專利名稱：一種基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于解決風(fēng)電場低電壓穿越的控制方法。
背景技術(shù)：
由于風(fēng)電具有節(jié)約電力系統(tǒng)運行成本、無污染等優(yōu)點，近年來在許多國家得到了快速發(fā)展。隨著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，提高風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下的運行能力變得尤為重要，為此風(fēng)電并網(wǎng)運行導(dǎo)則要求風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓跌落期間應(yīng)具備低電壓穿越(LVRT)能力。由于目前風(fēng)力發(fā)電機組本身的低電壓穿越能力較弱，所以風(fēng)電場LVRT問 題已成為國內(nèi)外研究熱點。實現(xiàn)LVRT方法主要有兩種，一種是改進變流器的控制策略，這種方法一般適用于電壓小幅跌落情況。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障情況下，單靠改進變流器控制策略的方法很難實現(xiàn)LVRT，必須增加硬件控制電路，所以另一種方法是通過增加硬件控制電路，如在轉(zhuǎn)子側(cè)增加Crowbar電路來實現(xiàn)。作為可靈活調(diào)節(jié)的電池儲能系統(tǒng)既能平滑風(fēng)電功率輸出，也可以有效提聞風(fēng)電場的LVRT能力。因此，需要一種新的基于電池儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)以解決上述問題。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)電場低電壓穿越控制方法的不足，提供一種基于電池儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場低電壓穿越控制方法。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的基于電池儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場低電壓穿越控制方法采用如下技術(shù)方案一種基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析器、控制模塊、平滑控制模塊、電池儲能系統(tǒng)、AC/DC變流器、風(fēng)電場和電網(wǎng)，所述數(shù)據(jù)采集器連接所述數(shù)據(jù)分析器，所述數(shù)據(jù)分析器連接所述控制模塊和平滑控制模塊，所述控制模塊和所述平滑控制模塊均連接所述AC/DC變流器，所述電池儲能系統(tǒng)連接所述AC/DC變流器，所述風(fēng)電場和電網(wǎng)相連并連接所述AC/DC變流器；所述數(shù)據(jù)采集器用于采集風(fēng)電場和電池儲能系統(tǒng)PCC點電壓Vpcc，并將所述PCC點電壓Vpcc輸入所述數(shù)據(jù)分析器；所述數(shù)據(jù)分析器用于將所述PCC點電壓Vpcc與PCC點的電壓設(shè)定值Vref進行比較當(dāng)VpCC〈Vref時，所述控制模塊發(fā)揮作用，所述控制模塊控制所述電池儲能系統(tǒng)投入低電壓穿越控制策略；當(dāng)Vpcc=Vref時，所述平滑控制模塊發(fā)揮作用，所述平滑控制模塊控制所述電池儲能系統(tǒng)投入平滑控制策略。其中PCC點電壓即公共連接點電壓。有益效果本發(fā)明的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)從電池儲能系統(tǒng)出發(fā)，對風(fēng)/儲能系統(tǒng)公共連接點(PCC)電壓進行分析，對電池的運行狀況進行控制，以達到滿足風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越控制能力。優(yōu)選的，所述平滑控制模塊包括電池充放電選擇器，將風(fēng)電場輸出功率P與設(shè)定的風(fēng)電場輸出功率最大值Pmax和最小值Pmin進行比較，當(dāng)P > Pmax時，電池充放電選擇器控制電池儲能系統(tǒng)充電；iP<Pmin時，電池充放電選擇器控制電池儲能系統(tǒng)放電，從而實現(xiàn)平滑控制策略。