CN103078349B - 一种双馈风力发电机系统及低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈风力发电机系统及低电压穿越控制方法，通过应用本发明基于Crowbar电路和电池储能装置的双馈风力发电机系统及低电压穿越控制方法，能在较大范围电压跌落的情况下，有效提高低电压穿越能力，使双馈风力发电机系统可以始终保持与电网相连，提高了风电系统的稳定性。

Description

一种双馈风力发电机系统及低电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风力发电机系统及低电压穿越控制方法。

背景技术

随着世界和中国经济发展，能源的消耗将急剧增加，使得我国将在未来一段时间内长期面临着环境和资源的双重压力，发展包括风力发电在内的可再生能源是中国能源困境的最根本解决办法。在我国，风电场与电网的系统协调规划和建设是当前关键问题之一。风速的随机性和间歇性导致风电机组出力具有较大波动，如何将风能开发出来并入电网，保证电网安全稳定运行，这是一个急需解决的问题，对并网风电机组提出了比以往更高的技术需求，如低电压穿越（LVRT）技术。

近些年，双馈感应发电机（DFIG）在兆瓦级风力发电机组中的应用成为了研究的热点。双馈感应发电机的背靠背（back-to-back）变流器只需供给转差功率就可以调节机组的转速，从而能更好利用风能，且发电系统可以通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机组输出有功、无功的解耦控制。但是由于双馈感应发电机（DFIG）风力发电系统的变流器容量较小，因此减弱了系统抵御电网电压跌落的能力。当电网电压跌落到一定数值时，如果不采用任何技术措施，双馈感应发电机（DFIG）风力发电系统将会被电网切除，严重影响电网的安全用电。

当前，双馈感应发电机（DFIG）的低电压穿越技术一般有两类方案：一是改进双馈感应发电机（DFIG）励磁控制策略的低电压穿越（LVRT）技术；另一类即通过增加像转子侧Crowbar电路、定子侧串联无源阻抗等硬件设备来提高机组的低电压穿越能力。改进双馈感应发电机（DFIG）励磁控制策略这类方法的出发点都是不增加硬件电路，仅通过控制手段来提高网侧变流器的输出电压，降低转子故障电流值。此类方法无需额外成本，但仅对于不太严重的对称或不对称故障是可行的，对于电网电压跌落严重时，由于实际系统中直流母线电压的利用率有限，相当于给网侧变流器的输出施加了一个物理上的限幅，故当转子侧感应电动势较大时，将不能有效抑制转子电流的增大。故仅依靠对网侧变流器（RSC）的控制来实现低电压穿越（LVRT）技术，存在很大的应用约束。如果增加Crowbar电路，当双馈感应发电机（DFIG）转子接入Crowbar电路后作为鼠笼异步电机运行，Crowbar电路将会成为一个消耗感性无功的负载，不仅不能对电网电压跌落起支撑作用，反而阻碍故障切除后电网电压的恢复。因此，如何在电网电压跌落时，使双馈感应发电机（DFIG）风力发电系统在国家电网标准下仍能够保持和电网的连接，并且能够对电网提供支撑作用来提高电力系统的稳定性这一问题急需解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于Crowbar电路和电池储能装置，能在较大范围电压跌落的情况下，有效实现低电压穿越的双馈风力发电机系统。

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于Crowbar电路和电池储能装置，能在较大范围电压跌落的情况下，有效实现低电压穿越的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种双馈风力发电机系统，包括双馈风力发电机、背靠背变流器、低电压穿越控制模块、以及分别与低电压穿越控制模块相连接的Crowbar电路、电池储能装置、电压检测装置、电流检测装置；双馈风力发电机通过背靠背变流器串联至电网输入端，电池储能装置与背靠背变流器的直流环节相并联，背靠背变流器包括机侧变流器和网侧变流器、以及与机侧变流器、网侧变流器相并联的电容，Crowbar电路与机侧变流器相并联；其中，电流检测装置实时检测双馈风力发电机中的转子电流，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准转子电流值相比较，当检测结果大于预先设定的标准转子电流值时，低电压穿越控制模块向Crowbar电路发出指令，将机侧变流器短路；电压检测装置实时检测背靠背变流器直流环节电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准背靠背变流器直流环节电压相比较，当偏差达到电网发生低电压故障临界值时，低电压穿越控制模块向电池储能装置发出指令，控制电池储能装置吸收双馈风力发电机的有功功率；电压检测装置实时检测电网输入端电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准电网输入端电压值相比较，当检测结果小于预先设定的标准电网输入端电压值时，低电压穿越控制模块分别向网侧变流器和电池储能装置发出指令，控制网侧变流器切换至STATCOM工作模式，向电网系统提供无功支撑，以及由低电压穿越控制模块控制电池储能装置向外输送有功功率来抑制变流器直流环节电压的下降。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电池储能装置中的电池采用多硫化钠-镍储能电池。

