CN103414214A - 异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统及方法；包括：发电机组、整流器、逆变器、变流器控制器、储能电容、卸荷电路和变压器；本发明的有益效果：在电网电压跌落时迅速支撑发电机定子端电压，使其具备低电压穿越功能并且在低电压穿越期间可以向电网提供一定的无功功率；在电网正常运行时不需无功补偿设备就解决了鼠笼式异步发电机并网运行要从电网吸收大量无功功率的问题，并且可以发出或吸收一定的无功功率，灵活参与系统的无功调节。

Description

异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统及方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组低电压穿越控制技术，尤其涉及一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统及方法。
背景技术
目前鼠笼型异步风电机组的装机容量在总装机容量中仍占一定的比例，而且不具备低电压穿越能力，因此当电网电压跌落时，风电机组必须从电网中脱离以保障风机的安全，这在近些年频繁出现的大规模风电机组脱网事件中得到了体现。
另一方面，鼠笼型异步风电机组与电网直接相连，当风电机组并入电网运行时会吸收大量的无功，需要并入无功补偿装置来提高功率因数。
因此，设计一种具备以下功能鼠笼型异步发电机组的改造方案就显得十分有必要：
（1）具备低电压穿越能力，电网电压跌落时能够维持风电机组定子端电压稳定。
（2）在风电机组低电压穿越期间可以向电网提供一定的无功功率。
（3）电网正常运行时改造的风电机组可以与电网交换一定的无功功率，参与系统的无功电压调节。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统，包括：发电机组、整流器、逆变器、变流器控制器、储能电容、卸荷电路和变压器；其中：整流器与发电机定子侧串联，逆变器串联在整流器与变压器低压侧之间，整流器和逆变器之间设有直流正极母线和直流负极母线，储能电容和卸荷电路连接在直流正极母线和直流负极母线之间。
变流器控制器的一端与整流器和逆变器分别相连，另一端与卸荷电路相连。
变流器控制器对所述整流器采用开环恒压恒频控制，对所述逆变器采用双闭环矢量控制。
所述卸荷电路由功率器件和电阻元件串联组成。
所述功率器件由绝缘栅双极型晶体管和二极管并联组成，所述功率器件受变流器控制器控制。
一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统的控制方法，整流器采用开环恒压恒频控制策略，三相电压参考值经过坐标变换后得到两相静止坐标系下的参考电压，再经过空间矢量脉宽调制技术后得到调制波，通过与载波的比较驱动整流器的IGBT工作。
逆变器采用双闭环矢量控制策略，外环为电压无功环，内环为电流环；储能电容两端参考电压与储能电容两端实际测得的电压的差值经PI调节器调节输出电流idref1，再经过限流环节即可得到d轴参考电流idref；逆变器无功指令值与实际测得的逆变器无功值的差值经PI调节输出q轴参考电流iqref；d轴参考电流idref和q轴参考电流iqref与各自的实测电流反馈值的差值经过PI调节后输出udr′、uqr′，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项ud、uq运算后得到逆变器交流侧参考电压udrref、uqrref。逆变器交流侧参考电压经坐标变换后进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对逆变器的控制。
电网电压跌落时，控制整流器维持发电机定子端电压稳定在额定值，同时控制逆变器稳定直流侧电容两端的电压，并根据需求控制逆变器向电网发送的无功功率。
电网正常运行时，根据电网无功功率实时动态指令，动态调节逆变器的无功指令，使逆变器迅速响应，发出或吸收对应的无功功率，参与系统的无功调节。
所述限流环节的限流原理为：
（1）持续检测逆变器电流，当逆变器电流大于逆变器电流上限值时，控制卸荷电路的功率开关闭合，将卸荷电阻投入。
（2）当逆变器的电流小于逆变器电流上限值时，控制卸荷电路的功率开关断开，卸荷电阻退出运行。
所述逆变器电流上限值为风机额定运行时逆变器电流的2倍。
本发明的有益效果：
提供了一种简单实用的一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统及方法，在电网电压跌落时迅速支撑发电机定子端电压，使其具备低电压穿越功能并且在低电压穿越期间可以向电网提供一定的无功功率；在电网正常运行时不需无功补偿设备就解决了鼠笼式异步发电机并网运行要从电网吸收大量无功功率的问题，并且可以发出或吸收一定的无功功率，灵活参与系统的无功调节。
附图说明
图1是本发明鼠笼型异步风电机低电压穿越和无功调节改造方案示意图；
图2是本发明整流器的控制策略；
图3是本发明逆变器的控制策略；
图4是本发明逆变器的限流原理。
其中，1.发电机组，2.整流器，3.卸荷电路，4.储能电容，5.逆变器，6.变压器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统，包括：发电机组1、整流器2、逆变器5、变流器控制器、储能电容4、卸荷电路3和变压器6；其中：整流器2与发电机组1定子侧串联，逆变器5串联在整流器2与变压器6低压侧之间，整流器2和逆变器5之间设有直流正极母线和直流负极母线，储能电容4和卸荷电路3连接在直流正极母线和直流负极母线之间，变流器控制器的一端与整流器2和逆变器5分别相连，另一端与卸荷电路3相连。
所述卸荷电路3包括功率器件和电阻原件，功率器件和电阻原件串联连接。
所述功率器件的具体形态为绝缘栅双极型晶体管。
