CN114301103A

CN114301103A - 风储协调的直驱风电机组控制方法及***

Info

Publication number: CN114301103A
Application number: CN202210221146.3A
Authority: CN
Inventors: 王瑞明; 丁磊; 齐琛; 鲍威宇; 代林旺
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2042-03-09
Also published as: CN114301103B

Abstract

本发明提出了风储协调的直驱风电机组控制方法及***，属于电力***中风储协调控制技术领域，解决的技术问题是：现有技术未能综合考虑各种相关的因素，无法对风电机组和储能单元的控制予以协调，包括：获取电力***频率并与设定第一阈值及第二阈值分别进行比较，根据所在范围分别进行控制；其中，当电力***频率处于第一阈值及第二阈值之间时，直流侧储能单元的荷电状态应处于设定区间内；当电力***频率小于第一阈时，为风电机组频率响应提供有功功率；当电力***频率大于第二阈值时，为风电机组频率响应提供有功功率，同时通过风力发电机变桨控制。本发明通过在风电机组的直流侧配置储能***，可以实现风电机组的电压源组网运行。

Description

风储协调的直驱风电机组控制方法及***

技术领域

本发明属于电力***中风储协调控制技术领域，尤其涉及风储协调的直驱风电机组控制方法及***。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

以新能源为主体的新型电力***规划，给风电机组的并网运行能力提出了更高的要求。

电压源组网型风电机组具备良好的弱电网适应性及电网主动支撑能力，是一种极具前景的技术路线，但其具体实施方案尚未明确。

风储协调控制的现有技术包括：风储联合风电变流器及其控制方法，包括风储联合风电变流器的结构、控制原理、和控制子模式划分；风储***调频方法，包括根据***频率变化调节储能的充放电功率，以实现对电网频率调节的控制方法，和基于双层协调技术对风电机组和附加飞轮储能分别施加控制以实现对电网进行调频响应的方法；以及风储集群的调频调压控制方法，包括根据风况和电力***的实时电气状态确定有功功率和无功功率的调节方法等。

现有技术存在的问题主要包括：

一方面，现有技术均基于风电机组的常规控制方式提出，即电流源型并网控制方式。但随着风电渗透率的提高，采用电流源型并网控制的风电机组无法保证***稳定运行，需要采用电压源组网型控制。

另一方面，现有技术未能综合考虑电网正常运行和频率偏差等不同工况，以及储能单元荷电状态等因素，以对风电机组和储能单元的控制予以协调，满足风储协调的直驱风电机组在不同运行条件下的稳定电压源组网运行。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了风储协调的直驱风电机组控制方法，可实现风储协同的直驱式风电机组电压源组网运行。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了风储协调的直驱风电机组控制方法，包括：

获取电力***频率并与设定第一阈值及第二阈值分别进行比较，根据所在范围分别进行控制；

其中，当电力***频率处于第一阈值及第二阈值之间时，直流侧储能单元的荷电状态应处于设定区间内，当储能单元荷电状态偏离上述区间时，则通过对电网侧变流器输出功率的控制，使其恢复荷电状态；

当电力***频率小于第一阈值时，通过控制直流母线电压恒定，直流侧储能单元自发放电，为风电机组频率响应提供有功功率，当放电至荷电状态小于荷电状态的下限值时，通过电网侧变流器控制停止放电；

当电力***频率大于第二阈值时，通过控制直流母线电压恒定，储能***自发充电，为风电机组频率响应提供有功功率，同时通过风力发电机变桨控制，实现整体风电机组降功率运行并避免直流侧储能单元过充。

进一步的技术方案，当电力***频率处于第一阈值及第二阈值之间时，直流侧储能单元的荷电状态应处于设定区间内，电网侧变流器调节有功功率参考值，输出风力发电机所捕获的最大风能功率，进行风电机组最大功率跟踪运行。

进一步的技术方案，电网侧变流器调节有功功率参考值，之后，风电机组主控制器控制电机侧变流器使得输出风力发电机捕获最大风能功率。

进一步的技术方案，当储能单元荷电状态偏离上述区间时，则通过对电网侧变流器输出功率的控制，使其恢复荷电状态，具体为：

当储能单元的荷电状态未处于设定区间时，电网侧变流器调整有功功率参考值使其小于或大于最大风能捕获功率，从而使部分风力发电机捕获风能流入储能单元或使储能单元放电，调整储能单元的荷电状态恢复至所需的设定区间。

