CN102195463B - 全功率风力发电机组网侧变流器启动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全功率风力发电机组网侧变流器启动方法及系统，在低电压穿越期间，网侧变流器不直接以整流器模式重启，而是将网侧变流器的有功功率控制处于有功电流单闭环控制模式，使其快速恢复有功输出，直流侧电压实际值和直流侧电压参考值之间的差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值时，说明网侧变流器完全恢复与机侧变流器馈入直流侧支撑电容能量相匹配的有功出力，有源撬棒电路完全切除，再将网侧变流器的有功功率控制调整为直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式，解决了在低电压穿越期间，网侧变流器重启过程中，有源撬棒电路可能会频繁投切，引起直流侧电压及网侧并网电流的震荡，最终致使低电压穿越的失败的问题。

Description

全功率风力发电机组网侧变流器启动方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种全功率风力发电机组网侧变流器启动方法及系统。

背景技术

相比于双馈变流器，全功率变流器的优点在于其将发电机和电网完全隔离，使得发电机调速范围更宽，从而可以更大范围地实现最大功率点跟踪运行；同时由于发电机和电网的完全隔离，全功率变流器具备更强的故障兼容运行能力，在电网不对称情况下，依旧可以实现变流器并网电流及发电机定子电流的对称运行。

目前比较常见的MW级全功率风力发电机组系统如图1和图2所示，其网侧变流器均采用全功率变流器，采用三相H桥结构。图1中，网侧变流器103工作于可控整流器模式，机侧变流器101工作于不可控整流器模式，一般通过调节励磁电源104输出电流的大小来实现最大功率点跟踪运行。图2中，网侧变流器203工作于可控整流器模式，机侧变流器201工作于功率外环、转矩内环(可以没有功率外环)的双闭环控制模式，一般通过控制机侧变流器201的输出功率来实现最大功率点跟踪运行。

并且，当电网出现低电压故障时，为了使全功率变流器具有低电压穿越能力，MW级全功率变流器大都在直流侧装有大功率的有源撬棒电路，如图1中的102和图2中的202所示。

具体的，低电压故障一般分为电网跌落瞬间、低压期间及电网恢复瞬间三个阶段。在低电压故障期间，励磁电源104和机侧变流器201维持原有控制方式进行最大功率跟踪运行，而网侧变流器103和203会在电网跌落瞬间或电网恢复瞬间进行闭锁以躲过因电网突变造成的系统过流，并当电网在低压期间或者恢复正常后，再重新恢复工作。此外，在电网发生低电压故障期间，风力发电机组会因其惯性的原因使得发电机的转速变化范围很小，机侧变流器101馈入直流侧支撑电容C1以及机侧变流器201馈入直流侧支撑电容C2的能量基本维持不变，为了将网侧变流器103和203来不及送至电网的多余能量泄放掉以保证直流侧电压被控制在安全电压范围以内，直流侧有源撬棒电路102和202均以“棒-棒”控制的方式运行，在直流侧电压过高时触发有源撬棒回路，撬棒回路降低电压至正常值后关断。

电网在低压期间或者恢复正常后，网侧变流器开始重启，由于其从重启到完全建立与机侧变流器馈入直流侧支撑电容能量相匹配的有功功率输出需要一定的时间，此时，因为机侧变流器馈入直流侧支撑电容的能量大于网侧变流器输出的能量，直流侧电压可能依旧过高，所以关断后的有源撬棒电路会再次以“棒-棒”的方式启动，直至网侧变流器完全恢复有功出力。即在低电压穿越期间，网侧变流器重启过程中，有源撬棒电路可能会频繁投切，这样就可能会引起直流侧电压及网侧并网电流的震荡，最终致使低电压穿越的失败。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种全功率风力发电机组网侧变流器启动方法及系统，以解决现有技术中在低电压穿越期间，网侧变流器重启过程中，有源撬棒电路可能会频繁投切，引起直流侧电压及网侧并网电流的震荡，最终致使低电压穿越的失败的问题。

