CN102624026A - 基于可变频率变压器的变速风电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于可变频率变压器的变速风电系统及其控制方法。包括笼型风电机群、变频交流母线、升压变压器、高压输电线、降压变压器、可变频率变压器、工频电网，笼型风电机群所发出的变频交流电汇集在变频交流母线上，变频交流母线上的变频交流电经升压变压器升压后通过高压输电线传输至降压变压器，由降压变压器降压后的变频交流电进入可变频率变压器，可变频率变压器将变频交流电转换为工频交流电，且将工频交流电注入工频电网。本发明的基于可变频率变压器的变速风电系统不仅能增大风电机组单机容量、降低机组故障率、减少维护工作和增加有效发电时间，而且能提高风能利用率、减小机械应力和输出功率波动；本发明的控制方法控制简单，操作方便。

Description

基于可变频率变压器的变速风电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及近海风电场开发、现有恒速风电场改造，特别涉及一种基于可变频率变压器的变速风电系统及其控制方法。

背景技术

风力发电是目前发展最快、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一。近海风电具有风速高、湍流强度小、风速风向稳定等优点，是今后风电行业发展的必然趋势。我国近海风能资源丰富，并且靠近东部电力负荷中心，有利于电网消纳，避免远距离输电，因此大力开发近海风电资源具有显著的社会和经济效益。

近海风电机组基础建造费用高、维护难度大，而且天气和海洋环境的制约使机组故障后难以得到及时维修，因此提高风电机组单机容量、减少维护工作和增加有效发电时间对于近海风电资源的开发非常重要。在国家电力监管委员会发布的《风电安全监管报告(2011第4号)》中，公布了12家风电运营企业提供的2010全年风电机组故障分类统计数据，在合计约3.5万台次的风电机组故障中，变桨距系统占19.3%，变频系统占14.5%，电气系统占10.4%，传感器占9.4%，液压系统占7.7%，电气控制系统占6.8%，发电机占6.7%，偏航系统占6.4%，齿轮箱占5.5%，其余部件合计占13.3%。上述统计数据对于风电机组可靠性的提高具有重要的参考价值。

永磁直驱和双馈风电机组是当前变速恒频风力发电的主流机型。永磁直驱风电机组消除了齿轮箱，然而多极低速电机的尺寸和重量不利于单机容量的提高，而且永磁体一旦失磁，更换和维护非常困难。双馈风电机组的优势在于电力电子变流器仅需传递转差功率，使变流器的容量和成本显著降低，然而其滑环和电刷需要经常性的维护，这对近海风电而言是不小的负担。

笼型风电机组无电刷和滑环、结构简单可靠，若应用于近海风电有利于提高单机容量、减少海上维护工作和增加有效发电时间。现有笼型风电机组通过全功率交-直-交变流器实现变速恒频发电，然而大容量电力电子变流器的价格昂贵，而且为每台风电机组单独配备变流器的方式也较不经济。此外，根据前述故障统计数据，变频系统、电气系统和传感器故障的比例在各类故障中排第2至4位的事实说明变流器及其测量控制系统的可靠性问题也不可忽视。

近年来，美国通用电气公司研制了100 MW可变频率变压器，并用其成功实现了加拿大魁北克电网与美国纽约电网的异步互联。可变频率变压器采用变速调频方式取代电力电子变流调频，大大降低了电力电子装置的容量和成本，并且具有更强的过载能力，该技术为笼型风电机群的变速发电提供了新的思路。

随着风电装机容量的增加，从维持电网稳定的角度出发，要求风电机组在电网电压跌落时能维持不脱网运行，即具备低电压穿越能力。现有笼型风电机组的低电压穿越方案分别存在以下问题：①STATCOM或SVC输出无功功率恢复风电场端电压的方案，由于STATCOM、SVC的无功功率输出能力分别与电压、电压平方成比例关系，在电压跌落期间无功输出能力大大降低，因此需要大容量的无功补偿装置，导致成本过高；②采用串联动态电压调节器在电网故障期间将风电机组端电压维持在额定值的方案，由于串联动态电压调节器必须吸收并消耗风电机组发出的大部分有功功率，同样需要大容量的电力电子装置；③采用串联制动电阻提升风电场端电压并吸收过剩有功功率的方案，由于串联制动电阻不产生无功，在负荷功率因数较低时无法解决暂态失稳问题。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种不仅能增大风电机组单机容量、降低机组故障率、减少维护工作和增加有效发电时间，而且能提高风能利用率、减小机械应力和输出功率波动的基于可变频率变压器的变速风电系统。