进一步的技术方案，当电力***频率小于第一阈值，调整电机侧变流器使其有功功率输出为

为风电机组主控制器向电机侧变流器下发的有功功率控制指令，

为风电机组所能捕获的最大风功率，

为电压源组网控制的虚拟惯量参数，

为电压源组网控制的额定角速度参数，

为电压源组网控制的角速度，

为角速度对时间的微分量；

在进行最大功率追踪控制的同时，释放部分转子惯量以进行功率支撑，同时风电机组主控制器配合对风力发电机转速进行监控和控制。

进一步的技术方案，当电力***频率小于第一阈值，当直流侧储能单元的荷电状态大于所允许的最小值时，电网侧变流器设定参考有功功率为最大风能捕获功率，该有功功率由直流侧储能放电和风力发电机转子动能提供。

进一步的技术方案，当电力***频率小于第一阈值，当直流侧储能单元的荷电状态降低至所允许的最小值时，调整电网侧变流器设定参考有功功率，使其对外不再提供附加有功功率，风电机组输出所捕获的最大风能功率。

进一步的技术方案，当电力***频率大于第二阈值时，电网侧变流器设定参考有功功率为最大风能捕获功率，有功功率由直流侧储能充电和风力发电机变桨控制提供。

进一步的技术方案，当电力***频率大于第二阈值时，增大风力发电机组桨距角，使电机侧变流器有功功率输出为

降低风电机组的输出功率以进行频率支撑。

第二方面，公开了风储协调的直驱风电机组控制***，包括：

储能侧变流器、电网侧变流器、电机侧变流器和风电机组主控制器；

电机侧变流器和电网侧变流器之间的直流环节连接有储能侧变流器；

所述风电机组主控制器获取电力***频率并与设定第一阈值及第二阈值分别进行比较，根据所在范围分别进行控制；

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明通过在风电机组的直流侧配置储能***，实现风储集成的一体化设计和协调运行，借助储能提供稳定的直流电压支撑和功率备用，可以实现风电机组的电压源组网运行。

本发明由直流侧储能***控制直流环节电压稳定，并提供频率响应过程中的能量充放。

本发明由电网侧变流器实现电压源组网运行，对外建立电压并提供主动频率支撑。

本发明由电机侧变流器协同风电机组主控制器，实现正常运行状态下的最大能量跟踪控制，并在频率响应过程中利用转子转速调节和桨距角调节，提供部分能量支撑。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例风储协调的直驱风电机组示意图；

图2为本发明实施例电网侧变流器的电压源组网控制框图；

图3为本发明实施例直流侧储能***对直流环节的电压控制流程示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了风储协调的直驱风电机组控制方法，包括：

为了实现风电机组的控制，需要采集的数据包括：并网点三相电压V _abc、并网点三相电流I _abc、储能单元的荷电状态（state of charge，SOC），以及风电机组和储能单元正常运行控制所需要的其他常规采集数据。

采集数据的利用方式为：

根据所采集得到的并网点三相电压V _abc和并网点三相电流I _abc，经计算得到风电机组的输出有功功率P _e、无功功率Q _e和电压测量值V _m，进而采用如图2所示方法进行电压源组网控制。

根据所采集得到的并网点三相电压V _abc，经计算得到电网频率，根据计算所得的电网频率和采集得到的储能单元荷电状态，按照控制方法进行风储协调的直驱风电机组控制。

控制流程为：

（1）根据所采集得到的并网点三相电压V _abc，经计算得到电网频率；

（2）根据计算得到的电网频率和采集得到的储能单元荷电状态，确定电网和风电机组所处的状态，按照下面的方法分别对电网侧变流器、直流侧储能***、以及电机侧变流器和风电机组主控制器进行控制，实现风储协调的直驱风电机组的电压源组网运行。

本发明在直驱风电机组电机侧变流器和电网侧变流器之间的直流环节上，通过储能侧变流器接入附加储能单元；

利用储能侧变流器及储能单元控制直流环节电压稳定，并提供频率响应过程中的能量充放。

电网侧变流器采用电压源组网控制方法：

电机侧变流器协同风电机组主控制器，实现正常运行状态下的最大能量跟踪控制，并在频率响应过程进行转子转速调节和桨距角调节。

具体的，风电机组电网侧变流器采用如图2所示方法进行电压源组网控制，包括：

1）正常运行状态，即检测到***频率处于[50-Df _db, 50+Df _db]时（其中Df _db为频率响应控制死区），电网侧变流器的有功功率控制参考值按照以下方式选取：

其中DP为由制造厂商或运行调度人员确定的功率偏差值，可根据捕获的风功率和储能单元的充放电功率要求确定，其目的是产生机组输出功率和捕获风功率之间的偏差，通过偏差功率DP为储能单元充电或放电。

