CN103094919B - 改善双馈风力发电机组并网性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善双馈风力发电机组并网性能的方法，包括如下技术措施：1）实施恒无功功率控制策略；2）实施恒电压控制策略；3）实施“零”电压穿越策略；4）实施高电压状态、低电压状态短时运行策略。本发明通过采用上述技术措施，使双馈风力发电机组并网完全满足国家电网的要求，部分指标例如低电压穿越还优于国家规定，还具备目前国家尚未规定，但事实存在，将来必然要规定的性能，例如高电压穿越性能；另外，由于本方法性能优越、功能强大，无论是大型风场并网还是分布式、分散式、微（电）网并网，均可涵盖，具有广泛的适用性。

Description

改善双馈风力发电机组并网性能的方法

技术领域：

本发明属于风力发电技术领域，涉及一种改善双馈风力发电机组并网性能的方法。

背景技术：

随着风电的迅速发展，装机容量的逐渐增加，风电对电网的影响已不容忽视。国家电网一方面逐渐推出相应的标准及法令法规来提高风机并网的门槛，增强风机的电网适应性；另一方面开始要求风电场对电网提供相应的支撑和支持，帮助电网恢复。2012年陆续推出的GB/T19963-2011“风电场接入电力系统技术规定”、国家电网公司企业标准Q/GDW“风电场无功配置及电压控制技术规定”以及中华人民共和国能源行业标准NB/T“风力发电场无功配置及电压控制技术规定”等均对风电场及风力发电机组并网提出了具体的要求。其中国家电网企业标准及中华人民共和国能源行业标准对高/低电压作出了具体规定。

低电压穿越问题，各个风机制造商已逐渐掌握了该技术。然而高电压穿越对风机元器件要求较高，对风力发电机组各个部件的散热能力及耐绝缘要求较高，对于已完成装机的风电场来讲，改造难度大，改造价格昂贵，且目前没有风机生产厂家能够较好的解决该问题。但高电压问题已不容忽视，当风电场无功补偿装置不能够及时切除时，必然会造成风电场风机电压升高。当电压超过风机正常运行电压最大值时，风力发电机组会因电压过高而脱网，这就导致大面积风机脱网，引起电网的波动甚至导致电网崩溃。

另外，随着中国风机装机容量的逐渐增加，而中国风资源又有限，风机并网已进入发展的瓶颈状态。为了解决该瓶颈问题，分散式并网应运而生。然而分布式、分散式并网因存在“翘尾”等效应，导致目前风力发电机组的电网适应性无法满足要求。

综上所述，提高风力发电机组的电网适应性能力，已成为制造商亟待解决的问题。

在现有的风机产品中，双馈式风力发电机组仍为主流产品，因此，首先解决好双馈式风力发电机组的电网适应性，对于风电事业的发展具有重大意义。

发明内容：

本发明的目的，是提供一种改善双馈风力发电机组并网性能的方法，以满足国家电网对双馈风力发电机组并网的要求，该方法包括如下技术措施：

一种改善双馈风力发电机组并网性能的方法，包括如下技术措施：

1）.实施恒无功功率控制策略，当风力发电机上网点电压降低/升高时，对电网提供无功功率支撑，发出/吸收无功电流，帮助风力发电机电压恢复；所述恒无功功率控制策略的具体步骤是，首先判断风力发电机组实际发出的无功量Q_x，然后根据中控室的无功给定指令值Q，求出风力发电机组需补偿的无功量△Q，即△Q=Q-Q_x；根据当前电压值求出需提供支撑的无功电流值I_Q，控制无功电流流入/流出风机，从而实现了恒无功控制策略；

相应的配套技术措施是，在全运行范围内双馈发电机采用具有特殊降温结构的异步发电机；以解决风力发电机按行标发送无功功率、发电机运行在低转速状态时，因发电机温升过高而停机的问题；