如图2所示，整流器2采用开环恒压恒频（V/f）控制策略。三相电压参考值Usa、Usb、Usc经过坐标变换后得到两相静止坐标系下的参考电压Usα、Usβ，再经过空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）后得到调制波，通过与载波的比较驱动整流器2的IGBT工作。
如图3所示，逆变器5采用双闭环矢量控制策略，外环为电压环和无功环、内环为电流环。储能电容两端参考电压udcref和储能电容两端实际测得的电压udc相比较后的误差经PI调节器调节输出idref1，再经过限流环节即可得到d轴参考电流idref；逆变器无功指令值Qref与实际测得的逆变器无功Q的误差经PI调节输出q轴参考电流iqref。idref、iqref分别与各自的实测电流反馈值id、iq的差值经过PI调节后输出udr′、uqr′，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项ud、uq运算后得到逆变器交流侧参考电压udrref、uqrref。参考电压udrref、uqrref经坐标变换后进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对逆变器5的控制。
图4所示为逆变器5的限流原理，其中ilim为逆变器电流的上限，一般为风机额定运行时网侧变流器电流的2倍。由于在电压跌落过程中改造的风电机组要具备补偿无功的能力，因此优先控制无功电流iqref不变而限制有功电流。电网电压跌落期间，由于逆变器5的限流作用，逆变器向电网发送的有功功率有限，此时，idref1大于限制值idref2，风电机组发出的有功功率不能全部发送到电网中，势必导致直流侧电压的上升，需控制卸荷电路3的功率开关闭合，投入卸荷电阻，吸收直流母线上过剩的功率，维持直流侧电压和定子端电压的稳定。
当电网电压跌落时，参照图2-图4，整个控制过程如下：
1）持续检测逆变器5电流，当逆变器5电流大于其上限值时，控制卸荷电路3的功率开关闭合，将卸荷电阻投入。
2）控制整流器2维持发电机组1定子端电压稳定在额定值，同时控制逆变器稳定直流侧电容两端的电压，并根据需求控制逆变器5向电网发送的无功功率。
3）当逆变器5的电流小于上限值时，控制卸荷电路3的功率开关断开，卸荷电阻退出运行，同时根据需求控制逆变器5向电网提供无功功率或者单位功率因数运行。
当电网正常运行时，风力发电机组参与电网无功调节的具体控制过程为：根据电网无功功率实时动态指令，动态调节逆变器5的无功指令Qref，逆变器5就可以迅速响应发出或吸收对应的无功功率，参与系统的无功调节。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统，其特征是，包括：发电机组、整流器、逆变器、变流器控制器、储能电容、卸荷电路和变压器；其中：整流器与发电机定子侧串联，逆变器串联在整流器与变压器低压侧之间，整流器和逆变器之间设有直流正极母线和直流负极母线，储能电容和卸荷电路连接在直流正极母线和直流负极母线之间；
变流器控制器的一端与整流器和逆变器分别相连，另一端与卸荷电路相连；
变流器控制器分别对所述整流器采用开环恒压恒频控制，对所述逆变器采用外环为电压环和无功环，内环为电流环的双闭环矢量控制。
2.如权利要求1所述的一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统，其特征是，所述卸荷电路由功率器件和电阻元件串联组成。
3.如权利要求2所述的一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统，其特征是，所述功率器件由绝缘栅双极型晶体管和二极管并联组成，所述功率器件受变流器控制器控制。
4.一种采用权利要求1所述的异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统的控制方法，其特征是，整流器采用开环恒压恒频控制策略，三相电压参考值经过坐标变换后得到两相静止坐标系下的参考电压，再经过空间矢量脉宽调制技术后得到调制波，通过与载波的比较驱动整流器的IGBT工作；
逆变器端采用双闭环矢量控制策略，外环为电压环和无功环，内环为电流环；储能电容两端参考电压与储能电容两端实际测得的电压的差值经PI调节器调节输出电流idref1，再经过限流环节即可得到d轴参考电流idref；逆变器无功指令值与实际测得的逆变器无功值的差值经PI调节输出q轴参考电流iqref；d轴参考电流idref和q轴参考电流iqref与各自的实测电流反馈值的差值经过PI调节后输出udr′、uqr′，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项ud、uq运算后得到逆变器交流侧参考电压udrref、uqrref。逆变器交流侧参考电压经坐标变换后进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对逆变器的控制；
电网电压跌落时，控制整流器维持发电机定子端电压稳定在额定值，同时控制逆变器稳定直流侧电容两端的电压，并根据需求控制逆变器向电网发送的无功功率；
电网正常运行时，根据电网无功功率实时动态指令，动态调节逆变器的无功指令，使逆变器迅速响应，发出或吸收对应的无功功率，参与系统的无功调节。
5.如权利要求4所述的一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统的控制方法，其特征是，所述限流环节的限流原理为：
（1）持续检测逆变器电流，当逆变器电流大于逆变器电流上限值时，控制卸荷电路的功率开关闭合，将卸荷电阻投入；
（2）当逆变器的电流小于逆变器电流上限值时，控制卸荷电路的功率开关断开，卸荷电阻退出运行。
6.如权利要求5所述的一种异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统的控制方法，其特征是，所述逆变器电流上限值为风机额定运行时逆变器电流的2倍。
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