CN101860043B - 串联型风力发电机组低电压穿越控制装置及控制方法 - Google Patents

串联型风力发电机组低电压穿越控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种适用机型广泛的串联型风力发电机组低电压穿越控制装置及控制方法，使其既可以用于新机组，又可以用于已投运机组的低电压穿越功能改造，在电网发生低电压故障的情况下，系统可快速输出平衡电压以补偿电网电压的跌落，使发电机端口观察到的电压基本稳定，从而使得风力发电机组具有低电压穿越的能力，根据需要系统还可向电网提供一定的无功功率，并且避免工作模式切换过程中可能产生的振荡过程，保证发电机组机械部件的安全可靠运行，延长使用寿命。

Description

串联型风力发电机组低电压穿越控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组低电压穿越控制技术，属于新能源发电技术领域。
背景技术
在未来的一段时间内，随着世界及中国经济的发展，能源的消耗将急剧增加，然而由于我国资源的相对匮乏以及不可再生资源的消耗对于环境的破坏，使得我国将在未来一段时间内长期面临着环境和资源的双重压力，发展包括风力发电在内的可再生能源是中国能源困境的最终解决办法。针对中国发展风电的实际情况，风电场与电网的协调规划和建设是当前最关键的问题。由于风能是一种不能人为控制且极不稳定的能源，时断时续，如何将风能开发出来并入电网，保证电网安全稳定地运行，这是一个急需解决的问题。因此，随着电网中风电所占比重的不断增加，世界各国在提高电网风电承受能力的同时，对并网风电机组提出了比以往更高的技术要求，如低电压穿越(LVRT)能力、有功和无功功率控制能力等。其中，风电机组的低电压穿越能力是风电机组设计制造技术的最大挑战。风力发电机的低电压穿越能力，是指在电网故障期间风电机组端电压降低到一定值的情况下，风电机组在一定时间范围内能够保持并网不间断运行的能力。目前风电发展领先的一些国家，已经相继制定了新的风电并网导则，定量给出了风电机组脱网的条件。
对于不同类型风电机组，其LVRT功能的实现方法也有所不同。目前用来提高LVRT能力的措施主要有桨距角控制、转子加速控制、定子Crowbar控制、转子Crowbar控制和动态无功补偿等。但是，双馈异步电机(DFIG)转子接入Crowbar装置后作为鼠笼异步电机运行，成为一个消耗感性无功的负载，不仅不能对电网电压起支持作用，反而阻碍故障切除后电网电压的恢复，另外DFIG不同运行状态间的切换，需要较为复杂的控制逻辑，否则会引起较大的振荡过程，影响传动轴、齿轮箱和轴承等机械部件的安全运行和降低使用寿命。当电网中加装了先进的动态无功补偿装置(SVC、STATCOM、DVR等)，使LVRT性能较差的恒速异步机组也具备了一定的LVRT能力，但动态无功补偿装置的经济性较差。
中国的风电并网导则呼之欲出，研制具有LVRT功能的风电机组已经成为国内风电整机厂家迫在眉急的任务，因此，开发一种适用机型广泛的低电压穿越控制装置，既可以用于新机组，又可以用于已投运机组的低电压穿越功能改造，可提高含风电场电网的稳定性，使风电的成本和环保优势得到切实的体现，这无疑将极大推动风力发电这种可再生能源的开发利用规模，带动国内相关风力发电设备造业的发展，对国民经济的健康快速发展起着重要作用。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种适用机型广泛的串联型风力发电机组低电压穿越控制装置及控制方法，使其既可以用于新机组，又可以用于已投运机组的低电压穿越功能改造，在电网发生低电压故障的情况下，系统可快速输出平衡电压以补偿电网电压的跌落，使发电机端口观察到的电压基本稳定，从而使得风力发电机组具有低电压穿越的能力，根据需要系统还可向电网提供一定的无功功率，并且避免工作模式切换过程中可能产生的振荡过程，保证发电机组机械部件的安全可靠运行，延长使用寿命。
技术方案：本发明的一种串联型风力发电机组低电压穿越控制装置包括耦合变压器、PWM变换器、储能电容、卸荷电路和控制器，其中：耦合变压器的原边接在发电机和升压变压器回路中，耦合变压器的副边与PWM变换器连接，PWM变换器直流侧接储能电容和卸荷电路，控制器的控制端分别接PWM变换器、卸荷电路；该低电压穿越控制装置串接于发电机与升压变压器的低压端之间。
所述卸荷电路包括：功率器件和电阻，控制器中的卸荷电路控制的输出端接功率器件的控制端，功率器件与电阻串联连接后，其电阻的另一端和功率器件的另一端分别接PWM变换器。
所述功率器件的具体形态为晶闸管或绝缘栅双极型晶体管。
风力发电低电压穿越控制装置的控制方法为：通过控制器连续量测升压变压器低压侧的实时电压并与正常情况电压值的模和相角进行比较，若偏差达到电网发生了低电压故障的程度，控制器将调节低电压穿越控制装置的PWM变换器来补偿电网上的电压跌落，将发电机端电压维持在一定的水平，从而实现低电压穿越；控制器同时监测直流侧储能电容两端的直流电压与设定值进行比较，若直流电压升高并超过限值，控制器触发卸荷电路的功率器件以调节直流电压降低至安全的范围内。
有益效果：本发明的优点在于：一种串联接入于风力发电机定子和变压器之间的风电机组低电压穿越控制装置，通过连续量测固定点的实时电压比较正常情况电压值的模和相角来进行操作，一旦在网络上发生故障，系统将操作补偿装置来补偿网络上的电压损失，从而将电压维持在一定的水平。这种装置能够在故障情况下吸收网络中额外的有功从而使发电机不脱网运行，也可以根据用户配置，输出需要的无功功率，以保证在故障发生期间风力发电机不需要脱网，使得风力发电机组具有低电压穿越的能力，并且避免工作模式切换过程中可能产生的振荡过程，保证发电机组机械部件的安全可靠运行，延长使用寿命。PWM变换器控制中应用了矢量控制技术，在电网上发生扰动的时候，无论电网平衡与不平衡，都可以控制输出电压，从而支撑发电机，保证发电机正常并网。由于低电压穿越控制装置串接在发电机定子和升压变压器低压侧之间，这种装置既可以固定在安装塔筒里面，或者在塔筒里面安装额外的固定平台，也可以安装在塔筒外面或者变压器房，因此使用相当方便。低电压穿越控制装置不改变原风力发电机组控制系统的原理和结构，因此可以适用于不同类型的机组，主要包括定速鼠笼异步发电机、双馈异步发电机、Opti-slip异步发电机等，具有适应性广、冲击载荷小等优点，该装置既可以成为风电机组的一个独立的低电压穿越功能模块，又可以用于已在电网内并网运行的老机组低电压穿越功能的改造。