为解决上述问题，现提出的方案如下：

一种全功率风力发电机组网侧变流器启动方法，包括：

控制网侧变流器的有功功率控制处于有功电流单闭环控制模式，该模式下的有功电流单闭环调节器的输入值为网侧变流器有功电流参考值和有功电流实际值之间的差值；

在有功电流参考值的控制周期内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值，将其与预设的直流侧电压参考值作比较；

若判定所述直流侧电压参考值和直流侧电压实际值差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值，则调整网侧变流器的有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式；

否则，计算得到该控制周期下的有功电流参考值增量，将其增加到该控制周期下的有功电流参考值上得到下一控制周期的有功电流参考值，并在所述有功电流参考值的下一控制周期内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值。

优选地，当未知全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率时，所述有功电流参考值初始值为0；

当已知全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率时，所述有功电流参考值初始值根据

计算得到，式中：e_s为电网线电压，P为全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率。

优选地，所述有功电流参考值增量为：直流侧电压实际值和直流侧电压参考值之间的差值的sgn函数与预设常量的乘积。

优选地，当所述网侧变流器的有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式时，直流侧电压外环调节器输出的初始值为所述控制周期的上一控制周期内的有功电流参考值，输入值为所述直流侧电压参考值和直流侧电压实际值的差值。

优选地，当所述网侧变流器的有功功率处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式时，有功电流内环调节器的输入值为有功电流参考值与有功电流实际值的差值。

优选地，所述网侧变流器的无功功率控制为无功电流单闭环控制模式，无功电流单闭环调节器的输入为无功电流参考值与无功电流实际值的差值。优选地，所述无功电流参考值根据

计算得到，式中：Q为网侧变流器向电网提供的无功功率，e_s为电网线电压。

一种全功率风力发电机组网侧变流器启动系统，包括：

网侧变流器工作模式调整单元，用于调整所述网侧变流器的有功功率控制模式；

电压获取单元，用于在有功电流参考值的控制周期内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值；

第一计算单元，用于计算直流侧电压参考值和所述电压获取单元得到的直流侧电压实际值的差值，并判断该差值的绝对值是否不大于直流侧电压波动冗余值，当该差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值，所述网侧变流器工作模式调整单元调整网侧变流器的有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式；

第二计算单元，用于当所述直流侧电压参考值和直流侧电压实际值之间的差值的绝对值大于直流侧电压波动冗余值时，计算得到该控制周期下的有功电流参考值增量；

电流获取单元，用于获取全功率风力发电机组的有功电流实际值；

第三计算单元，用于在所述控制周期内的有功电流参考值的基础上增加所述有功电流参考值增量得到下一控制周期的有功电流参考值，并计算与所述电流获取单元得到的有功电流实际值的差值，输入至有功电流单闭环调节器。

优选地，所述网侧变流器工作模式调整单元还用于调整所述网侧变流器的无功功率控制模式。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动方法中，在低电压穿越期间，网侧变流器不直接以整流器模式重启，而是将网侧变流器的有功功率控制处于有功电流单闭环控制模式，使其快速恢复有功输出，当全功率风力发电机组的直流侧电压实际值和直流侧电压参考值之间的差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值时，说明网侧变流器完全恢复与机侧变流器馈入直流侧支撑电容能量相匹配的有功出力，直流侧有源撬棒电路完全切除，再将网侧变流器的有功功率控制调整为直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式，解决了现有技术中在低电压穿越期间，网侧变流器重启过程中，有源撬棒电路可能会频繁投切，引起直流侧电压及网侧并网电流的震荡，最终致使低电压穿越的失败的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种MW级全功率风力发电机组系统；

图2为现有技术中另一种MW级全功率风力发电机组系统；

图3为本发明实施例公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动方法的流程图；

图4为本发明实施例公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种全功率风力发电机组网侧变流器启动方法，以解决现有技术中在低电压穿越期间，网侧变流器重启过程中，有源撬棒电路可能会频繁投切，引起直流侧电压及网侧并网电流的震荡，最终致使低电压穿越的失败的问题。

执行本实施例公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动方法前，预先设定直流侧有源撬棒电路切出电压U_{CHOPPER_OFF}、直流侧电压参考值U_{dc_ref}和允许直流侧电压波动冗余值ΔU_{dc_max}，其中，三者之间的关系为：

