CN102027671B - 用于操作具有双馈异步机的风电设备的方法和具有双馈异步机的风电设备 - Google Patents

用于操作具有双馈异步机的风电设备的方法和具有双馈异步机的风电设备 Download PDF

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Abstract

一种用于操作具有双馈异步机、电网侧变频器和发电机侧变频器的风电设备的方法，所述电网侧变频器和发电机侧变频器都受控制装置控制，所述方法包含下列步骤：在正常操作模式中，所述变频器由控制装置利用用于正常操作模式的命令变量控制，在电网故障的情况下，变频器受至少一个控制模块控制，该控制模块利用命令变量(i)控制转矩和/或有功功率以及(ii)控制无功电流和/或无功功率，使得只有当电网电压降到预定的电压-时间-特性曲线以下时，才执行把所述异步机从电网断开，其中，电压-时间-特性曲线的形状由所述至少一个控制模块中的多个可预先选择的参数配置，其中，提供至少一个第一命令变量函数，该第一命令变量函数在故障情况下提供用于转矩和/或有功功率的命令变量并且包含至少两个基本函数，其第一基本函数确定发生故障以后转矩和/或有功功率的设置点，并且其第二基本函数确定故障结束以后转矩和/或有功功率的设置点，并且其中，提供用于无功电流和/或无功功率的至少一个第二命令变量函数，该第二命令变量函数在故障情况下提供用于控制至少一个变频器的命令变量并且包含至少两个基本函数，其第三基本函数确定发生故障以后无功功率和/或无功电流的设置点，并且其第四基本函数确定故障结束以后无功功率和/或无功电流的设置点。

Description

用于操作具有双馈异步机的风电设备的方法和具有双馈异步机的风电设备
技术领域
本发明涉及用于操作具有双馈异步机的风电设备的方法和具有双馈异步机的风电设备。
背景技术
从WO 2005/027301 A1已知用于操作用于发电机的变频器的方法。该方法涉及具有变频器的风电设备，所述变频器包含与发电机相连的变频器以及与电网相连的变频器。在电网电压显著下降时，该方法规定所述变频器之间的居间链路中的电压降低，并且电网侧变频器的输出电流增加。此外，用于控制电网侧变频器的操作频率可被降低，以便增大电网侧变频器的输出电流。
从WO 2004/067958 A1，已知一种用于风电设备的发电机，包含用于经受电网故障的低压控制。提供该控制以便把电能可靠地馈入电网中，其中，能量供应公司的电网规程(grid code)尤其应该被纳入考虑。这些要求被表示为“低压穿越(low voltage ride through，LVRT)”，并要求如果在电网中出现了电压降，则风电设备应继续同步地馈入电网。为了符合这些要求，建议当出现电压降时，改变一个或更多个转子叶片(rotor blade)的桨距角(pitch angle)。
在过去，风电设备的新的电网规程由能量供应公司定义，特别强调这些风电设备的FRT(“故障穿越”)特性。风电设备的FRT特性表示该风电设备不关闭或者断路地经历电网故障的能力。存在众多不同的FRT变型，使得不得不一次又一次地调适(adapt)风电设备的控制。这不断要求重新设计风电设备的控制-特别是变频器的控制-以及新控制方法的开发。作为开发时间和新调适的控制的后续测试的结果，产生了延迟和花费，与风电设备的灵活应用冲突。
从I.Erlich等人的“Integration of wind power into the Germanhigh voltage transmission grid”(在Power Engineering SocietyGeneral Meeting发表，2007，IEEE，2007年6月24日-2007年6月26日，第1到8页)，已知风电设备的双馈异步机控制分别具有各自的电学参数的转子侧变频器和电网侧变频器，此外，从这个文档知道，只有当电网电压降到预定的电压-时间-特性曲线以下时，才允许把异步机从电网断开。
发明内容
基于该问题，本发明旨在提供能够很容易地适应不同FRT要求的用于操作具有双馈异步机的风电设备的方法和这样的风电设备。
利用本发明的用于操作风电设备的方法解决所述问题。也利用本发明的的风电设备解决所述问题。本发明的有益方面从本发明的优选实施例获得。