2）.实施恒电压控制策略，确保风机出口电压稳定在允许运行的范围之内，所述恒电压控制策略的具体步骤是，根据风力发电机组允许运行的最大电压U_max以及正常运行的最小电压U_min，确定风力发电机组的对应参考电压U_maxref以及U_minref，风机电能监测模块以及变频器的电压监测模块监测风机出口电压U_w，当风力发电机出口电压U_w大于或者小于风机正常运行范围时，求出偏差电压U_dev，U_dev=U_w-U_maxref或者U_dev=U_minref-U_w；控制异步双馈发电机定子最大能力地发/收无功电流I_Q，当U_dev=0（或｜U_dev｜＜2.5%U_n）时停止发/收无功电流；如果异步双馈发电机定子最大能力发/收的无功电流仍然不能消除电压误差时，控制网侧变频器GSC，使之提供部分无功电流，确保风机出口电压稳定在允许运行的范围之内；

相应的配套技术措施是：

短时恒压动态调节控制时，网侧变频器GSC选用大功率变频器、发电机选用大容量的发电机，以增强其发/收无功电流的能力；升压变压器选用高阻抗电压的有载可调变压器，使风机出口电压稳定在允许运行的范围之内；

短期恒压动态调节控制时，网侧变频器GSC选用大容量变频器，以增强其发/收无功电流的能力；升压变压器选用高阻抗电压的有载可调变压器，通过调整变压器抽头的分接档位，改变变压比，使风机出口电压稳定在允许运行的范围之内；

3）.实施“零”电压穿越策略，满足电网对风力发电机组低电压穿越能力的要求；一方面，通过采用大功率网侧变频器GSC、机侧变频器MSC，解决因变频器容量小，“零”穿越的瞬间短路电流较大，对发电机等部件冲击较大，而变频器的泄放能力有限，变频器会自我保护而停机的问题，另一方面，通过采用高阻抗电压的变压器，当PCC1点电网电压跌落到“零”时，风机出口电压与电网电压仍存在一定的电压降dU_T，因变压器电抗值较大，该电压降dU_T也较大，再一方面，通过风机提供的无功电流I_Q可以进一步提高风机出口电压，从而有效保证风电机组能够在电网发生短路，电网PCC1点电压跌落为“零”时，风机仍不脱网，实现双馈风力发电机组的“零”电压穿越；

4）.实施高电压状态、低电压状态短时运行策略，使双馈风力发电机组具备高电压穿越的能力；在措施1）、2）、3）的基础上，再增加如下技术措施：

当电网电压出现过低时，动态调节风力发电机的定子和网侧变频器GSC的无功功率，结合高阻抗电压的变压器，能将风机出口电压最大动态上调20%U_n，让双馈风力发电机组在较低电压状态下短时运行；

当电网电压出现异常增高时，动态调节风力发电机的定子和网侧变频器GSC的无功功率，结合高阻抗电压的变压器，能将风机出口电压最大动态下调20%U_n，让双馈风力发电机组在较高电压状态下短时运行。

所述特殊降温结构的异步发电机，该发电机具有与转速无关的强迫一次通风冷却结构。

所述措施2）中网侧变频器GSC的无功容量按如下算法确定：

Q_GSC=（0.25-0.485）P_n；

式中：Q_GSC-网侧变频器GSC所发的无功功率；

P_n-风力发电机的额定有功功率；

升压变压器的阻抗电压按如下算法确定：

Ud_T=12%-24%；

式中：Ud_T-风力发电机上网变压器的阻抗电压。

所述措施2）中，升压变压器的变压比按如下算法确定：

（1±4×2.5%）U_2n/U_1n；

式中：U_2n-风力发电机上网变压器的高压侧额定电压；

U_1n-风力发电机上网变压器的低压侧额定电压；

变压器抽头的分接档位如下：

35KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，35KV（1±4×2.5%、0）；

20KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，20KV（1±4×2.5%、0）；

10KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，10KV（1±4×2.5%、0）。

本发明的有益效果是：通过采用上述技术措施，使双馈风力发电机组并网完全满足国家电网的要求，部分低电压穿越指标还优于国家规定，还具备目前国家尚未规定，但事实存在，将来必然要规定的性能，例如高电压穿越性能；另外，由于本方法性能优越、功能强大，无论是大型风场并网还是分布式、分散式、微（电）网并网，均可涵盖，具有广泛的适用性。

