CN103490441A - 双馈发电机控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈发电机控制方法和装置，该双馈发电机控制方法包括：获取电网的电压相位角变化量，其中，电压相位角变化量是电网正常时的电压相位角与电网故障时的电压相位角之间的差值；以及在电网由故障恢复正常时，将电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。通过本发明，由于采用计算了电网故障前和故障后的相位角变化量，并在电网由故障恢复正常时在双馈发电机的电压相位角中补偿该变化量，从而避免了双馈发电机在电网电压恢复时相位角跳变从而脱网，进而达到了保证双馈发电机在一定时间内连续不脱网运行效果。

Description

双馈发电机控制方法和装置

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体而言，涉及一种双馈发电机控制方法和装置。

背景技术

随着对清洁能源的需求不断增强，风力发电得到了更广泛的发展，风电在电力系统电源结构中比重也得到大幅增加，其对电力系统的影响也越来越明显。

现有技术中的风电机组（双馈发电机）因为大量地应用电力电子设备，导致过载过流能力非常有限，在电网故障时，机组定子和转子电流都会迅速增加，变流器的直流母排的电压也会迅速升高，风电机组为了保护器件则会直接脱网。风电机组的大面积脱网会使电网故障扩大，给电网的故障恢复造成严重不便。为了更好的规范电网环境，各个国家相继出台了不同的并网新准则，新准则规定在电网出现故障时，风电机组能保证在一定时间内连续不脱网运行，实现LVRT功能。但是基于定子磁链定向矢量控制的方法，在稳态时可以平稳的控制机组顺利并网，但在暂态时锁相环本身所包含的滤波环节和积分环节无法快速跟踪电网电压相位角，使磁链的定向精度会发生很大的偏差，致使在电网电压恢复时相位角跳变引起的暂态过程使风电机组脱网，LVRT穿越失败。

针对现有技术中在电网电压恢复时由相位角跳变引起发电机脱网的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种双馈发电机控制方法和装置，以至少解决现有技术中在电网电压恢复时由相位角跳变引起发电机脱网的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种双馈发电机控制方法。

根据本发明的双馈发电机控制方法包括：获取电网的电压相位角变化量，其中，电压相位角变化量是电网正常时的电压相位角与电网故障时的电压相位角之间的差值；以及在电网由故障恢复正常时，将电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

进一步地，获取电网的电压相位角变化量包括：利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角；利用快速傅里叶变换获取电网故障时的电压相位角；以及获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角之间的差值，并将差值作为电网电压相位角变化量。

进一步地，将电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中包括：对电网电压相位角变化量的值取反；以及将取反后的值与双馈发电机的电压相位角相加。

进一步地，在将取反后的值与双馈发电机的电压相位角相加之后，上述方法还包括：应用定子磁链定向矢量控制。

进一步地，获取电网的电压相位角变化量还包括：在每次故障时重新获取电网的电压相位角变化量，将电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中包括：将重新获取的电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

进一步地，在每次故障时重新获取电网的电压相位角变化量包括：检测电网电压是否跌落；以及在电网电压跌落时，重新利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角以获取电网的电压相位角变化量。

进一步地，上述方法还包括：在电网故障时，关闭双馈发电机中的机侧变频器，其中，双馈发电机中网侧变频器维持接通状态。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种双馈发电机控制装置，该装置用于执行本发明提供的任意一种双馈发电机控制方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种双馈发电机控制装置。该双馈发电机控制装置包括：第一获取单元，用于获取电网的电压相位角变化量，其中，电压相位角变化量是电网正常时的电压相位角与电网故障时的电压相位角之间的差值；以及补偿单元，用于在电网由故障恢复正常时，将电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

进一步地，获取单元包括：第一获取模块，用于利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角；第二获取模块，用于利用快速傅里叶变换获取电网故障时的电压相位角；以及第三获取模块，用于获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角之间的差值，并将差值作为电网电压相位角变化量。

