CN102664427A - 永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法，它根据电网电压幅值变化对网侧变流器采用两种不同的控制策略：当电网电压正常时，为有功优先的最大功率跟踪控制模式，使风电机组最大限度地捕获风能，当电网电压超出正常范围时，为无功优先控制模式，使注入电力系统的动态无功电流达到并网要求。机侧变流器则采用基于转子储能的直流电压控制模式，利用永磁直驱风力发电机组自身转速及动能的变化，缓解变流器直流侧功率不平衡，稳定直流电压。本发明根据电网电压的幅值变化实现电网电压突变前后风电机组有功和无功的协调控制，它通过释放或储存转子动能来抑制直流母线电压的波动，从而提高了永磁直驱风电机组的低电压穿越能力，并向电网快速准确的提供无功功率支持，对电网电压的恢复起到一定的支持作用。

Description

永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁直驱风力发电机组功率控制方法，可提高风电机组低电压穿越时的稳定性，并对电网提供动态无功支持，属发电技术领域。

背景技术

近年来，并网直驱永磁风电机组的低电压穿越问题已引起风机厂商的高度重视。通过全功率变流器并网的永磁直驱同步发电机组，其实现低电压穿越的关键技术问题在于维持变流器直流环节电容电压的稳定。传统技术方案主要是通过在直流侧安装卸荷电路、储能装置消纳多余的能量，或并联辅助变流器增加直流侧功率的输出通道。这些方法均需增加外部硬件电路，不但增加了变流器的体积及成本，使控制器变得复杂，而且还会造成风电机组的有功损失。同时，在电网电压跌落时，由于网侧变流器的限流使风电机组无法对电网提供及时的动态无功支持，对并网点电压的恢复几乎没有贡献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁直驱风电机组有功和无功协调控制方法，在不增加外部硬件电路的前提下，提高风电机组的低压穿越能力，并对电网提供动态无功支持。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法，它根据电网电压幅值的变化对网侧变流器采用两种不同的控制策略：当电网电压正常时，为有功优先的最大功率跟踪控制模式，使风电机组最大限度地捕获风能；当电网电压超出正常范围时，为无功优先控制模式，使注入电力系统的动态无功电流达到并网要求；机侧变流器则采用基于转子储能的直流电压控制模式，即利用永磁直驱风力发电机组自身转速及动能的变化，缓解变流器直流侧功率不平衡，稳定直流电压。

上述永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法，网侧与机侧变流器的具体控制方法如下：

a．网侧变流器控制模式

① 当风电场并网点电压正常，即0.9＜V _g＜1.1时,网侧变流器采用最大功率跟踪控制策略，对永磁直驱风力发电机组进行有功控制，其中,V _g 为风电场并网点电压标幺值；

发电机有功参考指令                                                

为：

，

式中，P _max为永磁直驱风电机组输出有功功率限幅值，ω ₀为永磁直驱风电机组的切入电角速度；ω ₁为永磁直驱风电机组进入转速恒定区时的电角速度；ω _max为永磁直驱风电机组角速度限幅值，ω _e 为永磁直驱风电机组的电角速度，k _opt为最大功率跟踪曲线的比例系数；

② 当电网出现故障，即V _g＜0.9或V _g＞1.1时，网侧变流器为无功优先控制模式，为使动态无功电流达到大型风电场并网要求，在低电压穿越过程中，利用下式计算每个风电场注入电力系统的动态无功电流：

， 

式中：I _N为风电场额定电流； 

为保护网侧变流器电力电子器件不受损坏，利用下式计算网侧变流器有功电流限流值：

，

式中： I _{g_max} 为网侧变流器最大限流值；

b．机侧变流器控制模式

采用直流电压控制模式：利用PI控制器根据直流母线电压的偏差调节电机定子有功电流参考指令I _{s_q} ^* ，使风力发电机输送到直流侧的有功功率P _s始终与网侧变流器输出的有功功率P _g相等，进而将直流侧功率的不平衡转化为发电机机械功率P _m和电磁功率P _s的不平衡，利用风机惯性储能有效抑制直流母线电压的波动。 

上述永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法，为了防止故障穿越过程中网侧变流器输出有功电流突变引起直流侧电容充放电电流的突变，需在网侧变流器有功电流控制环节设置有功电流的上限值I _{g_dmax}和下限值I _{g_dmin}，将有功电流的取值范围限制为I _{g_dmin}≤I≤I _{g_dmax}。

本发明在风机转子储能的基础上，根据电网电压的幅值变化实现电网电压突变前后风电机组有功和无功的协调控制，通过释放或储存转子动能来抑制直流母线电压的波动，提高风电机组的低电压穿越能力。本发明的控制策略采用机侧变流器控制直流电压，网侧变流器进行最大功率跟踪控制，从而将电压跌落过程中功率不平衡使电容电压升高的电磁暂态问题转化为使电机转速升高的机电暂态问题，利用风机的惯性储能来进行低电压穿越；并可根据电网电压对有功和无功进行协调控制，以提高在电压跌落和抬升时风电机组运行的稳定性。本发明给出的控制策略无需增加外部硬件电路，同时，还具有以下优点：