本发明用于操作具有双馈异步机的风电设备，所述风电设备包含电网侧和发电机侧变频器。这些变频器最好通过直流链路连接。此外，根据本发明，提供了控制这些变频器的控制装置。正常操作模式中的本发明方法包含由控制装置利用命令变量控制风电设备的变频器的步骤。根据本发明，在电网故障的情况下，变频器由至少一个控制模块控制，其利用命令变量控制转矩和/或有功功率以及无功电流和/或无功功率，以便只有当电网电压降到预定的电压-时间-特性曲线以下时，才将执行把所述异步机从网络断开。根据本发明，电压-时间-特性曲线的形状在所述至少一个控制模块中由多个可预先选择的参数确定。所述方法使用第一命令变量函数，其在故障情况下提供用于转矩和/或有功功率的命令变量。在故障情况下，第一命令变量函数允许提供用于一个或两个变频器处的控制的命令变量。通过命令变量，在正常操作模式以及故障情况下执行变频器的控制，以便对于变频器来说，在其如何受到控制方面不存在结构差异。本发明设定用于转矩和/或有功功率的第一命令变量函数包含至少两个基本函数。在这些基本函数中，第一基本函数确定发生故障以后转矩和/或有功功率的设置点的时间序列(progression)，而第二基本函数确定故障结束以后转矩和/或有功功率的设置点的时间序列。在第一命令变量函数的控制模块的设计中，控制模块被划分为两个基本函数，以便允许更容易地使控制模块适应不同的FRT要求。根据本发明，还提供了第二命令变量函数，其提供了无功功率和/或无功电流的设置点。第二命令变量函数包含两个基本函数，其第三基本函数确定发生故障以后无功功率和/或无功电流的设置点的时间序列，并且，其第四基本函数确定故障结束以后无功功率和/或无功电流的设置点的时间序列。
在本发明方法中，除了以已知方式控制对电网的馈入的常规控制装置以外，还提供了至少两个命令变量函数，其在故障情况下利用命令变量完全接管变频器的控制，以便符合电网规程的FRT要求。当存在电网要求的变化时，风电设备的这种模块控制的益处是：从正常操作模式中的控制开始，不再需要重新设计整个控制，而只需要使一个或多个具有其基本函数的命令变量函数适应故障的情况。因为电压-时间-特性曲线能够被参数化，因此确保用于适应不同的FRT要求的命令变量函数能够通过参数的适当选择被容易地调适。总而言之，使用能够被参数化的模块控制允许在参数化以后施加命令变量函数而不干扰控制过程。以这种方式，能够显著地减少针对FRT要求的变化的开发时间和所需切换时间。
根据优选方面，具有转矩函数和/或功率函数的第一命令变量函数为发电机侧变频器提供转矩设置点和/或功率设置点。这个有益方面基于以下事实：在电网规程的FRT要求中，也定义了在电网故障期间和电网故障之后对风电设备的有功功率产生(P)的要求。对于有功功率(P)，简单关系
P＝2π·n·M
成立，其中n是转速，M是转矩或者空气隙转矩。为了符合故障情况下可能的给定有功功率要求，针对故障情况下对应的转矩函数定义单独的命令变量函数已证明有益。
根据优选方面，在故障情况下，第二命令变量函数给电网侧变频器提供转矩和/或有功功率的设置点。
在优选方面中，电网电压被测量，并且，如果电网电压降到预定的区别阈值以下则检测到故障。如果电网电压下降了预定的绝对值，使得电网电压达不到针对故障情况的区别阈值，则控制装置将检测到故障。为了防止过早地发布故障情况，只有电网电压降到阈值以下至少达到预定的持续时间才检测到故障。预定的持续时间以及阈值的值是可以取决于电网规程的要求在控制中设置的参数。
根据替代方面，有可能如果转子电流和/或居间链路电压升到预定的阈值以上则将检测到电网故障。其中，转子电流是流入转子的电路中的电流。居间链路电压是存在于发电机侧和电网侧变频器之间的直流链路中的电压。
优选地，第一基本函数在第一时间间隔中把转矩设置点和/或有功功率设置点减小到接近零的值，并且在第二后续时间间隔中，设置点被增大到预定的最小值。有益地，所述最小值由控制模块中的参数定义，以使其能够很容易地被调适。优选地，第一基本函数的设置点取决于故障情况下呈现的电网电压。在特别优选的方面，取决于故障存在于电网的所有相中还是只存在于一相或两相中来选择第一基本函数的设置点对电网电压的相关性和/或预定的最小值。即，关于第一基本函数的参数，区分是存在所谓的对称故障还是非对称故障，其中，所有三相中的故障被表示为对称故障，不影响电网的所有相的故障被表示为非对称故障。作为为了使用适于此目的的参数集合而额外区分对称和非对称故障的结果，第一基本函数提供了较大范围以便容易使控制模块适应不同的FRT要求。