附图说明
图1为具有低电压穿越控制装置的风力发电系统图；
图2为低电压穿越控制装置结构图；
图3为低电压穿越控制装置控制原理图。
图中有：耦合变压器1、PWM变换器2、储能电容3、卸荷电路4、功率器件41、电阻元件42、控制器5、卸荷电路控制51、PWM变换器控制52、发电机6、升压变压器7、电压互感器8、电流互感器9。
具体实施方式
串联型低电压穿越控制装置，包括耦合变压器、PWM变换器、储能电容、卸荷电路和控制器，低电压穿越控制装置串接于发电机与升压变压器的低压端之间，在系统中：耦合变压器的原边接在发电机和升压变压器回路中，耦合变压器的副边和PWM变换器连接，PWM变换器直流侧和储能电容连接，储能电容和卸荷电路连接；卸荷电路包括：功率器件和电阻元件，功率器件和电阻元件串联连接。
在本发明中：所述的风力发电低电压穿越控制装置通过控制器连续量测升压变压器低压侧的实时电压并和正常情况电压值的模和相角进行比较，若偏差达到一定程度即电网发生了低电压故障，控制器将调节低电压穿越控制装置的PWM变换器来补偿电网上的电压跌落，将发电机端电压维持在一定的水平，从而实现低电压穿越；控制器同时监测直流侧储能电容两端的直流电压与设定值进行比较，若直流电压升高并超过限值，控制器触发卸荷电路的功率器件以调节直流电压降低至安全的范围内。
在本发明中：所述的控制器包括卸荷电路控制和PWM变换器控制。
直流侧储能电容两端直流电压实测值Udc和直流电压设定值Udc_ref经过比较环节得到偏差信号ΔUdc，偏差信号经过比例积分(PI)调节器后送入比较器，生成控制功率器件的导通占空比，控制功率器件的导通和关断，从而调节直流电压值接近设定值。
功率变换器控制采用矢量控制技术，电网与升压变压器高压端连接，升压变压器低压端与低电压穿越控制装置的耦合变压器连接，三相电网电压在升压变压器低压端检出后首先进行abc/dq坐标变换，分别得到三相电压的直轴(d轴)分量ud和交轴(q轴)分量uq，对uq和uq进行正负序计算，可得到d轴分量的正序分量和负序分量，该实测的d轴正负序分量和给定的d轴正负序分量送入电压比较环节进行比较，其中d轴负序分量给定值为0，分别将d轴正序分量和负序分量的偏差信号送入PI调节器并生成d轴正序参考电压
Figure GSA00000123348300041
和d轴负序参考电压
Figure GSA00000123348300042
负序参考电压
Figure GSA00000123348300043
乘以因子e-j2ωt后和正序参考电压
Figure GSA00000123348300044
相加后得到d轴参考电压
Figure GSA00000123348300045
给定的无功功率值通过比例环节得到所需的交轴参考电流
Figure GSA00000123348300046
将测量到的PWM变换器三相交流电流进行abc/dq坐标变换得到d轴电流分量id和q轴电流分量iq，把实测q轴电流分量iq和交轴参考电流
Figure GSA00000123348300047
送入比较环节并将偏差信号送入PI调节器，得到q轴参考电压
Figure GSA00000123348300048
d轴参考电压
Figure GSA00000123348300049
和q轴参考电压
Figure GSA000001233483000410
一起送入SVPWM调制器，即可产生PWM变换器运行所需的PWM调制波。
附图非限制性地公开了本发明实施例的具体结构，下面结合附图对本发明作进一步说明。
由图1可见，含低电压穿越控制装置的风力发电系统，其连接方式是：低电压穿越控制装置串接于发电机定子绕组输出端与升压变压器的低压端之间。
由图2可见，低电压穿越控制装置包括：耦合变压器、PWM变换器、储能电容、卸荷电路和控制器，其具体的连接方式是：耦合变压器的原边接在发电机和升压变压器回路中，耦合变压器的副边和PWM变换器连接，PWM变换器直流侧和储能电容连接，储能电容和卸荷电路连接。低电压穿越控制装置的控制器包括：卸荷电路控制和PWM变换器控制，卸荷电路控制与卸荷电路连接，PWM变换器控制与PWM变换器连接。
由图3可见，卸荷电路包括：功率器件和电阻元件，其具体的连接方式是：功率器件和电阻元件串联连接。功率器件和电阻元件参数要根据发电机类型、容量大小、并网导则规定和电压等级适当选取。
工作时，测量直流侧储能电容两端直流电压Udc并与直流电压设定值Udc_ref在比较环节比较，得到偏差信号ΔUdc，该偏差信号经过PI调节器后送入比较器，生成控制功率器件的导通占空比，控制功率器件的导通和关断，从而调节直流电压值接近设定值。
功率变换器控制采用矢量控制技术，电网与升压变压器高压端连接，升压变压器低压端与低电压穿越控制装置的耦合变压器连接，三相电网电压在升压变压器低压端检出后首先进行abc/dq坐标变换，分别得到三相电压的直轴(d轴)分量ud和交轴(q轴)分量uq，对ud和uq进行正负序计算，可得到d轴分量的正序分量和负序分量，该实测的d轴正负序分量和给定的d轴正负序分量送入电压比较环节进行比较，其中d轴负序分量给定值为0，分别将d轴正序分量和负序分量的偏差信号送入PI调节器并生成d轴正序参考电压
Figure GSA00000123348300051
和d轴负序参考电压
Figure GSA00000123348300052
负序参考电压
Figure GSA00000123348300053
乘以因子e-j2ωt后和正序参考电压
Figure GSA00000123348300054
相加后得到d轴参考电压
Figure GSA00000123348300055
给定的无功功率值通过比例环节得到所需的交轴参考电流
Figure GSA00000123348300056
将测量到的PWM变换器三相交流电流进行abc/dq坐标变换得到d轴电流分量id和q轴电流分量iq，把实测q轴电流分量iq和交轴参考电流
Figure GSA00000123348300057
送入比较环节并将偏差信号送入PI调节器，得到q轴参考电压
Figure GSA00000123348300058
d轴参考电压
Figure GSA00000123348300059
和q轴参考电压
Figure GSA000001233483000510
一起送入SVPWM调制器，即可产生PWM变换器运行所需的PWM调制波。

