CN103683333A

CN103683333A - 一种低电压穿越下变流器的控制系统和控制方法

Info

Publication number: CN103683333A
Application number: CN201310751100.3A
Authority: CN
Inventors: 方涛; 宋清玉
Original assignee: China First Heavy Industries Co Ltd; CFHI Dalian Design and Research Institute Co Ltd
Current assignee: China First Heavy Industries Co Ltd; CFHI Dalian Design and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种低电压穿越下变流器的控制系统及其控制方法，所述的系统包括控制器和相位跟踪器，所述的控制器接收电网电压信号、有功功率命令、无功功率命令和来自相位跟踪器的控制相位参考信号，电网电压信号代表风电机组输出终端或变流器电压和电流的信号；所述的相位跟踪器配备穿越事件检测器穿越事件检测器是一个电压比较器，其比较电网电压信号和预设标准的参考电压。本发明采用了穿越事件监测、锁相环技术和相位跟踪的新型控制方法，使得该控制系统不仅在电网出现低电压故障时能够保证风电机组不脱网，而且在零电压时也能使风力发电机组保持挂网，并能向电网提供无功，支撑电网电压，在故障结束后，能快速地按照要求向电网提供有功恢复。

Description

一种低电压穿越下变流器的控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，特别是一种低电压穿越下变流器的控制系统和控制方法。

背景技术

电网正常运行时，不可避免地会受到一些扰动，有时这些扰动使电网或其它电力系统的电压有较大的跌落，跌落时间比较短，一般少于500ms。大体上这些扰动是由于输电系统或配电系统某个地方的故障而引起，这些故障普遍地是由于设备故障、恶劣天气、电力事故或其他因素引起的单相或多相接地或短路。当大负荷用电时，例如特大型电机或大型电厂突然脱网时也能导致电压很显著的跌落。其它情况，例如电容的投切也能导致小故障的发生。在任何情况下，无论是发生小故障还是大故障，这些故障都会在电网的不同点导致低电压或零电压的情况出现。

在低压或零电压出现后，如何让向电网供电的电源作出相应的响应是电源运行人员应该着重考虑的问题。对于小电源，例如单台风电机组和小型风场、家用太阳能系统和柴油发电机等，当电压跌落一定幅值和持续一段时间时，其脱网是可以接受。大体上，这个比例的配置是可以接受的，因为由这些小电源提供的电能总数量相对电网中其他电源（如火电厂和核电厂等）提供的电能所占份额是很小的。对于这样小比例的电能，其脱网对电网的故障后的恢复能力基本上没影响。

随着能源需求的不断增加和新能源的不断发展，使得电网中的这些小电源的电能比例在不断的增加，保证这些电源的不脱网，尤其是故障和浪涌发生时不脱网变得越来越重要，因为大量产生电能的电源脱网能够加剧电网对这些故障的响应。严重时的频率波动或者电源系统的不稳定能够导致大面积的崩溃，从而影响大量的用电终端用户。因此电网的运营商开始要求这些电源像传统电源一样，能够保持联网并在低电压或零电压的情况下不脱网。

当电网电压跌落时，风电机组的产生的能量不能完全送到电网，使得变流器的直流侧的电容上的输入和输出有功出现不平衡，导致直流母线电压升高，直流电容储能增加。为了处理掉这些多余的能量并保证变流器的直流环节不因为超过极限电压而烧毁，目前变流器普遍采取的方式在直流侧并联卸荷电阻等来提高变流器的低电压穿越能力，采取的控制方法是当直流电容上累积的能量导致直流环节上的电压超过电容能承受的电压的上限U_dcmax时或不平衡有功功率ΔP大于卸荷电阻动作的阈值P_t时，卸荷电阻投入使用，将多余的能量通过卸荷电阻消耗掉，同时使网侧变流器运行在STATCOM模式来对电网进行无功支撑。当ΔP＜P_t且U_dc＜U_dcmax时，卸荷电阻退出。此方法不仅需要附带庞大的卸荷电阻，而且过分依赖卸荷电阻去消耗多余的功率，使得目前的变流器整体的发热量非常大，对设备的散热性能提出了较高的要求。问题更加突出的是变流器的这种控制方法使得风电机组对抵抗电网电压跌落的深度和持续时间的能力有限。对更严格的零电压跌落处理起来有些困难。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明设计了一种在不增大变流器体积和发热量的情况下，使变流器能够抵抗电网电压高深度和长时间的跌落的低电压穿越控制系统和控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种低电压穿越下变流器的控制系统，包括控制器和相位跟踪器，所述的控制器接收电网电压信号、有功功率命令、无功功率命令和来自相位跟踪器的控制相位参考信号，所述的电网电压信号代表风电机组输出终端或变流器电压和电流的信号；控制器应用数字处理器或其它数字设备中的控制代码；