附图说明：

图1是双馈风力发电机组并网一次接线示意图。

图2是双馈风力发电机P-Q矩形曲线图。

图3是恒无功控制流程图。

图4是无功分配流程图。

图5是恒电压控制流程图。

图6是双馈风力发电机与电力系统联接示意图。

图7是电网电压的等效电路图。

图8是升压变压器原边、副边电压矢量图。

具体实施方式：

图1示出了双馈风力发电机组并网一次接线图，下面针对该图详细说明本发明的方法。

恒无功控制策略

对于目前异步双馈风力发电机组而言，由于常规风力发电机的设计在全运行范围内，其散热能力十分有限。这种散热设计方式能够保证风力发电机在高转速下的散热能力，但是如果该发电机运行在低转速状态下时，要求风力发电机按行标发送无功时，风力发电机组会因发电机温升过高而停机。由于上述原因，所以常规风力发电机组所能有效提供的无功支撑能力非常有限，电压调节能力也非常有限。

本发明由于采用了发电机外加强迫一次通风冷却专利技术(名称：低温升风力发电机，公开号：101350543，公开日：2009年1月21日)，该技术能够实现异步双馈发电机在较低转速下，在允许的温升范围之内，实现较强的发/收无功功率的能力，那么相应的电压调节能力也大大增强。

结合图2双馈风力发电机P-Q矩形曲线图，风力发电机能在a-b-c-d-e-g-i-j-a曲线内发出无功功率，网侧变频器GSC在f-g-h-l-f曲线内发出无功功率。两者结合起来，形成a-b-c-d-e-f-g-h-i-j-a矩形曲线。

在图2矩型曲线内运行k点，首先判断风力发电机组实际发出Q_x无功功率，然后根据中控室的无功给定指令值Q=Q_n(d点)，求出风力发电机组需调节多发出无功功率△Q₁＝Q_n-Q_x。根据当前电压值求出需提供支撑的无功电流值I_Q1，控制无功电流流出风机，从而实现了恒无功控制策略。

另外根据中控室的无功给定指令值Q=-Q_n(j点)，求出风力发电机组需调节多流入无功功率△Q₂=-Q_n-Q_x。根据当前电压值求出需提供支撑的无功电流值I_Q2，控制无功电流流入风机，从而实现了恒无功控制策略。具体控制流程图，请参照图3。

结合风电场的无功调度方案，可以实现整个风电的无功支撑，增强了风电场的无功调节能力。风电场无功分配的描述可采用图4所示方案。

上述方法实现了“恒无功控制策略”的同时，在一定程度也实现了风力发电机组出口电压的调节。

恒电压控制策略

本发明也可以通过深度调节的方法实现稳定风机出口电压，具体实施方法如下所述：

发电机+网侧变频器GSC和机侧变频器MSC共同动态调节风力发电机的无功功率的流出或流入高阻抗电压的变压器动态形成±10%-20%U_n电压调节量。再通过高阻抗电压的变压器的有载开关调节±10%U_n，短期累计又可形成±20%-30%U_n电压调节量。

根据风力发电机组允许长期运行的最大电压U_max=115%U_n-120%U_n，以及正常运行的最小电压U_min=85%U_n，风机电能监测模块以及变频器的电压监测模块监测风机出口电压U_w。当风力发电机出口电压U_w大于或者小于风机正常运行范围时，求出偏差电压U_dev，U_dev=U_n-U_w。动态控制机侧变频器MSC和发电机定子按一定比例发出或吸收无功功率。动态无功功率不够时，再投入网侧变频器GSC的无功功率。电压偏差大且时间较长时，每隔6s，高阻抗电压的变压器有载开关可升压或减压2.5%U_n，最大可调整±10%U_n电压调节量。这样风力发电机最大短时可调整±20%U_n-30%U_n电压调节量。当｜U_dev｜＜2.5%U_n时，停止发/收无功电流。确保风机出口电压稳定在允许运行的范围之内，具体实现恒电压控制的流程图如图5所示。