Claims (4)

1. 一种串联型风力发电机组低电压穿越控制装置，其特征在于该低电压穿越控制装置包括耦合变压器（1）、PWM变换器（2）、储能电容（3）、卸荷电路（4）和控制器（5），其中：耦合变压器的原边接在发电机（6）和升压变压器（7）回路中，耦合变压器（1）的副边与PWM变换器（2）连接，PWM变换器（2）直流侧接储能电容（3）和卸荷电路（4），控制器（5）的控制端分别接PWM变换器（2）、卸荷电路（4）；该低电压穿越控制装置串接于发电机（6）与升压变压器（7）的低压端之间。
2.根据权利要求1所述的串联型风力发电机组低电压穿越控制装置，其特征在于所述卸荷电路（4）包括：功率器件（41）和电阻（42），控制器（5）中的卸荷电路控制（51）的输出端接功率器件（41）的控制端，功率器件（41）的发射极与电阻（42）一端串联连接后，其电阻（42）的另一端和功率器件（41）的集电极分别接PWM变换器（2）。
3.根据权利要求2所述的串联型风力发电机组低电压穿越控制装置，其特征在于所述功率器件（41）的具体形态为绝缘栅双极型晶体管。
4.一种如权利要求1所述的串联型风力发电机组低电压穿越控制装置的控制方法，其特征在于该控制方法为：通过控制器（5）连续量测升压变压器（7）低压侧的实时电压并与正常情况电压值的模和相角进行比较，若偏差达到电网发生了低电压故障的程度，控制器（5）将调节低电压穿越控制装置的PWM变换器（2）来补偿电网上的电压跌落，将发电机（6）端电压维持在一定的水平，从而实现低电压穿越；控制器（5）同时监测直流侧储能电容（3）两端的直流电压与设定值进行比较，若直流电压升高并超过限值，控制器触发卸荷电路的功率器件以调节直流电压降低至安全的范围内。
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