U_{CHOPPER_OFF}＞(U_{dc_ref}+ΔU_{dc_max})

并且， $U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}>\sqrt{{(e_s/\sqrt{3}+R*i_{s\_\max })}^2+{(\mathrm{\ω}*L*i_{s\_\max })}^2}*\sqrt{6},$

ΔU_{dc_max}＝(5％～10％)*U_{dc_ref}

式中，e_s为电网线电压，R、L分别为图1、2中网侧变流器103和203的等效相电阻及相电感，ω为电网电压的角速度，i_{s_max}为网侧变流器设计的最大电流容量。

本实例公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动方法，如图1所示，包括：

步骤S11、控制网侧变流器的有功功率控制处于有功电流单闭环控制模式；

具体的，处于有功电流单闭环控制模式下的有功电流单闭环调节器的输入值为网侧变流器有功电流参考值和有功电流实际值之间的差值；

并且，设置每一次输入的网侧变流器有功电流参考值的持续周期为T_r，即T_r表示有功电流参考值的控制周期，其在系统稳定的前提下，T_r需要满足以下条件：

$\frac{r_2-K_p/L}{\sqrt{p^2-4q}}{e}^{r_1{T}_r}+\frac{{-r}_1+K_p/L}{\sqrt{p^2-4q}}{e}^{r_2{T}_r}>-\frac{1}{2}$

T_r≥T_i

其中：

p＝(R-K_P)/L，q＝-K_i/L，K_P为有功电流单闭环调节器的比例系数(K_P＞0)，K_i为有功电流单闭环调节器的积分系数(K_i＞0)，R同样为图1、图2中网侧变流器103和203中的等效相电阻，L为图1、图2中网侧变流器103和203中的等效相电感，T_i为电流闭环控制的控制周期，一般为电压空间矢量的发生周期。

具体的，在本T_r周期内的每个T_i周期内，通过采样电路获取网侧相电流，电网线电压，根据获取的电网线电压计算出电网电压矢量角，再通过获取的网侧相电流及计算出的电网电压矢量角计算得到网侧变流器有功电流实际值。

网侧变流器有功电流参考值初始值分为如下两种情况：

(1)未知全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率，设定有功电流参考值初始值为0；

(2)已知全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率时，根据三相有功功率计算公式计算得到有功电流参考值初始值。

具体的，设定有功电流参考值初始值为

其计算公式为：

$i_{q\_\mathrm{ref}\left(0\right)}^r=P/(\sqrt{3}*e_s)$

其中：e_s为电网线电压，P为全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率。

步骤S12、在有功电流参考值

的控制周期开始时，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值

(n≥0)；

具体的，所述直流侧电压实际值

可以通过电压采集电路直接获取。

步骤S13、计算直流侧电压参考值U_{dc_ref}和直流侧电压实际值

之间的差值，判断直流侧电压参考值U_{dc_ref}和直流侧电压实际值

差值的绝对值是否不大于直流侧电压波动冗余值，若是，则执行步骤S14，将网侧变流器的有功功率控制由有功电流单闭环控制模式调整为直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式，此时，直流侧电压外环调节器输出的初始值为上一控制周期下的有功电流参考值

否则，执行步骤S15。

步骤S15、计算得到有功电流参考值增量

具体的，有功电流参考值增量

为：直流侧电压实际值和直流侧电压参考值之间的差值的sgn符号函数与某一预设常量的乘积，计算公式为：

${\mathrm{\Δi}}_{q\_\mathrm{ref}\left(n\right)}^r=K*\mathrm{sgn}(U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{back}\left(n\right)}^r-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}})$

预设常量K值根据直流侧支撑电容的大小来确定，以防止网侧变流器在完全恢复有功出力后，单个T_r控制周期内因有功电流参考值增量过大而造成直流侧电压出现较大波动。忽略T_r时间周期内电流响应时间的前提下，其判定选取条件为：

$0<K<=\frac{C(2*U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}-{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{dc}\_\max })*{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{dc}\_\max }}{2*\sqrt{3}*e_s*T_r}$