当直流侧储能单元的SOC处于[60%, 70%]区间内时，电网侧变流器调节有功功率参考值，输出风力发电机所捕获的最大风能功率P _MPPT，实现风电机组最大功率跟踪运行（maximum power point tracking，MPPT）；当储能单元的SOC小于60%（或大于70%）时，电网侧变流器调整有功功率参考值P _ref使其小于（或大于）最大风能捕获功率P _MPPT，从而使部分风力发电机捕获风能流入储能单元（或使储能单元放电），从而可调整储能单元的SOC恢复至所需的[60%, 70%]区间。

2）当检测到***频率小于50-Df _db时，电网侧变流器的有功功率控制参考值按照以下方式选取：

当直流侧储能单元的SOC大于所允许的最小值SOC_min时，电网侧变流器设定参考有功功率P _ref为最大风能捕获功率P _MPPT，此时根据所述的电压源组网控制策略，具体控制流程见图2所示，可自发地提供有功功率支撑，该有功功率由直流侧储能放电和风力发电机转子动能提供；当直流侧储能单元的SOC降低至所允许的最小值SOC_min时，直流侧储能单元无法继续进行功率支撑，此时通过调整电网侧变流器设定有功功率参考P _ref，使其对外不再提供附加有功功率，风电机组输出所捕获的最大风能功率P _MPPT。

3）当检测到***频率大于50+Df _db时，电网侧变流器的有功功率控制参考值按照以下方式选取：

电网侧变流器设定参考有功功率P _ref为最大风能捕获功率P _MPPT，并根据所述的电压源组网型控制组策略自发地提供有功功率支撑，此时所支撑的有功功率由直流侧储能充电和风力发电机变桨控制提供。

更为具体的例子中，再次参见附图2所示，电压源组网控制具体的控制过程：在有功功率-相角控制环中，首先由有功功率指令P _ref和有功功率计算值P _e的偏差，经过转子动态模拟环节，生成角速度偏差Dw=w-w ₀，其中转子动态模拟环节所表示的特性可描述为Jw ₀(dw/dt)=P _ref-P _e-K _p(w-w ₀)；进而由角速度偏差Dw和角速度额定值w ₀相加，得到角速度控制参考w _ref，并经过积分环节，得到相角控制参考q _ref。

在无功功率-电压控制环中，首先由无功功率指令Q _ref和无功功率计算值Q _e的偏差，以及电压指令V _ref和电压测量值V _m的偏差，分别经过比例环节K _q和K _v，得到控制信号K _q×DQ和K _v×DV；进而由控制信号K _q×DQ和K _v×DV相加，并经过积分环节，生成输出电压控制偏差DE，与输出电压额定值E ₀相加，得到输出电压控制参考E _ref。

随后，由相角控制参考q _ref和输出电压控制参考E _ref，经过参考电压生成和dq坐标变换环节，得到dq轴的输出电压控制参考E _d,ref和E _q,ref，并与相角控制参考q _ref一起传递至电压环控制；接下来，在电压环控制中经过PI（比例-积分）环节，生成dq轴的电流控制参考I _d,ref和I _q,ref，并与相角控制参考q _ref一起传递至电流环控制；最后，在电流环控制中经过PI（比例-积分）环节，生成桥臂三相交流电压控制参考e _ref，供PWM调制环节，生成电力电子开关触发信号。

具体的，直流侧储能***采用如图3所示方法对直流环节电压进行控制，包括：

1）正常运行状态，即检测到***频率处于[50-Df _db, 50+Df _db]时，直流侧储能单元的SOC应处于[60%， 70%]区间内，当储能单元SOC偏离上述区间时，则通过对电网侧变流器输出功率的控制，使其恢复SOC状态。

2）当检测到***频率小于50-Df _db时，通过控制直流母线电压恒定，储能***自发放电，为风电机组频率响应提供有功功率支撑，当放电至SOC<SOC_min时，通过所述的电网侧变流器控制可停止放电。

3）当检测到***频率大于50+Df _db时，通过控制直流母线电压恒定，储能***自发充电，为风电机组频率响应提供有功功率支撑，同时通过所述风力发电机变桨控制，实现整体风电机组降功率运行并避免储能单元过充。