进一步地，上述装置还包括：取反单元，用于对电网电压相位角变化量取反；以及加法单元，用于将相反后的值与双馈发电机的电压相位角相加。

进一步地，上述装置还包括：分流单元，用于在电网故障时，对流经双馈发电机的转子的电流进行分流。

进一步地，上述装置还包括：结束单元，用于结束对流经双馈发电机的转子的电流进行分流。

进一步地，上述装置还包括：关闭单元，用于在电网故障时，关闭双馈发电机中的机侧变频器，其中，双馈发电机中网侧变频器维持接通状态。

通过本发明，由于采用计算了电网故障前和故障后的相位角变化量，并在电网由故障恢复正常时在双馈发电机的电压相位角中补偿该变化量，从而避免了双馈发电机在电网电压恢复时相位角跳变从而脱网，因此解决了现有技术中在电网电压恢复时由相位角跳变引起发电机脱网的问题，进而达到了保证双馈发电机在一定时间内连续不脱网运行效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的双馈发电机控制装置的结构框图；

图2a是根据本发明第一优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图；

图2b是根据本发明实施例的电网故障时电网电压相位角的计算单元的结构框图；

图3是根据本发明第二优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图；

图4是根据本发明第三优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图；

图5是根据本发明实施例的Crowbar卸荷电路的示意图；

图6是根据本发明第四优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图；

图7是根据本发明第五优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图；

图8是根据本发明第六优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图；

图9为根据本发明实施例的风电机组的结构示意图；以及

图10是根据本发明实施例的双馈发电机控制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种双馈发电机控制装置，以下对本发明实施例所提供的双馈发电机控制装置进行介绍。

图1是根据本发明实施例的双馈发电机控制装置的结构框图。

如图1所示，该双馈发电机控制装置包括第一获取单元11和补偿单元12。

第一获取单元11用于获取电网电压相位角变化量，其中，电压相位角变化量是电网正常时的电压相位角与电网故障时的电压相位角之间的差值。

补偿单元12用于在电网由故障恢复正常时，将电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

现有技术中，在电网故障时双馈发电机无法快速跟踪电网的电压相位角，从而在电网电压恢复时，双馈发电机出现相位角跳变，该跳变导致双馈发电机脱离电网，本发明实施例通过计算电网故障前和故障后的相位角变化量，并在电网恢复时，将该变化量补充给双馈发电机，从而避免了双馈发电机因为电压相位角与电网电压相位角不一致而相位角跳变，进一步避免了双馈发电机脱离电网。

图2a是根据本发明第一优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图。该实施例可以作为上述实施例的优选实施方式。

如图2a所示，该双馈发电机控制装置包括第一获取单元11和补偿单元12，其中，第一获取单元11包括第一获取模块112、第二获取模块114和第三获取模块116。

第一获取模块112用于利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角。

第二获取模块114用于利用快速傅里叶变换获取电网故障时的电压相位角。

第三获取模块116用于获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角之间的差值，并将差值作为电网电压相位角变化量。

在该实施例中，通过快速傅里叶变换计算，可以比其他方式更加便捷地得到电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角。

本实施例提供的第一获取模块112、第二获取模块114和第三获取模块116可以计算电网电压相位角从正常到故障的变化量，在硬件上，以上三个模块可以集成为一个计算单元连接在电网中，图2b是根据本发明实施例的电网故障时电网电压相位角的计算单元的结构框图，如图2b所示，该计算单元包括：电压检测模块1、坐标系的转化模块2、锁相环模块3、故障检测模块4、快速傅里叶变换模块5、锁存模块6、故障恢复检测模块7和相位角补偿模块8。

电压检测模块1用于采样三相电网电压。

坐标系的转化模块2用于将三相静止坐标系下的值转换到两相旋转坐标系下。

锁相环模块3用于计算电网电压的相位角。

故障检测模块4用于检测电网当前处于正常状态还是故障状态。

快速傅里叶变换模块5用于通过快速傅里叶变换计算电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角。

锁存模块6用于保存计算得到的电网电压相位角。

故障恢复检测模块7用于检测电网是否已从故障状态恢复到正常状态。

电压相位角补偿模块8用于将电压相位角进行补偿从而达到防止双馈发电机脱离电网的效果。

本发明实施例在定子磁链定向矢量控制的基础上，增加了电网故障相位角计算单元，通过计算电网故障时的相位角变化值（跳变值），并且在电网电压恢复时补偿相位角的变化量，从而实现了LVRT功能。

图3是根据本发明第二优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图。该实施例可以作为上述实施例的优选实施方式。

