CN101272055B - 一种风力发电机组低电压穿越控制方法 - Google Patents

一种风力发电机组低电压穿越控制方法 Download PDF

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Abstract

一种风力发电机组低电压穿越的响应控制方法，其特征在于随时检测电网电压us的变化情况，将电网电压us与电网电压参考值uref比较，得到的差值Δu通过PI调节器得到无功电流iqref *和有功电流idref *；将无功电流iqref *作为电流内环控制的参考值，配合电压外环和电流内环控制策略，控制网侧变流器，抑制电网电压跌落；有功电流idref *补偿电路中的有功损耗。在电网电压瞬间跌落情况下，本发明能够根据需要灵活的馈送相应无功功率，也可以相应的调节有功功率，可以使风力发电机组达到与火力发电机组相类似的传输可靠性标准，具有自我调节能力。

Description

一种风力发电机组低电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组低电压穿越控制方法。
背景技术
风力发电在全球范围内所占比例越来越大，风力发电机对于电网的影响就不能再忽略。截至目前，在电网扰动情况下，当电网电压减小到一定值的时候，风力机组便会自动脱网。随着风力发电电量的急剧增加，这种方法已经不再适合于电网运行准则。为了使风力发电机组连接在电网，电网安全运行准则要求风力机具有低电压穿越(LVRT，Low VoltageRide-Through)功能。在风力发电占主导地位的国家，比如：丹麦、德国等国相继制定了新的电网运行准则。要求只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许脱网。当电压在阴影部分以上时，发电机不仅不脱网，而且还应提供无功功率来帮助恢复电网电压。在不同国家之间有着不同的要求。丹麦要求25％以后持续100ms。E.ON要求电网电压跌落到15％并且持续300ms，澳大利亚要求跌落到0％持续175ms。
正常运行情况下，转子变流器控制发电机的转速，而网侧变流器控制转子和电网间的功率流动，保持两个变流器间的电容电压恒定。当电压跌落时，主磁通由于具有很大的时间常数因此不会发生突变，而且转速由于是机械过程更不会发生快速的变化，因此电机的反电动势不会发生变化，所以一个很大的电压差就会被施加在定子绕组的电阻和漏感之间。这会导致定子电流出现过流现象。根据电机的磁链平衡方程可以得知转子电流也会出现过流现象。如果达到过流保护极限值，就会引起过流保护继电器动作，从而导致风力发电机组脱网。另外，转子侧变流器的保护动作会使发电机的电磁转矩减小，导致发电机转速增加，由于转子加速度增加会产生附加转矩。如果达到转速保护极限值，风力发电机组将会脱网、停车。同时若由于电网电压的跌落导致风电场解列，会使风电系统缺失更大一部分有功和无功，导致系统故障的进一步加剧，因此必须在限制转子侧的电流的同时，要及时灵活的向电网馈送一部分无功功率，抑制电网电压的进一步跌落，使风力发电机能够不脱网，保持连续运行。
目前主要的无功补偿装置有电容器，电抗器等，但是这些装置不能分时分段地馈送无功到电网，不能满足电网电压随时变化的要求。STATCOM作为一种新型的装置或者运行方式，是属于灵活交流输电的范畴，能够通过及的注入或者吸收无功功率来改变终端电压，保证系统的稳定性，本发明就是通过使网侧变流器运行在该模式下，使机组具有良好的低电压穿越特性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术在电压跌落时易导致风力发电机组脱网的缺点，电压跌落时，本发明的控制方法可使网侧变流器运行在静止无功补偿，即STATCOM模式，该模式能够及时的检测跌落深度，得到相应的无功功率和有功功率回馈到电网中，防止电网电压进一步跌落。本发明在故障期间仍能将发电机与电网继续保持连接，使风力发电机组具有良好的低电压穿越特性。
本发明采用的技术方案是：在原有电压外环和电流内环控制策略的基础上，加入STATCOM模式的控制方法，使网侧变流器运行在STATCOM模式。在不改变系统原有的背靠背结构的情况下，仅对网侧变流器的控制方法进行了改进和优化，即检测电压跌落的情况，经过PI调节器，发出相应的无功电流，并且在容量允许的范围内，发出需要补偿的有功电流，分别作为电流内环控制参考值和电压外环控制参考值，即可以灵活地补偿出相应的无功功率和有功功率，解决了电压跌落下风力发电机组容易脱网的问题。
变速恒频风力发电系统功率回路主要由风力发电机组、发电机、发电机侧变流器、直流侧电容、电网侧变流器、电网侧滤波电感等构成。由风电机组拖动风力发电机，把捕获的风能转化为电能，通过发电机侧变流器转化为直流电，直流侧电容作为能量缓冲环节，稳定直流侧电压，由电网侧变流器把直流电逆变为交流电，通过滤波电感并入电网。发电机侧变流器通过调节发电机定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的转矩和定子的无功功率(通常无功设定值为0)，电网侧变流器通过调节网侧的d轴和q轴电流，控制直流侧电压和流向电网的无功功率，实现输出有功和无功的解耦控制，输出通常为单位功率因数。
正常运行情况下，网侧变流器控制策略中无功参考电流无法得到精确的设定值，不能很好的调节无功功率。当电压在允许的范围内变化时，无功参考电流为0，能够满足要求；但是当电压跌落时，变速恒频风力发电系统需要无功补偿来进行电压支撑，此时无功再设定为0便不能满足要求了，否则会对变流器产生危害，此时就要求根据电压跌落的深度来产生相对应的无功电流设定值，要求一种灵活的方式来控制，而此时STATCOM运行模式就能很好的满足要求，该模式没有改变系统的结构，仅是在对网侧变流器的控制策略上进行了改进，就能满足系统对无功的灵活要求，实现真正意义上的灵活控制。