只在故障结束以后确定转矩设置点和/或有功功率设置点的第二基本函数在预定的时间点开始，并从该时间点增大转矩和/或功率的设置点，直到在预定的第二时间点其再次对应于额定功率和/或额定转矩为止。对于第二基本函数，第一和第二时间点最好也是可预先选择的参数。可以取决于先前故障的数量和/或持续时间，在控制模块中定义用于第一和第二时间点的参数。
通过使用第一命令变量函数的两个基本函数，能够很容易地使转矩和/或有功功率设置点的控制模块适应不同的电压-时间-特性曲线。
在本发明方法特别优选的方面中，用于无功电流的第二命令变量函数的值将取决于额定电网电压和故障期间的电网电压之间的绝对差来确定。以这种方式确保风电设备将提供必要的贡献以在故障情况下支持电网。此外，可以设定用于故障期间的无功电流的最大设置点限于预定的最大值。通过使用第二命令变量函数的第三和第四基本函数，也能够使第二命令变量函数适应不同的电压-时间-特性曲线。
根据本发明，也通过具有双馈异步机的风电设备解决所述问题，所述风电设备包含电网侧变频器、发电机侧变频器和在正常操作模式中利用命令变量控制变频器的控制装置。本发明的控制装置包含故障检测模块，其在电网故障情况下触发利用至少一个控制模块对变频器的控制。所述至少一个控制模块利用命令变量控制变频器，使得只要电网电压不降到预定的电压-时间-特性曲线以下就不发生把异步机从电网断开。利用命令变量，一方面转矩和/或有功功率，另一方面无功电流和/或无功功率被提供给变频器。本发明风电设备的控制由故障检测模块和至少一个控制模块组成，以便对电网中的故障做出反应，其中，控制的模块设计允许容易适应不同的FRT要求。根据本发明，电压-时间-特性曲线的形状由所述至少一个控制模块中的可预先选择的参数定义。以这种方式，本发明风电设备的模块控制能够很容易地根据电网操作者的FRT要求被重新参数化和调整。第一和第二命令变量函数包含定义设置点的时间序列的多个可预先选择的参数。
优选地，本发明的设备包含受故障检测模块控制的开关，以便把变频器从用于正常操作模式(例如设备管理)的控制装置断开，并将其连接到控制模块。
优选地，命令变量函数也被划分为基本函数，其中之一确定故障期间的设置点(第一和第三基本函数)，并且另一个确定故障以后的设置点(第二和第四基本函数)。
附图说明
下面更详细地说明本发明的优选实施例。
图1示出了用于双馈异步机的模块控制的本发明设计，
图2示出了双馈异步机的常规控制，
图3示出了由参数定义的电压-时间-特性曲线，
图4示出了故障情况下转矩的轨迹，
图5示出了故障情况下转矩轨迹的第一基本函数，
图6示出了故障情况下转矩轨迹的第二基本函数，和
图7a到图7c示出了在故障情况下电网电压、无功电流和转矩的轨迹。
具体实施方式
在风电设备中，转子的机械功率被传动系传递到发电机，并在其中被转换为电功率。其中，发电机19通过两个电路耦合到电网。定子电路10直接耦合到电网12。转子电路14通过变频器16间接地耦合到电网。变频器16的任务是调节发电机19。一般地说，能量从转子的机械能通过发电机流入电网。电网故障(例如电压降)，作为发电机连接到电网的结果，影响到风电设备。因此，风电设备的电网规程提供了用于经受电网故障而不关闭或从风电设备的电网断开的具体标准。风电设备的这种行为也叫做“故障穿越(fault ride through，FRT)”。
作为风电设备的主要部件的发电机19、变频器16和传动系(未示出)被间接或者直接地耦合到电网。取决于电网中的活动，所述主要部件因而经受机械负载。由于这些原因，有必要针对故障情况分别定义FRT行为和风电设备的控制，以便使风电设备的机械和电气负载与电网规程的要求相符。
在更详细地描述本发明的风电设备的控制之前，将利用图2简单地示出风电设备的常规控制。如较早提到的那样，定子电路10直接耦合到电网12。转子电路14也通过变频器16连接到电网12。变频器16具有发电机侧变频器18和电网侧变频器20。变频器18、20通过直流链路22相互连接。变频器18、20中的每一个均受脉冲宽度调制24、26控制，变频器16的控制部分28给发电机侧变频器18提供转矩的设置点M＊和无功电流的设置点IB＊。