如图3所示，该双馈发电机控制装置除了包括第一获取单元11、第一获取模块112、第二获取模块114、第三获取模块116和补偿单元12之外，还包括取反单元13和加法单元14。

取反单元13用于对电网电压相位角变化量取反。

加法单元14用于将取反后的值与双馈发电机的电压相位角。

在该实施例中，通过将电网电压相位角变化量的相反数整合到双馈发电机的电压相位角，实现了电压相位角的补偿，从而避免了双馈发电机的脱网。

图4是根据本发明第三优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图。该实施例可以作为上述实施例的优选实施方式。

如图4所示，该双馈发电机控制装置除了包括第一获取单元11和补偿单元12之外，还包括分流单元15。

分流单元15用于在电网故障时，对流经双馈发电机的转子的电流进行分流。

在本实施例中，分流单元通过Crowbar卸荷电路来实现，Crowbar卸荷电路通过全控型器件IGBT来控制卸荷电阻的开通与关断，Crowbar卸荷电路示意图如图5所示。将发电机的转子连接到三相不控整流模块上，使交流电转化成脉动的直流电，然后通过全控型器件IGBT与卸荷电路串联在脉动直流电的两端，通过控制IGBT的开通与关断来分流转子上的过电流。

在该实施例中，为了防止转子在电网故障时被过大的电流烧坏，导通电网中的卸荷电路进行分流，通过本实施例，可以增加转子的寿命。

图6是根据本发明第四优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图。该实施例可以作为上述实施例的优选实施方式。

如图6所示，该双馈发电机控制装置除了包括第一获取单元11、补偿单元12和分流单元15之外，还包括结束单元16。

结束单元16用于结束对流经双馈发电机的转子的电流进行分流。

结束单元16同样可以通过Crowbar卸荷电路来实现。

在该实施例中，当电网恢复正常时，断开进行分流的电路，使电网正常分流，保证了电网的正常运行。

图7是根据本发明第五优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图。该实施例可以作为上述实施例的优选实施方式。

如图7所示，该双馈发电机控制装置除了包括第一获取单元11和补偿单元12之外，还包括关闭单元17。

关闭单元17用于在电网故障时，关闭双馈发电机中的机侧变频器，其中，双馈发电机中网侧变频器维持接通状态。

在该实施例中，在关闭机侧变频器以保护双馈发电机中设备的同时，保持网侧变频器的接通，即继续保证对电网的支持，加快了故障网络的恢复。

图8是根据本发明第六优选实施例的双馈发电机控制装置的结构框图。该实施例可以作为上述实施例的优选实施方式。

如图8所示，该双馈发电机控制装置除了包括第一获取单元11和补偿单元12之外，还包括控制单元18。

控制单元18用于通过定子励磁进行矢量控制。

在该实施例中，通过定子励磁进行矢量控制达到了控制精确的效果。

图9为根据本发明实施例的风电机组的结构示意图。如图9所示，该风电机组接入交流电网1中，风电机组的结果包括双馈风力发电机2、变频器主结构单元3、Crowbar卸荷电路单元4、变频器控制单元5和计算单元6。

在本实施例中，计算单元6位于变频器控制单元5中，通过控制变频器，实现对发电机的控制。

因为双馈发电机本身的特点决定了其无法靠自身实现低电压穿越功能，因此在转子侧增加了Crowbar卸荷电路，用于辅助双馈电机实现低电压穿越。但在现场测试时发现在电网电压跌落时，接入Crowbar电路，使风机转子侧的过电流通过Crowbar电路卸放掉，在转子电流减小后，断开Crowbar电路，风机正常并网运行，但是在电网电压故障恢复时，由于锁相环本身所包含的积分环节无法快速跟踪电网电压相位角的变化量，致使矢量控制出现很大的偏差，再次引起转子侧过电流，Crowbar电路重新导通，使低电压穿越失败。通过上面的分析，本专利采用快速傅里叶变换(fast fouriertransform，FFT)来计算电网故障发生时刻前的电压相位角和电网故障发生时刻后的电压相位角，然后求得电网故障发生时的相位角变化量，用所计算得到的相位角变化量来补偿锁相环在电网故障时的相位角，这样就可以保证风机在电网故障消除时顺利的并网运行。

