一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)及控制方法，發(fā)電系統(tǒng)包括能量模塊、被控對象、有功控制器和慣性同步控制器；能量模塊用于將獲取的其他能源轉(zhuǎn)換為電能或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為其他頻率的電能；有功控制器的輸入端連接至能量模塊的第二輸出端，有功控制器的輸出端連接被控對象，有功控制器用于控制被控對象的有功功率的輸出；慣性同步控制器的輸入端用于連接并入的交流系統(tǒng)，慣性同步控制器的輸出端連接被控對象，慣性同步控制器用于控制發(fā)電系統(tǒng)與并入的交流系統(tǒng)同步并使得發(fā)電系統(tǒng)具有致穩(wěn)能力。本發(fā)明可以提高現(xiàn)有的受變流器控制的發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的致穩(wěn)性無需對系統(tǒng)的頻率進(jìn)行測量，無需構(gòu)建新的控制回路就能達(dá)到預(yù)期目的，節(jié)約成本，并且不增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
【專利說明】一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、儲(chǔ)能、直流輸電等受變流器控制的發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著受變流器控制的電源系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的滲透率的提高，與系統(tǒng)直接相連的傳統(tǒng)的電源如同步電機(jī)等的份額逐漸減小。以系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定為例，現(xiàn)有同步電機(jī)系統(tǒng)，具有穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的能力，并能參與系統(tǒng)頻率的維穩(wěn)過程；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差時(shí)，同步電機(jī)主要通過慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻來維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，同步電機(jī)之間通過整步轉(zhuǎn)矩的作用恢復(fù)同步。
[0003]而現(xiàn)有的這些受變流器控制的電源系統(tǒng)對電力系統(tǒng)是沒有致穩(wěn)性的。致穩(wěn)性，是指設(shè)備增進(jìn)系統(tǒng)或者其他設(shè)備穩(wěn)定性的一種能力。更具體地說，從頻率穩(wěn)定的角度，這些電源系統(tǒng)在系統(tǒng)中既不具有慣性，也不能提供整步轉(zhuǎn)矩。因此，用這些受變流器控制的電源系統(tǒng)取代同步電機(jī)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定而言是不利的。
[0004]這些非傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)給系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定的問題，已經(jīng)得到了大家的關(guān)注。從
一個(gè)重要的方面--丨貫性的角度上，已經(jīng)有很多人提出了實(shí)現(xiàn)慣性的方法。但這些方法都
有一個(gè)共同點(diǎn)，即是根據(jù)測得的系統(tǒng)頻率而改變電磁功率或電磁轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值，從而改變風(fēng)機(jī)輸出功率，模擬同步機(jī)所具有的功能。如圖1所示，對系統(tǒng)的頻率進(jìn)行測量，得到系統(tǒng)頻率的變化率，基于系統(tǒng)頻率的變化率產(chǎn)生`電磁功率或電磁轉(zhuǎn)矩的附加的控制指令，從而迫使發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生改變，釋放出存儲(chǔ)的機(jī)械能。
[0005]現(xiàn)有的方法非常直觀，但是在實(shí)施的過程中，需要對系統(tǒng)的頻率進(jìn)行測量，增加控制環(huán)路，增加了成本，并且新加的控制回路對風(fēng)機(jī)也會(huì)有很多未知的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)及控制方法；其目的在于為現(xiàn)有的受變流器控制的發(fā)電系統(tǒng)提供致穩(wěn)能力由此解決這類發(fā)電系統(tǒng)滲透率增高對電網(wǎng)帶來不穩(wěn)定因素的技術(shù)問題。
