CN114094624B - 一种波浪发电***低电压穿越协调控制方法 - Google Patents

一种波浪发电***低电压穿越协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种波浪发电***低电压穿越协调控制方法，通过故障期间各个环节功率的大小来协调控制网侧控制器、机侧控制器和超级电容储能装置，包括下列步骤：网侧控制器基于电网电压定向，采用电压外环电流内环控制；当电网发生低电压故障时，机侧控制器工作在转子储能模式下，转子转速参考值由直流母线电压外环得到；当机侧控制器工作在转子极限转速模式下，转子转速参考值给定为转速极限值；超级电容储能装置，采用功率外环电流内环控制，功率外环用于维持直流母线两端功率平衡，电流内环用于实现快速跟踪控制；使得机侧控制器、网侧控制器和超级电容储能装置在不同情况下有不同的运行状态。

Description

一种波浪发电***低电压穿越协调控制方法
技术领域
本发明涉及波浪发电并网***控制技术领域，具体涉及一种浮子式永磁同步波浪发电并网***的低电压故障穿越协调控制***。
背景技术
波浪能是一种清洁的可再生能源，随着波浪发电技术的不断发展成熟，并迅速向规模化和商业化发展，波浪发电***的渗透率不断提高，并网***的可靠性和稳定性随之下降。电网电压的跌落是个常见问题，电网电压的跌落会给波浪发电***带来一系列暂态过程，危害着***的正常运行，严重时可导致故障的加剧，甚至***的解列。因此在发生电网故障时，作为新能源并网发电***的一环，波浪能发电***的低电压穿越能力是不间断并网运行的必备条件。
参照我国风力发电的并网运行标准，要求当发生电网低电压故障时，并网***向电网发出一定的无功功率帮助电网电压恢复。通常控制网侧逆变器运行在无功补偿状态，在满足发出无功功率的情况下，尽可能多的发出有功功率。然而对于较为严重的故障，依靠单一的网侧无功补偿控制不足以消耗直流侧的不平衡功率。因此，当较严重的故障发生时，为了减少输入的有功功率，通常将波能捕获装置输入的功率暂时存储在电机转子中，从而实现直流侧两端功率的平衡。由于电机转子转速极限，对于更加严重的低电压故障，可采取外接卸荷电阻的方式消耗直流侧多余的不平衡功率，但多余的能量以热能的形式消耗掉。因此，将卸荷电阻替换成超级电容更加有利于能量的利用。
发明内容
本发明的目的是提出的一种波浪发电***低电压穿越协调控制策略。本发明通过协调控制机侧控制器，超级电容储能装置控制器以及网侧逆变器，在满足新能源并网运行要求无功补偿条件下，能够穿越不同严重程度的低电压故障。相比传统的基于外接硬件电路的低电压穿越方法，能够充分利用故障期间的不平衡功率，同时能够减少超级电容的开关次数，延长超级电容储能装置的使用寿命。所采取的技术方案如下：
一种波浪发电***低电压穿越协调控制方法，通过故障期间各个环节功率的大小来协调控制网侧控制器、机侧控制器和超级电容储能装置，包括下列步骤：
(1)网侧控制器基于电网电压定向，采用电压外环电流内环控制，在电网正常运行情况下，网侧控制器运行在单位功率因数模式下，q轴电流参考值为0，d轴电流参考值通过电压外环给定，以维持直流母线电压的稳定，当电网发生低电压故障时，为了能够满足输出无功功率的要求，q轴电流参考值由下式计算：
igqref2≥1.5(0.9-eg[p.u.])IN
其中eg[p.u.]为并网点处故障电压标幺值,IN为网侧逆变器额定电流值。
考虑到网侧逆变器的电流限幅，d轴电流参考值不能大于
Figure BDA0003359046160000021
其中Imax为网侧逆变器电流幅值，通常为1.5IN。
因此，实际的d轴电流参考值如下式所示
igdref＝min{igdref1,igdref2}
其中igdref1为通过电压外环得到的d轴电流参考值。
(2)机侧控制器的d轴参考值设置为0，电网正常运行情况下，q轴电流参考值由最大波能捕获控制得到，当电网发生低电压故障时，机侧控制器工作在转子储能模式下，转子转速参考值由直流母线电压外环得到；当机侧控制器工作在转子极限转速模式下，转子转速参考值给定为转速极限值。