如果在下面提到转矩M＊，这可以总是由用于有功功率的设置点P＊代替。而且，无功电流IB＊总是可以由用于无功功率的设置点Q＊代替。
控制部分28给电网侧变频器20提供无功电流的设置点IB＊。
利用图2中所示的控制，能够分别单独调整或者调节无功功率和转矩。转矩的设置点M＊和无功电流的设置点IB＊起到命令变量的作用，并且在变频器16的控制部分28内产生。随后产生与这些设置点对应的脉冲形状，导致发电机转子的三相电压，引起在发电机中产生与该命令变量对应的无功功率和转矩。利用异步机在转矩和无功功率方面的可控制性，建立起对FRT要求做出反应的技术前提。
由于对FRT控制提出的高实时要求，这些要求需要靠近过程被实现。针对这个背景，直到目前FRT方法总是控制部分28的组成部分。
在如图1中所示的本发明控制中，出现了控制的另一种设计和另一种功能。为了更好的概述，图1中起到与根据图2的常规控制相同功能的部件被给予相同的附图标记。在本发明控制部分30中，在正常操作模式中，设置点M＊和IB＊被作为命令变量施加于控制部分30。在图1中，控制装置32被提供用于正常操作模式。可以从外部(未示出)，例如由风电设备的设备管理给控制装置32提供设备管理的一般变量。
利用控制器34、36、38把控制装置32所确定的设置点M＊和IB＊施加于变频器18，20，其中，控制变频器所需的脉冲形状也通过脉冲宽度调制24、26产生。控制器34、36和38执行与转矩的实际值Mact和无功功率的实际值IBact的比较。为了确定实际值，测量装置39测量例如转子电流和定子电压。在转换装置41中，转矩的实际值Mact和无功功率的实际值IBact的这些测量量被转换。该转换取决于发电机(未示出)的转动速度执行。根据实际值和设置点之间的差确定用于控制器34到38的受控过程变量。
用于转矩的设置点M＊的受控过程变量被施加于发电机侧变频器18，而用于无功电流的设置点IB＊的受控过程变量被施加于变频器18、20这两者。
在图1中，提供故障检测模块40，其利用开关42把变频器18、20从控制装置32的设置点断开，并把它们连接到两个控制模块44、46。
从图1已经很清楚，通过切换故障检测模块40，能够使用与电网故障情况的特定要求无关地工作的变频器18、20的常规控制。只有在故障情况下，由开关42执行切换，并且控制模块44、46接管控制装置32的任务。在控制模块中，控制模块44被设计为转矩函数，即作为第一命令变量函数，其在故障情况下提供转矩的设置点M＊。控制模块46被设计为电流函数，其在故障情况下提供无功功率和/或无功电流的设置点IB＊。
在控制模块44和46的每一个中，保存如图3中所示例的电压-时间-特性曲线48。图3的电压-时间-特性曲线由可自由选择的支持点52定义，支持点52在本例中由直线连接。图3中的电压-时间-特性曲线描述了所谓的“电压漏斗”，其中，电网操作者的要求规定只要电网电压大于电压-时间-特性曲线48所描述的电压，则要避免把风电设备从电网断开。对于双馈异步机，这意味着图1的开关50必须保持闭合。
电压-时间-特性曲线48所给出的“电压漏斗”的特征在于，即使考虑到非常大量的电压降，风电设备在直到t1的非常短的时间间隔中也必须保持连接到电网。在从t1到t2的第二时间间隔中，只有当电网电压在电压U2以下时，风电设备才可以从电网断开。如果在从t2到t3的时间间隔中电网电压不再次至少线性地增加到电压U3，则设备可以从电网断开。在后续的更长的时段中，如果电网电压大于电压U4，风电设备必须连接到电网工作。利用图3中示例为十字的支持点52，能够一般性地定义用于控制的电压-时间-特性曲线。例如，适当的支持点可以把从t1到t2的间隔中的电压设置为由电网规程定义的值。
执行控制模块44和46的控制以确定设置点M＊和IB＊，使得风电设备不从电网断开并且满足电网操作者的具体要求。
