电网接纳可再生能源发电的能力，交流微电网被提出来用来连接风力发电等分布式发电***和交流大电网。然而，一方面，从风力发出来的电能要经过多级电力变换才能接入交流微电网，风力通常采用AC/DC/AC变换后接入交流微电网；并且在接入交流微电网时要同时实现并网电流幅值、相位、正弦度和谐波等方面的控制，控制复杂；另外一方面，在用电时，不经过变换直接使用交流电的情况越来越少，直流负载一般采用AC/DC/DC的结构，交流负载一般采用AC/DC/AC的结构。多级变换带来了诸多不利后果、例如能源利用效率的下降、可靠性降低等。为了克服这些问题，在有些场合提出采用直流微电网来代替交流微电网。
为保证直流微电网的稳定运行，需要保持直流母线电压在一定范围内。因此通常直流微电网有多种运行模式，将风力发电***接入直流微电网时，需要根据直流微电网所处的运行模式，采取不同的控制方法，以使风力发电***可控和有助于实现整个直流微电网的稳定运行。
发明内容
本发明解决的问题是使得风力发电***可控和有助于实现整个直流微电网稳定运行的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种风力发电***接入微电网的控制装置，所述风力发电***通过开关电路连接于微电网，该装置包括电流采样电路、第一电压采样电路、第二电压采样电路、处理器和驱动电路，其中，所述电流采样电路和第一电压采样电路分别采样风力发电***输出的电流和电压；所述第二电压采样电路采样直流母线的电压；所述处理器接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别与最大功率点跟踪模式、恒压模式或恒功率模式对应；在模式变量命令对应于最大功率点跟踪模式时，根据电流采样电路和第一电压采样电路采样的电流和电压值计算当前功率，根据第一电压采样电路采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号；所述处理器在模式变量命令对应于恒压模式时，根据电流采样电路和第一电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及第二电压采样电路采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0，eV(K)≤ε或eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0，且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；所述处理器在模式变量命令对应于恒功率模式：根据电流采样电路和第一电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；所述驱动电路放大来自处理器的第一控制信号至第八控制信号，并相应传输放大后的信号至开关电路而由所述第一控制信号至第八控制信号相应控制所述开关电路的通断时间。
在具体的方案中，所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间。
在具体的方案中，在最大功率点跟踪模式中，所述Kp的取值范围在0.001到0.05之间；在恒压模式中，所述门限值ε的取值范围为直流母线电压期望电压值的2％-5％之间；Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；在恒功率模式中，所述门限值的取值范围为期望功率值的2％-5％之间，Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率。
本发明还公开另一种风力发电***接入微电网的控制装置，所述风力发电***通过开关电路连接于微电网的直流母线，该装置包括电流采样电路、第一电压采样电路、第二电压采样电路、处理器和驱动电路，其中，所述第一电压采样电路采样风力发电***输出的电压；所述电流采样电路和第二电压采样电路分别采样并入直流母线的电流和直流母线的电压；所述处理器接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别与最大功率点跟踪模式、恒压模式或恒功率模式对应；在模式变量命令对应于最大功率点跟踪模式时，根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压值计算当前功率，根据第一电压采样电路采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号；所述处理器在模式变量命令对应于恒压模式时，根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及第二电压采样电路采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0，eV(K)≤ε或eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0，且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；所述处理器在模式变量命令对应于恒功率模式：根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；所述驱动电路放大来自处理器的第一控制信号至第八控制信号，并传输放大后的信号至开关电路而由所述第一控制信号至第八控制信号相应控制所述开关电路的通断时间。
在具体的方案中，所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间。
在具体的方案中，在最大功率点跟踪模式中，所述Kp的取值范围在0.001到0.05之间；在恒压模式中，所述门限值ε的取值范围为直流母线电压期望电压值的2％-5％之间；Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；在恒功率模式中，所述门限值的取值范围为期望功率值的2％-5％之间，Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率。
本发明还公开一种风力发电***接入微电网的控制方法，该风力发电***通过开关电路接入微电网，该方法包括如下步骤：接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别对应于最大功率点跟踪模式、恒压模式或者恒功率；在模式变量命令对应于最大功率点跟踪模式时，采样风力发电***输出的电流和电压值计算当前功率，根据采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号；在模式变量命令的值对应于恒压模式时，采样风力发电***输出的电流和微电网的直流母线的电压，根据采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0，eV(K)≤ε或eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0，且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；在模式变量命令的值对应于恒功率模式：采样风力发电***输出的电流和微电网的直流母线的电压，根据采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；将上述第一控制信号至第八控制信号传输至所述开关电路而控制开关电路的导通。