本发明所述一种双馈风力发电机系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明设计的双馈风力发电机系统基于Crowbar电路和电池储能装置，能在较大范围电压跌落的情况下，有效实现低电压穿越。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，其中，所述双馈风力发电机系统包括双馈风力发电机、背靠背变流器、低电压穿越控制模块、以及分别与低电压穿越控制模块相连接的Crowbar电路、电池储能装置；双馈风力发电机通过背靠背变流器串联至电网输入端，电池储能装置与背靠背变流器的直流环节相并联，背靠背变流器包括机侧变流器和网侧变流器、以及与机侧变流器、网侧变流器相并联的电容，Crowbar电路与机侧变流器相并联；所述双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1.实时检测双馈风力发电机中的转子电流，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准转子电流值相比较，当检测结果大于预先设定的标准转子电流值时，低电压穿越控制模块控制Crowbar电路将机侧变流器短路；

同时，实时检测背靠背变流器直流环节电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准背靠背变流器直流环节电压相比较，当偏差达到电网发生低电压故障临界值时，低电压穿越控制模块控制电池储能装置吸收双馈风力发电机的有功功率；

步骤2.实时检测电网输入端电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准电网输入端电压值相比较，当检测结果小于预先设定的标准电网输入端电压值时，低电压穿越控制模块控制网侧变流器切换至STATCOM工作模式，向电网系统提供无功支撑，以及由低电压穿越控制模块控制电池储能装置向外输送有功功率来抑制变流器直流环节电压的下降。

本发明所述一种双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中，当风速变化引起风电场输出功率波动时，为降低风电场对电网的冲击，电池储能装置能够输出或吸收一定的有功功率以平抑功率波动，避免过剩功率内部消化导致的直流环节电容充电，直流电压快速上升，电机转子加速，电磁转矩突变等一系列问题；

（2）本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，当电网电压恢复时，控制网侧变流器工作于STATCOM模式，能够向电网系统回馈能量补偿无功功率，减小电网恢复瞬间风机无功功率的大幅变动，增强了电网的稳定性；电池储能装置向外输送有功功率，抑制背靠背变流器直流母线电压的下降；

（3）本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，由于Crowbar电路与电池储能装置配合控制，拓宽了网侧变流器的控制模式，且它们均由低电压穿越控制模块控制工作，使得本发明具有良好的控制能力，能够在电网跌落时实现低电压穿越；

（4）本发明不仅在电网电压小幅跌落时，提高了双馈风力发电机系统的低电压穿越能力；而且在电网大幅跌落时，大大改善双馈风力发电机系统的运行性能，进一步限制了电压跌落时发电机中定子和转子的电流，从而实现发电系统的低电压穿越运行。

附图说明

图1是本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中功能模块连接控制示意图；

图2是本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法的控制步骤示意图；

图3是本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中电池储能装置示意图；

图4是本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中Crowbar电路示意图；

图5是本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中网侧变流器工作于STATCOM模式时电池储能装置的工作示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明设计了一种双馈风力发电机系统，包括双馈风力发电机、背靠背变流器、低电压穿越控制模块、以及分别与低电压穿越控制模块相连接的Crowbar电路、电池储能装置、电压检测装置、电流检测装置；双馈风力发电机通过背靠背变流器串联至电网输入端，电池储能装置与背靠背变流器的直流环节相并联，背靠背变流器包括机侧变流器和网侧变流器、以及与机侧变流器、网侧变流器相并联的电容，Crowbar电路与机侧变流器相并联；其中，电流检测装置实时检测双馈风力发电机中的转子电流，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准转子电流值相比较，当检测结果大于预先设定的标准转子电流值时，低电压穿越控制模块向Crowbar电路发出指令，将机侧变流器短路；电压检测装置实时检测背靠背变流器直流环节电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准背靠背变流器直流环节电压相比较，当偏差达到电网发生低电压故障临界值时，低电压穿越控制模块向电池储能装置发出指令，控制电池储能装置吸收双馈风力发电机的有功功率；电压检测装置实时检测电网输入端电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准电网输入端电压值相比较，当检测结果小于预先设定的标准电网输入端电压值时，低电压穿越控制模块分别向网侧变流器和电池储能装置发出指令，控制网侧变流器切换至STATCOM工作模式，向电网系统提供无功支撑，以及由低电压穿越控制模块控制电池储能装置向外输送有功功率来抑制变流器直流环节电压的下降。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电池储能装置中的电池采用多硫化钠-镍储能电池。

