CN114094624B - 一种波浪发电***低电压穿越协调控制方法 - Google Patents
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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
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
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:
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
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
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
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
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
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
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
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
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:
Pω_max可通过下式计算得到
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:
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
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:
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
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
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
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
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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