CN101989829B - 定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统 - Google Patents

Abstract

一种定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统，包括TSC型静止无功补偿器、安装在鼠笼式异步发电机上的转速传感器以及用以实现低电压穿越控制的智能控制器，TSC型静止无功补偿器连接于在鼠笼式异步发电机的三相线路上，TSC型静止无功补偿器包括并联的n组电容，单组电容与双向晶闸管串联；智能控制器包括：转速采集模块，转速阻抗特性计算模块，用以根据转速信号和电机固有特性参数计算目标等值容性阻抗；容量分配模块，用以根据计算的目标等值容性阻抗，分配需要投入的各组电容，并向所述相应的双向晶闸管发出闭合指令。本发明在较低成本的前提下实现良好的控制效果。

Description

定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统

技术领域

本发明涉及定桨失速型风力发电机组，尤其是一种低电压穿越控制系统。

背景技术

风电机组的低电压穿越能力是指风电机组端电压降低到一定值的情况下风电机组能够维持并网运行的能力。

电网系统的瞬态短路而引起电压暂降在实际运行中是经常出现的，而其中绝大多数的故障在继电保护装置的控制下在短暂的时间(通常不超过0.8秒)内能恢复，即重合闸。在这短暂的时间内，电网电压大幅度下降，风电机组必须在极短时间内做出无功功率调整来支持电网电压，来保证风电机组不脱网，避免出现局部电网内风电成份的大量切除导致系统供电质量的恶化。

德国等欧美国家都对于风电机组的低电压穿越能力做出了强制性的规定。随着近年中国风电的迅速发展，某些局部地区已经出现的风电装机容量过高，也出现了多次在电网瞬态短路时大量风电切出电网的事故。我国也有一些内部规范如《国家电网公司风电场接入电网技术规定(2009修订版)》和《国家电网公司风电场接入电网技术规定实施细则(2009)》都体现了相应的要求。

国外机组为实现风力发电机组低电压穿越的要求，大多数是针对采用绕线式异步发电机的双馈变速恒频机组，在电压跌落的同时使用变流器实现无功补偿以及有源Crowbar卸荷电阻释放能量来完成的，上述方法在技术和经济两方面能够达到较好的协调，并且这方面国外的技术已经相当成熟。

但是对于国内大量运行的使用鼠笼式异步发电机的定桨失速型机组而言，对电网的低电压穿越要求一直没有太好的解决方法。

定桨失速型机组在正常运行时有进行无功补偿的需要，一般可通过固定电容组或MCR型静止无功补偿设备实现，上述两种方案的控制方法都基于对机组出口端电压和电流的测量，通过有效值计算来判定无功补偿量。

对于定桨失速型机组的低电压穿越要求而言，电压和电流的测量和有效值计算过程(至少需要0.1秒)对于暂态电压跌落-恢复过程(通常不超过1秒)会显得过长，这样就大大影响了无功补偿器的反应速度，同时由于机组端口处的电压强烈的时变特性，使得静止无功补偿器的补偿效果受到很大的限制，从而对于机组出口端的电压提升效果产生了很大的影响。电压的跌落使得机组产生的有功功率无法送入电网，同时又无法使得机组发出的有功功率快速消耗掉，最终会导致机组的转速快速大幅上升，发电机转差增大，在电压恢复时由于电气特性突变，发电机转矩产生大幅度振荡，从而对风机齿轮箱产生严重危害。与此同时，由于发电机转差增大，也会大大增加机组对电网的无功需求，从而迟滞机组端的电压恢复。

如果采全功率变换的方法可以在技术上完成定桨失速机组低电压穿越的要求，但是，全功率变换器会大大增加了机组在完成低电压穿越方面的成本，在机组正常运行时会造成对电网的谐波污染，并且全功率变换器对于已经在现场大量运行的定桨失速机组来说，改造难度很大，这无论对于风场业主还是机组制造商都是不得不考虑而又无法接受的。

所以，目前实际中还没有一种经济并且有效的方法使得定桨失速机组完成低电压穿越的要求。

为了完成定桨失速型机组的低电压穿越要求，同时还要克服传统静止无功补偿器是以采集的电压为控制依据，电压、电流有效值的采集通常要经过0.1秒左右，再加上对设备的控制时间，则在0.15秒以上，这样使得静止无功补偿器不能及时跟随发电机端电压的强烈动态变化。