(3)超级电容储能装置，采用功率外环电流内环控制，功率外环用于维持直流母线两端功率平衡，电流内环用于实现快速跟踪控制。当发生低电压故障时，双向buck/boost变换器工作在buck电路下，直流母线向超级电容充电；当故障消除，双向buck/boost变换器工作在boost电路下，超级电容放电。
超级电容容量的设计应能满足低电压穿越协调控制下，最严重的电网低电压故障，当电网发生0.2pu的低电压故障时，网侧逆变器输出的有功功率表示为：
Figure BDA0003359046160000022
其中igqref_sc是0.2pu故障发生时网侧逆变器的q轴电流。
故障期间，超级电容储能装置吸收的能量表示为
Esc＝0.625ΔP-Er_max＝0.625(Ps_rate-Pg_sc)-Er_max
其中Ps_rate表示机侧控制器输出的额定功率，Er_max表示电机转子从额定转速升高至极限转速所存储的能量。
超级电容容量表示为
Figure BDA0003359046160000031
其中Usc_rate和Usc_init表示超级电容储能装置额定电压与初始电压，超级电容储能装置充电时，电压从Usc_init上升至Usc_rate，wmax是发电机转子极限转速值，wN是发电机转子额定转速值，igqref_sc是0.2pu故障发生时网侧逆变器的d轴电流,eg为并网点处故障电压。
超级电容储能装置滤波电感的设计需要满足双向buck/boost变换器的工作要求，能够穿越充放电过程中的最大冲击电流，滤波电感通过下式计算
Figure BDA0003359046160000032
其中Iscp表示超级电容工作在buck模式下的额定电流幅值，ΔIscp表示最大允许纹波电流，fs表示buck/boost电路的开关频率，Udc是超级电容侧直流电压。
(4)低电压穿越协调控制方法如下：
网侧逆变器输入至电网的有功功率Pgref通过下式计算
Figure BDA0003359046160000033
相应低电压故障下电机转子最大储存功率Pω_max通过下式计算
Figure BDA0003359046160000034
其中ωmax为电机转子转速极限值，ωN为电机转子转速的额定值，tF为对应低电压允许发电***接入最大时间。
根据故障期间各个环节功率值大小关系将控制策略分为四个模式，使得机侧控制器、网侧控制器和超级电容储能装置在不同情况下有不同的运行状态：
当Pgref≥Ps时，低电压穿越协调控制策略工作在模式1下，此时机侧控制器工作在最大波能捕获模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps>Pgref≥Ps-Pω_max时，低电压穿越协调控制策略工作在模式2下，此时机侧控制器工作在电机转子储能模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps-Pω_max>Pgref时，低电压穿越协调控制策略工作在模式3下，此时机侧控制器工作在电机转速极限值状态下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在buck电路下，直流母线开始向超级电容充电。当故障检测器检测到电网低电压故障清除时，低电压穿越控制策略切换到模式4，此时机侧控制器恢复最大波能捕获控制策略，网侧控制器恢复为单位功率因数运行，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在boost电路下，超级电容放电。直至超级电容电压恢复至初始值，储能装置切出，低电压穿越过程结束。
本发明提出的一种基于超级电容储能装置的波浪发电***低电压穿越协调控制策略通过协调控制机侧控制器，超级电容储能装置控制器以及网侧逆变器，在满足新能源并网运行要求无功补偿条件下，能够穿越不同严重程度的低电压故障。相比传统的基于外接硬件电路的低电压穿越方法，能够充分利用故障期间的不平衡功率，同时能够减少超级电容的开关次数，延长超级电容储能装置的使用寿命。
本发明的有益效果如下：
1)该控制策略能够满足分布式能源并网***低电压故障无功补偿规范。
2)该控制策略能够实现并网***不同程度低电压故障时的穿越。
3)该控制策略能够减少超级电容的设计容量，同时减少超级电容的开光次数，延长使用寿命。
4)该控制策略结构简单，易于软硬件的实现，便于维护，能够有效的提高波浪发电***的可靠性和商业可行性。