（1）在低电压穿越过程中，有效利用转子储能减小有功损失；

（2）电网电压跌落前后，机侧变流器一直处于直流电压控制状态，不存在变流器的控制切换，与传统方法相比其直流电压波动更小；

（3）通过有功和无功的协调控制，还可有效对电网扰动时无功潮流调整和无功补偿装置中的TCR脱网等引起的高电压进行穿越。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的控制策略框图；

图2是本发明的机侧变流器控制框图；

图3是本发明的网侧变流器控制框图；

图4是最大功率跟踪曲线；

图5是本发明的功率跟踪曲线切换原理图。

图中及文中各符号为：PMSG为永磁同步发电机；B1为机侧变流器；B2为网侧变流器；C1为直流母线侧电容；C2为网侧滤波器等效电容；Lg为网侧滤波器等效电感；T为变压器；GRID为电网；P _s为风力发电机电磁功率；P-- _g 、Q _g为网侧变流器输出的有功、无功功率； V _dc  、V _dc ^*为直流母线电压实际值、参考值； I _{s_q} 、I _{s_q} ^* 为发电机定子有功电流实际值、参考值；V _g 、V _g ^*为并网点电压标幺值、参考值；I _{g_d} ^*、I _{g_q} ^*为网侧变流器输出电流有功、无功参考值；I _{g_max}为网侧变流器最大限流值；P _max 为发电机输出有功功率的限幅值；P _lim 为网侧变流器输出功率的限幅值； 

 为永磁直驱风电机组在低电压穿越过程中引起的转速变化量；P _m 为风力机输出的机械功率；ω _{e0_pu} 为故障发生前转子转速的标幺值；ω _{e1_pu} 为故障发生后转子转速的标幺值；T _k 为电网故障持续时间；H为惯性时间常数；I _{g_dmax}为网侧有功电流输出限流上限值；I _{g_dmin}为网侧有功电流输出限流下限值； I _N 为风电场额定电流； k _opt  为最大功率跟踪曲线的比例系数； P ^* _opt为发电机有功参考指令。

具体实施方式

本发明根据电网电压幅值变化程度，通过切换网侧变流器控制策略实现电网电压突变前后风电机组有功和无功的协调控制。参看图1，当电网电压处于正常范围时，通过网侧变流器实现最大功率跟踪控制，机侧变流器控制直流电压稳定。当电网电压发生故障时，控制网侧变流器实现无功优先控制模式，并利用风机的惯性储能分担直流母线电容器两端有功功率的突变，减小风电机组有功损失，稳定直流母线电压，增强风电系统故障穿越能力，并向电网快速准确的提供无功功率支持，支持电网电压的恢复。

为维持直流电压稳定，机侧变流器采用基于转子储能的直流电压控制，控制框图如图2所示。根据直流母线电压的偏差，直流电压环利用PI控制器调节输出电机定子有功电流参考指令I _{s_q} ^* ，使发电机自动调整输送到直流侧的有功功率P _s与网侧变流器输出的有功功率P _g相等，进而将直流侧功率的不平衡转化为发电机机械功率P _m和电磁功率P _s的不平衡，即将电容器充放电所引起的直流电压波动转化为发电机动能变化引起的转速波动，从而有效抑制电网电压跌落时直流电压的波动，提高在电压跌落和抬升时风电机组运行的稳定性，并且不必增加外部硬件电路和附加的直流电压控制环节。

参看图3，当电网电压正常时，即0.9＜V _g＜1.1，网侧变流器为有功优先的最大功率跟踪控制，即在对有功和无功电流限幅时，首先满足有功电流。永磁直驱风力发电机组在最大功率跟踪控制过程中，网侧变流器仅根据风电机组转速变化调节有功输出。参看图4，永磁直驱风电机组的最大功率跟踪控制曲线

可分为：起动阶段、最大功率跟踪区、转速恒定区和功率恒定区，可由图4和式(1)表示。而发电机有功参考指令可由角速度反馈ω _r给出：

                          (1)

当电网故障时，即V _g＜0.9或V _g＞1.1时，网侧变流器为无功优先控制模式。为使动态无功电流达到大型风电场并网要求，利用下式计算每个风电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流：

                                (2)

为保护网侧变流器电力电子器件不受损坏，利用下式计算网侧变流器有功电流限流值：

                        

                                 (3)