[0007]本發(fā)明提供了一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)，包括能量模塊、被控對象、有功控制器和慣性同步控制器；所述能量模塊的輸入端用于獲取外部的能源，所述能量模塊的第一輸出端連接所述被控對象，所述能量模塊用于將獲取的其他能源轉(zhuǎn)換為電能或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為其他頻率的電能；所述有功控制器的輸入端連接至所述能量模塊的第二輸出端，所述有功控制器的輸出端連接所述被控對象，所述有功控制器用于控制所述被控對象的有功功率的輸出；所述慣性同步控制器的輸入端用于連接并入的交流系統(tǒng)，所述慣性同步控制器的輸出端連接所述被控對象，所述慣性同步控制器用于控制發(fā)電系統(tǒng)與并入的交流系統(tǒng)同步并使得所述發(fā)電系統(tǒng)具有致穩(wěn)能力。
[0008]更進(jìn)一步地，工作時(shí)，所述被控對象從能量模塊獲取的有功功率由有功控制器所控制，而被控對象從能量模塊獲取的電能在慣性同步控制器的控制下被轉(zhuǎn)化為與交流系統(tǒng)同頻率的交流電并輸入至交流系統(tǒng)；在有功控制器和慣性同步控制器的共同控制下，被控對象能夠產(chǎn)生與所述交流系統(tǒng)同頻的交流電，并能在所述交流系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)改變輸出的有功功率，體現(xiàn)慣性。
[0009]更進(jìn)一步地，慣性同步控制器包括:電網(wǎng)信息采集模塊、信號(hào)處理模塊、慣性控制模塊和積分模塊；所述電網(wǎng)信息采集模塊用于采集交流系統(tǒng)的電壓信息；所述信號(hào)處理模塊用于將采集的信息進(jìn)行濾波處理和坐標(biāo)變換后，輸出已濾除噪聲干擾的基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓直軸分量或電壓交軸分量；所述慣性控制模塊用于根據(jù)所述電壓直軸分量或電壓交軸分量與給定值的差值對輸出角頻率進(jìn)行調(diào)整，使得所述慣性同步控制器的響應(yīng)速度慢至能讓所述發(fā)電系統(tǒng)具有致穩(wěn)能力；所述積分模塊用于將所述輸出角頻率進(jìn)行積分運(yùn)算得到輸出角度。
[0010]更進(jìn)一步地，所述慣性控制模塊和積分模塊集成于一體。
[0011]本發(fā)明還提供了一種基于上述的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，包括下述步驟:
[0012]S1:采集交流系統(tǒng)的端電壓信息；
[0013]S2:將采集的信息進(jìn)行濾波處理和坐標(biāo)變換后輸出已濾除噪聲干擾的基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓直軸分量或電壓交軸分量；
[0014]S3:根據(jù)所述電壓直軸分量或電壓交軸分量與給定值的差值對輸出角頻率進(jìn)行調(diào)整；通過慣性控制調(diào)整慣性同步控制器的響應(yīng)速度慢至能讓發(fā)電系統(tǒng)體現(xiàn)滿足系統(tǒng)需求的慣性，
[0015]S4:將所述輸出的角頻率進(jìn)行積分運(yùn)算后輸出角度。
[0016]更進(jìn)一步地，所述控制方法還包括下述步驟:根據(jù)需要發(fā)電系統(tǒng)提供慣性的多少相應(yīng)地調(diào)整有功控制的響應(yīng)速度，使得有功控制的響應(yīng)速度降至相應(yīng)的時(shí)間尺度。
[0017]更進(jìn)一步地，在步驟S2中，所述坐標(biāo)變換基于慣性同步控制器的輸出角度。
[0018]更進(jìn)一步地，在步驟S3中，通過調(diào)整所述輸出角頻率使得所述電壓直軸分量或電壓交軸分量與所述給定值無靜差。
[0019]本發(fā)明可以提高現(xiàn)有的受變流器控制的發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的致穩(wěn)性，例如提供慣性；無需對系統(tǒng)的頻率進(jìn)行測量，無需構(gòu)建新的控制回路就能達(dá)到預(yù)期目的，節(jié)約成本，并且不增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。另外，本方法在提供慣性的同時(shí)，也能提供整步轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)設(shè)備之間恢復(fù)同步。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是現(xiàn)有為受變流器控制的發(fā)電系統(tǒng)提供慣性的控制方法；
[0021]圖2是鎖相環(huán)鎖相的矢量原理圖；
[0022]圖3是鎖相環(huán)的基本控制框圖；
[0023]圖4是鎖相環(huán)同步的基本原理圖；
[0024]圖5是內(nèi)電勢矢量與端電壓矢量關(guān)系圖，其中(a)為物理關(guān)系圖，(b)為矢量關(guān)系圖；
[0025]圖6是頻率降低時(shí)基于鎖相環(huán)同步發(fā)電系統(tǒng)的各矢量變化圖；
[0026]圖7是頻率降低時(shí)同步速度減慢時(shí)各矢量變化圖，其中(a)為有功功率控制較慢時(shí)矢量變化圖，(b)為有功功率控制較快時(shí)矢量變化圖；
