CN101237142A

CN101237142A - 绕线转子风力发电机系统故障控制方法

Info

Publication number: CN101237142A
Application number: CNA2007101720279A
Authority: CN
Inventors: 李东东
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: CN101237142B

Abstract

本发明涉及一种绕线转子风力发电机系统故障控制方法，风力发电机与电网连接，电网发生故障时，由故障控制器控制系统，使发电机转子在故障状态下不直接与电网进行能量交换，减小电网故障对转子的影响、维持发电机定子和转子电流在可承受的水平，从而保护发电机的安全。同时通过控制方法的设计，发挥发电机组的控制潜力，将其某些装置用于定子和电网控制，可以提高电网的稳定性，加快电网恢复，使发电机尽快投入正常运行，更好地利用风力发电。

Description

绕线转子风力发电机系统故障控制方法

技术领域

本发明涉及一种系统故障控制方法，特别是一种用于大功率风力发电系统故障控制方法。

背景技术

风力发电技术作为解决能源和环境问题、满足可持续发展要求的有效手段之一，成为全球增长最快的能源。并网型风力发电能够借助强大的电力网络在时间和空间上有效利用风电，是大规模利用风能和风力发电的主要手段。经过一段时期的发展，基于绕线转子双馈感应发电机(Doubly Fed InductionGenerator)的变速恒频风力发电系统被认为是发展风力发电最可行的选择，并已成为当今商业化风力发电的主流机型。

绕线转子双馈感应发电机与普通感应发电机的区别在于其转子绕组由线圈绕组而成、并具有与外部电气系统连接的接线端子，人们将包括电力电子设备在内的电源装置与该发电机的转子连接，能够为发电机提供励磁，在发电机中建立磁场，使得发电机不必需要从电网中吸收建立磁场的能量。同时，这样的发电机能够变速运行而保持定子电压频率的恒定，既在变速运行中获得了最大的风能利用效率，又便于发电机并网。此外，转子绕组上供电设备的容量一般为发电量容量的三分之一，这比在定子绕组与电网之间串联电力电子变流装置更加经济和可靠。

电网可能发生短路等故障，并网运行的风力发电机也将受到电网故障的影响。在风力发电机附近发生故障时，发电机端电压下降，这对发电机的运行状况十分不利、并将使电网运行状况进一步恶化，尽管使发电机与电网断开能够保护发电机的安全，但是大规模风力发电必须在电网故障时为电网恢复提供支持，因此，必须有相应的控制装置在这种情况下对发电机进行合适的控制，以维持电网和风力发电机的安全稳定运行。

发明内容

本发明是针对现有风力发电装机容量占电网的比重不断提高，在电网出现故障状况下，对发电机的运行状况十分不利、并将使电网运行状况进一步恶化的问题而提出一种绕线转子风力发电机系统故障控制方法，保证风力发电机在电网故障状况下的安全稳定性，以便更好、更多、更快地发展风力发电。

本发明的技术方案为：一种绕线转子风力发电机系统故障控制方法，风力发电机与电网连接，电网发生故障时，绕线转子风力发电机系统故障控制方法的步骤如下：1)信号测量单元监测到系统故障，则系统转入故障控制模式，即由故障控制器控制；2)故障控制器将直流环节分解为两个部分，一部分与发电机侧变流器相连，另一部分与电网侧变流器相连，使发电机转子在故障状态下不直接与电网进行能量交换；3)故障控制器根据测量到的电压、电流、相位和转速等信息，计算出发电机转子感应电动势，以发电机转子电流不过载为原则，计算发电机侧变流器所需电压，并控制发电机侧变流器产生该电压；4)故障控制器根据测量到的发电机端口电压为依据，计算出维持该点电压符合系统允许值所需的无功功率补充容量，若该容量不超过电网侧变流器额定容量，则控制电网侧变流器按照该容量进行补偿；5)若检测到系统故障排除，则恢复正常控制模式，若系统丧失稳定性，则将机组解列。