本发明设计的双馈风力发电机系统基于Crowbar电路和电池储能装置，能在较大范围电压跌落的情况下，有效实现低电压穿越。

如图1和图2所示，本发明设计了一种双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，其中，所述双馈风力发电机系统包括双馈风力发电机、背靠背变流器、低电压穿越控制模块、以及分别与低电压穿越控制模块相连接的Crowbar电路、电池储能装置；双馈风力发电机通过背靠背变流器串联至电网输入端，电池储能装置与背靠背变流器的直流环节相并联，背靠背变流器包括机侧变流器和网侧变流器、以及与机侧变流器、网侧变流器相并联的电容，Crowbar电路与机侧变流器相并联；所述双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1.实时检测双馈风力发电机中的转子电流，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准转子电流值相比较，当检测结果大于预先设定的标准转子电流值时，低电压穿越控制模块控制Crowbar电路将机侧变流器短路；

同时，实时检测背靠背变流器直流环节电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准背靠背变流器直流环节电压相比较，当偏差达到电网发生低电压故障临界值时，低电压穿越控制模块控制电池储能装置吸收双馈风力发电机的有功功率；

步骤2.实时检测电网输入端电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准电网输入端电压值相比较，当检测结果小于预先设定的标准电网输入端电压值时，低电压穿越控制模块控制网侧变流器切换至STATCOM工作模式，向电网系统提供无功支撑，以及由低电压穿越控制模块控制电池储能装置向外输送有功功率来抑制变流器直流环节电压的下降。

本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中，当风速变化引起风电场输出功率波动时，为降低风电场对电网的冲击，电池储能装置能够输出或吸收一定的有功功率以平抑功率波动，避免过剩功率内部消化导致的直流环节电容充电，直流电压快速上升，电机转子加速，电磁转矩突变等一系列问题。

其中，电网故障引起电压跌落时，风电场输出到电网的功率下降，而输入风电场的机械功率基本不变，控制电池储能装置吸收一定的有功功率，避免过剩功率内部消化导致的直流环节电容充电，直流电压快速上升，电机转子加速，电磁转矩突变等一系列问题。

本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，当电网电压恢复时，控制网侧变流器工作于STATCOM模式，向电网回馈能量补偿无功功率，减小电网恢复瞬间风机无功功率的大幅变动，增强了电网的稳定性；电池储能装置通过向背外输送有功功率，抑制背靠背变流器直流母线电压的下降。

如图3所示，本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中，所述电池储能装置包括双向buck-boostDC/DC变流器和多硫化钠-镍储能电池，并通过LCL电路进行滤波。

如图4所示，本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中，所述Crowbar电路由不可控整流桥配合一个IGBT全控器件组成。

本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，由于Crowbar电路与电池储能装置配合控制，拓宽了网侧变流器的控制模式，且它们均由低电压穿越控制模块控制工作，使得本发明具有良好的控制能力，能够在电网跌落时实现低电压穿越。

本发明不仅在电网电压小幅跌落时，提高了双馈风力发电机系统的低电压穿越能力；而且在电网大幅跌落时，大大改善双馈风力发电机系统的运行性能，进一步限制了电压跌落时发电机中定子和转子的电流，从而实现发电系统的低电压穿越运行。

本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法在应用过程当中，当电网故障发生时，风电场输出到电网的功率下降，而输入风电场的机械功率基本不变，此时，电流检测装置将对双馈风力发电机中的转子电流的实时检测结果，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准转子电流值相比较，当检测结果大于预先设定的标准转子电流值时，低电压穿越控制模块向Crowbar电路发出指令，将机侧变流器短路，避免由于双馈风力发电机中的转子电流激增对机侧变流器可能造成的危害。

同时，网侧变流器工作于普通模式，由于流过机侧变流器与网侧变流器有功功率的不平衡可导致背靠背变流器直流环节电压急剧升高，此时通过低电压穿越控制模块控制电池储能装置工作，控制电池储能装置吸收机侧变流器与网侧变流器之间的不平衡功率，抑制背靠背直流环节母线电压升高；即电压检测装置实时检测背靠背变流器直流环节电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准背靠背变流器直流环节电压相比较，当偏差达到电网发生低电压故障临界值时，低电压穿越控制模块向电池储能装置发出指令，控制电池储能装置吸收双馈风力发电机的有功功率。

本发明中，电压检测装置将对电网输入端电压的实时检测结果发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准电网输入端电压值相比较，当检测结果小于预先设定的标准电网输入端电压值时，低电压穿越控制模块分别向网侧变流器和电池储能装置发出指令，控制网侧变流器切换至STATCOM工作模式，向电网系统提供无功支撑。此时，当网侧变流器工作于STATCOM模式时，由于向电网系统输送无功功率的缘故，背靠背变流器直流环节电压会大幅度下降，此时控制电池储能装置向外输送有功功率，即由低电压穿越控制模块控制电池储能装置向外输送有功功率来抑制变流器直流环节电压的下降。