发明内容

为了克服已有定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制方法的无法兼顾成本和控制效果的不足，本发明提供一种在较低成本的前提下实现良好的控制效果的定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统，包括TSC型静止无功补偿器、安装在鼠笼式异步发电机上的转速传感器以及用以实现低电压穿越控制的智能控制器，TSC型静止无功补偿器连接于在鼠笼式异步发电机的三相线路上，TSC型静止无功补偿器包括并联的n组电容，n为自然数，单组电容与双向晶闸管串联；所述智能控制器包括：转速采集模块，用以采集所述转速传感器上的转速信号；转速阻抗特性计算模块，用以根据转速信号和电机固有特性参数计算目标等值容性阻抗，其计算公式为：

$C=\frac{x_g}{2\mathrm{\πf}|{x_g}^2+{r_g}^2|}$

上式中，f为电网频率，x_g和r_g为发电机的计算参数，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_g=r_s+\frac{{\mathrm{sr}}_r{x_m}^2}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\\ x_g=x_s+\frac{x_m{r_r}^2+s^2{x}_r{x_m}^2+s^2{x_r}^2{x}_m}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\end{array}\right.$

上式中，r_s为发电机定子电阻，r_r为发电机转子电阻，x_s为发电机定子电抗，x_r为发电机转子电抗，x_m为发电机激磁电阻，以上电机固有特性参数从发电机制造商获得；s为发电机转差率，表征发电机的当前转速大小，其计算式为：

$s=\frac{n_0-n}{n_0}$

上式中，n₀为发电机同步转速，n为发电机当前转速；

容量分配模块，用以根据计算的目标等值容性阻抗，分配需要投入的各组电容，并向所述相应的双向晶闸管发出闭合指令。

进一步，各组电容容量分别为C/(2ⁿ-1)、2C/(2ⁿ-1)，4C/(2ⁿ-1)......2ⁿ×C/(2ⁿ-1)；当然，也可以采用其他的分组容量，例如各组电容的容量均相等，或者呈等差序列等。

再进一步，所述TSC型静止无功补偿器在鼠笼式异步发电机的三相线路上呈三角接法。

或者是：所述TSC型静止无功补偿器在鼠笼式异步发电机的三相线路上呈星型接法。

所述转速传感器为转速编码器。

本发明的技术构思为：从感应发电机的本质出发，解析风电机组在低电压穿越过程中，由于转速偏离正常工作速度带来发电机工作特性的变化，从而以静止无功补偿设备来补偿发电机的工作特性，从而促使系统在电压恢复以后尽快回到稳定工作状态，并实现降低传动系统转矩振荡的作用。

图2为感应发电机的单相等效电路，可见其阻抗特性为转差率s也即发电机转速的函数。在电网频率固定的情况下，定子电抗X_s、转子折算电抗X_r、激磁电抗X_m和对应的定子电感L_s、转子折算电感L_r、激磁电感L_m成线性比例关系。等效电路中与转速无关的值则是定子电阻R_s和转子折算电阻R_r。

$\left\{\begin{array}{c}{X}_s=2\mathrm{\πf}{L}_s\\ X_r=2\mathrm{\πf}{L}_r\\ X_m=2\mathrm{\πf}{L}_m\end{array}\right.$ 式(1)

$s=\frac{n_0-n}{n_0}$ 式(2)

上式中，n₀为发电机同步转速，n为发电机实时转速。R_s、X_s、X_r、R_r、X_m参数为发电机的设计数据，可由发电机制造工厂得到并进行试验验证。可以将电路简化为图3中R_g和X_g的串联形式，当发电机转速变化时，R_g和X_g的大小都发生非线性变化，在此情况下，跟踪调整静止无功补偿器的单相等效电容C_p即可调整发电机的对外电气特性。

其中R_g和X_g的计算等值如下

$\left\{\begin{array}{c}{r}_g=r_s+\frac{{\mathrm{sr}}_r{x_m}^2}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\\ x_g=x_s+\frac{x_m{r_r}^2+s^2{x}_r{x_m}^2+s^2{x_r}^2{x}_m}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\end{array}\right.$ 式(3)

可见，当发电机端的相电压为U_p，则发电机单相有功和无功为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=\frac{{U_p}^2{r}_g}{{r_g}^2+{x_g}^2}\\ Q_g=\frac{{U_p}^2{x}_g}{{r_g}^2+{x_g}^2}\end{array}\right.$ 式(4)

而在U_p电压下，TSC的单相无功补偿容量为

$Q_{\mathrm{TSC}}=\frac{{U_p}^2}{x_{\mathrm{TSC}}}$ 式(5)

当式(4)与式(5)联列，那么当

Q_TSC＝Q_g    式(6)