本发明的另一目的在于提供一种控制简单，操作方便的基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法。

本发明的技术方案是：本发明的基于可变频率变压器的变速风电系统，包括有笼型风电机群、变频交流母线、升压变压器、高压输电线、降压变压器、可变频率变压器、工频电网，其中笼型风电机群所发出的变频交流电汇集在变频交流母线上，变频交流母线上的变频交流电经升压变压器升压后通过高压输电线传输至降压变压器，由降压变压器降压后的变频交流电进入可变频率变压器，可变频率变压器通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，且可变频率变压器将工频交流电注入工频电网。

上述可变频率变压器包括有同轴机械连接的双馈电机和直流电机以及直流电机驱动器，其中双馈电机的转轴与直流电机的转轴连接，直流电机与直流电机驱动器电连接，上述降压变压器降压后的变频交流电进入双馈电机的转子绕组，双馈电机通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，双馈电机的定子绕组将工频交流电注入工频电网。

上述变频交流母线还连接有动态无功补偿装置。

上述直流电机驱动器还连接有不间断电源。

本发明基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，上述笼型风电机群转速的控制方法通过直流电机的驱动力矩控制双馈电机的转速，从而控制变频交流母线的频率，使笼型风电机群的转速随风速变化，实现风电场的最大功率输出。

上述笼型风电机群的转速控制方法的具体步骤如下：

1)根据测得的各台风力机所在位置的风速，综合计算实现风电场最大功率输出时变频交流母线的最优频率，从而计算可变频率变压器的转速参考值；

2)根据可变频率变压器的转速参考值与测量值的偏差产生直流电机驱动力矩的指令值，实现对可变频率变压器转速的闭环控制，从而间接控制笼型风电机群的转速跟随平均最优风速变化，实现风电场的最大功率输出。

上述变频交流母线的电压幅值的控制方法通过动态无功补偿装置的无功功率控制变频交流母线的电压幅值，使其与母线频率的比例维持恒定。

上述变频交流母线的电压幅值的控制方法的具体步骤如下：

1）采用锁相环技术实时测量变频交流母线的频率，根据可变频率变压器转子绕组频率和电压的比例关系计算变频交流母线的电压幅值的参考值；

2）根据变频交流母线的电压幅值的参考值与测量值的偏差产生动态无功补偿装置的无功功率的指令值，实现对变频交流母线的电压幅值的闭环控制。

上述低电压穿越控制方法是电网电压跌落期间由不间断电源维持直流电机驱动器的正常运行，通过控制可变频率变压器的转速使变频交流母线的频率随笼型风电机群的转速变化，使笼型风电机群的转差率维持在额定值，使其在电网故障清除后能迅速恢复电磁转矩并减少无功功率消耗，从而避免笼型风电机群的转速和端电压失稳，实现低电压穿越。

上述低电压穿越控制方法的具体步骤如下：

1）在检测到工频电网的电压跌落后，修改可变频率变压器的转速闭环控制的目标，将测得的笼型风电机群(1)的平均转速减去额定转差作为变频交流母线的期望频率,并计算相应的可变频率变压器的转速参考值，从而控制变频交流母线的频率随风电机群的转速上升，将转差率维持在额定值附近；

2）根据动态无功补偿装置中电力电子器件的参数设置输出电流上限以防止过流，动态无功补偿装置的控制目标设置为控制变频交流母线的电压幅值跟踪给定参考值，或根据电网需求输出无功功率以加快电网电压恢复。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明采用无电刷和滑环、结构简单可靠的笼型风电机组，有利于提高风电机组单机容量、减少维护工作和增加有效发电时间；

2）本发明采用可变频率变压器实现笼型风电机群的变速变频发电，有利于提高风能利用率、减小机械应力和输出功率波动，同时大大降低电力电子装置的容量和成本，提高耐过电流和过电压的能力；

3）本发明针对笼型风电机组在电网电压跌落时转速和端电压失稳的根本原因，通过控制变频交流母线频率随笼型风电机群转速上升的方式防止转差越限，从而实现低电压穿越，大大降低了动态无功补偿装置的容量和成本，具有很高的性价比；

4）本发明由于可变频率变压器的固有特性，变频交流母线电压的幅值将随频率上升，有利于提高系统中动态无功补偿装置和固定电容器组的无功功率输出能力，更好地实现对电网电压的支撑。

本发明是一种不仅能增大风电机组单机容量、降低机组故障率、减少维护工作和增加有效发电时间，而且能提高风能利用率、减小机械应力和输出功率波动的基于可变频率变压器的变速风电系统。本发明的控制方法控制简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明的原理图。