優(yōu)選的，所述控制模塊根據(jù)PCC點電壓Vpcc的動態(tài)變化，并動態(tài)跟蹤設(shè)定值Vref，調(diào)節(jié)PWM控制的調(diào)制波幅值和調(diào)制波相位，得到PWM控制的調(diào)制波信號并與三角載波信號進行PWM控制,從而實現(xiàn)低電壓穿越控制策略。PWM控制(即Pulse Width Modulation-脈寬調(diào)制或脈沖寬度調(diào)制)脈沖寬度調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。優(yōu)選的，所述控制模塊包括PI調(diào)節(jié)器和模糊PI控制器，有功參考電流idMf經(jīng)過所述PI調(diào)節(jié)器并增加耦合電壓id L得到PWM控制的調(diào)制波幅值A(chǔ)，有功參考電流idMf =Pref/V,其中，V為電池輸出電壓有效值，Pref為有功功率參考值；PCC點電壓Vpcc動態(tài)跟蹤 設(shè)定值Vref，經(jīng)過所述模糊PI控制器產(chǎn)生無功電流參考量i_f，再經(jīng)過所述PI調(diào)節(jié)器并增加耦合電壓得到PWM控制的調(diào)制波相位α，通過上述控制可得到PWM控制的調(diào)制波信號Acos (ω t+ α )。本發(fā)明通過觀測PCC點電壓動態(tài)跟蹤控制其設(shè)定值，采用有功、無功解耦PI控制算法，并考慮傳統(tǒng)PI控制動態(tài)差等欠缺，將模糊控制策略應(yīng)用于其中。通過跟蹤控制并網(wǎng)點電壓參考值，經(jīng)過模糊PI控制器調(diào)節(jié)PWM控制中的調(diào)制波信號幅值和相位，得到PWM控制的調(diào)制波信號，以實現(xiàn)風(fēng)電場低電壓穿越控制的目的。優(yōu)選的，所述AC/DC變流器采用IGBT開關(guān)，將PWM控制的調(diào)制波信號與幅值為±1的三角載波信號比較，得到脈沖信號，所述脈沖信號即為PWM控制信號，所述PWM控制信號用于控制所述AC/DC變流器IGBT開關(guān)的狀態(tài)。本發(fā)明采用由全控型功率開關(guān)器件IGBT組成的三相橋式電路的PWM控制技術(shù)，它有效減少變流器的無功損耗，有益電池參與系統(tǒng)低電壓穿越控制。IGBT開關(guān)屬于全控型功率開關(guān)器件，具有驅(qū)動功率小、飽和壓降低、開關(guān)速度快等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于600V及以上的變流系統(tǒng)。優(yōu)選的，所述控制模塊還包括模糊邏輯推理器，模糊PI控制方法包括以下步驟I)、當(dāng)PCC點電壓受到擾動時，產(chǎn)生一個誤差e ；2)、經(jīng)過所述模糊邏輯推理器產(chǎn)生PI參數(shù)調(diào)節(jié)增量ΛΚρ、Aki ；
[K' =Kp+^Kp3)、根據(jù)式P整定PI參數(shù)值Kp、ki;得到所述模糊PI控制器的參數(shù)整定值K' p、k' i，將參數(shù)整定值K' p、k' i作為所述模糊PI調(diào)節(jié)器新的參數(shù)值。優(yōu)選的，所述模糊邏輯推理器的輸入及輸出均采用三角形隸屬函數(shù)建立模糊規(guī)則。
圖I為本發(fā)明基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)中控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)中平滑控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖4為應(yīng)用軟件PSCAD構(gòu)建的本發(fā)明控制系統(tǒng)在未增加電池儲能系統(tǒng)下PCC點電壓動態(tài)響應(yīng)；圖5為應(yīng)用軟件PSCAD構(gòu)建的本發(fā)明控制系統(tǒng)在未增加電池儲能系統(tǒng)下雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子A相電流的動態(tài)響應(yīng)；圖6為應(yīng)用軟件PSCAD構(gòu)建的本發(fā)明控制系統(tǒng)在增加電池儲能系統(tǒng)下PCC點電壓的動態(tài)響應(yīng)；圖7為應(yīng)用軟件PSCAD構(gòu)建的本發(fā)明控制系統(tǒng)在增加電池儲能系統(tǒng)下雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子A相電流的動態(tài)響應(yīng)；圖8為應(yīng)用軟件PSCAD構(gòu)建的本發(fā)明控制系統(tǒng)在增加電池儲能系統(tǒng)下電池儲能系統(tǒng)無功響應(yīng)；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。