CN102222939A - 一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法及装置 - Google Patents

一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法及装置 Download PDF

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杨印博
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Abstract

一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法及装置，利用双馈风力发电机组的网侧变流器同步旋转坐标系下的数学模型、预充电电路及分段加入各控制环的方法来实现双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制；具体实现可分为三个阶段。即预充电阶段：首先合上预充电开关，然后电网的电压经整流桥整流，并经过预充电电阻向电容充电。网侧变流器逆变同步阶段：当电容上的电压达到一定值后，启动网侧变流器以电流开环方式与电网电压同步。合闸阶段：当网侧变流器输出电压的幅值与电网电压一致的时候，这时合上网侧开关，然后再以电流开环的方式运行一段时间使直流母线电压以一定的斜率上升到一定值。最后加入中间电压和电流闭环控制环。

Description

一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法及装置
技术领域
本发明属于一种供电系统的并网控制方法及装置，尤其是指一种双馈风力发电机组的网侧变流器的并网控制方法及装置，主要用于大功率双馈风力发电机组的网侧变流器并网，进一步为双馈风力发电机并网提供能量。
技术背景
尤其随着风电机组单台功率不断的增大，其并网时对电网的冲击已经达到不容忽略的地步。因此，研究大功率双馈发电机的并网方式就显得极为重要.目前已有不少文献应用矢量控制技术研究了双馈发电机（定子侧）并网控制策略。如专利申请号为201010565543.X，发明名称为：双馈风力发电机的并网控制方法的中国专利，就公开一种双馈风力发电机的并网控制方法，提出双馈风力发电机的并网控制包括如下步骤：
(1)将定子磁链定向下电网电压和定子磁链在q轴分量的偏差送入PI调节器；
(2)将PI调节器的输出信号作为电压误差补偿分量，引入d轴空载励磁电流，将d轴空载励磁电流和电压偏差的PI调节器输出量之和作为总的d轴励磁电流；
(3)将前述dq轴励磁电流代入双馈风力发电机空载并网的转子电压方程，得到三相功率器件的开断控制信号，来调节励磁变流器控制发电机的电压幅值、频率和相位，实现对双馈风力发电机的并网进行控制。
但是现在现有技术都只是注意研究双馈发电机并网对电网的冲击，没有或忽略了研究网侧变流器对电网的冲击。可是由于风力发电机单台功率越来越大，无功补偿电容也越来越大，不同的并网方案对电网冲击的程度差别很大。如果不采取适当的并网方式,在并网的瞬间对网侧滤波电容、中间直流电容IGBT功率器件的冲击很大,以致损坏电容和开关器件。所以研究网侧变流器并网也是至关重要。
发明内容
本发明的目的为了克服现有兆瓦级双馈型的风电机组网侧变流器并网时冲击电流大等诸多不足，提出了一种具有成本低、对电网冲击小、系统结构简单、可靠性高、适用范围广的兆瓦级双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的实现技术方案如下：一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法，利用了双馈风力发电机组的网侧变流器同步旋转坐标系下的数学模型、预充电电路及适时的分段加入各控制环的方法来实现双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制；具体实现可分为三个阶段。
一 、预充电阶段：这个阶段首先合上预充电开关，然后电网的电压经整流桥整流，并经过预充电电阻向电容充电。由于预充电限流电阻的作用，把充电电流限制为安全的充电电流，对直流母线电容起到了保护。
二 、网侧变流器逆变同步阶段：当电容上的电压达到一定值后（540V -670 V），启动网侧变流器以电流开环方式即指令电流直接给定具体数值逆变出的电压相位与电网电压同步。由于发电机发出的电压与电网电压同相位，减少了对电网的冲击和对电网注入的谐波分量。
三 、合闸阶段：当网侧变流器输出电压的幅值与电网电压一致的时候，及直流母线电压达到要求时， 这时合上网侧开关，然后再以电流开环的方式运行一段时间使直流母线电压以一定的斜率上升到1050V-1150V。最后加入中间电压和电流闭环控制环，这时加入中间电压控制环，保持实现直流母线电压稳定，同时把直流母线上的电压抬高以达到机侧变流器逆变时所的电压值，网侧变流器并网结束。
根据上述方法所提出的一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制装置，包括机侧变流器、网侧变流器、双馈发电机和电网，机侧变流器和网侧变流器串接在双馈发电机转子与电网的连接线之间，且机侧变流器和网侧变流器之间为直流串接，在两直流线之间跨接有中间直流电容；在双馈发电机定子与电网之间的连接线中，设有定子接触器；在网侧变流器与电网之间设有网侧接触器，且并接有网侧滤波电容；在机侧变流器和网侧变流器之间的连接线中设有两个支点，两个支点分别与一整流桥相接，且在一个支点与整流桥的连接中串接有一预充电电阻；整流桥又通过预充电接触器与电网相接。
本发明充分利用了双馈风力发电机网侧变流器的同步旋转坐标系下数学模型、预充电电路及适时的分段加入各控制环的方法来实现该控制方法，无需增加任何部件，具有系统结构简单，可靠性高等优点；明显降低了网侧变流器并网时的冲击电流，更好的保护网侧滤波电容、中间直流电容以及网侧变流器的开关器件IGBT，提高产品可靠性；
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2本发明的核心控制单元网侧变流器的控制框图。
具体实施方式
下面将结合附图1、附图2对本发明做进一步的描述。
一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法，利用了双馈风力发电机网侧变流器的同步旋转坐标系下的数学模型型、预充电电路及适时的分段加入各控制环的方法来实现双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制；其具体实现可分为3个阶段。
一 、预充电阶段：这个阶段首先合上预充电开关，然后电网的电压经整流桥整流，并经过预充电电阻向电容充电。由于预充电限流电阻的作用，把充电电流限制为安全的充电电流，对直流母线电容起到了保护。
二 、网侧变流器逆变同步阶段：当电容上的电压达到一定值后（540V-570V），启动网侧变流器，并给出无功电流指令值                                                
Figure 378546DEST_PATH_IMAGE001
，使网侧变流器逆变出的电压相位与电网电压同步。由于发电机发出的电压与电网电压同相位，减少了对电网的冲击和对电网注入的谐波分量。
三 、合闸阶段：当网侧变流器输出电压的幅值与电网电压一致的时候，及直流母线电压达到要求时， 这时合上网侧开关，然后给出有功电流指令值并运行一段时间使直流母线电压以一定的斜率上升到1050V-1150V。最后加入中间电压和电流闭环控制环；其中，所述的中间电压闭环控制环为：中间电压给定值
Figure 63923DEST_PATH_IMAGE003
与采样值的差值，经过
Figure 199686DEST_PATH_IMAGE005
调节器即比例谐振调节器其输出值作为有功电流指令值
Figure 567213DEST_PATH_IMAGE002
；所述的电流闭环控制环：网侧无功电流指令值
Figure 808839DEST_PATH_IMAGE001
与网侧电流采样值经过
Figure 21646DEST_PATH_IMAGE006
坐标变换的
Figure 602800DEST_PATH_IMAGE007
轴分量即差值，经过
Figure 477007DEST_PATH_IMAGE005
调节器即比例谐振调节器其输出值作为有功电流指令值。这时加入中间电压控制环，保持实现直流母线电压稳定，网侧变流器并网结束（见附图2所示）。
根据上述方法所提出的一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制装置如附图1所示，包括机侧变流器1、网侧变流器2、双馈发电机3和电网4，机侧变流器1和网侧变流器2串接在双馈发电机3转子与电网4的连接线之间，且机侧变流器1和网侧变流器2之间为直流串接，在两直流线之间跨接有中间直流电容5；在双馈发电机3定子与电网4之间的连接线中，设有定子接触器6；在网侧变流器2与电网4之间设有网侧接触器7，且并接有网侧滤波电容8；在机侧变流器1和网侧变流器2之间的连接线中设有两个支点，两个支点的支线分别与一整流桥9相接，且在一个支点与整流桥9的连接中串接有一预充电电阻10；整流桥9又通过预充电接触器11与电网4相接。