电机侧变流器和风电机组主控制器，工作过程为：

1）1）正常运行状态，即检测到***频率处于[50 - Df _db, 50 + Df _db]时，采用MPPT控制，使其有功功率输出为

此时，输出风力发电机可捕获的最大风能功率P _MPPT；

2）当检测到***频率小于50 - Df _db时，调整电机侧变流器使其有功功率输出为

其中，P _wt为风电机组主控制器向电机侧变流器下发的有功功率控制指令，P _MPPT为风电机组所能捕获的最大风功率，J为电压源组网控制（如图2所示）的虚拟惯量参数，w ₀为电压源组网控制的额定角速度参数，w为电压源组网控制的角速度，dw/dt为角速度对时间的微分量。

在进行MPPT控制的同时，释放部分转子惯量以进行功率支撑，同时风电机组主控制器配合对风力发电机转速进行监控和控制。

3）当检测到***频率大于50+Df _db时，增大风力发电机组桨距角

，使电机侧变流器有功功率输出为：

降低风电机组的输出功率以进行频率支撑。

本发明提出的一种风储协调的电压源组网型直驱风电机组运行控制方法，可实现直驱式风电机组的电压源组网运行，并通过风电机组和直流侧储能***的协调，实现风电机组对电网的主动频率响应。

实施例二

本实施例的目的是提供风储协调的直驱风电机组控制***，参见附图1所示，包括：

本发明利用直流侧储能***提供直流环节的电压稳定控制以及频率响应时的功率备用，实现风电机组的电压源组网运行。本发明所提出的方案协同储能侧变流器、电网侧变流器、电机侧变流器和风电机组主控制器运行，实现风储协调。

其中，风电机组主控制器和变流器控制器都是机组的实际硬件控制器，主控制器可视为风电机组内的最高级控制器，对机组机械部分的风功率捕获、以及电气部分的电网功率输出等统一进行上级调控。变流器控制根据主控的控制指令，针对电力电子并网变流器，主要进行并网功率、电压、电流等控制。

本发明在常规直驱风电机组电机侧变流器和电网侧变流器之间的直流环节上，通过储能侧变流器接入附加储能单元，构成风储集成一体化设计和协调运行，上述***的具体控制过程或者工作原理参见实施例子一的方法。

以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

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。

Claims

1.风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，当电力***频率处于第一阈值及第二阈值之间时，直流侧储能单元的荷电状态应处于设定区间内，电网侧变流器调节有功功率参考值，输出风力发电机所捕获的最大风能功率，进行风电机组最大功率跟踪运行。

3.如权利要求2所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，电网侧变流器调节有功功率参考值，之后，风电机组主控制器控制电机侧变流器使得输出风力发电机捕获最大风能功率。

4.如权利要求2所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，当储能单元荷电状态偏离上述区间时，则通过对电网侧变流器输出功率的控制，使其恢复荷电状态，具体为：

5.如权利要求1所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，当电力***频率小于第一阈值，调整电机侧变流器使其有功功率输出为

P _wt为风电机组主控制器向电机侧变流器下发的有功功率控制指令，P _MPPT为风电机组所能捕获的最大风功率，J为电压源组网控制的虚拟惯量参数，w ₀为电压源组网控制的额定角速度参数，w为电压源组网控制的角速度，dw/dt为角速度对时间的微分量；

6.如权利要求1所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，当电力***频率小于第一阈值，当直流侧储能单元的荷电状态大于所允许的最小值时，电网侧变流器设定参考有功功率为最大风能捕获功率，该有功功率由直流侧储能放电和风力发电机转子动能提供。

7.如权利要求6所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，当电力***频率小于第一阈值，当直流侧储能单元的荷电状态降低至所允许的最小值时，调整电网侧变流器设定参考有功功率，使其对外不再提供附加有功功率，风电机组输出所捕获的最大风能功率。

8.如权利要求1所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，当电力***频率大于第二阈值时，电网侧变流器设定参考有功功率为最大风能捕获功率，有功功率由直流侧储能充电和风力发电机变桨控制提供。

9.如权利要求1所述的风储协调的直驱风电机组控制方法，其特征是，当电力***频率大于第二阈值时，增大风力发电机组桨距角，使电机侧变流器有功功率输出为

P _wt为风电机组主控制器向电机侧变流器下发的有功功率控制指令，P _MPPT为风电机组所能捕获的最大风功率，J为电压源组网控制的虚拟惯量参数，w ₀为电压源组网控制的额定角速度参数，w为电压源组网控制的角速度，dw/dt为角速度对时间的微分量，

为角速度偏差；

降低风电机组的输出功率以进行频率支撑。

10.实现权利要求1-9任一所述的风储协调的直驱风电机组控制方法的控制***，其特征是，包括：

电机侧变流器和电网侧变流器之间的直流环节连接有储能侧变流器