在一种具体的实施方案中，所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间。
在一种具体的实施方案中，在最大功率点跟踪模式中，所述Kp的取值范围在0.001到0.05之间；在恒压模式中，所述门限值ε的取值范围为直流母线电压期望电压值的2％-5％之间；Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；在恒功率模式中，所述门限值的取值范围为期望功率值的2％-5％之间，Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
由于本发明风力发电***接入直流微电网的控制装置能够根据来自能量管理器的模式变量命令的不同值对应于不同的工作模式，在不同工作模式下运行相应的控制算法，从而，使风力发电***可根据直流微电网的能量需求而调整输入到直流微电网的能量，(比如，并根据功率差值、电压差值之类的方式调整产生相应的控制信号或者模式切换)，从而，可以工作在最大功率点跟踪模式、恒压模式或者恒功率模式，这样，根据直流微电网的能量需求而调整直流微电网的输入，使风力发电***可控，有助于实现整个直流微电网的稳定运行；另外，由于考虑风力发电***的输出功率、功率差值和电压差值之类实现控制，所以，控制精度很高，可靠性也高，能量利用率也高。
附图说明
图1是本发明风力发电***接入直流微电网的控制装置第一种实施方式的原理框图；
图2是本发明风力发电***接入直流微电网的控制装置工作于最大功率点跟踪模式时的流程图；
图3是本发明风力发电***接入直流微电网的控制装置工作于恒压模式时的流程图；
图4是本发明风力发电***接入直流微电网的控制装置工作于恒功率模式时的流程图；
图5是本发明风力发电***接入直流微电网的控制装置第二实施方式的原理框图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
请参阅图1，本发明风力发电***接入直流微电网的控制装置包括电流采样电路1、第一电压采样电路2、第二电压采样电路3、处理器4和驱动电路5。所述风力发电***通过开关电路连接于直流微电网的直流母线。在本实施方式中，所述开关电路由不可控整流电路和DC/DC变换器构成，也可以采用其他方式，只要能够实现达到通过控制该开关电路的通断时间而控制输入至微电网的电能时间的目的即可。所述电流采样电路1和第一电压采样电路2分别采样风力发电***输出的电流和电压，在本实施方式中，是采样所述不可控整流电路输出的电流，传输采样的电流和电压值至所述处理器4。所述第二电压采样电路3采样直流母线的电压，传输采样的电压至处理器4。
请继续参阅图1，所述处理器4接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别与最大功率点跟踪模式、恒压模式或恒功率模式对应，比如，最大功率点跟踪模式对应的模式变量命令的值为1，恒压模式对应的模式变量命令的值为2，恒功率模式对应的模式变量命令的值为3。能量管理器如何产生模式变量命令属于现有技术，在此不再赘述。能量管理器产生的模式变量可以通过GPRS网络、以太网或者RS485通信方式传输至处理器4以使得处理器4可以接收来自能量管理器的模式变量命令。
请参阅图1和图2，该处理器4在模式变量指令的值对应于最大功率点跟踪模式时，处理器4接收电流采样电路1采样的电流和第一电压采样电路2采样的电压，根据电流采样电路1采样的电流和第一电压采样电路2采样的电压计算当前功率P(K)，根据第一电压采样电路2采样的电压计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率P(K)与上一次功率P(K-1)的差值eP(K)以及当前发电机旋转角速度ω(K)与上一次旋转角速度ω(K-1)的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号。所述系数Kp的取值范围在0.001到0.05之间，比如，认为|eP(K)/Δω(K)|＜5处于最大功率点附近，Kp的取值范围可选为0.0002到0.002之间，使得在最大功率点附近处的步长在0.001到0.01之间，并对控制信号增量Δd进行限幅，最大值可选为0.1，之后执行爬山法。所述第一控制信号至第四控制信号分别是PWM信号，PWM信号的占空比与所述控制信号呈线性关系而达到调整通断时间的目的。在本实施方式中，Kp＜0.001时，会使得***跟踪最大功率点的速度缓慢，Kp＞0.05时，使得在最大功率点附近的震荡加大，都会使得最大功率点跟踪的效果变差。
请继续参阅图1和图3，所述处理器4在模式变量命令的值对应于恒压模式时，处理器4接收电流采样电路1和第一电压采样电路2采样风力发电***输出的电流和电压，根据该电流值和电压值计算当前功率P(K)。还接收第二采样电路3采样的微电网的直流母线的电压V(K)，计算当前功率P(K)与上一次功率P(K-1)的差值eP(K)以及期望电压值Vref(K)与采样的直流母线的电压V(K)的差值eV(K)。对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)。在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号。在eP(K)≤0且eV(K)≤ε或eP(K)≤0且eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出。在eP(K)≤0且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式，具体的，模式变量修订指令传送至能量管理器，能量管理器根据该指令将当前模式变量修改为1，这样，整个控制装置就工作在最大功率点跟踪模式。在本实施方式中，门限值ε的取值范围是2％～5％之间，比如，直流母线电压期望值的3％、4％等。在本实施方式中，Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压，Kp＞1/Vref会使超调量增大，***稳定性变差，Kp＞0.04/Vref时，***跟踪速度缓慢，控制精度差；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压，Ki＞0.4/Vref会出现积分饱和现象，***性能变差，Ki＜0.01/Vref过小的话***存在稳态误差。