也即

$\frac{1}{x_{\mathrm{TSC}}}=\frac{x_g}{{r_g}^2+{x_g}^2}$ 式(7)

时，整个风电机组的对外无功平衡，若TSC的无功补偿量小于发电机需求，则机组从电网吸收无功功率，若TSC的无功补偿量大于发电机需求，则机组向电网送出无功功率。无论对于三角接法或者星形接法的发电机和TSC，都可以折算到单相等效电路上来，对于低压入网的风力发电机组，更多采用三角接法的发电机和TSC以减小设备损耗。

如果TSC的补偿量显著小于发电机需求，那么在机组从电网吸收大量无功功率的情况下会进一步拉低电网电压，对发电机端电压的恢复造成恶性循环，影响电网稳定。

$\mathrm{\ΔU}\≈\frac{\mathrm{\ΔQ}}{S_{\mathrm{sc}}}$ 式(8)

上式中，ΔU为发电机端电压变化量，ΔQ为发电机组的无功功率需求变化量，S_sc为机组接入点电网短路容量。

转速上升幅度：对于TSC的容性阻抗而言，

$\frac{1}{x_{\mathrm{TSC}}}=2\mathrm{\πfC}$ 式(9)

低电压穿越动态主要特点是电压的幅值发生变化而频率基本不发生变化，因而x_TSC的大小是只与电容的固有特性容量C相关的。

由式(7)和式(9)可见，C的目标值与电网电压无关，只取决于发电机固有特性参数和转速。由于发电机固有特性参数在发电机设计制造时就已经确定，于是更大程度上，C的取值是在于发电机在低电压穿越时的最高转速。

在电压暂态跌落的瞬间，由于电流突变，会造成短时很大的电磁转矩，造成电机转速有小幅度下降，而后在电磁暂态稳定后，由于稳态电磁转矩小而发电机转速快速上升。

为计算机组在低压穿越过程中的最高转速点，可根据机组参数建立动态模型如下

图4中J’_wtr是叶轮折算到高速轴的惯量，T’_wtr是叶轮折算到高速轴的转矩，T_gen是发电机转矩，J_gen是发电机惯量，D’_e为系统阻尼粘性系数，K’_se为系统等效刚度。此外，还可定义ω’_wtr为折算到高速轴的叶轮转速，ω_gen为发电机转速，θ’_wtr为折算到高速轴的叶轮角位移，θ_gen为发电机角位移。于是可建立模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T^{\′}}_{\mathrm{wtr}}={J^{\′}}_{\mathrm{wtr}}\frac{d{{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{wtr}}}{\mathrm{dt}}+{D^{\′}}_e({{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{wtr}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gen}})+{k^{\′}}_{\mathrm{se}}({{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{wtr}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gen}})\\ \frac{d{{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{wtr}}}{\mathrm{dt}}={{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{wtr}}\\ -T_{\mathrm{gen}}=J_{\mathrm{gen}}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{gen}}}{\mathrm{dt}}+{D^{\′}}_e({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gen}}-{{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{wtr}})+{k^{\′}}_{\mathrm{se}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gen}}-{{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{wtr}})\\ \frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gen}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gen}}\end{array}\right.$ 式(10)

上式中，等效刚度刚度K’_se为

${k^{\′}}_{\mathrm{se}}=\frac{1}{\frac{k_{\mathrm{wtr}}}{k_{\mathrm{gear}}^2}}+\frac{1}{k_{\text{gen}}}$ 式(11)

一个机构的刚度(k)是指弹性体抵抗变形(弯曲、拉伸、压缩等)的能力，对于旋转轴系统而言，其定义为刚度＝施加转矩/形变角度。系统的阻尼粘性系数(D)的定义为转速增加Δω引起转矩下降ΔT的度量，即D＝ΔT/Δω。

同时，由异步发电机的特性可知，电磁转矩与转差率的关系如下

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e=\frac{\mathrm{pm}}{{2\mathrm{\πf}}_1}\frac{U_p^2\frac{R_r}{s}}{{(R_s+\mathrm{\σ}\frac{R_r}{s})}^2+{(X_s+\mathrm{\σ}{X}_r)}^2}\\ \text{\σ=1+}\frac{Z_s}{Z_m}\≈1+\frac{X_s}{X_m}\end{array}\right.$ 式(12)

上式中，m为相数，p为极对数，f₁为电网频率，s为转差率。

那么，由式(10)和式(12)，可以通过数学计算工具来计算风电机组在不同的电压跌落条件下，转速和转矩的变化过程。

由上面的计算结果，即可得出发电机在电压跌落过程中可能到达的最高转速。根据不同的低电压穿越标准，可以用标准规定下的各种电压跌落情况进行比较，根据故障发生的概率和经济性综合评价，最后确定补偿电容值的大小。