[0027]圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)中慣性同步控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖10是基于較快有功功率控制的全功率風(fēng)機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D；
[0030]圖11是基于較慢有功功率控制的全功率風(fēng)機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D；
[0031]圖12是雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0033]本發(fā)明使用于風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、儲(chǔ)能、直流輸電等受變流器控制的電源系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種通過改變同步控制讓電源系統(tǒng)對電網(wǎng)系統(tǒng)提供慣性、整步轉(zhuǎn)矩等，體現(xiàn)致穩(wěn)性的一種方法。
[0034]交流電系統(tǒng)由于存在頻率和相位，連接于交流電網(wǎng)的設(shè)備都需要與電網(wǎng)的交流電進(jìn)行同步，從而達(dá)到功率的穩(wěn)定交換。
[0035]同步的方式有很多種，其中，鎖相環(huán)同步是常用的一種同步方式。鎖相環(huán)采集并網(wǎng)端的三相交流電壓，經(jīng)過派克(Park)變換，將靜止坐標(biāo)系中三相交流電壓Ua、Ub、Ue(—般是取其中兩相電壓，如ua、ub，然后算出第三相的電壓)投影成兩相旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系的定義有不同的習(xí)慣，但不影響基本的原理；在此，采用q軸超前d軸的定義習(xí)慣)中的d軸和q軸直流電壓——直軸分量Ud、交軸分量U,，選定其中一個(gè)直流電壓作為參考分量，如Ud,如反映在矢量圖上就是鎖相環(huán)輸出的d軸去鎖定電網(wǎng)電壓Vs的相位，當(dāng)鎖準(zhǔn)時(shí)，Vs在d軸上，則另一個(gè)直流電壓U,的值為0，如圖2所示即為鎖相環(huán)同步的原理。如圖3所示為鎖
相環(huán)的鎖相同步控制示意圖，當(dāng)q軸電壓的參考值設(shè)為O時(shí)，若鎖定的相位與電網(wǎng)相位不
一致，則Uq與其參考值t// (值設(shè)為O)不一致，鎖相環(huán)通過PI調(diào)節(jié)器動(dòng)作，改變輸出的Θ值，直至得到的U,為零，此時(shí)系統(tǒng)相位被鎖相環(huán)鎖定。輸出的Θ值包含了系統(tǒng)的頻率和相位信息。
[0036]鎖相環(huán)被使用來跟蹤和同步系統(tǒng)的頻率和相位，為電力電子設(shè)備并網(wǎng)提供了一個(gè)相位基準(zhǔn)。例如，雙饋風(fēng)機(jī)和全功率風(fēng)機(jī)都是變速風(fēng)機(jī)，發(fā)出電力的頻率是與系統(tǒng)不同的，不能直接與系統(tǒng)相連，須要通過變流器(整流側(cè)變流器將交流量轉(zhuǎn)換為直流量，逆變側(cè)變流器再將直流量逆變?yōu)榻涣髁?與系統(tǒng)相連，以將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為與系統(tǒng)同頻的交流電。光伏發(fā)電和儲(chǔ)能裝置等裝置，輸出的都是直流，也不能直接與電網(wǎng)相連，并網(wǎng)時(shí)，需要鎖相環(huán)鎖定系統(tǒng)的相位來獲取并網(wǎng)點(diǎn)的電壓相位信息，為風(fēng)電并網(wǎng)提供一個(gè)基準(zhǔn)，使發(fā)出的交流電能夠與電網(wǎng)同步。
[0037]如圖4所示，為鎖相環(huán)同步的基本原理圖，同步的目的在于將不同頻率的電源變換得到與并入的交流系統(tǒng)頻率相同的交流電，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。變流器的控制部分是對直流信號(hào)進(jìn)行控制?？刂破魃傻闹绷骺刂浦噶頖和<根據(jù)鎖相環(huán)輸出的Θ角，進(jìn)行派克逆變換，生成交流的控制指令:^、匕、<,輸入到PWM控制器中，生成觸發(fā)信號(hào)，控制三相逆變器
開關(guān)的關(guān)合，從而將直流量逆變?yōu)榻涣髁?。由于鎖相環(huán)的輸出信號(hào)Θ角中包含了接入端交流系統(tǒng)的頻率和相位信息，這樣就能使逆變得到的交流源與接入的交流系統(tǒng)保持同樣的頻率和一定的相位差，達(dá)到了與交流系統(tǒng)同步的目的。
[0038]現(xiàn)有的利用鎖相環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鎖相同步控制的控制目標(biāo)是快、準(zhǔn)地去鎖定并入的交流系統(tǒng)的頻率和相位，從而讓受變流器控制的電源系統(tǒng)能夠迅速與交流系統(tǒng)同步。而改善的方向則是鎖相環(huán)能更快地鎖相，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)能更快地同步。