5)该控制策略也可以应用于风力发电、太阳能发电等逆变器控制***中。
附图说明
图1是低电压穿越曲线。
图2是波浪发电并网***框图。
图3是机侧控制器。
图4是网侧控制器。
图5是超级电容控制器。
图6是控制逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述对本发明作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入的理解本发明并能够实施，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参考我国风力发电并网运行标准如图1所示，要求对于电网电压跌落曲线上方区域，发电***能够保持并网状态而不断开，对于曲线下方区域允许发电***切出。同时要求在电网低电压故障期间，发电***能够向电网输出相应的无功功率，帮助电网电压恢复。
所述的波浪发电并网***如图2所示，包括浮子式波能捕获装置，永磁同步发电机，机侧整流器，直流侧滤波电容，超级电容储能装置，网侧逆变器，滤波电抗，变压器以及相应的控制器，控制器通过所提出的低电压穿越协调控制策略进行控制。
网侧控制框图如图3所示，网侧控制器基于电网电压定向，采用电压外环电流内环控制，在电网正常运行情况下，网侧控制器运行在单位功率因数模式下，q轴电流参考值为0，d轴电流参考值通过电压外环给定，以维持直流母线电压的稳定。当电网发生低电压故障时，为了能够满足输出无功功率的要求，q轴电流参考值由下式计算得到：
igqref2≥1.5(0.9-eg[p.u.])IN
其中eg[p.u.]为并网点处故障电压标幺值,IN为网侧逆变器额定电流值。
考虑到网侧逆变器的电流限幅，d轴电流参考值不能大于
Figure BDA0003359046160000051
其中Imax为网侧逆变器电流幅值，通常为1.5IN。
因此，实际的d轴电流参考值如下式所示：
igdref＝min{igdref1,igdref2}
其中igdref1为通过电压外环得到的d轴电流参考值
机侧控制器如图4所示，机侧变流器的d轴参考值设置为0，q轴电流参考值由协调控制策略给定。电网正常运行情况下，q轴电流参考值由最大波能捕获控制得到。当电网发生低电压故障时，机侧控制器工作在转子储能模式下，转子转速参考值由直流母线电压外环得到；当机侧控制器工作在转子极限转速模式下，转子转速参考值给定为转速极限值。
超级电容储能装置控制器如图5所示，采用功率外环电流内环控制。功率外环用于维持直流母线两端功率平衡，电流内环用于实现快速跟踪控制。当发生严重的低电压故障时，双向buck/boost变换器工作在buck电路下，直流母线向超级电容充电；当故障消除，双向buck/boost变换器工作在boost电路下，超级电容放电。
具体的，所述的超级电容容量的设计应能满足低电压穿越协调控制下，最严重的电网低电压故障，当电网发生0.2pu的低电压故障时，网侧逆变器输出的有功功率可表示为
Figure BDA0003359046160000061
其中igqref_sc是0.2pu故障发生时网侧逆变器的q轴电流。
故障期间，超级电容储能装置吸收的能量可表示为：
Esc＝0.625ΔP-Er_max＝0.625(Ps_rate-Pg_sc)-Er_max
其中Ps_rate表示机侧控制器输出的额定功率，Er_max表示电机转子从额定转速升高至极限转速所存储的能量。
超级电容容量可表示为
Figure BDA0003359046160000062
其中Usc_rate和Usc_init表示超级电容储能装置额定电压与初始电压，超级电容储能装置充电时，电压从Usc_init上升至Usc_rate。
超级电容储能装置滤波电感的设计需要满足双向buck/boost变换器的工作要求，能够穿越充放电过程中的最大冲击电流，因此滤波电感可通过下式计算
Figure BDA0003359046160000063
其中Iscp表示超级电容工作在buck模式下的额定电流幅值，ΔIscp表示最大允许纹波电流，fs表示buck/boost电路的开关频率。
低电压穿越协调控制策略控制框图如图6所示，其具体控制步骤说明如下
步骤一、通过故障检测器检测并网点的电压，电流幅值，判断电网是否发生低电压故障。
