CN102097812B - 一种风力发电机组及其无功控制方法 - Google Patents

一种风力发电机组及其无功控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力发电机组及其无功控制方法，该无功控制方法在风况达不到开机条件时通过控制变流器中的网侧变换器来实现对电网的无功控制。相比在现场风况达不到开机条件时，变流器中的网侧变换器和机侧变换器同时关闭，因而变流器没有无功控制能力，需要配置其它无功补偿设备来进行无功补偿的现有技术，因此本发明的无功控制方法和装置可以较小的成本，在现场风况达不到开机条件的时段，仍可控制变流器中的网侧变换器输出一定的无功，以进行无功补偿，从而提升风电场在所有时段的无功控制能力。

Description

一种风力发电机组及其无功控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术，更具体地说，涉及一种风力发电机组的无功控制方法及装置。
背景技术
兆瓦级风力发电机组目前普遍采用变速恒频技术，即通过变流器的适配作用，将变速运行的发电机与固定频率的电网连接起来。图1和图2分别是双馈风力发电机组和全功率风力发电机组的逻辑图，该双馈风力发电机组和全功率风力发电机组分别主要包括风机、发电机、变流器、变压器和控制系统。其中变流器一般具有完整的有功功率和无功功率控制能力，其常见拓扑如图3所示，该变流器包括：连接电网的网侧变换器200、直流母线300、连接发电机的机侧变换器400和变流控制器500。变流器接受控制系统的指令，实现对机组有功和无功功率的调节。一般地，机组的有功功率是通过机侧变换器400直接调节的，而机组的无功功率的调节，在双馈系统中是通过机侧变换器400直接调节的，而在全功率系统中是通过网侧变换器200直接调节的。
目前，风力发电机组及其变流器只有在现场风况达到开机条件时才可正常运行，机组可控制的有功和无功输出。但在现场风况达不到开机条件时，风力发电机组及其变流器均处于停机状态，此时机组无法控制其有功和无功输出。由于风电场风况的季节性和随机性，在现场风况达不到开机条件的时段，目前的风力发电机组及其变流器会处于停机状态，无法控制其有功和无功输出。而该时段内风电场的大容量主变压器、众多的箱式变压器及其他辅助用电设备仍挂在电网上，仍会消耗较多的无功功率。这样，在风况达不到开机条件的时段，风电场的无功表现较差，往往需要配置其他的无功补偿设备来进行改善。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述在风况达不到开机条件时需要配置其它的无功补偿设备来进行无功补偿的缺陷，提供一种风力发电机组的无功控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造风力发电机组的无功控制方法，在风况达不到开机条件时通过控制变流器中的网侧变换器来实现电网的无功补偿。
在本发明所述的风力发电机组的无功控制方法中，通过以下步骤控制变流器中的网侧变换器：
在风况达不到开机条件时，开启或维持变流器中的网侧变换器的运行；
对三相电网电压进行矢量定向以确定矢量角；
根据所确定的矢量角将三相网侧电流进行静止/旋转变换，以生成有功电流的反馈值和无功电流的反馈值；
根据直流母线电压的给定值和直流母线电压的反馈值通过第一比例积分控制器计算有功电流的给定值；
根据有功电流的给定值和有功电流的反馈值通过第二比例积分控制器计算有功电压；
根据无功电流的给定值和无功电流的反馈值通过第三比例积分控制器计算无功电压；
根据所确定的矢量角将有功电压和无功电压进行旋转/静止变换，以生成三相输出电压；
将三相输出电压转变为脉宽调制信号并输出至网侧变换器。 
在本发明所述的风力发电机组的无功控制方法中，该方法还包括： 
直接产生无功电流的给定值。
在本发明所述的风力发电机组的无功控制方法中，该方法还包括：
根据无功功率的给定值计算无功电流的给定值。