电网故障时，计算模块通过硬件电路采用三相电网电压，然后传输给DSP处理器，在电网电压正常时只通过坐标变换和PLL锁相环就可计算得出电网的相位角，此时无需相位角补偿，快速傅里叶变换单元没有起作用。当检测到电网电压跌落时，启动快速傅里叶变换模块，使其计算电网故障前的电压相位角和故障时刻后的电网相位角，两者的差值就得到电网故障时的相位角变化量，然后将该值取反就得到电网从故障到恢复时的相位角变化量。当检测到电网电压恢复时，将上面计算得到的暂态相位角变化量与PLL锁相环得到的电网相位角进行相加就得到了暂态状态下电网的相位角，此时再应用矢量控制方法就可以顺利的实现低电压穿越功能。

本发明实施例涉及一种双馈风力发电机顺利实现LVRT功能的控制方法，通过对现有定子磁链定向矢量控制策略在暂态状态下的固有缺陷进行分析，从而在稳态时定子磁链定向矢量控制保证风机的正常运行，暂态时通过电网故障相位角计算方法来补偿电网电压的相位角，结合转子侧Crowbar卸荷电路的接入和断开，通过与Crowbar卸荷电路的配合使用，使双馈风力发电机组可以顺利实现LVRT功能。

本发明实施例还提供了一种双馈发电机控制方法，该方法可以基于上述的装置来执行。

图10是根据本发明实施例的双馈发电机控制方法的流程图。

如图10所示，该双馈发电机控制方法包括如下的步骤S1002至步骤S1004。

步骤S1002，获取电网电压相位角变化量，其中，电压相位角变化量是电网正常时的电压相位角与电网故障时的电压相位角之间的差值。

具体地，获取电网电压相位角变化量的步骤可以如下所述：

利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角，并利用快速傅里叶变换获取电网故障时的电压相位角。这获取这两个电压相位角的步骤不受严格限定，但一般情况下，先获取电网正常时的电压相位角，然后再获取电网故障时的电压相位角更加简便快捷。可以通过多种方法计算故障前后相位角的变化量，例如Z变换、拉普拉斯变换均能计算相位角的变化量，本发明实施例选用快速傅里叶变换进行计算，因为通过快速傅里叶变换进行计算的计算过程相对简便，而且计算结果更加准确、可靠。

为了保证补偿的准确性，在每次故障时重新获取电网的电压相位角变化量，每次都通过重新获取电网的电压相位角变化量进行后续操作，能够尽可能地顺利实现风机的LVRT功能。

重新获取电网的电压相位角变化量需要首先检测电网电压是否跌落，在电网电压跌落时，重新利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角以获取电网的电压相位角变化量。

在获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角之后，即可获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角之间的差值，并将差值作为电网电压相位角变化量。

在电网故障时，对流经双馈发电机的转子的电流进行分流。分流可以防止转子被过大的电流烧坏，通过本实施例，可以增长转子的寿命。

步骤S1004，在电网由故障恢复正常时，将电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

具体地，该补偿的具体方法是首先对电网电压相位角变化量的值取反，然后将取反后的值与双馈发电机的电压相位角相加。

当每次故障时都重新获取电网的电压相位角变化量时，则将重新获取的电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中，从而尽可能地顺利实现风机的LVRT功能。

双馈发电机的定子直接与电网相连，转子通过背靠背双PWM型的变流器与电网相连，同时转子侧连接Crowbar卸荷电路，Crowbar卸荷电路采用二极管不控整流电路先进行整流，然后通过全控型功率器件IGBT控制卸荷电阻的导通与关断。在电网电压正常时通过定子磁链矢量控制，控制风机的正常运行，如果检测到电网电压跌落时，使Crowbar卸荷电路导通，同时关闭机侧变频器，网侧变频器正常运行，通过本实施例，在关闭机侧变频器以保护双馈发电机中设备的同时，保持网侧变频器的接通，即继续保证对电网的支持，加快了故障网络的恢复。