本发明的控制方法就是随时检测电网电压us的变化情况，将电网电压us与电网电压参考值uref比较，将二者的差值Δu经过PI调解器后得到参考无功电流
Figure GSB00000561980500021
作为电流内环控制的参考值，相比之前的电流内环控制参考值始终设定为0或者某一固定数值，该方法可以得到变化的无功电流参考值，即能柔性的向电网电压发送无功功率，满足了不同场合的要求；本发明的控制方法中还包括对有功电流的控制，以补偿电路中的有功损耗，功率器件由本身的容量限制，不可能无限制的发出无功或者有功功率，在优先发出相应无功功率的基础上，通过计算此时有功功率裕量，将Idref2与电压外环控制环节中的实际测量值Idref1比较，选择较小值作为最终的有功电流参考值，通过该控制环节就可以以最小有功电流值来满足直流测电压稳定的要求。通过在已有的电压外环和电流内环控制的基础上增加电流内环的参考无功电流的计算环节和电压外环的有功电流比较计算选择环节，优化了控制策略。
运行在STATCOM模式下的风力发电机组具有低电压穿越特性，在电网电压瞬间跌落情况下，能够根据需要灵活的馈送相应无功功率，也可以相应的调节有功功率，可以使风力发电机组达到与火力发电机组相类似的传输可靠性标准，具有自我调节能力。
附图说明
图1a直驱型风力发电系统组成示意图；
图1b双馈型风力发电系统组成示意图；
图2本发明控制原理框图；
图3网侧变流器运行在正常模式下的控制策略框图；
图4网侧变流器运行在STATCOM模式下的控制策略框图。
具体实施方式
以下结合图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1a是直接驱动型风力发电系统示意图，其中风力机拖动通过背靠背变流器与电网连接。图1b是双馈式风力发电示意图，风力机经过齿轮箱与发电机连接，发电机的定子直接与电网电压经降压后的低压端连接，发电机的转子与背靠背变流器的机侧变流器连接，背靠背变流器中的网侧变流器直接与电网电压经降压后的另一低压端子连接，其中机侧变流器和网侧变流器串联组成背靠背变流器。
图2是STATCOM运行模式的原理图。将电网的参考电压uref与实际电压us作差，送入PI调节器，得到灵活变化的无功电流这是本发明的基础。
图3是网侧变流器正常运行的控制策略框图。网侧变流器正常运行采用的是双闭环控制方法，由电压外环和电流内环两个控制环构成的。外环是通过电网的参考电压uref与实际电压us作差，送入PI调节器，得到灵活变化的无功电流
Figure GSB00000561980500033
而内环是一般设定电流内环控制的参考
Figure GSB00000561980500034
或者根据需要设定某一固定值，同时将电网电压或者电流经dq变换得到d轴电压vd，q轴电压vq和d轴电流id，q轴电流iq，将有功电流参考值
Figure GSB00000561980500041
和无功电流参考值
Figure GSB00000561980500042
分别与经电网电流变化后的id，iq作差，经过PI调节器后分别得到新的d轴电压和q轴电压
Figure GSB00000561980500043
然后将
Figure GSB00000561980500044
与d轴电流id和固定电抗值的乘积idwl作差得到新的vq，将
Figure GSB00000561980500045
与电网电压变换得到的vd与iqwl之和作差，得到最新的vd，然后再经过αβ和2/3变换，得到调制信号控制网侧变流器。
图4为网侧变流器运行在本发明方法下的控制框图。本发明的控制方法改善了网侧变流器电压外环有功电流参考设定值和电流内环无功电流参考设定值，即随着电网电压的变化能够及时灵活的变化。具体为：将检测得到的实际的电网电压us与设定的电网电压参考值uref作差，得到的电压差经过PI调节器后得到的参考无功电流
Figure GSB00000561980500046
得到无功参考电流后，依据约束关系式
Figure GSB00000561980500047
来计算得出网侧变流器有功电流的最大补偿量值
Figure GSB00000561980500048
imax为网侧变流器最大允许电流值。同时在电压外环控制中，将设定的电容电压参考值与通过DSP AD通道测量到的实际值作差，经过PI调节也得到有功电流参考值
Figure GSB00000561980500049
然后比较
Figure GSB000005619805000410
和
Figure GSB000005619805000411
的大小，选择较小值作为无功电流补偿设定值
Figure GSB000005619805000412
将有功电流参考值
Figure GSB000005619805000413
和无功电流参考值
Figure GSB000005619805000414
分别与经电网电流变化后的id，iq作差，经过PI调节器后分别得到新的d轴电压和q轴电压
Figure GSB000005619805000415
然后将与d轴电流id和固定电抗值的乘积idwl作差得到新的vq，将
Figure GSB000005619805000417
与电网电压变换得到的vd与iqwl之和作差，得到最新的vd，然后再经过αβ和2/3变换，得到调制信号控制网侧变流器。这样，当电网电压再降低时，通过上述控制方法后，有功功率和无功功率就随之改变，有功功率控制稳定了直流测的电压，而无功功率则把相应的无功功率回馈到电网中去，抑制了电网电压的进一步跌落，这样电网电压不再跌落，发电机定，转子就不会产生过流现象，从而保证了发电机的不脱网运行使风力发电机组具有了低电压穿越能力。