具体实施方式

实施例：

本发明的原理图如图1所示，本发明的基于可变频率变压器的变速风电系统，包括有笼型风电机群1、变频交流母线2、升压变压器4、高压输电线5、降压变压器6、可变频率变压器10、工频电网12，其中笼型风电机群1所发出的变频交流电汇集在变频交流母线2上，变频交流母线2上的变频交流电经升压变压器4升压后通过高压输电线5传输至降压变压器6，由降压变压器6降压后的变频交流电进入可变频率变压器10，可变频率变压器10通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，且可变频率变压器10将工频交流电注入工频电网12。

本实施例中，上述可变频率变压器10包括有同轴机械连接的双馈电机7和直流电机8以及直流电机驱动器9，其中双馈电机7的转轴与直流电机8的转轴连接，直流电机8与直流电机驱动器9电连接，上述降压变压器6降压后的变频交流电进入双馈电机7的转子绕组，双馈电机7 通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，双馈电机7的定子绕组将工频交流电注入工频电网12。

此外，上述变频交流母线2还连接有动态无功补偿装置3。

另外，上述直流电机驱动器9还连接有不间断电源11。

本发明基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，上述笼型风电机群1转速的控制方法通过直流电机8的驱动力矩控制双馈电机7的转速，从而控制变频交流母线2的频率，使笼型风电机群1的转速随风速变化，实现风电场的最大功率输出。

本实施例中，上述笼型风电机群1的转速控制方法的具体步骤如下：

1)根据测得的各台风力机所在位置的风速，综合计算实现风电场最大功率输出时变频交流母线2的最优频率，从而计算可变频率变压器10的转速参考值；

2)根据可变频率变压器10的转速参考值与测量值的偏差产生直流电机驱动力矩的指令值，实现对可变频率变压器10转速的闭环控制，从而间接控制笼型风电机群1的转速跟随平均最优风速变化，实现风电场的最大功率输出。

本实施例中，上述变频交流母线2的电压幅值的控制方法通过动态无功补偿装置3的无功功率控制变频交流母线2的电压幅值，使其与母线频率的比例维持恒定。

本实施例中，上述变频交流母线2的电压幅值的控制方法的具体步骤如下：

1）采用锁相环技术实时测量变频交流母线2的频率，根据可变频率变压器10的转子绕组频率和电压的比例关系计算变频交流母线2的电压幅值的参考值；

2）根据变频交流母线2的电压幅值的参考值与测量值的偏差产生动态无功补偿装置3的无功功率的指令值，实现对变频交流母线2的电压幅值的闭环控制。

上述低电压穿越控制方法是电网电压跌落期间由不间断电源11维持直流电机驱动器9的正常运行，通过控制可变频率变压器10的转速使变频交流母线2的频率随笼型风电机群1的转速变化，使笼型风电机群1的转差率维持在额定值，使其在电网故障清除后能迅速恢复电磁转矩并减少无功功率消耗，从而避免笼型风电机群1的转速和端电压失稳，实现低电压穿越。

本实施例中，上述低电压穿越控制方法的具体步骤如下：

1）在检测到工频电网12的电压跌落后，修改可变频率变压器10的转速闭环控制的目标，将测得的笼型风电机群1的平均转速减去额定转差作为变频交流母线2的期望频率,并计算相应的可变频率变压器10的转速参考值，从而控制变频交流母线2的频率随风电机群1的转速上升，将转差率维持在额定值附近；

2）根据动态无功补偿装置3中电力电子器件的参数设置输出电流上限以防止过流，动态无功补偿装置3的控制目标可以设置为控制控制变频交流母线2的电压幅值跟踪给定参考值，或根据电网需求输出无功功率以加快电网电压恢复。

本发明的工作原理如下：笼型风电机群1所发出的变频交流电汇集在变频交流母线2上，变频交流母线2上的变频交流电经升压变压器4升压后通过高压输电线5传输至降压变压器6，由降压变压器6降压后的变频交流电进入可变频率变压器10中的双馈电机7的转子绕组，双馈电机7 通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，双馈电机7的定子绕组将工频交流电注入工频电网12。

另外，本发明通过直流电机控制双馈电机转速，调节变频交流母线频率，使笼型风电机群转速跟随风速变化，实现风电场的最大功率输出，通过动态无功补偿装置控制变频交流母线电压幅值；此外，电网电压跌落期间，控制变频交流母线频率随笼型风电机群转速上升以防止转差率越限，从而实现低电压穿越。本发明采用结构简单可靠的笼型风电机组，有利于提高单机容量、减少维护工作和增加有效发电时间；本发明笼型风电机群运行于变速变频方式，有利于提高风能利用率、减小机械应力和输出功率波动；本发明通过提高变频交流母线频率实现低电压穿越的方法可大大减小动态无功补偿装置的容量，具有很高的性价比。本发明为近海风电资源的大规模开发、现有恒速风电场的升级改造提供一种经济、可靠的方案。