此时可以通过网侧变频器适当的发送无功功率，用于对电网电压进行无功补偿来帮助电网电压的恢复。在转子侧电流减小到安全范围后断开Crowbar卸荷电路，同时检测电网电压，在电网电压恢复时，通过电网暂态时计算的电网电压相位角变化量与锁相环计算的电网电压相位角进行相加得到电网故障恢复时的电压相位角，通过定子磁链定向矢量控制机侧变频器的正常运行，顺利实现风机的LVRT功能。其中矢量控制的基本思想是把交流电机模拟成直流电机，在直流电机中励磁和电枢电流可以分开控制。矢量控制技术是以矢量变换为工具，通过计算得到的电压相位角应用CLARKE和PARK变换将三相静止坐标系下的参数变换到两相旋转坐标系下，即将定子电流矢量分解为两个相互垂直的分量：一个相当于直流电机的磁场电流称为励磁电流分量；另一个相当于电枢电流称为转矩电流分量。对各自独立的两个电流分量进行控制就构成转矩瞬时值的矢量控制。双馈电机的定子绕组直接接在工频电网上，可以认为定子的电压和频率保持不变，因此本发明采用定子磁链定向的矢量控制方式。本发明实施例的优点是不用增加硬件电路，只需在软件编程上增加电网故障相位角的计算程序即可实现低电压穿越功能，便于实现且不增加额外费用。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种双馈发电机控制方法，其特征在于，包括：

获取电网的电压相位角变化量，其中，所述电压相位角变化量是电网正常时的电压相位角与电网故障时的电压相位角之间的差值；以及

在电网由故障恢复正常时，将所述电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

2.根据权利要求1所述的双馈发电机控制方法，其特征在于，获取电网的电压相位角变化量包括：

利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角；

利用快速傅里叶变换获取电网故障时的电压相位角；以及

获取所述电网正常时的电压相位角和所述电网故障时的电压相位角之间的差值，并将所述差值作为电网电压相位角变化量。

3.根据权利要求2所述的双馈发电机控制方法，其特征在于，将所述电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中包括：

对所述电网电压相位角变化量的值取反；以及

将取反后的值与所述双馈发电机的电压相位角相加。

4.根据权利要求3所述的双馈发电机控制方法，其特征在于，在将取反后的值与所述双馈发电机的电压相位角相加之后，所述方法还包括：

应用定子磁链定向矢量控制。

5.根据权利要求2－4中任一项所述的双馈发电机控制方法，其特征在于，

获取电网的电压相位角变化量还包括：在每次故障时重新获取电网的电压相位角变化量，

将所述电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中包括：将所述重新获取的电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

6.根据权利要求1－5中任一项所述的双馈发电机控制方法，其特征在于，在每次故障时重新获取电网的电压相位角变化量包括：

检测电网电压是否跌落；以及

在所述电网电压跌落时，重新利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角和电网故障时的电压相位角以获取所述电网的电压相位角变化量。

7.根据权利要求1－6中任一项所述的双馈发电机控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在电网故障时，关闭所述双馈发电机中的机侧变频器，其中，所述双馈发电机中网侧变频器维持接通状态。

8.一种双馈发电机控制装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于获取电网的电压相位角变化量，其中，所述电压相位角变化量是电网正常时的电压相位角与电网故障时的电压相位角之间的差值；以及

补偿单元，用于在电网由故障恢复正常时，将所述电压相位角变化量补偿到双馈发电机的电压相位角中。

9.根据权利要求8所述的双馈发电机控制装置，其特征在于，所述获取单元包括：

第一获取模块，用于利用快速傅里叶变换获取电网正常时的电压相位角；

第二获取模块，用于利用快速傅里叶变换获取电网故障时的电压相位角；以及

第三获取模块，用于获取所述电网正常时的电压相位角和所述电网故障时的电压相位角之间的差值，并将所述差值作为电网电压相位角变化量。

10.根据权利要求9所述的双馈发电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括：

取反单元，用于对所述电网电压相位角变化量取反；以及

加法单元，用于将相反后的值与所述双馈发电机的电压相位角相加。

11.根据权利要求8所述的双馈发电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括：

分流单元，用于在电网故障时，对流经所述双馈发电机的转子的电流进行分流。

12.根据权利要求11所述的双馈发电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括：

结束单元，用于结束对流经所述双馈发电机的转子的电流进行分流。

13.根据权利要求8所述的双馈发电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括：

关闭单元，用于在电网故障时，关闭所述双馈发电机中的机侧变频器，其中，所述双馈发电机中网侧变频器维持接通状态。

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