Claims (4)

1.一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法，其特征在于：利用了双馈风力发电机网侧变流器的同步旋转坐标系下的数学模型型、预充电电路及适时的分段加入各控制环的方法来实现双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制；其具体实现可分为3个阶段；
一 、预充电阶段：这个阶段首先合上预充电开关，然后电网的电压经整流桥整流，并经过预充电电阻向电容充电； 
二 、网侧变流器逆变同步阶段：当电容上的电压达到一定值后，断开预充电开关，使网侧变流器以电流开环方式逆变出的电压相位与电网电压同步；
三 、合闸阶段：当网侧变流器输出电压的相位与电网电压一致的时候，及直流母线电压达到要求时， 这时合上网侧开关，然后再以电流开环的方式运行一段时间使直流母线电压以一定的斜率上升到一定值；最后加入中间电压和电流闭环控制环，这时加入中间电压控制环，保持实现直流母线电压稳定，同时把直流母线上的电压抬高以达到机侧变流器逆变时所的电压值，网侧变流器并网结束。
2.根据权利要求1所述双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法，其特征在于：所述的中间电压闭环控制环为：中间电压给定值                                               
Figure 2011101758501100001DEST_PATH_IMAGE002
与采样值
Figure 2011101758501100001DEST_PATH_IMAGE004
的差值，经过调节器即比例谐振调节器其输出值作为有功电流指令值
Figure 2011101758501100001DEST_PATH_IMAGE008
。
3.根据权利要求1所述双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制方法，其特征在于：所述的电流闭环控制环：网侧无功电流指令值
Figure 2011101758501100001DEST_PATH_IMAGE010
与网侧电流采样值经过坐标变换的
Figure 2011101758501100001DEST_PATH_IMAGE014
轴分量即
Figure 2011101758501100001DEST_PATH_IMAGE016
差值，经过调节器即比例谐振调节器其输出值作为有功电流指令值
Figure 845892DEST_PATH_IMAGE010
；这时加入中间电压控制环，保持实现直流母线电压稳定，网侧变流器并网结束。
4.根据权利要求1所述方法所提出的一种双馈风力发电机组网侧变流器的并网控制装置，包括机侧变流器、网侧变流器、双馈发电机和电网，机侧变流器和网侧变流器串接在双馈发电机转子与电网的连接线之间，且机侧变流器和网侧变流器之间为直流串接，在两直流线之间跨接有中间直流电容；其特征在于：在双馈发电机定子与电网之间的连接线中，设有定子接触器；在网侧变流器与电网之间设有网侧接触器，且并接有网侧滤波电容；在机侧变流器和网侧变流器之间的连接线中设有两个支点，两个支点分别与一整流桥相接，且在一个支点与整流桥的连接中串接有一预充电电阻；整流桥又通过预充电接触器与电网相接。
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