图5给出了故障穿越控制过程中，永磁直驱风电机组输出功率的变化轨迹。正常工作时网侧变流器的限幅值是P _max；在电网发生电压跌落故障时，网侧变流器输出功率受限，此时网侧变流器的限幅值为P _lim。若风力发电机输出的有功功率大于限幅值P _lim，则会造成直流侧两端功率出现不平衡，引起直流电压升高。而直流侧电压的升高会使机侧变流器动作，限制发电机输出有功功率的大小，以抑制直流侧两端功率的不平衡，稳定直流电压。永磁发电机的输出功率受限，会造成风力机输出的机械功率大于永磁发电机输出的功率，发电机转子转速增加储能。当电网电压恢复后，永磁风电机组迅速恢复到正常工作状态，实现风电机组的低电压穿越。

以9m/s风速为例，永磁直驱风电机组运行在最大功率跟踪状态，运行点稳定在最大功率跟踪曲线上的A点，输出有功功率为P _A；当电网发生电压跌落故障时，网侧变流器输出功率受限，限幅值为P _lim，风电机组运行点由A点切换到O点，有功输出箝位在P _lim。采用机侧变流器实现变流器直流电压的稳定，将变流器两端的功率不平衡转移到永磁直驱风电机组的转子上，促使转子加速储存动能, 风电机组运行点由O点切换到B点。当电网电压恢复后，网侧变流器输出功率限幅值恢复到其额定值P _N，风电机组的运行点由B点切换至C点；此时发电机的输出功率P _C大于风力机的机械功率P _m，发电机转子减速，释放动能，风电机组运行点由C点沿最大功率跟踪曲线P _opt移动到A点，恢复至故障前的稳定运行状态，从而平滑有效地实现永磁直驱风电机组的低电压穿越。并且，当电网电压发生跌落故障时，根据电压的跌落幅度，通过控制网侧换流器，可快速准确的向电网提供无功支持，以帮助电网电压的恢复，提高风电机组的低电压穿越能力。

利用下式可计算电网故障时发电机转子增速的极限范围：

，

式中：ω _{e0_pu}和ω _{e1_pu}为故障发生前后转子转速的标幺值；T _k为电网故障持续时间；H为惯性时间常数；通过计算可知，发电机转子增速的极限范围为4%~8%，由于风力机变桨调节系统也可在转子超速时及时限制转速，因此该方法不会引起太大的转速波动及过速保护动作。

Claims (3)

1.一种永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法，其特征是，它根据电网电压幅值的变化对网侧变流器采用两种不同的控制策略：当电网电压正常时，为有功优先的最大功率跟踪控制模式，使风电机组最大限度地捕获风能；当电网电压超出正常范围时，为无功优先控制模式，使注入电力系统的动态无功电流达到并网要求；对机侧变流器则采用基于转子储能的直流电压控制模式，利用永磁直驱风力发电机组自身转速及动能的变化，缓解变流器直流侧功率不平衡，稳定直流电压。

2.根据权利要求1所述永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法，其特征是，网侧与机侧变流器的具体控制方法如下：

a．网侧变流器控制模式

① 当风电场并网点电压正常，即0.9＜V _g＜1.1，其中，V _g为风电场并网点电压标幺值，网侧变流器采用最大功率跟踪控制策略，对永磁直驱风力发电机组进行有功控制：

发电机有功参考指令                                                

为：

，

式中，P _max为永磁直驱风电机组输出有功功率限幅值，ω ₀为永磁直驱风电机组的切入电角速度；ω ₁为永磁直驱风电机组进入转速恒定区时的电角速度；ω _max为永磁直驱风电机组角速度限幅值，ω _e 为永磁直驱风电机组的电角速度，k _opt为最大功率跟踪曲线的比例系数；

② 当电网出现故障，即V _g＜0.9或V _g＞1.1时，网侧变流器为无功优先控制模式，为使动态无功电流达到大型风电场并网要求，在低电压穿越过程中，利用下式计算每个风电场注入电力系统的动态无功电流：

 ，

式中：I _N为风电场额定电流； 

利用下式计算网侧变流器有功电流限流值：

式中：I _{g_max}为网侧变流器最大限流值；

b．机侧变流器控制模式

采用直流电压控制模式：利用PI控制器根据直流母线电压的偏差调节电机定子有功电流参考指令I _{s_q} ^* ，使风力发电机输送到直流侧的有功功率P _s与网侧变流器输出的有功功率P _g相等，进而将直流侧功率的不平衡转化为发电机机械功率P _m和电磁功率P _s的不平衡，即利用风机惯性储能，将电容器充放电所引起的直流电压波动转化为发电机动能变化引起的转速波动，以抑制直流母线电压的波动。

3.根据权利要求1或2所述永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法，其特征是，在网侧变流器的有功电流控制环节设置有功电流的上限值I _{g_dmax}和下限值I _{g_dmin}，将有功电流的取值范围限制为I _{g_dmin}≤I≤I _{g_dmax}。

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