CN102355009A

CN102355009A - 利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法及其系统

Info

Publication number: CN102355009A
Application number: CN2011103054029A
Authority: CN
Inventors: 潘磊; 原美琳; 汪正军; 徐佳园; 张宪平
Original assignee: Guodian United Power Technology Co Ltd
Current assignee: Guodian United Power Technology Co Ltd
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-10-11
Also published as: CN102355009B

Abstract

本发明是有关于一种利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法及其系统，该方法包括：实时监测风电机组的机端电压、无功功率、有功功率；当机端电压超过额定电压的1.1倍时，计算无功功率指令QOUT；根据QOUT控制双馈发电机输出相应的感性无功功率。其应用系统包括电能质量模块、机组主控PLC、风电变流器以及双馈发电机。本发明是一种以风电机组机端电压为控制目标的感性无功功率的协调控制方法，使风电机组机端电压满足机组内部电气设备的工作要求，以保证风电机组在电网电压升高到1.3倍额定电压以上时仍可以正常连续运行，并利用双馈发电机的有功功率和无功功率的解耦特性，实现双馈型风力发电机组高电压穿越。

Description

利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术领域，特别是涉及一种利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法及其系统。

背景技术

风能是随机不可控制的，因而风电机组输出的功率和电压也是随机波动的。随着我国单台风电机组容量的扩大和总装机容量在国家电网中所占比例的升高，造成风电机组并网运行时对电网的影响范围从局部逐渐扩大，并且影响程度也在加深。

鉴于此背景，国家电网公司对风电机组的运行能力提出了高电压穿越的要求，即风电场并网点电压在0.9-1.3倍额定电压(含边界值)范围内时，场内并网机组应能正常连续运行。但是对于风电机组内部所有电气零部件，其能够承受的工作电压范围通常为0.9-1.1倍额定电压。

对于这一问题，有两种解决方案：一种是提高风电机组内部所有电气零部件的工作电压水平，另一种是采取一定措施，将风电场并网点电压控制到0.9-1.1倍额定电压之间。对于实际运行的风电场，上述两种方案存在以下缺陷：

第一种：提高电气设备工作电压降大大增加电气设备的成本，从而增加了机组本身的运行成本。另一方面，如果对风电机组内部电气设备进行更换，更换为可以承受1.3倍额定电压的电气设备，将耗费大量的人力和财力。

第二种：传统的风电场并网点电压控制方法是，通过投放SVC和SVG等无功调节设备进行并网点电压的调节，但是此类设备成本较高，且较难实现动态的投放，不利于风电场并网点电压的动态协调控制。另一方面，风电场与电网密切相连，由于受大电网运行的影响，很难有效的改变风电场并网点的电压。

由此可见，如何能创设一种可实现高电压穿越要求，同时利于动态协调控制，并利于控制成本的新的利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法及其系统，实属当前重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法及其系统，使其可实现高电压穿越要求，同时利于动态协调控制，并利于控制成本。

为解决上述技术问题，本发明一种利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法，包括以下步骤：A.实时监测风电机组的机端电压U_f、无功功率Q_f、有功功率P_f；B.当机端电压U_f超过额定电压U_ref的1.1倍时，计算无功功率指令Q_OUT；C.根据Q_OUT控制双馈发电机输出相应的感性无功功率。

作为进一步改进，所述的步骤B包括：B1.根据U_f与1.1倍U_ref之差，处理得到此时需要双馈电机输出的感性无功功率Q_PI；B2.根据机组的视在功率S_f和有功功率P_f，计算此时双馈发电机的无功功率输出余量Q_MAX，计算公式为：

Q_{MAX} = \sqrt{{S_{f}}^{2} - {P_{f}}^{2}};

B3.当Q_PI≤Q_MAX时，Q_OUT＝Q_PI；B4.当Q_PI＞Q_MAX时，Q_OUT＝Q_MAX。

所述的Q_PI由PI调节器处理得到，所述的Q_OUT由PI调节器输出。

所述步骤A由电能质量模块进行实时监测，并同时将监测到的参数传递给机组主控PLC；所述步骤B由机组主控PLC对电能质量模块传递过来的参数进行判断和计算；所述步骤C由风电变流器接收无功指令，并驱动双馈发电机按照指令输出相应的无功功率。

本发明还提供了一种应用上述方法的风电机组高电压穿越系统，其包括：实时监测风电机组机端电压的电能质量模块；对机端电压的大小进行判断，并计算出无功功率指令的机组主控PLC；接收机组主控PLC的无功功率指令，并控制双馈发电机输出相应感性无功功率的风电变流器；以及输出无功功率的双馈发电机。

采用这样的设计后，本发明具有以下特点：

1、运用双馈型发电机的功率解耦特性，控制其在风电场中发挥无功功率电源的作用；

2、利用双馈发电机输出感性无功功率，实现风电机组高电压穿越功能；

3、利用双馈发电机输出感性无功功率，实现风电机组机端电压的控制。

如上所述，本发明是一种以风电机组机端电压为控制目标的感性无功功率的协调控制方法，使风电机组机端电压满足机组内部电气设备的工作要求，以保证风电机组在电网电压升高到1.3倍额定电压以上时仍可以正常连续运行，并利用双馈发电机的有功功率和无功功率的解耦特性，实现双馈型风力发电机组高电压穿越。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法流程示意图。