所述的相位跟踪器配备穿越事件检测器，穿越事件检测器设计和配置成当电网电压跌落到预设标准以下时通过电网电压信号来检测事故；穿越事件检测器是一个电压比较器，其比较电网电压信号和预设标准的参考电压；

所述的相位跟踪器还包括锁相环，所述的锁相环包括相位检测器、环路滤波器和压控振荡器，所述的压控振荡器产生AC参考信号作为相位误差信号的函数；相位检测器是一个乘法器，将AC参考信号和AC电压信号相乘，其输出检测信号是AC电压信号和AC参考信号之间相位差值的函数；环路滤波器的输出是相位误差信号。

一种低电压穿越下变流器的控制方法，包括以下步骤：

A、当电网电压跌落到预设标准以下时，穿越事故监测器通过电网电压信号检测到事故。

B、穿越事件检测器触发相位跟踪器冻结控制相位参考信号的频率和电流值，该值为检测到穿越事故当时的值，使相位跟踪器缓慢跟踪电网。

C、锁相环检测到AC电压信号降落到预设值以下，设置相位误差信号或检测信号的值为零来冻结相位参考信号，控制其冻结时的频率。

D、相位检测器使锁相环的频率和电网电压检测信号的相位跟踪响应时间函数，锁相环的速度降低来降低对相位和频率改变的响应时间。

E、环路滤波器运行除去检测信号不需要的特征。

F、相位跟踪器估算电网电压的相位值。

G、当电压恢复到预设标准之上时，控制相位参考信号和相位参考信号得到解冻，风电机组将以非常接近于电网中电压恢复的相位和频率向电网输送电流。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明采用了穿越事件监测、锁相环技术和相位跟踪的新型控制方法，使得该控制系统不仅在电网出现低电压故障时能够保证风电机组不脱网，而且在零电压时也能使风力发电机组保持挂网，并能向电网提供无功，支撑电网电压，在故障结束后，能快速地按照要求向电网提供有功恢复。

2、由于本发明采用了冻结控制相位参考信号技术使得变流器中的电力电子器件的耐压和过流值选择正常值即可，而不需要将直流电容的额定电压限定值调高来存储多余的能量，降低了硬件成本。

3、由于本发明采用了相位跟踪器缓慢跟踪电网电压的频率技术，额定频率时间常数与电网电压成比率下降，使相位跟踪器的响应时间降低到更低的值，从而该控制系统和技术使变流器能够承受电网电压跌落到正常水平以下更长的时间和更高的深度，保证风力发电机组长时间和高深度的电网故障而不脱网。

4、由于本发明采用了环路滤波器有效的抑制了电网电压恢复时引起的直流母线电压的波动。

5、由于本发明采用了新型控制系统使得变流器在不增加巨大的耗能硬件和散热系统的基础上，能够适应新的电网要求的情况下成本低、可靠性高、控制简单。

6、由于本发明采用了模块式的设计使得控制系统比较灵活，可以整合风机控制的很多功能。可以是与目前发明的技术相关功能的简单独立的电路，可以是变流器简单的一部分，可以是风机系统的其他部件，可以是逆变器控制电路扩展部件之间的某个方面。从而设计起来可根据实际风电机组或变流器的情况来灵活架构。

附图说明

为了描述本发明各个方面的应用，本发明包含了4副附图。其中：

图1是有多种电源连接到公共电网上的电网结构图。

图2是在图1中的部分风力发电机组示意图。

图3是图2中与电网联接的变流器的电气原理图。

图4是图3中的变流器的锁相环的原理图。

图中：1、交流电电力系统，2、风力发电机组，3、变流器，4、电网，5、火电厂，6、电力用户，7、风轮系统，8、发电机，9、整流器，10、控制系统，11、变流器电路，12、变压器，13、有功功率命令，14、控制相位参考信号，15、相位跟踪器，16、锁相环，17、穿越事件监测器，18、电网电压信号，19、控制器，20、无功功率命令，21、AC电压信号，22、相位检测器，23、检测信号，24、环路过滤器，25、相位误差信号，26、中心频率信号，27、累计电路，28、合成信号，29、压控振荡器，30、相位参考信号，31、AC参考信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。图1显示了一个典型的交流电力系统1，其包括向电网4输送电能的风力发电机组，也包括输送电能的多种其它电源，如火电厂5。变流器3安装在风电机组2和电网4之间，用于控制风电机组向电网输送的电能的电气特性，电网将电能最终送到终端用户6，如电力客户。当故障出现并导致低电压或零电压出现时，变流器3向风电机组提供穿越能力，即变流器3设计成该故障出现时，允许风电机组仍然与电网联接并继续向电网4供电。在电压跌落幅度小时变流器3通过帮助保持电网电压稳定，在大故障出现时其提高电网的恢复能力，以这种方式变流器向交流电力系统1提供支撑和保持电网稳定。