一种绕线转子风力发电机系统故障控制系统，包括风力机、发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器、直流环节、风电机组控制器、信号测量单元，风力机通过发电机连在电网上，发电机和电网之间串联接了发电机侧变流器、直流环节和电网侧变流器，风力机、发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器、直流环节和电网分别有被测信号进入信号测量单元，信号测量单元将信号输入到风电机组控制器中，由风电机组控制器输出控制信号到发电机侧变流器、电网侧变流器，系统还包括故障控制器，故障时，风电机组控制器输出控制信号到故障控制器，故障控制器可输出信号控制发电机侧变流器、电网侧变流器和直流环节。所述故障控制器包括DSP内置PWM模块、晶振、CPU中央控制单元、电源管理模块、多通道数据接口电路，电源管理模块和晶振分别向CPU中央控制单元和多通道数据接口电路提供电源供应和时钟信号，多通道数据接口电路能够进行多路数据的双向接收、缓冲、分配与传输，完成所述CPU中央控制单元跟风电机组控制器的数据传输，DSP内置PWM模块是脉冲发送装置，根据CPU中央控制单元的信号向变流器提供触发脉冲信号和向直流环节的电力电子开关提供导通或关断的信号。所述直流环节至少包括两组可分开运行的电容器，与所述故障控制器之间具备控制和反馈接口。

本发明的有益效果：通过设置转子侧的专用故障控制器，能够在与发电机连接的电网发生故障时，减小电网故障对转子的影响、维持发电机定子和转子电流在可承受的水平，从而保护发电机的安全。同时通过控制方法的设计，发挥发电机组的控制潜力，将其某些装置用于定子和电网控制，可以提高电网的稳定性，加快电网恢复，使发电机尽快投入正常运行，更好地利用风力发电。

附图说明

图1是本发明带故障控制的绕线转子风力发电机系统结构框图；

图2是本发明故障控制器的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方法对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示绕线转子风力发电机系统结构框图，风力机1通过发电机2连在电网3上，发电机2和电网3之间串联接了发电机侧变流器4、直流环节5和电网侧变流器6，风力机1、发电机2、发电机侧变流器4、电网侧变流器6、直流环节5和电网3分别有被测信号进入信号测量单元9，信号测量单元9将信号输入到风电机组控制器8中，由风电机组控制器8输出控制信号到发电机侧变流器4、电网侧变流器6和故障控制器7，故障控制器7可输出信号控制发电机侧变流器4、电网侧变流器6和直流环节5。

其中绕线转子双馈发电机转子连接的故障控制器7，结构如图2所示，包括核心器件CPU中央控制单元7C采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F2812，多通道数据接口电路7E、DSP内置PWM模块7A、电源管理模块7D和晶振7B，多通道数据接口电路7E采用Altera公司生产的EP1K100Q204-10型FPGA芯片，它能够进行多路数据的双向接收、缓冲、分配与传输，实现故障控制器7中CPU中央控制单元7C与风力发电机组控制器8的数据交换，电源管理模块7D和晶振7B分别向CPU中央控制单元7C和多通道数据接口电路7E提供电源供应和时钟信号，DSP内置PWM模块7A是脉冲发送装置，它向变流器4、6提供触发脉冲信号和向直流环节5的电力电子开关提供导通或关断的信号。在功能和各组成部分逻辑关系不发生本质改变的情况下，故障控制器7各组成部分可采取其他类似的器件。故障控制器7可以是一个新的实物装置，在风电机组控制器8的硬件功能允许的情况下，也可以将风电机组控制器8作为实物载体。

正常运行条件下，故障控制器7以外的元件进行工作。当电网中发生故障时，故障信号被信号测量单元9测量到，由风电机组控制器8根据预设控制策略判断，当需要进入故障控制模式时，系统交由故障控制器7控制。故障控制器7首先必须将直流环节5分解为两部分，两部分至少各包含一组电容器，两组电容器用电子电子器件作为开关，其余与普通绕线转子双馈发电机组相同，但与故障控制器7之间要具备控制和反馈接口，两组电容器分别与发电机侧变流器4和电网侧变流器6相连，并作为发电机侧变流器4和电网侧变流器6的直流电压支持元件。这样做的目的是将发电机转子与电网直接连接的回路断开，避免大量的能量交换使得发电机转子电流超过限定值。

根据信号测量单元9测得的发电机定子电压、电流信号，故障控制器7可以计算出发电机磁势，并根据转子转速、位置等信号计算出转子电动势

以产生转子不过载的最大感性励磁电流

为目的，计算发电机侧变流器4应该具有的电压

即

{\overset{\cdot}{E}}_{c 2} = {\overset{\cdot}{E}}_{2} + {\overset{\cdot}{I}}_{m} Z_{2},