請參閱圖I所示，本發(fā)明基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖，該控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器I、數(shù)據(jù)分析器2、控制模塊3、平滑控制模塊4、電池儲能系統(tǒng)5、AC/DC變流器6、風(fēng)電場7以及電網(wǎng)8。通過數(shù)據(jù)采集器I得到風(fēng)電場7、電池儲能系統(tǒng)5 (風(fēng)/儲系統(tǒng))PCC點電壓Vpcc (即并網(wǎng)點電壓)，并將其輸入數(shù)據(jù)分析器2與PCC點電壓設(shè)定值Vref進行比較分析。判定電池投切運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，即VpCC〈Vref時，電池儲能系統(tǒng)5投入低電壓穿越控制策略，此時控制模塊3起作用；當(dāng)系統(tǒng)正常運行，即Vpcc=Vref時，電池儲能系統(tǒng)5投入平滑控制策略，此時平滑控制模塊4起作用。該控制策略基于風(fēng)電場輸出功率P與設(shè)定的風(fēng)電場輸出功率最大值Pmax和最小值Pmin進行比較，當(dāng)P > Pmax時，風(fēng)功率過多，電池充電；當(dāng)P < Pmin時，風(fēng)功率不足，電池放電。其中平滑控制模塊4包括電池充放電選擇器12,將風(fēng)電場輸出功率P與設(shè)定的風(fēng)電場輸出功率最大值Pmax和最小值Pmin進行比較，當(dāng)P > Pmax時，風(fēng)功率過多，電池充放電選擇器12控制電池儲能系統(tǒng)5充電；當(dāng)P < Pmin時，風(fēng)功率不足，電池充放電選擇器12控制電池儲能系統(tǒng)5放電。如圖2所示，基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制方法中控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，包括PI調(diào)節(jié)器9、模糊PI控制器10。該控制模塊是電池儲能系統(tǒng)5投入低電壓穿越控制的策略。有功電流參考量idMf = Pref/V作為控制跟蹤電池輸出有功參考量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器9并增加耦合電壓id L得到PWM控制的調(diào)制波幅值A(chǔ)。其中，idref = Pref/V (V為電池輸出電壓有效值)作為控制跟蹤電池輸出有功電流參考量，即電池輸出交流側(cè)D軸控制參考量，反映的是系統(tǒng)有功功率的需求。PCC點電壓Vpcc動態(tài)跟蹤設(shè)定值Vref，經(jīng)過模糊PI控制器10產(chǎn)生無功電流參考量iff6f，作為電池輸出交流側(cè)Q軸控制參考量，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器9并增加耦合電壓L得到PWM控制的調(diào)制波相位a，由此得到PWM控制的調(diào)制波信號AcoS( t+a)。其中，AC/DC變流器6采用IGBT開關(guān)。將調(diào)制波信號Acos ( t+a )與幅值為±1的三角載波信號比較后得到脈沖信號，即PWM開關(guān)信號，利用此PWM開關(guān)信號控制AC/DC變流器6IGBT開關(guān)狀態(tài)。利用PWM開關(guān)信號控制IGBT開關(guān)狀態(tài)的方法為將PWM控制的調(diào)制波信號，并與幅值為±1的三角載波信號比較得到觸發(fā)AC/DC變流器IGBT開關(guān)的信號。其中，模糊PI控制機理是I)、當(dāng)PCC點電壓受到擾動時，產(chǎn)生一個誤差e ；2)、經(jīng)過所述模糊邏輯推理器產(chǎn)生PI參數(shù)調(diào)節(jié)增量ΛΚρ、Aki ；
\Κ'=Κ+ΑΚΡ3)、根據(jù)式+"M 〃整定PI參數(shù)值Kp、ki;得到所述模糊PI控制器的參數(shù)整