作为控制模块44的转矩函数53的第一命令变量函数的序列在图4中作为例子示出。在第一时间间隔tB中——在该时间间隔的开始处发生电网故障——转矩的设置点被设置为零。在第二时间间隔tC中，转矩的设置点被设置为额定转矩的大约40％。在从大约2.5秒到2.7秒的后续时间间隔中，为零的转矩设置点被再次施加于发电机侧变频器18。在后续的时间间隔中，发电机侧变频器18的设置点被再次增加到转矩的额定值，大致遵循e函数的轨迹。图4所示的转矩函数取决于如图3中电压-时间-特性曲线中所示的FRT要求。为了在控制模块中更好地说明图4的转矩函数，转矩函数被划分为两个基本函数。
图5示出了描述故障发生以后转矩55的轨迹的第一基本函数。第一基本函数确定转矩首先降低到零值，其中，图5中的电网故障在t＝1秒的时间点处出现。在大约0.3秒以后，转矩的设置点被增加到额定转矩的大约40％的值。这个值被保存在控制模块中，并且可以被参数化。
图6示出了作为发生故障以后的转矩函数的第二命令变量函数的序列。参照故障的发生，在大约1.7秒以后，执行转矩设置点到额定功率的抛物线增加。当根据图5和图6的第一和第二基本函数被相互组合时，能够在故障情况下通过作为控制模块44的第一命令变量函数的转矩函数控制转矩，以便分别避免从电网断开并符合电网操作者的具体要求。作为用于无功电流的电流函数的第二命令变量函数被划分为参数化的基本函数，它们可以被参数化，并对应于FRT要求相互组合，象第一命令变量函数一样。
图7a到图7c示出了故障情况下风电设备的总体行为。在图7a中描绘了电网电压54，在t＝1秒时间点下降了0.375秒持续时间，到达电网电压的15％的值。在图7b中，清楚地可见风电设备的转矩56在发生故障后直接降低到零，并在大约0.3秒以后再次增加。随着降低的电网电压的结束，风电设备的转矩再次降低到零，以便在定义的时间段以后再次增加到额定转矩。在故障发生以后大约4秒，风电设备再次达到额定转矩。无功电流的馈入随着故障的发生直接开始。在起初被降低的转矩再次增加的时间间隔中，为了补偿馈入了增大的无功电流58，其随着故障的结束再次降低。

Claims (21)

1.一种用于操作具有双馈异步机、电网侧变频器和发电机侧变频器的风电设备的方法，所述电网侧变频器和发电机侧变频器都受控制装置控制，所述方法包含下列步骤：
在正常操作模式中，所述电网侧转换器和发电机侧变频器由控制装置利用用于正常操作模式的命令变量控制，
在电网故障的情况下，所述所述电网侧转换器和发电机侧变频器受至少一个控制模块控制，该控制模块利用命令变量来(i)控制转矩和/或有功功率以及(ii)控制无功电流和/或无功功率，使得只有当电网电压降到预定的电压-时间-特性曲线以下时，才执行把所述异步机从电网断开，其中，电压-时间-特性曲线的形状由所述至少一个控制模块中的多个可预先选择的参数配置，其中，提供至少一个第一命令变量函数，该第一命令变量函数在故障情况下提供用于转矩和/或有功功率的命令变量并且包含至少两个基本函数，其第一基本函数确定发生故障以后转矩和/或有功功率的设置点，并且其第二基本函数确定故障结束以后转矩和/或有功功率的设置点，并且其中，提供用于无功电流和/或无功功率的至少一个第二命令变量函数，该第二命令变量函数在故障情况下提供用于控制至少一个变频器的命令变量并且包含至少两个基本函数，其第三基本函数确定发生故障以后无功功率和/或无功电流的设置点，并且其第四基本函数确定故障结束以后无功功率和/或无功电流的设置点。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在故障情况下，根据第一命令变量函数控制发电机侧变频器。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于在故障情况下，