请参见风力发电机+高阻抗电压的变压器的电压调整算式及图6双馈力机与电力系统联接简图，图7风力发电机上网箱变等效电路简图，图8升压变压器（箱变）原边、副边电压矢量图。

在不计激磁回路Y_T的情况下，S₁=S₁’=P₁+j Q₁，P₁=P₁’，Q₁=Q₁’。在横轴、纵轴上的电压降为如下：

$\mathrm{\Δ}{U_T}^{\′}=\frac{{P_1}^{\′}\mathrm{RT}+{Q_1}^{\′}\mathrm{XT}}{U_1};$

$\mathrm{\δ}{U_T}^{\′}=\frac{{P_1}^{\′}\mathrm{XT}-{Q_1}^{\′}\mathrm{RT}}{U_1};$

变压器高压侧的电压如下（归算值）：

$U2=\sqrt{{(U1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{UT}}^{\′})}^2+{\left(\mathrm{\δ}{\mathrm{UT}}^{\′}\right)}^2};$

其中， ${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{U}}_2+d\stackrel{\·}{U}T;$

两端的电压 $\mathrm{dUT}=\frac{\sqrt{({P_1}^{\′2}+{Q_1}^2)({\mathrm{RT}}^2+{\mathrm{XT}}^2)}}{U_1};$

$\mathrm{dUT}=\frac{\sqrt{({P_1}^{\′2}+{Q_1}^{\′2})({\mathrm{RT}}^2+{\mathrm{XT}}^2)}}{U_1}=\frac{\sqrt{\left({S_1}^{\′2}\right)({\mathrm{RT}}^2+{\mathrm{XT}}^2)}}{U_1}={I1}^{\′}\sqrt{{\mathrm{RT}}^2+{\mathrm{XT}}^2};$

电网PCC1点三相短路接地时，U₂=0,I₁’=I_d(3),

I_d(3)越大，dUT越大，U_W较大。

风机运行时，R_T与X_T比较，R_T要小很多，可忽约不计。动态调节时主要是以P₁、Q₁、X_T为主，低电压穿越期间以Q₁、X_T为主。高压穿越期间以P₁、Q₁、X_T为主。

实施本策略有两个重要条件，一是必须加大网侧变频器GSC、发电机的容量，二是选用高阻抗电压的有载可调变压器，

网侧变频器GSC的无功容量按如下算法确定：

Q_GSC=（0.25-0.485）P_n；

式中：Q_GSC-网侧变频器GSC所发的无功功率；

P_n-风力发电机的额定有功功率。

有载可调变压器的变压比按如下算法确定：

（1±4×2.5%）U_2n/U_1n；

式中：U_2n-风力发电机上网变压器的高压侧额定电压；

U_1n-风力发电机上网变压器的低压侧额定电压；

变压器抽头的分接档位如下：

35KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，35KV（1±4×2.5%、0）；

20KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，20KV（1±4×2.5%、0）；

10KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，10KV（1±4×2.5%、0）。

“零”电压穿越策略

由图5恒电压控制流程图、图6双馈风力发电机与电力系统联接简图可知，当电网PCC1点电压过低时，风力发电机组会进入低电压穿越状态。但是，风力发电机组（2I_n-4I_n）强大的短时短路电流，以及高阻抗电压的变压器的自身特性，在高阻抗电压的变压器阻抗Z_T上形成短时较大电压降，抬高风机出口电压，使得该方案下风力发电机组进入低电压穿越状态的电压要比常规风力发电机组的高，即更少进入低电压穿越故障状态。我们选择适当的高阻抗电压的变压器的阻抗电压，在高阻抗电压的变压器高压侧金属性短路时，确定其短路电压降在10%U_n-20%U_n以上。这样可以极大减少大电流对风力发电机的冲击。比原来风力发电机传动链上的主要设备：叶片、齿轮箱、发电机、变频器的使用寿命更高。