定值K, p、k, i，將該參數(shù)整定值將作為所述模糊PI調(diào)節(jié)器新的參數(shù)值。本發(fā)明的低電壓穿越控制原理首先從電池儲能系統(tǒng)出發(fā)，對風(fēng)/儲能系統(tǒng)公共 連接點(PCC)電壓進行分析，提出對電池的運行狀況進行控制的指令，以達到滿足風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越控制能力；其次，由于傳統(tǒng)PI控制響應(yīng)差等特點，將模糊控制應(yīng)用于其中，以達到改善LVRT效果；最后，增加耦合電壓，適當(dāng)調(diào)節(jié)PWM控制中的調(diào)制波信號幅值和相位，并采用PWM技術(shù)控制由全控型功率開關(guān)器件IGBT組成的三相橋式電路，從而實現(xiàn)了電池儲能系統(tǒng)改善系統(tǒng)低電壓芽越功能。對照附圖I、附圖2，在仿真軟件PSCAD平臺上搭建了上述控制系統(tǒng)。設(shè)某風(fēng)電場7出口增設(shè)一電池儲能系統(tǒng)5，該電池采用鋰電池儲能系統(tǒng)，在并網(wǎng)點發(fā)生三相短路故障，故障跌落深度為30%，故障持續(xù)時間O. 5s。如圖4和圖5所示，應(yīng)用仿真軟件PSCAD構(gòu)建的本發(fā)明控制系統(tǒng)在未增加鋰電池儲能系統(tǒng)5下PCC點電壓及雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(DFIG)定、轉(zhuǎn)子A相電流的動態(tài)響應(yīng)。電網(wǎng)故障時，風(fēng)電場在沒有電池儲能系統(tǒng)5控制時，PCC點電壓迅速跌落至O. 7pu,由此造成DFIG定、轉(zhuǎn)子電流增大，給變流器帶來很大沖擊。如圖6、圖7和圖8所示，應(yīng)用仿真軟件PSCAD構(gòu)建的本發(fā)明控制系統(tǒng)在增加電池儲能系統(tǒng)5下PCC點電壓及DFIG定、轉(zhuǎn)子A相電流的動態(tài)響應(yīng)。電池儲能系統(tǒng)5馬上響應(yīng)補償無功以支撐公共連接點電壓穩(wěn)定，如圖8所示。由于系統(tǒng)電壓恢復(fù)，DFIG定、轉(zhuǎn)子電流也做出反應(yīng)被控制在期望的范圍內(nèi)，定子電流上升幅度低于2倍額定值，轉(zhuǎn)子電流基本控制在初始值，如圖7所示。增加BESS控制系統(tǒng)使得系統(tǒng)能及時回復(fù)至初始值，風(fēng)電場實現(xiàn)了低電壓穿越，系統(tǒng)恢復(fù)了穩(wěn)定。本發(fā)明通過觀測PCC點電壓動態(tài)跟蹤控制其設(shè)定值，采用有功、無功解耦PI控制算法，并考慮傳統(tǒng)PI控制動態(tài)差等欠缺，將模糊控制策略應(yīng)用于其中。通過跟蹤控制并網(wǎng)點電壓參考值，經(jīng)過模糊PI控制器調(diào)節(jié)PWM控制中的調(diào)制波信號幅值和相位，得到PWM控制的調(diào)制波信號，以實現(xiàn)風(fēng)電場低電壓穿越控制的目的。采用由全控型功率開關(guān)器件IGBT組成的三相橋式電路的PWM控制技術(shù)，它有效減少變流器的無功損耗，有益電池參與系統(tǒng)低電壓穿越控制。
權(quán)利要求
1.一種基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集器(I)、數(shù)據(jù)分析器(2)、控制模塊(3)、平滑控制模塊(4)、電池儲能系統(tǒng)(5)、AC/DC變流器(6)、風(fēng)電場(7)和電網(wǎng)(8)，所述數(shù)據(jù)采集器連接所述數(shù)據(jù)分析器，所述數(shù)據(jù)分析器連接所述控制模塊(3)和平滑控制模塊(4)，所述控制模塊(3)和所述平滑控制模塊(4)均連接所述AC/DC變流器(6 )，所述電池儲能系統(tǒng)(5 )連接所述AC/DC變流器，所述風(fēng)電場(7 )和電網(wǎng)(8 )相連并連接所述AC/DC變流器(6 );所述數(shù)據(jù)采集器(I)用于采集風(fēng)電場(7 )和電池儲能系統(tǒng)(5)PCC點電壓Vpcc，并將所述PCC點電壓Vpcc輸入所述數(shù)據(jù)分析器(2);所述數(shù)據(jù)分析器(2 )用于將所述PCC點電壓Vpcc與PCC點的電壓設(shè)定值Vref進行比較當(dāng)Vpcc〈Vref時，所述控制模塊(3)發(fā)揮作用，所述控制模塊(3)控制所述電池儲能系統(tǒng)(5)投入低電壓穿越控制策略；當(dāng)Vpcc=Vref時，所述平滑控制模塊(4 )發(fā)揮作用，所述平滑控制模塊(4 )控制所述電池儲能系統(tǒng)(5)投入平滑控制策略。