请参阅图1和图4，所述处理器在模式变量命令对应恒功率模式时，根据电流采样电路1采样风力发电***输出的电流和第一电压采样电路2采样的电压计算当前功率P(K)，还计算期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)≤门限值ε或P(K)-P(K-1)≤0且eP(K-1)≤门限值ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)＞门限值ε和eP(K-1)＞门限值ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；在本实施方式中，所述门限值ε是期望功率值的2％～5％，比如3％、4％等。所述PID控制的系数Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率，Kp过大的话会使超调量增大，***稳定性变差，过小的话***跟踪速度缓慢，控制精度差；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率，Ki过大的话会出现积分饱和现象，***性能变差，过小的话***存在稳态误差。
请继续参阅图1，所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间，如果大于1，则，可以采用限幅处理而使得幅度在上述范围。该PWM信号的占空比与DC/DC变换器的导通时间呈线性关系，这样，通过控制占空比即可达到控制导通时间的目的，因为，在风机输出功率和风轮角速度之间关系曲线中，在电功率和机械功率有一个效率的问题，简单处理的话也可以认为两者相等。在一个确定的风速下，存在一个最佳的风轮角速度，对于直驱风力机来说，由于风轮和风力发电机同轴直接连接，无齿轮箱，故此速度也是风力发电机的旋转角速度。通过控制DC/DC变换器的占空比，调节风力发电机的输出电流，达到改变风力发电机负载的目的，从而使得其旋转角速度达到最佳角速度，风力发电机输出最大功率。所述驱动电路5对相应的第一控制信号至第八控制信号进行放大并传输放大后的信号至DC/DC变换器而由所述第一控制信号至第八控制信号相应控制DC/DC变换器的通断时间，需要明确的是，在本发明中，第一控制信号至第八控制信号中，在某个时刻，处理器只根据实际情况产生上述八个控制信号中的一个，比如说：在处理器4传输第一控制信号至驱动电路5时，驱动电路5放大该第一控制信号，该第一控制信号使得DC/DC变换器的导通时间增加，由于导通时间增加，所以，风力发电***能够传输更多的能量至直流微点网，进而，调节风力发电机的输出电流，达到改变风力发电机负载的目的。
在上述实施方式中，是通过电流采样电路和第一电压采样电路而获得当前功率，也就是说，是采集风力发电***的输出功率，在其他的方式中，也可以采集并入直流微电网的电流和直流母线电压而获得当前功率，该种方式的具体实现方式是，在直流母线的接入端设置电流采样电路，通过第二电压采样电路和设置的电流采样电路获得当前功率。以这样的技术思路为基础，本发明还提供第二种实施方式的控制装置，如图5所示，该装置包括电流采样电路1、第一电压采样电路2、第二电压采样电路3、处理器4和驱动电路5，其中，所述第一电压采样电路采样风力发电***输出的电压；所述电流采样电路和第二电压采样电路分别采样并入直流母线的电流和直流母线的电压。所述处理器接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别与最大功率点跟踪模式、恒压模式或恒功率模式对应；在模式变量命令对应于最大功率点跟踪模式时，根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压值计算当前功率，根据第一电压采样电路采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号；所述处理器在模式变量命令对应于恒压模式时，根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及第二电压采样电路采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0，eV(K)≤ε或eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0，且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；所述处理器在模式变量命令对应于恒功率模式：根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；所述驱动电路放大来自处理器的第一控制信号至第八控制信号，并传输放大后的信号至开关电路而由所述第一控制信号至第八控制信号相应控制所述开关电路的通断时间。
以上述技术思路为基础，本发明还公开本发明还公开一种风力发电***接入微电网的控制方法，该风力发电***通过开关电路接入微电网，该方法包括如下步骤：接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别对应于最大功率点跟踪模式、恒压模式或者恒功率模式；在模式变量命令对应于最大功率点跟踪模式时，采样风力发电***输出的电流和电压值计算当前功率，根据采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号，在最大功率点跟踪模式中，所述Kp的取值范围在0.001到0.05之间；在模式变量命令的值对应于恒压模式时，采样风力发电***输出的电流和微电网的直流母线的电压，根据采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0，eV(K)≤ε或eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0，且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式，在恒压模式中，所述门限值ε的取值范围为直流母线电压期望电压值的2％-5％之间；Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；在模式变量命令的值对应于恒功率模式：采样风力发电***输出的电流和微电网的直流母线的电压，根据采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式，在恒功率模式中，所述门限值的取值范围为期望功率值的2％-5％之间，Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；将上述第一控制信号至第八控制信号传输至所述开关电路而控制开关电路的导通。所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间。
综上所述，由于本控制装置能够根据来自能量管理器的模式变量命令的不同值对应于不同的工作模式，并根据功率差值、电压差值之类的方式调整产生相应的控制信号或者模式切换，从而，可以工作在最大功率点跟踪模式、恒压模式或者恒功率模式，这样，根据直流微电网的能量需求而调整直流微电网的输入，使风力发电***可控，有助于实现整个直流微电网的稳定运行；另外，由于考虑风力发电***的输出功率、功率差值和电压差值之类实现控制，所以，控制精度很高，可靠性也高，能量利用率也高。