本发明还构造一种风力发电机组，包括无功控制装置，所述无功控制装置用于在风况达不到开机条件时通过控制网侧变换器来实现电网的无功补偿。
在本发明所述的风力发电机组中，该无功控制装置包括：
用于对三相电网电压进行矢量定向以确定矢量角的矢量定向单元；
用于根据所确定的矢量角将三相网侧电流进行静止/旋转变换，以生成有功电流的反馈值和无功电流的反馈值的静止/旋转变换单元；
用于根据直流母线电压的给定值和直流母线电压的反馈值计算有功电流的给定值的第一比例积分控制器；
用于根据有功电流的给定值和有功电流的反馈值计算有功电压的第二比例积分控制器；
用于根据无功电流的给定值和无功电流的反馈值计算无功电压的第三比例积分控制器；
用于根据所确定的矢量角将有功电压和无功电压进行旋转/静止变换，以生成三相输出电压的旋转/静止变换单元；
用于将三相输出电压转变为脉宽调制信号并输出至网侧变换器的脉宽调制单元。 
在本发明所述的风力发电机组中，所述无功控制装置还包括：
用于直接产生无功电流的给定值的无功电流产生单元。
在本发明所述的风力发电机组中，所述无功控制装置还包括：
用于根据无功功率的给定值计算无功电流的给定值的无功电流计算单元。
实施本发明的技术方案，相比在现场风况达不到开机条件时，变流器中的网侧变换器和机侧变换器同时关闭，因而变流器没有无功控制能力，需要配置其它无功补偿设备来进行无功补偿的现有技术，因此本发明的无功控制方法和装置可以较小的成本，在现场风况达不到开机条件的时段，仍可控制变流器中的网侧变换器输出一定的无功，以进行无功补偿，从而提升风电场在所有时段的无功控制能力。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有的双馈风力发电机组的组成图；
图2是现有的全功率风力发电机组的组成图；
图3是图1和图2中的变流器的拓扑图；
图4是本发明风力发电机组的无功控制方法优选实施例的流程图；
图5是本发明风力发电机组的无功控制装置优选实施例的逻辑电路图。
具体实施方式
作为本发明风力发电机组的无功控制方法的实施例，该无功控制方法为：在风况达不到开机条件时通过控制变流器中的网侧变换器来实现对电网的无功控制。相比在现场风况达不到开机条件时，网侧变换器和机侧变换器同时关闭，因而变流器没有无功控制能力，需要配置其它无功补偿设备来进行无功补偿的现有技术，因此本发明的无功控制方法可以以较小的成本，在现场风况达不到开机条件的时段，仍可控制变流器中的网侧变换器输出一定的无功，以进行无功补偿，从而提升风电场在所有时段的无功控制能力。
如图4所示，本发明风力发电机组的无功控制方法优选实施例的流程图中，该无功控制方法包括：
S100.在风况达不到开机条件时，开启或维持变流器中的网侧变换器的运行；
S101.对三相电网电压进行矢量定向以确定矢量角；
S102.根据所确定的矢量角将三相网侧电流进行静止/旋转变换，以生成有功电流的反馈值和无功电流的反馈值；
S103.根据直流母线电压的给定值和直流母线电压的反馈值通过第一比例积分控制器计算有功电流的给定值；
S104.根据有功电流的给定值和有功电流的反馈值通过第二比例积分控制器计算有功电压；
S105.根据无功电流的给定值和无功电流的反馈值通过第三比例积分控制器计算无功电压，在该步骤中，无功电流的给定值可直接产生，也可根据无功功率的给定值计算出；
S106.根据所确定的矢量角将有功电压和无功电压进行旋转/静止变换，以生成三相输出电压；
S107.将三相输出电压转变为脉宽调制信号并输出至网侧变换器。