本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法在具体实施过程中，电网三相短路故障和不对称短路故障都会造成电网电压大幅跌落，双馈风力发电机的转子电流激增，通过电流检测装置对双馈风力发电机中的转子电流进行实时检测，并将检测结果输送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准转子电流值相比较，当检测结果大于预先设定的标准转子电流值时，低电压穿越控制模块向Crowbar电路发出指令，将机侧变流器短路，避免由于双馈风力发电机中的转子电流激增对机侧变流器可能造成的危害。

电压检测装置实时检测背靠背变流器直流环节电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准背靠背变流器直流环节电压相比较，由于风电场输出到电网的功率下降，而输入风电场的机械功率基本不变，此时，若网侧变流器工作于普通模式，则流过机侧变流器与网侧变流器的不平衡有功功率可导致背靠背变流器直流环节电压急剧升高，通过对由电压检测装置对背靠背变流器直流环节电压的实时检测结果的比较，当偏差达到电网发生低电压故障临界值时，低电压穿越控制模块向电池储能装置发出指令，控制电池储能装置吸收双馈风力发电机的有功功率，抑制背靠背直流环节母线电压升高。

同时，电压检测装置将对电网输入端电压实时检测的结果，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准电网输入端电压值相比较，当检测结果小于预先设定的标准电网输入端电压值时，即电网电压跌落率较大时，将导致电网系统无功缺乏，此时，低电压穿越控制模块分别向网侧变流器和电池储能装置发出指令，控制网侧变流器切换至STATCOM工作模式，向电网系统提供无功支撑。

同时，由于电网电压跌落时，流过机侧变流器与网侧变流器的有功功率严重不平衡或是由于网侧变流器工作于STATCOM模式，都将导致背靠背变流器直流环节电压会大幅度下降，此时，控制电池储能装置向背靠背变流器直流环节输送有功功率，抑制背靠背变流器直流母线电压的下降。

本发明设计的双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法中，所述电池储能装置还包括PI控制器。如图5所示，网侧变流器工作于STATCOM模式，整个控制电路为双闭环结构，电压外环的输入分别为背靠背变流器直流母线电压偏差信号和电网电压偏差信号，其中，背靠背变流器直流母线电压偏差信号和电网电压偏差信号分别通过电池储能装置中的PI控制器转化为各自电流基准值，再与各自电流实际值相比较，将得出的各自电流偏差信号经PI控制器，再加上各自的电压前馈分量后形成控制网侧变流器导通关断的信号。

综上所述，当电网电压跌落时，由低电压穿越控制模块控制电池储能装置和Crowbar电路的工作，并根据电压跌落的深度来控制网侧变流器的工作模式：即通过电池储能装置和Crowbar电路来平抑背靠背变流器直流环节电压波动，并在双馈风力发电机中转子电流过大的情况下，通过短路方式来保护机侧变流器；并在电网电压跌落比较大的或者故障消失除的时候通过使网侧变流器工作于STATCOM模式，向电网提供无功功率，以及向背靠背变流器直流环节输送有功功率，使双馈风力发电机系统可以始终保持与电网相连，实现了低电压穿越这一过程的控制。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，其中，所述双馈风力发电机系统包括双馈风力发电机、背靠背变流器、低电压穿越控制模块、以及分别与低电压穿越控制模块相连接的Crowbar电路、电池储能装置；双馈风力发电机通过背靠背变流器串联至电网输入端，电池储能装置与背靠背变流器的直流环节相并联，背靠背变流器包括机侧变流器和网侧变流器、以及与机侧变流器、网侧变流器相并联的电容，Crowbar电路与机侧变流器相并联，Crowbar电路由不可控整流桥与一个IGBT全控器件组成；所述双馈风力发电机系统的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1.实时检测双馈风力发电机中的转子电流，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准转子电流值相比较，当检测结果大于预先设定的标准转子电流值时，低电压穿越控制模块控制Crowbar电路将机侧变流器短路；

同时，实时检测背靠背变流器直流环节电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准背靠背变流器直流环节电压相比较，当偏差达到电网发生低电压故障临界值时，低电压穿越控制模块控制电池储能装置吸收双馈风力发电机的有功功率；

其特征在于，所述步骤1后还包括如下步骤：

步骤2.实时检测电网输入端电压，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准电网输入端电压值相比较，当检测结果小于预先设定的标准电网输入端电压值时，低电压穿越控制模块控制网侧变流器切换至STATCOM工作模式，向电网系统提供无功支撑，以及由低电压穿越控制模块控制电池储能装置向外输送有功功率来抑制变流器直流环节电压的下降。