其中Z₂为发电机转子回路阻抗。故障控制器7根据

控制发电机侧变流器4的输出电压，从而达到在不过载条件下为发电机提供励磁的目的。

故障控制器7根据测量到的发电机端电压为依据，计算出维持该点电压符合系统允许值所需的无功功率补充容量，若该容量不超过电网侧变流器6额定容量，则控制电网侧变流器6按照该容量进行补偿，否则按额定容量进行补偿。

对上述系统提出了应对电网故障的稳定控制方法。绕线转子风力发电机系统在电网故障后故障控制方法步骤为：

1、信号测量单元监测到系统故障，则系统转入故障控制模式，即由故障控制器控制；

2、故障控制器将直流环节分解为两个部分，一部分与发电机侧变流器4相连，另一部分与电网侧变流器6相连，使发电机转子在故障状态下不直接与电网进行能量交换；

3、故障控制器根据测量到的电压、电流、相位和转速等信息，计算出发电机转子感应电动势，以发电机转子电流不过载为原则，计算发电机侧变流器4所需电压，并控制发电机侧变流器4产生该电压；

4、故障控制器根据测量到发电机端口电压为依据，计算出维持该点电压符合系统允许值所需的无功功率补充容量，若该容量不超过电网侧变流器6额定容量，则控制电网侧变流器6按照该容量进行补偿；

5、若检测到系统故障排除，则恢复正常控制模式，若系统丧失稳定性，则将机组解列。

Claims

1、一种绕线转子风力发电机系统故障控制方法，风力发电机与电网连接，电网发生故障时，绕线转子风力发电机系统故障控制方法的步骤如下：

(1)信号测量单元监测到系统故障，则系统转入故障控制模式，即由故障控制器控制；

(2)故障控制器将直流环节分解为两个部分，一部分与发电机侧变流器相连，另一部分与电网侧变流器相连，使发电机转子在故障状态下不直接与电网进行能量交换；

(3)故障控制器根据测量到的电压、电流、相位和转速等信息，计算出发电机转子感应电动势，以发电机转子电流不过载为原则，计算发电机侧变流器所需电压，并控制发电机侧变流器产生该电压；

(4)故障控制器根据测量到发电机端口电压为依据，计算出维持该点电压符合系统允许值所需的无功功率补充容量，若该容量不超过电网侧变流器额定容量，则控制电网侧变流器按照该容量进行补偿；

(5)若检测到系统故障排除，则恢复正常控制模式，若系统丧失稳定性，则将机组解列。

2、一种绕线转子风力发电机系统故障控制系统，包括风力机、发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器、直流环节、风电机组控制器、信号测量单元，风力机通过发电机连在电网上，发电机和电网之间串联接了发电机侧变流器、直流环节和电网侧变流器，风力机、发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器、直流环节和电网分别有被测信号进入信号测量单元，信号测量单元将信号输入到风电机组控制器中，由风电机组控制器输出控制信号到发电机侧变流器、电网侧变流器，其特征在于系统还包括故障控制器，故障时，风电机组控制器输出控制信号到故障控制器，故障控制器可输出信号控制发电机侧变流器、电网侧变流器和直流环节。

3、根据权利要求2所述一种绕线转子风力发电机系统故障控制系统，其特征在于所述故障控制器包括DSP内置PWM模块、晶振、CPU中央控制单元、电源管理模块、多通道数据接口电路，电源管理模块和晶振分别向CPU中央控制单元和多通道数据接口电路提供电源供应和时钟信号，多通道数据接口电路能够进行多路数据的双向接收、缓冲、分配与传输，完成所述CPU中央控制单元跟风电机组控制器的数据传输，DSP内置PWM模块是脉冲发送装置，根据CPU中央控制单元的信号向变流器提供触发脉冲信号和向直流环节的电力电子开关提供导通或关断的信号。

4、根据权利要求2所述一种绕线转子风力发电机系统故障控制系统，其特征在于所述直流环节至少包括两组可分开运行的电容器，与所述故障控制器之间具备控制和反馈接口。