[0039]現(xiàn)有的鎖相環(huán)控制，設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循兩條原則:一是要盡快地鎖定系統(tǒng)的相位，因此要求鎖相環(huán)的工作速度很快；二是要盡量準(zhǔn)確地鎖定系統(tǒng)的相位，因此要求鎖相環(huán)能夠?yàn)V除三相不平衡時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序分量、系統(tǒng)中諧波等對鎖相環(huán)的干擾。同時(shí)如果鎖相環(huán)工作在電壓畸變的狀態(tài)下，也需要能準(zhǔn)確鎖定系統(tǒng)的頻率和相位?；冎饕扇嚯妷翰粚ΨQ、諧波、直流偏置等原因引起。三相不對稱會(huì)增加負(fù)序分量，通過dq變換后生成二次諧波；諧波通過dq變換產(chǎn)生6的倍數(shù)次諧波；直流偏置會(huì)產(chǎn)生于系統(tǒng)的頻率相同的交流量。理想的情況下看，是需要將這些諧波通過濾波回路全部濾除，得到直流分量。但是這樣就會(huì)影響到鎖相環(huán)跟蹤相位的速度。因此一般考慮更主要的三相不對稱和諧波的影響，濾波回路的帶寬不能太高，那么鎖相環(huán)的帶寬也會(huì)受到限制。
[0040]為滿足第`一條要求，要求鎖相環(huán)的帶寬要盡量大，為滿足第二條要求，要求鎖相環(huán)的帶寬要盡量小，以濾除負(fù)序分量、諧波等。因此，現(xiàn)有的用于系統(tǒng)同步的鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的帶寬是對這些要求進(jìn)行充分考慮后的權(quán)衡。
[0041]現(xiàn)有的受變流器控制的電源系統(tǒng)中，鎖相環(huán)起到的作用是提供電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和相位信息，而現(xiàn)有的鎖相同步控制目標(biāo)是能夠快速和精確地鎖定電網(wǎng)的頻率和相位。
[0042]現(xiàn)有采用鎖相環(huán)同步的受變流器控制的電源系統(tǒng)，不增加類似于【背景技術(shù)】中提到的額外的控制回路，在系統(tǒng)中都不能體現(xiàn)慣性等致穩(wěn)性。為了解決這一個(gè)問題，我們需要對上述電源系統(tǒng)為什么不能體現(xiàn)慣性等致穩(wěn)性的根本原因進(jìn)行分析，從而找到解決的方法。
[0043]如圖5所示，根據(jù)戴維南定律，從電網(wǎng)側(cè)看進(jìn)去，這些設(shè)備可近似等效為一個(gè)內(nèi)電勢為E和電抗X組成的電源。這個(gè)電勢E的相位是建立在鎖相環(huán)同步坐標(biāo)系上的，即上述的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)鎖相環(huán)鎖準(zhǔn)了接入端電壓時(shí)，同步坐標(biāo)系的直軸d軸與端電壓矢量U是重合的，此時(shí)的功角δ如圖5所示。其中，為使圖簡略，同步坐標(biāo)系的另一個(gè)坐標(biāo)軸已略去。
[0044]現(xiàn)在普遍使用的鎖相環(huán)響應(yīng)速度是很快的。鎖相環(huán)的輸出相對于靜止坐標(biāo)系的絕度角度，等效于無靜差的斜坡響應(yīng)；而相對于與系統(tǒng)同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，類似于階躍響應(yīng)?，F(xiàn)有的鎖相環(huán)增益很大，即鎖相非?？?，它的變化幾乎與激勵(lì)重合。當(dāng)電網(wǎng)頻率降低時(shí)，電網(wǎng)U矢量的旋轉(zhuǎn)速度降低，而E的位置需要在同步坐標(biāo)系下給定。如圖6所示，當(dāng)電網(wǎng)頻率改變時(shí)，同步坐標(biāo)系能迅速跟蹤U的相位，而E的位置在電流環(huán)的快速調(diào)節(jié)下迅速跟蹤上了鎖相環(huán)確定的同步坐標(biāo)系。也就是說，E迅速跟蹤上了 U的變化，兩者的相對位置迅速恢復(fù)了之前的相對位置，設(shè)備基本沒有受到系統(tǒng)的影響，不能作出響應(yīng)以增進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。例如，從慣性的角度功角δ幾乎沒有變化，設(shè)備發(fā)出的電能不變，因此不能體現(xiàn)慣性，阻止系統(tǒng)的頻率變化。
[0045]利用鎖相環(huán)的快速鎖相來同步的這樣一種控制方法，其中最主要缺點(diǎn)在于它使得這些受變流器控制的電源系統(tǒng)對電網(wǎng)不夠友好，在電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，不能響應(yīng)這些波動(dòng)，增進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比如說提供慣性、整步轉(zhuǎn)矩等。也可以說現(xiàn)有的控制方式使得這些電源設(shè)備對電網(wǎng)的致穩(wěn)性很差。當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，設(shè)備不能體現(xiàn)慣性，阻止系統(tǒng)頻率的快速變化；當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備不同步時(shí)，也不能像同步電機(jī)一樣提供整步轉(zhuǎn)矩使設(shè)備之間同步等。系統(tǒng)接納這些設(shè)備的能力有限，因此這些設(shè)備的接入受到了很大的限制，為了解決這個(gè)問題，必須提高并網(wǎng)設(shè)備對系統(tǒng)的致穩(wěn)性。