众所周知，异步双馈风力发电机组难以实现“零”穿越的原因有如下两点：

变频器容量小，“零”穿越的瞬间短路电流较大，对发电机等部件冲击较大，而变频器的泄放能力有限，变频器会自我保护而停机。

电网PCC1点电压跌落得较低，维系系统转速平衡的力矩短时难以遏制转速的急速上升。

本发明采用高阻抗电压的变压器，结合风机自身较强的无功支撑能力，可以实现双馈异步风机的“零”穿越。

一方面，通过采用大功率网侧变频器GSC，解决因变频器容量小，“零”穿越的瞬间短路电流较大，对发电机等部件冲击较大，而变频器的泄放能力有限，变频器会自我保护而停机的问题，另一方面，通过采用高阻抗电压的变压器，当PCC1点电网电压跌落到“零”时，风机出口电压与电网电压仍存在一定的电压降dU_T，因变压器电抗值较大，该电压降dU_T也较大；再一方面，通过风机提供的无功电流I_Q可以进一步提高风机出口电压，从而有效保证风电机组能够在电网发生短路，电压跌落为“零”时，风机仍不脱网，在电网PCC1点实现双馈风力发电机组的“零”电压穿越。

本策略中，选用高阻抗电压的升压变压器是一个重要条件，升压变压器的阻抗电压按如下算法确定：

Ud_T=12%-24%；

式中：Ud_T-风力发电机上网变压器的阻抗电压。

本发明解决异步双馈发电机组的低电压\高电压穿越问题的详细方法如下所述：

1.电网低电压状态短时运行策略

当电网PCC1点电压出现过低时，动态调节风力发电机的定子和变频器GSC的无功功率，能将风机出口电压最大上调20%U_n电压，让双馈风力发电机组在较低电网电压状态下短时运行。

2.电网高电压状态短时运行策略

当电网PCC1点电压出现异常增高时，电网电压长期运行在1.1U_n,可能会短期工作在1.2U_n,甚至短时工作在1.35U_n。

动态调节风力发电机的定子和变频器GSC的无功功率，能将风机出口电压最大下调20%U_n电压，让双馈风力发电机组在电网高电压状态下短时运行。

在1.2U_n-1.35U_n范围内，风力发电机能耐受2s间隔时间10min。从而实现高电压穿越。

由于本发明电压适应性较强，也可以解决分布式、分散式、微（电）网并网问题。

Claims (3)

1.一种改善双馈风力发电机组并网性能的方法，包括如下技术措施：

1).实施恒无功功率控制策略，当风力发电机上网点电压降低/升高时，对电网提供无功功率支撑，发出/吸收无功电流，帮助风力发电机电压恢复；所述恒无功功率控制策略的具体步骤是，首先判断风力发电机组实际发出的无功量Q_x，然后根据中控室的无功给定指令值Q，求出风力发电机组需补偿的无功量△Q，即△Q＝Q-Q_x；根据当前电压值求出需提供支撑的无功电流值I_Q，控制无功电流流入/流出风机，从而实现了恒无功控制策略；

相应的配套技术措施是，在全运行范围内双馈发电机采用具有特殊降温结构的异步发电机，该发电机具有与转速无关的强迫一次通风冷却结构；以解决风力发电机按行标发送无功功率、发电机运行在低转速状态时，因发电机温升过高而停机的问题；