图2显示了风力发电机组的一些机械和电气部件。风力发电机组2包含因风而旋转的风轮系统7。风轮系统7联接到发电机8，其将风轮系统的旋转机械能转换成交流电形式的电能。整流器9将发电机发出的交流电转换成直流电，变流器3进一步将直流电变成频率和相角适合输送到电网4的交流电。变流器3后联接变压器12，其将改变变流器的输出使其适应公用电网4的电压。变流器3包括变流器电路11和控制系统10，其由控制系统产生的参考电流来改变输送到电网4的电流。变流器电路11电气联接到控制系统10，控制系统采用命令信号来控制变流器电路。命令信号是基于电网4电压相序的控制信号。控制系统10配置成能够提供从故障恢复时估算的电流相角，通过提供对一直运行的电网4电压改变响应很慢的相位跟踪系统来得到该估算。

图3显示了图2中控制系统部件的内部结构。控制系统包括控制器19和相位跟踪器15。控制器19接受几个输入信号包括电网电压信号18，代表风力发电机组输出终端或变流器电压和电流的信号，有功电流命令13和无功电流命令20，也接收来自算法中采用的相位跟踪器15的控制相位参考信号14和前面提到的信号和命令，来指示变流器电路11向公用电网4输送正确相位和频率的电流。控制器19应用数字处理器或其它数字设备中的控制代码。控制系统10设计成对一直运行的电网4中的电压的频率改变响应很慢，电压下降或跌落对其没有大的影响。相位跟踪器15设计成在其运行过程中一直都很慢，也就是说，不仅仅在低（零）电压穿越期间，而且在电网电压在其正常水平时，跟踪电压的频率时也是很慢。额定频率时间常数为电网电压正常时相位跟踪器15的时间常数，在低电压故障期间，该时间常数与电网电压成比例下降。在给定条件、事故时的电网特性以及相位跟踪器参数的情况下，能够调整相位跟踪器15的额定频率跟踪时间常数。大体上，时间常数的选择是在正常运行时功率快速变化时需要的快速响应和良好的低压穿越性能的慢响应之间权衡。很重要的是，应用慢的跟踪时间的策略是与传统功率变流器的控制策略相反的，传统功率变流器的控制策略是采用快速跟踪速度很多种机器状态来处理穿越的要求。慢的控制策略是使相位跟踪器15具有本质能力来使其响应时间从一个已经低的值降低到与风机终端电压成比例的更低的值。使相位跟踪器缓慢跟踪电网电压的方式是将控制相位参考信号14的频率值冻结到某个值，该值为检测到穿越事故当时的值。为了达到该特征，相位跟踪器15配备穿越事件监测器17，该监测器设计和配置成当电网电压跌落到预设标准以下时通过电网电压信号18来检测事故。穿越事件监测器17是一个电压比较器，其比较电网电压信号18和预设标准的参考电压。当电网电压跌落到预设标准以下时，穿越事件监测器17触发相位跟踪器15冻结控制相位参考信号14的频率和电流值。当电压恢复到预设标准之上时，控制相位参考信号14得到解冻。

控制系统中的相位跟踪器15包括图4中描述的锁相环。图4中的锁相环包括3个主要的部件：一个相位检测器22、一个环路过滤器24和一个压控振荡器29。压控振荡器29产生AC参考信号31作为相位误差信号25的函数。相位检测器22是一个乘法器，其将AC参考信号31和AC电压信号21相乘，其输出检测信号23是AC电压信号21和AC参考信号31之间相位差值的函数。相位误差检测器的特征是相位误差与电压和相位误差的幅值成比例。这使锁相环的频率和电网电压检测信号23的相位跟踪响应时间函数，然后，由环路滤波器24运行以除去检测信号23不需要的特性。在应用相位检测器22的情况下，环路滤波器24设计和配置成低通滤波器来摆脱来自乘法器的双频检测信号23。环路滤波器24的输出是相位误差信号25。

在一些实际应用中，锁相环能够采用由运营商的可编程硬件或软件产生的中心频率信号26来运行。中心频率信号26给锁相环一个参考信号和保持环路滤波器24的输出接近零。当可选的中心频率信号26出现时，相位误差信号25和中心频率信号一起进入累计电路27，合成信号28输入到压控振荡器29。压控振荡器29也输出相位参考信号30，其是反馈回路到相位检测器22中的AC参考信号31的相位。当锁相环使用在控制系统中，与控制相位参考信号14相应的相位参考信号30和利用控制相位参考信号14来产生电路命令的控制器用于变流器电路，其都包含有功电流波和无功电流波。