[0046]那么，要想這些受變流器控制的電源系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)提供致穩(wěn)性，如提供慣性等，需要系統(tǒng)的變化能夠影響得到這些電源系統(tǒng)。從內(nèi)電勢矢量的角度上，當(dāng)系統(tǒng)頻率改變時(shí)，電源系統(tǒng)的功角δ需要改變從而改變電源系統(tǒng)的輸出，這就要求電源的內(nèi)電勢矢量E不能很快地跟蹤上端電壓矢量U。為了做到這一點(diǎn)，首先需要同步坐標(biāo)系(內(nèi)電勢矢量E的坐標(biāo)基準(zhǔn))不能快速跟蹤端電壓矢量U的變化。這樣，系統(tǒng)的頻率變化就可能對電源系統(tǒng)造成可觀的影響。
[0047]但是，并不是同步坐標(biāo)系不能快速跟蹤端電壓矢量U的變化，內(nèi)電勢矢量E就一定不能跟蹤上端電壓矢量U的變化。因?yàn)閮?nèi)電勢矢量E不止受到同步控制的影響，還受到有功功率控制的影響。
[0048]第一種情況，同步控制響應(yīng)速度較慢，并且有功功率控制響應(yīng)較慢。同步坐標(biāo)系不能很快跟蹤端電壓矢量U的變化，則輸出的角度Θ角前一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)差值。如圖7(a)所示，U移動(dòng)到了 U,位置處 ，同步坐標(biāo)系不能迅速跟蹤U的變化；有功控制響應(yīng)較慢，則電流矢量I相對于同步坐標(biāo)系移動(dòng)的速度很慢，在電流環(huán)的作用下調(diào)節(jié)到了 I'處，則內(nèi)電勢矢量E相對于同步坐標(biāo)系移動(dòng)的速度很慢，U的轉(zhuǎn)動(dòng)速度快于Ε，兩者的相對位置發(fā)生變化，功角δ增大為δ，，體現(xiàn)出了慣性?？梢钥吹剑谕娇刂祈憫?yīng)較慢的條件下，若有功控制響應(yīng)也較慢，那么系統(tǒng)的變化會(huì)影響到風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)能夠作出響應(yīng)。從慣性的角度，設(shè)備功角由δ變?yōu)棣?，變大了，風(fēng)機(jī)出力增大，體現(xiàn)了慣性并增進(jìn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定。反之，頻率增大時(shí)亦然。
[0049]第二種情況，同步控制響應(yīng)速度較慢，但是有功功率控制響應(yīng)很快。同步坐標(biāo)系不能很快跟蹤端電壓矢量U的變化，則輸出的角度Θ角前一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)差值。如圖7(b)所示，U移動(dòng)到了 U,位置處，同步坐標(biāo)系不能迅速跟蹤U的變化；但是有功控制響應(yīng)很快，指令值迅速改變，使得電流矢量I相對于同步坐標(biāo)系移動(dòng)的速度很快，在電流環(huán)的作用下調(diào)節(jié)到了 U'處，向著恢復(fù)到改變前的狀態(tài)的進(jìn)行調(diào)節(jié)；則內(nèi)電勢矢量E相對于同步坐標(biāo)系移動(dòng)的速度很快，功角S，迅速被拉回初始值δ，內(nèi)電勢矢量E與端電壓矢量U的相對位置迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)無法體現(xiàn)慣性。
[0050]從控制的角度，內(nèi)電勢矢量同時(shí)受到同步控制和有功控制的影響，內(nèi)電勢矢量的旋轉(zhuǎn)速度是這兩種控制的響應(yīng)速度的疊加。本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)的控制方法是同時(shí)包括同步控制、有功控制。兩者的速度均不能過快。需要進(jìn)行說明的是，慣性是致穩(wěn)性中重要且容易表現(xiàn)出來的一個(gè)特性，所以在控制時(shí)，我們主要是通過控制發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生慣性來體現(xiàn)其致穩(wěn)性。同時(shí)，同步控制的目的在于讓發(fā)電系統(tǒng)在能夠同步的同時(shí)產(chǎn)生慣性，特此，我們將這種同步控制稱之為慣性同步控制。[0051]為了方便說明，將這種受變流器控制的發(fā)電系統(tǒng)I分為幾個(gè)部分，如圖8所示，主要包括能量模塊11、被控對象12、有功控制器13和慣性同步控制器14 ;能量模塊11的輸入端用于獲取外部的能量，能量模塊11的第一輸出端連接所述被控對象12，能量模塊11將獲取的能源轉(zhuǎn)換為電能，或者將獲取的電能轉(zhuǎn)換為其他頻率的電能；有功控制器13的輸入端連接至所述能量模塊11的第二輸出端，有功控制器13的輸出端連接所述被控對象12，有功控制器13用于控制被控對象12的有功功率的輸出；慣性同步控制器14的輸入端連接至并入的交流系統(tǒng)，慣性同步控制器14的輸出端連接所述被控對象12，慣性同步控制器14用于控制發(fā)電系統(tǒng)I與并入的交流系統(tǒng)2同步并能夠表現(xiàn)出慣性等致穩(wěn)性。