Claims (1)

1.一种风力发电机组低电压穿越的响应控制方法，其特征在于随时检测电网电压us的变化情况，将电网电压us与电网电压参考值uref比较，得到的差值Δu通过PI调节器得到无功电流参考值
Figure FSB00000599202900011
和有功电流参考值
Figure FSB00000599202900012
将无功电流参考值
Figure FSB00000599202900013
作为电流内环控制的参考值，配合电压外环和电流内环控制策略，控制网侧变流器，抑制电网电压跌落；有功电流参考值
Figure FSB00000599202900014
补偿电路中的有功损耗；
获得有功电流参考值
Figure FSB00000599202900015
的方式是：将检测得到的实际的电网电压us与设定的电网电压参考值uref作差，得到的电压差经过PI调节器后得到的无功电流参考值
Figure FSB00000599202900016
得到无功电流参考值后，依据约束关系式
Figure FSB00000599202900017
计算得出网侧变流器有功电流的最大补偿量值imax为网侧变流器最大允许电流值；同时在电压外环控制中，将设定的电容电压参考值与通过DSP AD通道测量到的实际值作差，经过PI调节也得到有功电流
Figure FSB00000599202900019
然后比较和的大小，选择较小值作为有功电流参考值
Figure FSB000005992029000112
通过无功电流参考值
Figure FSB000005992029000113
来抑制电压跌落和利用有功电流参考值
Figure FSB000005992029000114
补偿电路中的有功损耗的方式是：将有功电流参考值
Figure FSB000005992029000115
和无功电流参考值
Figure FSB000005992029000116
分别与经电网电流变换后的d轴和q轴电流id，iq作差，经过PI调节器后分别得到新的d轴电压和q轴电压
Figure FSB000005992029000117
然后将
Figure FSB000005992029000118
与d轴电流id和固定电抗值wl的乘积idwl作差得到新的vq，将与电网电压变换得到的vd与iqwl之和(vd+iqwl)作差，得到最新的vd，然后再经过αβ和2/3变换，得到调制信号控制网侧变流器。
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