电容分组和转速预测：在选用多组TSC的情况下，若目标C的大小对应低电压过程中可能出现的发电机最高转速，那么TSC组对应的最小容性阻抗分度为C/(2ⁿ-1)，因而可以针对每一时刻的发电机转速进行精确控制容性阻抗的补偿量。

在系统实现上，可根据TSC的分组情况和发电机固有特性参数，预先计算好从0到C以C/(2ⁿ-1)为分度的容性阻抗对应的发电机转速，并设置一定的控制回差，控制目标应为容性阻抗投入量略大于发电机需求。并且，由于机组的惯量很大，在低电压过程中加速度不会发生突变，所以可以根据对两次转速测量之间的时间差来计算加速度和推断下一次检测时的可能的发电机转速和TSC投入组，提前使即将投入的TSC组的电容直流电压得到控制和调节，以实现降低电容冲击电流的效果。

a＝(n₁-n₂)Δt    式(13)

n₃′＝n₂+aΔt    式(14)

上式中a为发电机加速度，Δt为两次速度检测之间的时间差，n₁为前一次检测的发电机转速，n₂为当前检测的发电机转速，n₃’为下一次检测时可能的发电机转速。在实现对转速的预测后，可以使相应的电容组进行提前的预充电，实现电容组投入时的零电流过渡，达到延长电容和开关寿命的目的。

另一方面，在忽略传动系统阻尼和弹性的情况下，可以由式(10)得到近似的发电机加速度如下

$a=\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=\frac{T_{\mathrm{wtr}}^{\′}-T_{\mathrm{gen}}}{J_{\mathrm{gen}}+{J^{\′}}_{\mathrm{wtr}}}$ 式(15)

式(15)的结果是表征了低电压过程中发电机加速度产生的本源，但在实际计算中，由于转矩难以测量，仍可近似采用式(13)的结果。

当机组转速上升的越多，TSC投入的组数越多；当然，在风力发电机转速下降的过程中，TSC也相应的会切出，转速下降的越多，TSC切出的组数越多。

本发明的有益效果主要表现在：1.成本低；2.控制准确性高，反应速度快，测量控制时间可保持在0.025秒以内，而传统方案则需要0.25秒以上；3.在优化控制下发电机端电压的跌落和恢复不因TSC的切换产生恶化；4.补偿过程的动作对机组的机械危害较小；5.TSC型静止无功设备不产生谐波污染电网；6.现场升级改造简易。

附图说明

图1是定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统的结构图。

图2是感应发电机等效电路的示意图。

图3是以静止无功补偿器调整发电机组特性的原理图。

图4是风电机组传动系统的两质块柔性模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统，包括TSC型静止无功补偿器、安装在鼠笼式异步发电机上的转速传感器以及用以实现低电压穿越控制的智能控制器，TSC型静止无功补偿器连接于在鼠笼式异步发电机的三相线路上，TSC型静止无功补偿器包括并联的n组电容，各组电容容量分别为C/(2ⁿ-1)、2C/(2ⁿ-1)，4C/(2ⁿ-1)......2ⁿ×C/(2ⁿ-1)，单组电容与双向晶闸管串联；所述智能控制器包括：转速采集模块，用以采集所述转速传感器上的转速信号；转速阻抗特性计算模块，用以根据转速信号和电机固有特性参数计算目标等值容性阻抗，其计算公式为：

$C=\frac{x_g}{2\mathrm{\πf}|{x_g}^2+{r_g}^2|}$

上式中，f为电网频率，x_g和r_g为发电机的计算参数，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_g=r_s+\frac{{\mathrm{sr}}_r{x_m}^2}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\\ x_g=x_s+\frac{x_m{r_r}^2+s^2{x}_r{x_m}^2+s^2{x_r}^2{x}_m}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\end{array}\right.$

上式中，r_s为发电机定子电阻，r_r为发电机转子电阻，x_s为发电机定子电抗，x_r为发电机转子电抗，x_m为发电机激磁电阻，以上电机固有特性参数从发电机制造商获得；s为发电机转差率，表征发电机的当前转速大小，其计算式为：