2).实施恒电压控制策略，确保风机出口电压稳定在允许运行的范围之内，所述恒电压控制策略的具体步骤是，根据风力发电机组允许运行的最大电压U_max以及正常运行的最小电压U_min，确定风力发电机组的对应参考电压U_maxref以及U_minref，风机电能监测模块以及变频器的电压监测模块监测风机出口电压U_w，当风力发电机出口电压U_w大于或者小于风机正常运行范围时，求出偏差电压U_dev，U_dev＝U_w-U_maxref或者U_dev＝U_minref-U_w；控制异步双馈发电机定子最大能力地发/收无功电流I_Q，当U_dev＝0或|U_dev|＜2.5％U_n时停止发/收无功电流；如果异步双馈发电机定子最大能力发/收的无功电流仍然不能消除电压误差时，控制网侧变频器GSC，使之提供部分无功电流，确保风机出口电压稳定在允许运行的范围之内；

相应的配套技术措施是：

短时恒压动态调节控制时，网侧变频器GSC选用大功率变频器、发电机选用大容量的发电机，以增强其发/收无功电流的能力；升压变压器选用高阻抗电压的有载可调变压器，使风机出口电压稳定在允许运行的范围之内；

短期恒压动态调节控制时，网侧变频器GSC选用大容量变频器，以增强其发/收无功电流的能力；升压变压器选用高阻抗电压的有载可调变压器，通过调整变压器抽头的分接档位，改变变压比，使风机出口电压稳定在允许运行的范围之内；

3).实施“零”电压穿越策略，满足电网对风力发电机组低电压穿越能力的要求；一方面，通过采用大功率网侧变频器GSC、机侧变频器MSC，解决因变频器容量小，“零”穿越的瞬间短路电流较大，对发电机冲击较大，而变频器的泄放能力有限，变频器会自我保护而停机的问题，另一方面，通过采用高阻抗电压的变压器，当PCC1点电网电压跌落到“零”时，风机出口电压与电网电压仍存在一定的电压降dU_T，因变压器电抗值较大，该电压降dU_T也较大，再一方面，通过风机提供的无功电流I_Q可以进一步提高风机出口电压，从而有效保证风电机组能够在电网发生短路，电网PCC1点电压跌落为“零”时，风机仍不脱网，实现双馈风力发电机组的“零”电压穿越；

4).实施高电压状态、低电压状态短时运行策略，使双馈风力发电机组具备高电压穿越的能力；在措施1)、2)、3)的基础上，再增加如下技术措施：

当电网电压出现过低时，动态调节风力发电机的定子和网侧变频器GSC的无功功率，结合高阻抗电压的变压器，能将风机出口电压最大上调20％U_n，让双馈风力发电机组在较低电压状态下短时运行；

当电网电压出现异常增高时，动态调节风力发电机的定子和网侧变频器GSC的无功功率，结合高阻抗电压的变压器，能将风机出口电压最大下调20％U_n，让双馈风力发电机组在较高电压状态下短时运行；

所述U_n为风力发电机组额定电压。

2.如权利要求1所述的改善双馈风力发电机组并网性能的方法，其特征在于，所述措施2)中网侧变频器GSC的无功容量按如下算法确定：

Q_GSC＝(0.25-0.485)P_n；

式中：Q_GSC—网侧变频器GSC所发的无功功率；

P_n—风力发电机的额定有功功率；

升压变压器的阻抗电压按如下算法确定：

Ud_T＝12％-24％；

式中：Ud_T—风力发电机上网变压器的阻抗电压。

3.如权利要求1所述的改善双馈风力发电机组并网性能的方法，其特征在于，所述措施2)中，升压变压器的变压比按如下算法确定：

(1±4×2.5％)U_2n/U_1n；

式中：U_2n—风力发电机上网变压器的高压侧额定电压；

U_1n—风力发电机上网变压器的低压侧额定电压；

变压器抽头的分接档位如下：

35KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，35KV(1±4×2.5％、0)；

20KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，20KV(1±4×2.5％、0)；

10KV等级的变压器：有载可调装置选11档位，10KV(1±4×2.5％、0)。