步骤二、若电网正常运行，所述的波浪发电***机侧控制器运行于最大波能捕获状态，所述的网侧控制器运行于单位功率因数状态。
步骤三、当检测到电网发生低电压故障时，计算并比较故障发生时永磁同步发电机发出的有功功率Ps，网侧逆变器输入至电网的有功功率Pgref以及相应低电压故障下电机转子最大储存功率Pω_max。
其中Pgref可通过下式计算得到：
Figure BDA0003359046160000071
Pω_max可通过下式计算得到
Figure BDA0003359046160000072
其中ωmax为电机转子转速极限值，ωN为电机转子转速的额定值，tF为对应低电压允许发电***接入最大时间。
当Pgref≥Ps时，低电压穿越协调控制策略工作在模式1下，此时机侧控制器工作在最大波能捕获模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps>Pgref≥Ps-Pω_max时，低电压穿越协调控制策略工作在模式2下，此时机侧控制器工作在电机转子储能模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps-Pω_max>Pgref时，低电压穿越协调控制策略工作在模式3下，此时机侧控制器工作在电机转速极限值状态下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在buck电路下，直流母线开始向超级电容充电。
步骤四、当故障检测器检测到电网低电压故障清除时，低电压穿越控制策略切换到模式4，此时机侧控制器恢复最大波能捕获控制策略，网侧控制器恢复为单位功率因数运行，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在boost电路下，超级电容放电。直至超级电容电压恢复至初始值，储能装置切出，低电压穿越过程结束。
总之，根据故障期间各个环节功率值大小关系将控制策略分为四个模式，使得机侧控制器、网侧控制器和超级电容储能装置在不同情况下有不同的运行状态：
Figure BDA0003359046160000073
对上表的具体解释为：当Pgref≥Ps时，低电压穿越协调控制策略工作在模式1下，此时机侧控制器工作在最大波能捕获模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps>Pgref≥Ps-Pω_max时，低电压穿越协调控制策略工作在模式2下，此时机侧控制器工作在电机转子储能模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps-Pω_max>Pgref时，低电压穿越协调控制策略工作在模式3下，此时机侧控制器工作在电机转速极限值状态下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在buck电路下，直流母线开始向超级电容充电。当故障检测器检测到电网低电压故障清除时，低电压穿越控制策略切换到模式4，此时机侧控制器恢复最大波能捕获控制策略，网侧控制器恢复为单位功率因数运行，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在boost电路下，超级电容放电。直至超级电容电压恢复至初始值，储能装置切出，低电压穿越过程结束。

Claims (1)

1.一种波浪发电***低电压穿越协调控制方法，通过故障期间各个环节功率的大小来协调控制网侧控制器、机侧控制器和超级电容储能装置，包括下列步骤：
(1)网侧控制器基于电网电压定向，采用电压外环电流内环控制，在电网正常运行情况下，网侧控制器运行在单位功率因数模式下，q轴电流参考值为0，d轴电流参考值通过电压外环给定，以维持直流母线电压的稳定，当电网发生低电压故障时，为了能够满足输出无功功率的要求，q轴电流参考值由下式计算：
igqref2≥1.5(0.9-eg[p.u.])IN
其中eg[p.u.]为并网点处故障电压标幺值,IN为网侧逆变器额定电流值；
考虑到网侧逆变器的电流限幅，d轴电流参考值不能大于
Figure FDA0003359046150000011