根据第二命令变量函数控制电网侧变频器和/或发电机侧变频器。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于电网电压被测量，并且如果电网电压降到预定的区别阈值以下则检测到故障。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于只有在电网电压降到区别阈值以下至少达到预定的持续时间的情况下才检测到故障。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果转子电流和/或居间链路电压上升到预定的阈值以上，则检测到故障。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一基本函数在第一时间间隔中减小转矩设置点和/或有功功率设置点，并且在第二时间间隔中把设置点增大到预定的最小值，所述最小值分别小于或者等于风电设备的额定功率或者额定转矩。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于预定的最小值能够被参数化。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一基本函数取决于在故障情况下呈现的电网电压提供转矩设置点和/或有功功率设置点。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，取决于故障存在于电网的所有相中还是仅存在于一相或两相中来选择第一基本函数的预定最小值和/或对电网电压的相关性。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第二基本函数在第一时间点开始增大转矩和/或功率的设置点，直到设置点在预定的第二时间点对应于风电设备的额定转矩和/或额定功率。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，第一和第二时间点能够在控制模块中被参数化。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，第一和第二时间点能够取决于先前故障的数量和/或持续时间在控制模块中被参数化。
14.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果额定电网电压和故障期间的电网电压之间的绝对差大于预定的差值，则第二命令变量函数将提供无功电流和/或无功功率的设置点的时间序列。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，取决于额定电网电压和故障期间的电网电压之间的绝对差来确定用于无功电流的设置点的第二命令变量函数。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，用于故障期间的无功功率的最大设置点限于预定的最大值。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，取决于故障存在于电网的所有相中还是只存在于一相或两相中来选择第二命令变量函数及其参数。
18.一种具有双馈异步机的风电设备，所述风电设备包含电网侧变频器、发电机侧变频器和利用设置点来控制所述变频器的控制装置，
其特征在于：
提供至少两个控制模块，其第一控制模块提供用于在电网故障期间控制电网侧和/或发电机侧变频器的第一命令变量函数，
其第二控制模块提供用于在电网故障期间控制电网侧和/或发电机侧变频器的第二命令变量函数，
所述控制装置包含触发利用至少一个控制模块对变频器的控制的故障检测模块，
其中，在所述至少两个控制模块中保存电压-时间-特性曲线，并且所述至少两个控制模块控制所述电网侧转换器和发电机侧变频器，使得只有当电网电压降到预定的电压-时间-特性曲线以下时才执行把异步机从电网断开，并且每一个控制模块包含定义电压-时间-特性曲线和/或命令变量函数的形状的多个可预先选择的参数。
19.如权利要求18所述的风电设备，其特征在于提供受故障检测模块控制的开关，所述开关把变频器从所述控制装置断开，并把变频器连接到控制模块。
20.如权利要求18或19所述的风电设备，其特征在于，第一命令变量函数包含至少两个基本函数，其第一基本函数确定发生故障以后转矩和/或有功功率的设置点，并且其第二基本函数确定故障结束以后转矩和/或无功功率的设置点。
21.如权利要求18或19所述的风电设备，其特征在于，第二命令变量函数包含至少两个基本函数，其第三基本函数确定发生故障以后无功功率和/或无功电流的设置点，并且其第四基本函数确定故障结束以后无功功率和/或无功电流的设置点。
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