[0052]在本發(fā)明實(shí)施例中，被控對象12主要指被控制產(chǎn)生內(nèi)電勢矢量的部分；被控對象12從能量模塊11獲取的有功功率由有功控制器13所控制，而被控對象12從能量模塊11獲取的電能在慣性同步控制器14的控制下被轉(zhuǎn)化為與交流系統(tǒng)2同頻率的交流電并輸入交流系統(tǒng)2。在有功控制器13和慣性同步控制器14的共同控制下，被控對象能夠產(chǎn)生于交流系統(tǒng)同頻的交流電，并能在交流系統(tǒng)2頻率波動(dòng)時(shí)，改變輸出的有功功率，體現(xiàn)慣性。
[0053]更具體地，對于全功率風(fēng)機(jī)，能量模塊11包括了風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)等一次能源轉(zhuǎn)化裝置、發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、直流電容等，以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)；被控對象12主要是網(wǎng)側(cè)變流器及一些濾波裝置。
[0054]對于儲(chǔ)能裝置，能量模塊11主要包括了能量儲(chǔ)存裝置，例如電池、超級電容器、飛輪、超導(dǎo)體等等，一些變換器裝置(如DC / DC變換器等等)，直流電容等，以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)；被控對象12主要是指網(wǎng)側(cè)變流器及一些濾波裝置。
[0055]對于直流輸電，能量模塊11主要包括輸送能量的交流電源，整流器，直流電容，及相應(yīng)的控制系統(tǒng)；被控對象12主要是指網(wǎng)側(cè)變流器及一些濾波裝置等。
[0056]對于光伏發(fā)電，能量模塊11主要包括了太陽能光伏板、直流變換系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流電容等，以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)；被控對象12主要是網(wǎng)側(cè)變流器及一些濾波裝置。
[0057]對于雙饋電機(jī)，雙饋電機(jī)比較特殊，定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)各有一個(gè)內(nèi)電勢，而主要控制的是轉(zhuǎn)子側(cè)的內(nèi)電勢。能量模塊11主要包括風(fēng)力渦輪機(jī)等一次能源轉(zhuǎn)化裝置，雙饋電機(jī)，以及相應(yīng)的機(jī)械部分控制系統(tǒng)等；被控對象12主要是指轉(zhuǎn)子端機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、直流電容，雙饋風(fēng)機(jī)定子及其交流能力輸送系統(tǒng)等。
[0058]慣性同步控制器14中主要包括的功能框圖如圖9所示，輸入信號(hào)為交流系統(tǒng)2的交流電壓，輸出為一個(gè)角度，主要包括了電網(wǎng)信息采集模塊141、信號(hào)處理模塊142、積分模塊144以及慣性控制模塊143這四個(gè)部分；電網(wǎng)信息采集模塊141用于采集交流系統(tǒng)2的電壓信息；可以采集三相的電壓信息，也可以只采集兩相的電壓信息；信號(hào)處理模塊142將采集的信息進(jìn)行濾波處理和坐標(biāo)變換后，輸出已濾除噪聲干擾的基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓直軸分量或者電壓交軸分量；慣性控制模塊143根據(jù)得到的電壓直軸分量或者電壓交軸分量與給定值進(jìn)行對比，其差值通過控制器的作用對輸出角頻率進(jìn)行調(diào)整；積分模塊144根據(jù)輸出的角頻率進(jìn)行積分運(yùn)算得到輸出的角度。
[0059]更具體地，電網(wǎng)信息采集141主要是對交流系統(tǒng)2的三相電壓信息進(jìn)行采集，但在實(shí)際過程中，一般只對其中兩相的電壓信息進(jìn)行采集。信號(hào)處理142主要是指對采集的信號(hào)進(jìn)行處理，包括濾除噪聲、坐標(biāo)變換等。慣性控制模塊143調(diào)整慣性同步控制器14的響應(yīng)速度慢至能讓發(fā)電系統(tǒng)I體現(xiàn)滿足系統(tǒng)需求的慣性，使得此發(fā)電系統(tǒng)I能為交流系統(tǒng)2提供慣性等致穩(wěn)性；它主要就是控制系統(tǒng)波動(dòng)使得端電壓矢量轉(zhuǎn)速、相位變化時(shí)，內(nèi)電勢矢量不會(huì)迅速跟蹤上端電壓矢量；而它主要是通過控制同步坐標(biāo)系不會(huì)迅速跟蹤上端電壓矢量的變化來實(shí)現(xiàn)。積分模塊144是指根據(jù)慣性控制模塊143的輸出進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生控制信號(hào)使受變流器控制的發(fā)電系統(tǒng)I與并入的交流系統(tǒng)2同步。