其中：C为直流侧支撑电容。

步骤S16、在有功电流参考值

的基础上增加有功电流参考值增量得到下一控制周期的有功电流参考值

其计算公式为：

$i_{q\_\mathrm{ref}(n+1)}^r=i_{q\_\mathrm{ref}\left(n\right)}^r+{\mathrm{\&Delta;i}}_{q\_\mathrm{ref}\left(n\right)}^r$

并且，再计算有功电流参考值

和有功电流实际值之间的差值，将其作为下一控制周期T_r内的有功电流单闭环调节器的输入值。

在有功电流参考值的本次控制周期内，执行步骤S12、在有功电流参考值的控制周期开始时，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值

(n≥0)，其中n＝n+1。

本实施例公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动方法中，在低电压穿越期间，网侧变流器不直接以整流器模式重启，而是将网侧变流器的有功功率控制处于有功电流单闭环控制模式，使其快速恢复有功输出，因直流侧有源撬棒电路切出电压大于直流侧电压参考值与允许直流侧电压波动冗余值之和，当全功率风力发电机组的直流侧电压参考值和直流侧电压实际值之间的差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值时，直流侧有源撬棒电路完全切除，从而解决了现有技术中在低电压穿越期间，网侧变流器重启过程中，有源撬棒电路可能会频繁投切，引起直流侧电压及网侧并网电流的震荡，最终致使低电压穿越的失败的问题。

当网侧变流器完全恢复与机侧变流器馈入直流侧支撑电容能量相匹配的有功出力，直流侧有源撬棒电路完全切除时，将网侧变流器的有功功率控制调整为直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式，其直流侧电压外环调节器输出的初始值为直流侧电压参考值和直流侧电压实际值之间的差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值的周期的上一周期下的有功电流参考值，假设直流侧电压参考值和直流侧电压实际值之间的差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值情况下的有功电流参考值为

那作为直流侧电压外环调节器输出的初始值即为

并且，该直流侧电压外环调节器的输入为直流侧电压参考值和直流侧电压实际值的差值，具体的，在直流侧电压外环控制的控制周期T_d内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值，计算所述已知的直流侧电压参考值和获取得到的直流侧电压实际值的差值，将差值作为直流侧电压外环调节器的输入。

在不同T_d内，所述直流侧电压外环调节器的输入不同，进而使其输出也不同，但是，T_d≥T_i，且在当前T_d周期的每个T_i周期内，所述直流侧电压外环调节器的输出是维持不变的，将其作为有功电流参考值再计算所述有功电流参考值

与有功电流实际值

的差值之后，将该差值作为处于有功电流内环模式的有功电流内环调节器的输入值。

具体的，网侧变流器有功电流实际值以及全功率风力发电机组的直流侧电压实际值的计算方法在上述实施例中已有介绍，请参见上述内容，此处不再赘述。

上述实施例公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动方法中，当网侧变流器的有功功率控制处于有功电流单闭环控制模式时，其无功功率控制为无功电流单闭环控制模式，当有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式时，其无功功率控制不变，仍为无功电流单闭环控制模式。

并且，无功电流参考值与无功电流实际值的差值作为无功电流单闭环调节器的输入。具体的，通过采样电路获取网侧的相电流，电网线电压，根据获取的电网线电压计算出电网电压矢量角，再通过相电流及计算出的电网电压矢量角计算得到网侧变流器无功电流实际值；无功电流参考值依旧根据网侧变流器需要向电网提供的无功功率Q的大小来计算，其公式为：

$i_{d\_\mathrm{ref}\left(n\right)}^i=Q/(\sqrt{3}*e_s)$

其中：e_s为电网线电压。

本发明另一实施例还公开了一种全功率风力发电机组网侧变流器启动系统，如图4所示，包括：网侧变流器工作模式调整单元301、电压获取单元302、第一计算单元303、第二计算单元304、电流获取单元305以及第三计算单元306，其中：