Claims (9)

1.风力发电***接入微电网的控制装置，所述风力发电***通过开关电路连接于微电网，其特征在于：该装置包括电流采样电路、第一电压采样电路、第二电压采样电路、处理器和驱动电路，其中，
所述电流采样电路和第一电压采样电路分别采样风力发电***输出的电流和电压；
所述第二电压采样电路采样直流母线的电压；
所述处理器接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别与最大功率点跟踪模式、恒压模式或恒功率模式对应；在模式变量命令对应于最大功率点跟踪模式时，根据电流采样电路和第一电压采样电路采样的电流和电压值计算当前功率，根据第一电压采样电路采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号；
所述处理器在模式变量命令对应于恒压模式时，根据电流采样电路和第一电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及第二电压采样电路采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0且eV(K)≤ε或eP(K)≤0且eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；
所述处理器在模式变量命令对应于恒功率模式：根据电流采样电路和第一电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0，且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；
所述驱动电路放大来自处理器的第一控制信号至第八控制信号，并相应传输放大后的信号至开关电路而由所述第一控制信号至第八控制信号相应控制所述开关电路的通断时间。
2.根据权利要求1所述的风力发电***接入微电网的控制装置，其特征在于：所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间。
3.根据权利要求1所述的风力发电***接入微电网的控制装置，其特征在于：在最大功率点跟踪模式中，所述Kp的取值范围在0.001到0.05之间；在恒压模式中，所述门限值ε的取值范围为直流母线电压期望电压值的2％-5％之间；Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；在恒功率模式中，所述门限值的取值范围为期望功率值的2％-5％之间，Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率。
4.风力发电***接入微电网的控制装置，所述风力发电***通过开关电路连接于微电网的直流母线，其特征在于：该装置包括电流采样电路、第一电压采样电路、第二电压采样电路、处理器和驱动电路，其中，
所述第一电压采样电路采样风力发电***输出的电压；
所述电流采样电路和第二电压采样电路分别采样并入直流母线的电流和直流母线的电压；
所述处理器接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别与最大功率点跟踪模式、恒压模式或恒功率模式对应；在模式变量命令的值对应于最大功率点跟踪模式时，根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压值计算当前功率，根据第一电压采样电路采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δd·max、eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax、eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax、eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号；
所述处理器在模式变量命令的值对应于恒压模式时，根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及第二电压采样电路采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0，eV(K)≤ε或eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0，且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；
所述处理器在模式变量命令的值对应于恒功率模式：根据电流采样电路和第二电压采样电路采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；
所述驱动电路放大来自处理器的第一控制信号至第八控制信号，并传输放大后的信号至开关电路而由所述第一控制信号至第八控制信号相应控制所述开关电路的通断时间。
5.根据权利要求4所述的风力发电***接入微电网的控制装置，其特征在于：所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间。
6.根据权利要求4所述的风力发电***接入微电网的控制装置，其特征在于：在最大功率点跟踪模式中，所述Kp的取值范围在0.001到0.05之间；在恒压模式中，所述门限值ε的取值范围为直流母线电压期望电压值的2％-5％之间；Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；在恒功率模式中，所述门限值的取值范围为期望功率值的2％-5％之间，Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率。