如图5所示，在本发明的风力发电机组的无功控制装置优选实施例的逻辑电路图中，该无功控制装置包括：矢量定向单元10、静止/旋转变换单元20、第一比例积分控制器30、第二比例积分控制器40、第三比例积分控制器50、旋转/静止变换单元60和脉宽调制单元70。其中，矢量定向单元10用于对三相电网电压Va、Vb、Vc进行矢量定向以确定矢量角θ；静止/旋转变换单元20用于根据所确定的矢量角θ将三相网侧电流Ia、Ib、Ic进行静止/旋转变换，以生成有功电流的反馈值Id和无功电流的反馈值Iq；第一比例积分控制器30用于根据直流母线电压的给定值Vdc*和直流母线电压的反馈值Vdc计算有功电流的给定值Id*；第二比例积分控制器40用于根据有功电流的给定值Id*和有功电流的反馈值Id计算有功电压Ud；第三比例积分控制器50用于根据无功电流的给定值Iq*和无功电流的反馈值Iq计算无功电压Uq；旋转/静止变换单元60用于根据所确定的矢量角θ将有功电压Ud和无功电压Uq进行旋转/静止变换，以生成三相输出电压Ua、 Ub、Uc；脉宽调制单元70用于将三相输出电压Ua、 Ub、Uc转变为脉宽调制信号，并输出至网侧变换器。经过上面的控制过程，变流器中的网侧变换器可稳定工作，其无功控制能力最终体现在网侧电流Ia、Ib、Ic上。
在一个实施例中，该无功控制装置还包括无功电流产生单元，用于直接产生无功电流的给定值Iq*，该电流产生单元可以是图3中的变流控制器500，也可以是图1或图2中的控制系统，还可以是风力发电机组中的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统)系统（未示出）。
在另一实施例中，该无功控制装置还包括无功电流计算单元，用于根据无功功率的给定值计算无功电流的给定值，该电流计算单元可以是图3中的变流控制器500，也可以是图1或图2中的控制系统，还可以是风力发电机组中的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统)系统。
实施本发明的技术方案，通过采用基于电网电压定向的经典矢量控制方法，利用风电发电机组变流器中网侧变换器的无功控制能力，调整控制系统和变流控制器的工作方式，以较小的成本，在现场风况达不到开机条件的时段，仍可让机组输出一定的无功，从而提升风电场在所有时段的无功控制能力。 
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种风力发电机组的无功控制方法，其特征在于，在风况达不到开机条件时通过控制变流器中的网侧变换器来实现对电网的无功控制；
其中，通过以下步骤控制网侧变换器：
在风况达不到开机条件时，开启或维持变流器中的网侧变换器的运行；
对三相电网电压进行矢量定向以确定矢量角；
根据所确定的矢量角将三相网侧电流进行静止/旋转变换，以生成有功电流的反馈值和无功电流的反馈值；
根据直流母线电压的给定值和直流母线电压的反馈值通过第一比例积分控制器计算有功电流的给定值；
根据有功电流的给定值和有功电流的反馈值通过第二比例积分控制器计算有功电压；
根据无功电流的给定值和无功电流的反馈值通过第三比例积分控制器计算无功电压，所述无功电流的给定值是直接产生的或根据无功功率的给定值而计算得到的；
根据所确定的矢量角将有功电压和无功电压进行旋转/静止变换，以生成三相输出电压；
将三相输出电压转变为脉宽调制信号并输出至网侧变换器。
2.一种风力发电机组，其特征在于，包括无功控制装置，所述无功控制装置用于在风况达不到开机条件时通过控制变流器中的网侧变换器来实现对电网的无功控制；
所述无功控制装置包括以下控制单元：
用于对三相电网电压进行矢量定向以确定矢量角的矢量定向单元；
用于根据所确定的矢量角将三相网侧电流进行静止/旋转变换，以生成有功电流的反馈值和无功电流的反馈值的静止/旋转变换单元；
用于根据直流母线电压的给定值和直流母线电压的反馈值计算有功电流的给定值的第一比例积分控制器；
用于根据有功电流的给定值和有功电流的反馈值计算有功电压的第二比例积分控制器；
用于根据无功电流的给定值和无功电流的反馈值计算无功电压的第三比例积分控制器；
用于根据所确定的矢量角将有功电压和无功电压进行旋转/静止变换，以生成三相输出电压的旋转/静止变换单元；
用于将三相输出电压转变为脉宽调制信号并输出至网侧变换器的脉宽调制单元；
所述无功控制装置还包括用于直接产生无功电流的给定值的无功电流产生单元或用于根据无功功率的给定值计算无功电流的给定值的无功电流计算单元。
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