图2是本发明利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的系统组成示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法，主要包括：实时监测风电机组的机端电压U_f、无功功率Q_f、有功功率P_f；当机端电压U_f超过额定电压U_ref的1.1倍时，计算无功功率指令Q_OUT；以及根据Q_OUT控制双馈发电机输出相应的感性无功功率。

具体来说，步骤1主要是应用电能质量模块，实时监测风电机组机端电压U_f、无功功率Q_f、有功功率P_f，并同时将这些参数传递给机组主控PLC。

步骤2是由机组主控PLC对电能质量模块传递过来电压值进行判断和计算，当机端电压值U_f超过U_ref时，则执行风电机组高电压穿越控制程序。

风电机组高电压穿越控制程序首先对机端电压U_f和U_ref进行差值比较，U_f和U_ref的差值记作ΔU。当ΔU大于10％时(即机端电压U_f超过额定电压U_ref的1.1倍时)，差值经过PI调节器处理后，得到此时需要双馈电机输出的感性无功功率Q_PI。

机组主控PLC还对机组的视在功率S_f和电能质量模块监测到的有功功率P_f进行计算，得到此时双馈发电机的无功功率输出余量Q_MAX。Q_MAX计算公式如下：

Q_{MAX} = \sqrt{{S_{f}}^{2} - {P_{f}}^{2}} .

当Q_PI小于或等于Q_MAX时，PI调节器输出Q_PI；当Q_PI大于Q_MAX时，PI调节器输出Q_MAX。

步骤3是由风电变流器接收无功功率指令Q_OUT，驱动双馈发电机。双馈发电机按照指令输出相应的无功功率，调节机组并网点电压，完成机组机端电压闭环调节，实现风电机组高电压穿越。

请配合参阅图2所示，本发明应用上述方法的利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的系统，包括电能质量模块、机组主控PLC、风电变流器和双馈发电机。

其中，电能质量模块为PLC所配备的标准模块，用于实时监测风电机组机端电压，并将电压信号传递给机组主控PLC。

机组主控PLC通过运行附图1所示的方法和程序，对机组机端电压进行判断和计算。当机端电压超过1.1倍额定电压时，根据机端电压差值(机端电压差值为机组机端的实时电压与1.1倍额定电压之差)以及感性无功功率对机端电压的影响系数，计算出需要输出到机组并网点的感性无功功率值，并将这一指令输出给风电变流器。

风电变流器接收机组主控PLC的无功功率指令，由于双馈发电机有功功率和无功功率的解耦特性，变流器可单独控制并驱动双馈发电机输出相应感性无功功率。

双馈发电机是机组无功功率输出的执行机构。

通过双馈发电机感性无功功率的输出，实现对并网点电压的调节。同时，再实时的通过上述的电能质量模块采集机端电压，然后重复上述过程，实现对并网点高电压的闭环调节，进一步实现高电压穿越。

本发明充分利用了双馈型发电机有功功率和无功功率的解耦特性，机组主控PLC根据双馈型风电机组机端过电压偏差值，向变流器发出相应的感性无功功率输出指令，变流器驱动双馈发电机。双馈发电机按照指令输出相应的无功功率，调节机组并网点电压，完成机组机端电压闭环调节，实现风电机组高电压穿越。与风电场变电站的SVC相比较，本发明利用双馈发电机组的运行特性，无需增加任何外部设备，就可以实现在电网电压高出额定电压范围时，快速有效的将风电机组的机端电压降低到额定电压范围内，以保证风电机组的安全可靠运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法，其特征在于包括以下步骤：

A.实时监测风电机组的机端电压U_f、无功功率Q_f、有功功率P_f；

B.当机端电压U_f超过额定电压U_ref的1.1倍时，计算无功功率指令Q_OUT；

C.根据Q_OUT控制双馈发电机输出相应的感性无功功率。

2.根据权利要求1所述的利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法，其特征在于所述的步骤B包括：

B1.根据U_f与1.1倍U_ref之差，处理得到此时需要双馈电机输出的感性无功功率Q_PI；

B2.根据机组的视在功率S_f和有功功率P_f，计算此时双馈发电机的无功功率输出余量Q_MAX，计算公式为：

Q_{MAX} = \sqrt{{S_{f}}^{2} - {P_{f}}^{2}};

B3.当Q_PI≤Q_MAX时，Q_OUT＝Q_PI；

B4.当Q_PI＞Q_MAX时，Q_OUT＝Q_MAX。

3.根据权利要求2所述的利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法，其特征在于所述的Q_PI由PI调节器处理得到，所述的Q_OUT由PI调节器输出。

4.根据权利要求1所述的利用双馈发电机实现风电机组高电压穿越的方法，其特征在于：

所述步骤A由电能质量模块进行实时监测，并同时将监测到的参数传递给机组主控PLC；

所述步骤B由机组主控PLC对电能质量模块传递过来的参数进行判断和计算；

所述步骤C由风电变流器接收无功指令，并驱动双馈发电机按照指令输出相应的无功功率。

5.一种应用权利要求1-4中任一项所述方法的风电机组高电压穿越系统，其特征在于包括：

实时监测风电机组机端电压的电能质量模块；

对机端电压的大小进行判断，并计算出无功功率指令的机组主控PLC；

接收机组主控PLC的无功功率指令，并控制双馈发电机输出相应感性无功功率的风电变流器；以及

输出无功功率的双馈发电机。