7.风力发电***接入微电网的控制方法，该风力发电***通过开关电路接入微电网，其特征在于：该方法包括如下步骤：接收来自能量管理器的模式变量命令，该模式变量命令的不同值分别对应于最大功率点跟踪模式、恒压模式或者恒功率模式；
在模式变量命令对应于最大功率点跟踪模式时，采样风力发电***输出的电流和电压值计算当前功率，根据采集的当前电压和发电机的极对数计算风力发电***的发电机旋转角速度ω(K)，还计算当前功率与上一次功率的差值eP(K)、当前发电机旋转角速度与上一次旋转角速度的差值Δω(K)以及控制信号增量Δd＝Kp|eP(K)/Δω(K)|，在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第一控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0或Δd＝Δdmax且eP(K)＞0和Δω(K)≤0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第二控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＞0时，将上次控制信号减去所述控制信号增量而产生第三控制信号；在Δd＜Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0或Δd＝Δdmax且eP(K)≤0和Δω(K)＜0时，将上次控制信号加上所述控制信号增量而产生第四控制信号；
在模式变量命令的值对应于恒压模式时，采样风力发电***输出的电流和微电网的直流母线的电压，根据采样的电流和电压计算当前功率及当前功率和上一次功率的差值eP(K)，根据期望电压值以及采样的直流母线电压计算差值eV(K)，对eV(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eV(K)-eV(K-1))+Ki×eV(K)，在eP(K)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量而产生第五控制信号；在eP(K)≤0，eV(K)≤ε或eV(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第六控制信号输出；在eP(K)≤0，且eV(K)＞ε和eV(K-1)＞ε，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；
在模式变量命令的值对应于恒功率模式：采样风力发电***输出的电流和微电网的直流母线的电压，根据采样的电流和电压计算当前功率P(K)以及期望功率与当前功率的差值eP(K)，对eP(K)采用PI控制而计算出风力发电***向微电网输入电能的时间的控制信号增量Δd＝Kp×(eP(K)-eP(K-1))+Ki×eP(K)，在P(K)-P(K-1)＞0时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第七控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)≤ε或eP(K-1)≤ε时，将上次的控制信号加上所述控制信号增量作为第八控制信号输出；在P(K)-P(K-1)≤0且eP(K)＞ε和eP(K-1)＞ε时，处理器产生模式变量修改指令以使得能量管理器根据该指令而切换至最大功率点跟踪模式；
将上述第一控制信号至第八控制信号传输至所述开关电路而控制开关电路的导通。
8.根据权利要求7所述的风力发电***接入微电网的控制方法，其特征在于：所述第一控制信号至第八控制信号分别是PWM信号，取值范围在0到1之间。
9.根据权利要求7或8所述的风力发电***接入微电网的控制方法，其特征在于：在最大功率点跟踪模式中，所述Kp的取值范围在0.001到0.05之间；在恒压模式中，所述门限值ε的取值范围为直流母线电压期望电压值的2％-5％之间；Kp的取值范围在0.04/Vref到1/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；Ki的取值范围在0.01/Vref到0.4/Vref之间，其中Vref为直流母线电压的期望电压；在恒功率模式中，所述门限值的取值范围为期望功率值的2％-5％之间，Kp的取值范围在0.02/Pref到0.5/Pref之间，其中Pref为期望输出功率；Ki的取值范围在0.001/Pref到0.03/Pref之间，其中Pref为期望输出功率。
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Application publication date: 20131113

Assignee: ZHEJIANG JEC NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD.

Assignor: Jiaxing University

Contract record no.: 2017330000087

Denomination of invention: Device and method for controlling wind turbine system to access DC (direct current) micro-grid

Granted publication date: 20150930

License type: Common License

Record date: 20170626