网侧变流器工作模式调整单元301用于调整所述网侧变流器的有功功率控制模式；

电压获取单元302用于在有功电流参考值的控制周期内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值；

第一计算单元303用于计算直流侧电压参考值和所述电压获取单元得到的直流侧电压实际值的差值，并判断该差值的绝对值是否不大于直流侧电压波动冗余值，当该差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值，所述网侧变流器工作模式调整单元调整网侧变流器的有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式；

第二计算单元304用于当所述直流侧电压实际值和直流侧电压参考值之间的差值的绝对值大于直流侧电压波动冗余值时，计算得到该周期下的有功电流参考值增量；

电流获取单元305用于获取全功率风力发电机组的有功电流实际值；

第三计算单元306用于在所述控制周期内的有功电流参考值的基础上增加所述有功电流参考值增量得到下一控制周期的有功电流参考值，并计算得到该有功电流参考值与电流获取单元305获取得到的有功电流实际值之间的差值。

具体的，第三计算单元306计算得到当前周期的有功电流参考值与有功电流实际值之间的差值之后，还可以将其传输至有功电流单闭环调节器中，作为其当前的输入电流。

同样，本实施例公开的全功率风力发电机组网侧变流器启动系统具体工作过程与上述全功率风力发电机组网侧变流器启动方法实施例公开的内容相同，请参见上述内容所述，此处不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种全功率风力发电机组网侧变流器启动方法，其特征在于，包括：

控制网侧变流器的有功功率控制处于有功电流单闭环控制模式，该模式下的有功电流单闭环调节器的输入值为网侧变流器有功电流参考值和有功电流实际值之间的差值；

在有功电流参考值的控制周期内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值，将其与预设的直流侧电压参考值作比较；

若判定所述直流侧电压参考值和直流侧电压实际值差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值，则调整网侧变流器的有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式；

否则，计算得到该控制周期下的有功电流参考值增量，将其增加到该控制周期下的有功电流参考值上得到下一控制周期的有功电流参考值，并在所述有功电流参考值的下一控制周期内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值；

其中，当所述网侧变流器的有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式时，直流侧电压外环调节器输出的初始值为所述控制周期的上一控制周期内的有功电流参考值，输入值为所述直流侧电压参考值和直流侧电压实际值的差值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当未知全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率时，所述有功电流参考值初始值为0；

当已知全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率时，所述有功电流参考值初始值根据

计算得到，式中：e_s为电网线电压，P为全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有功电流参考值增量为：直流侧电压实际值和直流侧电压参考值之间的差值的sgn函数与预设常量的乘积。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述网侧变流器的有功功率处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式时，有功电流内环调节器的输入值为有功电流参考值与有功电流实际值的差值。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述网侧变流器的无功功率控制为无功电流单闭环控制模式，无功电流单闭环调节器的输入为无功电流参考值与无功电流实际值的差值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述无功电流参考值根据

计算得到，式中：Q为网侧变流器向电网提供的无功功率，e_s为电网线电压。

7.一种全功率风力发电机组网侧变流器启动系统，其特征在于，包括：

网侧变流器工作模式调整单元，用于调整所述网侧变流器的有功功率控制模式；

电压获取单元，用于在有功电流参考值的控制周期内，获取全功率风力发电机组的直流侧电压实际值；

第一计算单元，用于计算直流侧电压参考值和所述电压获取单元得到的直流侧电压实际值的差值，并判断该差值的绝对值是否不大于直流侧电压波动冗余值，当该差值的绝对值不大于直流侧电压波动冗余值，所述网侧变流器工作模式调整单元调整网侧变流器的有功功率控制处于直流侧电压外环、有功电流内环的双闭环控制模式；

第二计算单元，用于当所述直流侧电压参考值和直流侧电压实际值之间的差值的绝对值大于直流侧电压波动冗余值时，计算得到该控制周期下的有功电流参考值增量；

电流获取单元，用于获取全功率风力发电机组的有功电流实际值；

第三计算单元，用于在所述控制周期内的有功电流参考值的基础上增加所述有功电流参考值增量得到下一控制周期的有功电流参考值，并计算与所述电流获取单元得到的有功电流实际值的差值，输入至有功电流单闭环调节器。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述网侧变流器工作模式调整单元还用于调整所述网侧变流器的无功功率控制模式。

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