[0060]本發(fā)明提供的具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法具體包括下述步驟:
[0061]S1:采集交流系統(tǒng)的端電壓信息；
[0062]S2:將采集的信息進(jìn)行濾波處理和坐標(biāo)變換后，輸出已濾除噪聲干擾的基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓直軸分量或者電壓交軸分量；其中坐標(biāo)變換是基于慣性同步控制器的輸出角度，以此來形成閉環(huán)控制。
[0063]S3:根據(jù)所述電壓直軸分量或者電壓交軸分量與給定值的差值對輸出角頻率進(jìn)行調(diào)整；慣性控制調(diào)整慣性同步控制器的響應(yīng)速度慢至能讓發(fā)電系統(tǒng)體現(xiàn)滿足系統(tǒng)需求的慣性，并能通過調(diào)節(jié)使得得到的電壓直軸分量或者電壓交軸分量與給定值無靜差，以使系統(tǒng)的頻率和相位能最終被無靜差地跟蹤上。其中給定值一般取O。
[0064]S4:將輸出的角頻率進(jìn)行積分運(yùn)算后輸出的角度。
[0065]需要說明的是慣性控制和同步控制有時(shí)是集成在一起的。
[0066]作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對于有功功率控制，其響應(yīng)速度快慢也決定了發(fā)電系統(tǒng)能為并入的交流系統(tǒng)提供多少慣性。需要發(fā)電系統(tǒng)能為系統(tǒng)提供多少慣性就應(yīng)該相應(yīng)地使有功控制的響應(yīng)速度降至相應(yīng)的時(shí)間尺度。
[0067]本發(fā)明不需改變先有的系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于原系統(tǒng)的軟、硬件基礎(chǔ)，只需改變控制方法，便能提高現(xiàn)有的受變流器控制的并網(wǎng)設(shè)備對電網(wǎng)的致穩(wěn)性。此時(shí)，從主要的一個(gè)特征丨貫性上來說，本發(fā)明無需對系統(tǒng)的頻率進(jìn)行測量，無需構(gòu)建新的控制回路就能達(dá)到預(yù)期目的，節(jié)約成本，并且不增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。另外，本方法在提供慣性的同時(shí)，也能提供整步轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)設(shè)備之間恢復(fù)同步。
[0068]為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)及控制方法；現(xiàn)在具體舉例說明慣性同步控制器中的控制器的一種設(shè)計(jì)方法。
[0069]現(xiàn)有的系統(tǒng)的同步控制器是鎖相環(huán)，如之前所述，一方面需要快速鎖相，所以設(shè)計(jì)的控制器的帶寬是越大越好；另一方面，為更準(zhǔn)地鎖相，需要能濾除三相不平衡的負(fù)序分量，因此控制器帶寬不可太大。因此，現(xiàn)有的鎖相環(huán)工作的帶寬是考慮快速鎖相和濾波的權(quán)衡。
[0070]而慣性同步控制器的設(shè)計(jì)考慮的問題與鎖相環(huán)考慮的問題是不同的。首先同步控制工作的帶寬大大降低了，濾波的效果優(yōu)于現(xiàn)有的快速鎖相的鎖相環(huán)，因此濾波不是設(shè)計(jì)同步控制所考慮的問題。然后，設(shè)計(jì)致穩(wěn)同步控制，其目的已不再是快速鎖定系統(tǒng)相位，而是能夠增進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即是對系統(tǒng)有致穩(wěn)性；那么設(shè)計(jì)的原則就是能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供能滿足需求的致穩(wěn)性。第三，同步速度變慢后帶來的問題也是不一樣的，具有致穩(wěn)性后的設(shè)備，從另一個(gè)方面來講，系統(tǒng)對設(shè)備的影響增加，設(shè)備自身受到很大的影響；因此在設(shè)計(jì)還需要對電源系統(tǒng)提供能量的能力、變流器的過流能力等予以考慮。綜上所述，慣性同步控制器的設(shè)計(jì)遵循主要的原則是滿足系統(tǒng)的致穩(wěn)性的需求，同時(shí)需要考慮自身穩(wěn)定性的需求。
[0071]現(xiàn)在具體舉例子說明以提供慣性等性能為目的的慣性同步控制器中的控制器參數(shù)具體怎么設(shè)計(jì)。如以慣性控制器中采用經(jīng)典的PI控制器為例。[0072]以雙饋風(fēng)機(jī)為例說明。首先是確定積分系數(shù)Ki。