Claims (10)

1.一种基于可变频率变压器的变速风电系统，其特征在于包括有笼型风电机群(1)、变频交流母线(2)、升压变压器(4)、高压输电线(5)、降压变压器(6)、可变频率变压器(10)、工频电网(12)，其中笼型风电机群(1)所发出的变频交流电汇集在变频交流母线(2)上，变频交流母线(2)上的变频交流电经升压变压器(4)升压后通过高压输电线(5)传输至降压变压器(6)，由降压变压器(6)降压后的变频交流电进入可变频率变压器(10)，可变频率变压器(10)通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，且可变频率变压器(10)将工频交流电注入工频电网(12)。

2.根据权利要求1所述的基于可变频率变压器的变速风电系统，其特征在于上述可变频率变压器(10)包括有同轴机械连接的双馈电机(7)和直流电机(8)以及直流电机驱动器(9)，其中双馈电机(7)的转轴与直流电机(8)的转轴连接，直流电机(8)与直流电机驱动器(9)电连接，上述降压变压器(6)降压后的变频交流电进入双馈电机(7)的转子绕组，双馈电机(7) 通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，双馈电机(7)的定子绕组将工频交流电注入工频电网(12)。

3.根据权利要求2所述的基于可变频率变压器的变速风电系统，其特征在于上述变频交流母线(2)还连接有动态无功补偿装置(3)。

4.根据权利要求2或3所述的基于可变频率变压器的变速风电系统，其特征在于上述直流电机驱动器(9) 还连接有不间断电源(11)。

5.一种根据权利要求3所述的基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，其特征在于上述笼型风电机群(1)转速的控制方法通过直流电机(8)的驱动力矩控制双馈电机(7)的转速，从而控制变频交流母线(2)的频率，使笼型风电机群(1)的转速随风速变化，实现风电场的最大功率输出。

6.根据权利要求5所述的基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，其特征在于上述笼型风电机群(1)的转速控制方法的具体步骤如下：

1)根据测得的各台风力机所在位置的风速，综合计算实现风电场最大功率输出时变频交流母线(2)的最优频率，从而计算可变频率变压器(10)的转速参考值；

2)根据可变频率变压器(10)转速参考值与测量值的偏差产生直流电机驱动力矩的指令值，实现对可变频率变压器(10)转速的闭环控制，从而间接控制笼型风电机群(1)的转速跟随平均最优风速变化，实现风电场的最大功率输出。

7.根据权利要求5所述的基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，其特征在于上述变频交流母线(2)的电压幅值的控制方法通过动态无功补偿装置(3)的无功功率控制变频交流母线(2)的电压幅值，使其与母线频率的比例维持恒定。

8.根据权利要求7所述的基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，其特征在于上述变频交流母线(2)的电压幅值的控制方法的具体步骤如下：

1）采用锁相环技术实时测量变频交流母线(2)的频率，根据可变频率变压器(10)的转子绕组频率和电压的比例关系计算变频交流母线(2)的电压幅值的参考值；

2）根据变频交流母线(2)的电压幅值的参考值与测量值的偏差产生动态无功补偿装置(3)的无功功率的指令值，实现对变频交流母线(2)的电压幅值的闭环控制。

9.根据权利要求5所述的基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，其特征在于上述低电压穿越控制方法是电网电压跌落期间由不间断电源(11)维持直流电机驱动器(9)的正常运行，通过控制可变频率变压器(10)的转速使变频交流母线(2)的频率随笼型风电机群(1)的转速变化，使笼型风电机群(1)的转差率维持在额定值，使其在电网故障清除后能迅速恢复电磁转矩并减少无功功率消耗，从而避免笼型风电机群(1)的转速和端电压失稳，实现低电压穿越。

10.根据权利要求9所述的基于可变频率变压器的变速风电系统的控制方法，其特征在于上述低电压穿越控制方法的具体步骤如下：

1）在检测到工频电网(12)的电压跌落后，修改可变频率变压器(10)的转速闭环控制的目标，将测得的笼型风电机群(1)的平均转速减去额定转差作为变频交流母线(2)的期望频率,并计算相应的可变频率变压器(10)的转速参考值，从而控制变频交流母线(2)的频率随风电机群(1)的转速上升，将转差率维持在额定值附近；

2）根据动态无功补偿装置(3)中电力电子器件的参数设置输出电流上限以防止过流，动态无功补偿装置(3)的控制目标设置为控制变频交流母线(2)的电压幅值跟踪给定参考值，或根据电网需求输出无功功率以加快电网电压恢复。

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