其中Imax为网侧逆变器电流幅值，通常为1.5IN；
因此，实际的d轴电流参考值如下式所示
igdref＝min{igdref1,igdref2}
其中igdref1为通过电压外环得到的d轴电流参考值；
(2)机侧控制器的d轴参考值设置为0，电网正常运行情况下，q轴电流参考值由最大波能捕获控制得到，当电网发生低电压故障时，机侧控制器工作在转子储能模式下，转子转速参考值由直流母线电压外环得到；当机侧控制器工作在转子极限转速模式下，转子转速参考值给定为转速极限值；
(3)超级电容储能装置，采用功率外环电流内环控制，功率外环用于维持直流母线两端功率平衡，电流内环用于实现快速跟踪控制；当发生低电压故障时，双向buck/boost变换器工作在buck电路下，直流母线向超级电容充电；当故障消除，双向buck/boost变换器工作在boost电路下，超级电容放电；
超级电容容量的设计应能满足低电压穿越协调控制下，最严重的电网低电压故障，当电网发生0.2pu的低电压故障时，网侧逆变器输出的有功功率表示为：
Figure FDA0003359046150000012
其中igqref_sc是故障发生时网侧逆变器的q轴电流；
故障期间，超级电容储能装置吸收的能量表示为
Esc＝0.625ΔP-Er_max＝0.625(Ps_rate-Pg_sc)-Er_max
其中Ps_rate表示机侧控制器输出的额定功率，Er_max表示电机转子从额定转速升高至极限转速所存储的能量；
超级电容容量表示为
Figure FDA0003359046150000021
其中Usc_rate和Usc_init表示超级电容储能装置额定电压与初始电压，超级电容储能装置充电时，电压从Usc_init上升至Usc_rate，wmax是发电机转子极限转速值，wN是发电机转子额定转速值，igqref_sc是0.2pu故障发生时网侧逆变器的d轴电流,eg为并网点处故障电压；
超级电容储能装置滤波电感的设计需要满足双向buck/boost变换器的工作要求，能够穿越充放电过程中的最大冲击电流，滤波电感通过下式计算
Figure FDA0003359046150000022
其中Iscp表示超级电容工作在buck模式下的额定电流幅值，ΔIscp表示最大允许纹波电流，fs表示buck/boost电路的开关频率，Udc是超级电容侧直流电压；
(4)低电压穿越协调控制方法如下：
网侧逆变器输入至电网的有功功率Pgref通过下式计算
Figure FDA0003359046150000023
相应低电压故障下电机转子最大储存功率Pω_max通过下式计算
Figure FDA0003359046150000024
其中ωmax为电机转子转速极限值，ωN为电机转子转速的额定值，tF为对应低电压允许发电***接入最大时间；
根据故障期间各个环节功率值大小关系将控制策略分为四个模式，使得机侧控制器、网侧控制器和超级电容储能装置在不同情况下有不同的运行状态：
当Pgref≥Ps时，低电压穿越协调控制策略工作在模式1下，此时机侧控制器工作在最大波能捕获模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps>Pgref≥Ps-Pω_max时，低电压穿越协调控制策略工作在模式2下，此时机侧控制器工作在电机转子储能模式下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置无需参与控制；当Ps-Pω_max>Pgref时，低电压穿越协调控制策略工作在模式3下，此时机侧控制器工作在电机转速极限值状态下，网侧控制器工作在无功补偿模式下，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在buck电路下，直流母线开始向超级电容充电；当故障检测器检测到电网低电压故障清除时，低电压穿越控制策略切换到模式4，此时机侧控制器恢复最大波能捕获控制策略，网侧控制器恢复为单位功率因数运行，超级电容储能装置双向buck/boost变换器工作在boost电路下，超级电容放电；直至超级电容电压恢复至初始值，储能装置切出，低电压穿越过程结束。
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