2.如權(quán)利要求I所述的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，所述平滑控制模塊(4)包括電池充放電選擇器(12)，將風(fēng)電場(7)輸出功率P與設(shè)定的風(fēng)電場輸出功率最大值Pmax和最小值Pmin進行比較，當(dāng)P>Pmax時，電池充放電選擇器(12)控制電池儲能系統(tǒng)(5)充電；當(dāng)P < Pmin時，電池充放電選擇器(12)控制電池儲能系統(tǒng)(5)放電，從而實現(xiàn)平滑控制策略。
3.如權(quán)利要求I所述的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊(3)包括模糊PI控制器(10)，根據(jù)PCC點電壓Vpcc的動態(tài)變化，利用所述模糊PI控制器(10)動態(tài)跟蹤PCC點的電壓設(shè)定值Vrefdff PWM控制的調(diào)制波幅值和調(diào)制波相位，得到PWM控制的調(diào)制波信號并與三角載波信號進行PWM控制，從而實現(xiàn)低電壓穿越控制策略。
4.如權(quán)利要求3所述的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊(3)還包括PI調(diào)節(jié)器(9)，有功參考電流idMf經(jīng)過所述PI調(diào)節(jié)器(9)并增加耦合電壓id L得到PWM控制的調(diào)制波幅值A(chǔ)，有功參考電流idMf = PMf/V，其中，V為電池輸出電壓有效值，Pref為有功功率參考值；PCC點電壓Vpcc動態(tài)跟蹤設(shè)定值Vref，經(jīng)過所述模糊PI控制器(10)產(chǎn)生無功電流參考量iV6f，再經(jīng)過所述PI調(diào)節(jié)器(9)并增加耦合電壓L得到PWM控制的調(diào)制波相位a，通過上述控制可得到PWM控制的調(diào)制波信號Acos (to t+ a )。
5.如權(quán)利要求3所述的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，所述AC/DC變流器(6)采用IGBT開關(guān)，將PWM控制的調(diào)制波信號與幅值為±1的三角載波信號比較，得到脈沖信號，所述脈沖信號即為PWM控制信號，所述PWM控制信號用于控制所述AC/DC變流器IGBT開關(guān)的狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求4所述的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊(3)還包括模糊邏輯推理器，模糊PI控制方法包括以下步驟 1)、當(dāng)PCC點電壓受到擾動時，產(chǎn)生一個誤差e； 2)、經(jīng)過所述模糊邏輯推理器(11)產(chǎn)生PI參數(shù)調(diào)節(jié)增量AKp、Aki； \K' =Kp+AKp 3)、根據(jù)式,","整定PI參數(shù)值Kp、ki，得到所述模糊PI控制器(10)的參數(shù) I先=Kj + M,-整定值K' p、k' i，將整定值K' p、k' i作為所述模糊PI調(diào)節(jié)器(10)新的參數(shù)值。
7.如權(quán)利要求6所述的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊邏輯推理器(11)的輸入及輸出均采用三角形隸屬函數(shù)建立模糊規(guī)則。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析器、控制模塊、平滑控制模塊、電池儲能系統(tǒng)、AC/DC變流器、風(fēng)電場和電網(wǎng)，數(shù)據(jù)分析器用于將PCC點電壓Vpcc與PCC點的電壓設(shè)定值Vref進行比較當(dāng)Vpcc<Vref時，控制模塊發(fā)揮作用，控制模塊控制電池儲能系統(tǒng)投入低電壓穿越控制策略；當(dāng)Vpcc=Vref時，平滑控制模塊發(fā)揮作用，平滑控制模塊控制電池儲能系統(tǒng)投入平滑控制策略。本發(fā)明的基于電池儲能的風(fēng)電場低電壓穿越控制系統(tǒng)從電池儲能系統(tǒng)出發(fā)，對風(fēng)/儲能系統(tǒng)公共連接點(PCC)電壓進行分析，對電池的運行狀況進行控制，以達到滿足風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越控制能力。
文檔編號H02J3/32GK102832638SQ20121030773
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者潘文霞, 何海平, 傅中興, 吳雨, 吳松鶴, 郭歡, 馮博, 張陽, 孫成祥, 朱建紅 申請人:河海大學(xué)