[0073]第一點(diǎn)，經(jīng)小信號(hào)分析及大量的仿真結(jié)果表明，減慢系統(tǒng)的同步速度后，風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)中體現(xiàn)的慣性時(shí)間常數(shù)Heq是
【權(quán)利要求】
1.一種具有致穩(wěn)能力的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括能量模塊(11)、被控對象(12)、有功控制器(13)和慣性同步控制器(14)； 所述能量模塊(11)的輸入端用于獲取外部的能源，所述能量模塊(11)的第一輸出端連接所述被控對象(12)，所述能量模塊(11)用于將獲取的其他能源轉(zhuǎn)換為電能或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為其他頻率的電能； 所述有功控制器(13)的輸入端連接至所述能量模塊(11)的第二輸出端，所述有功控制器(13)的輸出端連接所述被控對象(12)，所述有功控制器(13)用于控制所述被控對象(12)的有功功率的輸出； 所述慣性同步控制器(14)的輸入端用于連接并入的交流系統(tǒng)，所述慣性同步控制器(14)的輸出端連接所述被控對象(12)，所述慣性同步控制器(14)用于控制發(fā)電系統(tǒng)(I)與并入的交流系統(tǒng)(2)同步并使得所述發(fā)電系統(tǒng)具有致穩(wěn)能力。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，工作時(shí)，所述被控對象(12)從能量模塊(11)獲取的有功功率由有功控制器(13)所控制，而被控對象(12)從能量模塊(11)獲取的電能在慣性同步控制器(14)的控制下被轉(zhuǎn)化為與交流系統(tǒng)(2)同頻率的交流電并輸入至交流系統(tǒng)(2);在有功控制器(13)和慣性同步控制器(14)的共同控制下，被控對象(12)能夠產(chǎn)生與所述交流系統(tǒng)(2)同頻的交流電，并能在所述交流系統(tǒng)(2)頻率波動(dòng)時(shí)改變輸出的有功功率，體現(xiàn)慣性。
3.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)電系統(tǒng)`，其特征在于，所述慣性同步控制器(14)包括:電網(wǎng)信息采集模塊(141)、信號(hào)處理模塊(142)、慣性控制模塊(143)和積分模塊(144)； 所述電網(wǎng)信息采集模塊(141)用于采集交流系統(tǒng)(2)的電壓信息；所述信號(hào)處理模塊(142)用于將采集的信息進(jìn)行濾波處理和坐標(biāo)變換后，輸出已濾除噪聲干擾的基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓直軸分量或電壓交軸分量；所述慣性控制模塊(143)用于根據(jù)所述電壓直軸分量或電壓交軸分量與給定值的差值對輸出角頻率進(jìn)行調(diào)整，使得所述慣性同步控制器(14)的響應(yīng)速度慢至能讓所述發(fā)電系統(tǒng)具有致穩(wěn)能力；所述積分模塊(144)用于將所述輸出角頻率進(jìn)行積分運(yùn)算得到輸出角度。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性控制模塊(143)和積分模塊(144)集成于一體。
5.一種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的發(fā)電系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,包括下述步驟: 51:采集交流系統(tǒng)的端電壓信息； 52:將采集的信息進(jìn)行濾波處理和坐標(biāo)變換后輸出已濾除噪聲干擾的基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓直軸分量或電壓交軸分量； 53:根據(jù)所述電壓直軸分量或電壓交軸分量與給定值的差值對輸出角頻率進(jìn)行調(diào)整；通過慣性控制調(diào)整慣性同步控制器的響應(yīng)速度慢至能讓發(fā)電系統(tǒng)體現(xiàn)滿足系統(tǒng)需求的慣性， 54:將所述輸出的角頻率進(jìn)行積分運(yùn)算后輸出角度。
6.如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括下述步驟:根據(jù)需要發(fā)電系統(tǒng)提供慣性的多少相應(yīng)地調(diào)整有功控制的響應(yīng)速度，使得有功控制的響應(yīng)速度降至相應(yīng)的時(shí)間尺度。
7.如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，在步驟S2中，所述坐標(biāo)變換基于慣性同步控制器的輸出角度。
8.如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，在步驟S3中，通過調(diào)整所述輸出角頻率使得所述電壓直軸分量或電壓交軸`分量與所述給定值無靜差。
【文檔編號(hào)】H02J3/40GK103762618SQ201310495067
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】袁小明, 胡家兵, 何維, 熊雪君 申請人:華中科技大學(xué)