相位跟踪系统设计成缓慢地跟踪电网电压的相位以便保持控制器相位参考信号不受由于穿越故障电压扰动而引起的快速电压下跌或跌落的影响。在锁相环中，该缓慢通过选择合适的增益常数和锁相环的其它运行参数来实现。对于一个给定的锁相环，能很容易地依据以上提供的指导的相位跟踪器的响应时间来调整锁相环的响应时间。

通过使相位跟踪器15是一个幅值敏感的相位跟踪器，并使其相位误差输出是相位误差和电压电平的一个函数，使图4中的锁相环达到降低作为电网电压函数的响应时间，在AC电压21跌落或下跌期间，伴随电网电压幅值的减小，锁相环的速度将降低从而降低了对相位和频率改变的响应时间。

锁相环在检测到AC电压21降落到预设值以下之前，相位参考信号30的冻结能够通过设置相位误差信号25或者检测信号23的值为零来实现。设置相位误差信号25或检测信号23为零，能够有效地控制相位参考信号30在冻结时的频率值。如果锁相环的响应时间是如以前描述的合适的缓慢，冻结的相位参考信号30的频率将大致是引起下跌或跌落的故障发生之前的频率。

相位误差信号25或检测器信号的值以各种方式从正在运行的值到零的切换是能够实现的。如果锁相环由硬件来执行，在相位误差信号25和常量零信号之间选择的乘法器作为选择信号的函数。如果锁相环应用在软件中，注册器保持相位误差信号的值，在冻结期间，其暂时加载为零值。一旦相位误差信号25响应电压穿越事件时设置为零，在合适的时候能够用于返回相位误差信号到运行值。在从图4中的锁相环收到相位参考信号30后，控制系统产生命令信号指示逆变器电路发送以相对于存在公共电网电压的特殊形位的电流波。使用数字查表，采用模拟电路或可能是一个软件执行的三角正弦和余弦函数来产生命令信号。在穿越故障事件期间，相位跟踪器有效地估算电网电压的相位值。因此，故障之后，当电网恢复到正常运行时，风电机组将以非常接近于电网中电压恢复的相位和频率向电网输送电流。

控制系统可以相对简单或非常复杂，能够整合风机控制的很多功能。控制系统可以是与目前发明的技术相关功能的简单独立的电路，可以是变流器简单的一部分，可以是风机系统的其他部件，可以是逆变器控制电路扩展部件之间的某个方面。图3中显示的控制系统10可以植入到物理硬件部件内，或者在软件中应用。

本发明所描述的方法可以方便地使用一个或多个机器来编程实现。上面讨论的方法和应用，采用软件和/或软件模块也包括合适的硬件来协助软件和/或软件模块来使机器执行指令。

Claims

1.一种低电压穿越下变流器的控制系统，其特征在于：包括控制器（19）和相位跟踪器（15），所述的控制器（19）接收电网电压信号（18）、有功功率命令（13）、无功功率命令（20）和来自相位跟踪器（15）的控制相位参考信号（14），所述的电网电压信号（18）代表风电机组输出终端或变流器电压和电流的信号；控制器（19）应用数字处理器或其它数字设备中的控制代码；

所述的相位跟踪器（15）配备穿越事件检测器（17），穿越事件检测器（17）设计和配置成当电网电压跌落到预设标准以下时通过电网电压信号（18）来检测事故；穿越事件检测器（17）是一个电压比较器，其比较电网电压信号（18）和预设标准的参考电压；

所述的相位跟踪器（15）还包括锁相环（16），所述的锁相环包括相位检测器（22）、环路滤波器（24）和压控振荡器（29），所述的压控振荡器（29）产生AC参考信号（31）作为相位误差信号（25）的函数；相位检测器（22）是一个乘法器，将AC参考信号（31）和AC电压信号（21）相乘，其输出检测信号（23）是AC电压信号（21）和AC参考信号（31）之间相位差值的函数；环路滤波器（24）的输出是相位误差信号（25）。

2.一种低电压穿越下变流器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、当电网电压跌落到预设标准以下时，穿越事故监测器（17）通过电网电压信号（18）检测到事故；

B、穿越事件检测器（17）触发相位跟踪器（15）冻结控制相位参考信号（14）的频率和电流值，该值为检测到穿越事故当时的值，使相位跟踪器缓慢跟踪电网；

C、锁相环检测到AC电压信号（21）降落到预设值以下，设置相位误差信号（25）或检测信号（23）的值为零来冻结相位参考信号（30），控制其冻结时的频率；

D、相位检测器使锁相环的频率和电网电压检测信号（23）的相位跟踪响应时间函数，锁相环的速度降低来降低对相位和频率改变的响应时间；

E、环路滤波器（24）运行除去检测信号不需要的特征；

F、相位跟踪器（15）估算电网电压的相位值；

G、当电压恢复到预设标准之上时，控制相位参考信号（14）和相位参考信号（30）得到解冻，风电机组将以非常接近于电网中电压恢复的相位和频率向电网输送电流。