$s=\frac{n_0-n}{n_0}$

上式中，n₀为发电机同步转速，n为发电机当前转速；

容量分配模块，用以根据计算的目标等值容性阻抗，分配需要投入的各组电容，并向所述相应的双向晶闸管发出闭合指令。

本发明使用的静止无功补偿器采用机组的机械转速为投切的控制依据，这样在实际中，由于机组的惯量很大，因而转速的相对稳定性较好，并且机组的转速可以很容易地满足快速可靠测量的要求(可以在0.005秒以内)，同时对转速的测量可以严格限制机组转速的上升幅度，保证机组的安全性。

为实现定桨失速机组的低电压穿越的要求，使用TSC型的静止无功补偿器来实现，此装置中TSC可被分为n组，电容容量分别为C/(2n-1)、2C/(2n-1)，4C/(2n-1)......2n*C/(2n-1)，分组越多则可以实现的控制精度越细。

在发电机输出端，TSC型SVC连接于三相线路(三角接法或者星型接法都可以)，TSC组的总容量C可根据低电压穿越要求的细则、发电机和机组固有特性来确定。单组TSC中，对于每个电容，双相晶闸管同时导通或切断。对于电网电压短时的深度跌落，TSC的三相均应同时投入，对于电网电压的长时的浅度跌落，则可根据电压跌落情况来做判断，以TSC进行一相或两相投入。使用晶闸管来投切电容可以减少投切过程中的冲击电流以及投切所用的时间(在0.02秒以内)，如用接触器投切则可能造成很大冲击电流，用时也较长(0.05秒左右)，并且在切出到切入动作之间有最小时间间隔要求，一般长达数十秒。

在风力发电机上通过编码器可以快速准确的测量出发电机转速，根据风力发电机转速和发电机固有特性参数计算不同转差率下发电机的阻抗特性，得到等值容性阻抗的需求目标，而后根据TSC的分组情况进行分配，而后根据电压相位来对各TSC组的各相晶闸管进行驱动。发电机转差率越大，投入的电容组数越多，直至全部投入。各组TSC型SVC的每组电容的投切之间没有延时，这样可以在机组转速下降时快速的反应电容组的投切，并且TSC型SVC可采用电容剩余电压判断方法进行切入控制，不存在大的电容冲击电流，对延长电容寿命有很大帮助。此外，TSC型SVC在工作时不产生谐波电流也是其一大优点。

Claims (4)

1.一种定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统，其特征在于：所述低电压穿越控制系统包括TSC型静止无功补偿器、安装在鼠笼式异步发电机上的转速传感器以及用以实现低电压穿越控制的智能控制器，TSC型静止无功补偿器连接于在鼠笼式异步发电机的三相线路上，TSC型静止无功补偿器包括并联的n组电容，n为自然数，单组电容与双向晶闸管串联；所述智能控制器包括：

转速采集模块，用以采集所述转速传感器上的转速信号；

转速阻抗特性计算模块，用以根据当前转速信号和电机固有特性参数计算目标等值容性阻抗C，其计算公式为：

$C=\frac{x_g}{2\mathrm{\πf}|{x_g}^2+{r_g}^2|}$

上式中，f为电网频率，x_g和r_g为发电机的计算参数，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_g=r_s+\frac{{\mathrm{sr}}_r{x_m}^2}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\\ x_g=x_s+\frac{x_m{r_r}^2+s^2{x}_r{x_m}^2+s^2{x_r}^2{x}_m}{{r_r}^2+{({\mathrm{sx}}_m+{\mathrm{sx}}_r)}^2}\end{array}\right.$

上式中，r_s为发电机定子电阻，r_r为发电机转子电阻，x_s为发电机定子电抗，x_r为发电机转子电抗，x_m为发电机激磁电阻，以上电机固有特性参数从发电机制造商获得；s为发电机转差率，表征发电机的当前转速大小，其计算式为：

$s=\frac{n_0-n}{n_0}$

上式中，n₀为发电机同步转速，n为发电机当前转速；

容量分配模块，用以根据计算的目标等值容性阻抗，分配需要投入的各组电容，并向所述相应的双向晶闸管发出闭合指令，各组电容容量分别为C/(2ⁿ-1)、2C/(2ⁿ-1)，4C/(2ⁿ-1)......2ⁿ×C/(2ⁿ-1)。

2.如权利要求1所述的定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统，其特征在于：所述TSC型静止无功补偿器在鼠笼式异步发电机的三相线路上呈三角接法。

3.如权利要求1所述的定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统，其特征在于：所述TSC型静止无功补偿器在鼠笼式异步发电机的三相线路上呈星型接法。

4.如权利要求1或2所述的定桨失速型风力发电机组的低电压穿越控制系统，其特征在于：所述转速传感器为转速编码器。

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