CN103795081A - 直驱型风电系统低电压穿越的控制方法 - Google Patents

直驱型风电系统低电压穿越的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，其包括如下步骤：(1)通过永磁直驱风电机组机侧变流器改变发电机负载转矩实现最大风能利用；(2)配合直流侧卸荷电路的条件下，在深度电网故障时，通过网侧变流器运行于无功优先输出模式的控制策略与网侧增加的无功补偿电路结合，实现快速平滑调节电网；(3)发电机侧变流器采用零d轴电流控制策略，调节发电机输出电磁转矩来调节发电机转速；(4)网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略，采用双环控制，外环为直流侧电压环，电网正常条件下可以稳定直流侧电压，内环为电流环，实现输出有功功率和无功功率的解耦控制。

Description

直驱型风电系统低电压穿越的控制方法
技术领域
本发明涉及一种直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，尤其涉及一种直驱型风电系统低电压穿越无功补偿器的控制方法。
背景技术
根据全球风能协会统计报告，2010年底，全球风电总装机容量达194390兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92％，风电对于满足电力需求越来越重要。目前我国已经处于风电发展的黄金时期。按照我国“十二五”规划，预计2015年底，风电新增装机总量将达到90000兆瓦。在二十世纪八十年代兴起的新能源技术革命中，并网运行的风力发电技术引起了世界各国的高度重视，并迅速实现了商品化，产业化。特别是随着计算机与控制技术的飞速发展，风力发电技术的发展极为迅速，其单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组；控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展，预计在最近五年内将推出智能型风力发电机组；运行可靠性由二十世纪八十年代初的50％提高到98％以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。
但是，广泛采用的双馈型风电机组也有许多自身缺点，首先就是结构复杂的齿轮箱，它的造价成本很高，容易出故障并且维护工作量较大，这样就不利于能量转换效率，系统的运行可靠性也很难提高；其次，双馈电机中的滑环和碳刷必须定期检修，后期维护工作量大，也从很大程度上降低了机组的可靠性。从中长期来看，直驱型传动系统将逐步在大型风电机组中占有更大比例，另外在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风电机组的发展趋势。在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用直驱永磁同步风力发电机，其不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能。
为保证电网的整体稳定性，在短暂的故障时间内，风力发电不能停机，并且要为电网必要的过渡支撑能力，即低电压穿越能力。网侧发生故障时，例如三相接地造成瞬时低电压时，不可避免的受到过电流的冲击，虽能采用低电压穿越措施进行防范，但也会直接影响机组运行和电网迅速恢复要求。我国2011风电场接入电力系统技术规定风电场并网点电压跌至20％标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms。风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90％时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。风电场的无功电源包括风电机组及风电场无功补偿装置。如图1所示，风电场安装的风电机组应满足功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调。所以深度电网故障时的低电压控制策略显得尤为重要。
背靠背双PWM变流器的直驱式风电系统主要包括风力机、永磁同步发电机、发电机侧变流器，网侧变流器，直流侧电容，直流侧卸荷电路等。风力机通过轴系与永磁同步发电机直接耦合，永磁同步发电机通过全功率变流器与电网相连。当电网电压跌落时，变流器将增加电流以便提供同样大小的功率给电网，但是由于变流器的热容量有限，因此必须对电流进行限制；此时直流侧电容的输入和输出功率发生了不平衡，输入功率大于输出功率，此时如果直流侧不采取措施，并且不限制输入功率，则直流侧电压必将升高，若不限制则可能烧坏变流器。如图2所示，直流侧要采取措施限制其电压的升高，法一：采用直流侧加卸荷单元的方法，这种方法会造成直流侧电压波动较大，影响直流侧电容的使用寿命。法二：在定子侧增加电阻保护电路，减少输入功率。法三：在网侧增加无功补偿电路，为电网提供一定的无功功率支持。
法一：采用直流侧加卸荷单元的方法。在直流侧增加卸荷电路是一种常见的方法，卸荷电路通常由功率器件和卸荷电阻构成，通过控制功率器件投入和切出卸荷电路，调节直流侧电压。美国专利第US6819535号采用直流侧电压作为判断条件，当直流侧电压超出设定的上限电压时，投入卸荷电阻，当直流侧电压低于设定的下限电压时，切出卸荷电阻。这种方法仅以直流侧电压作为判断条件，与网侧变流器的直流侧电压环较难配合。
卸荷电路控制器的第二种方法：采集输入有功功率、输出有功功率，以输入和输出有功功率的偏差作为主要判断条件，通过判断输入和输出有功功率的偏差，确定卸荷电路是否需要投入运行。可以采集交流侧电压、电流获取输入和输出的有功功率，也可以通过采集直流侧电压、电流获取输入和输出有功功率。根据输入输出有功功率的偏差，通过PI调节器确定功率器件的导通占空比。卸荷电路同时采用直流侧电压作为辅助判断条件，当根据功率偏差对卸荷电路的控制不够快或者直流侧电压上升幅度较大时，由直流侧电压作为条件对卸荷电路进行控制。这种方法，采用功率差作为判断条件，可以与网侧变流器的直流侧电压配合，但反应慢，调节有波动。
鉴于上述缺陷，实有必要设计一种改进的直驱型风电系统低电压穿越无功补偿器。
当电网电压跌落时，电网电压外环开始工作，网侧变流器STATCOM运行模式控制策略是在原有控制的基础上，对有功电流和无功电流的参考值重新分配来实现的。
另一现有技术请参考2012年11月07日公开的中国专利申请第CN102769306A号，其公开了一种永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法。永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法包括功率检测器a、功率检测器b、功率变化检测器和控制电路，功率变化检测器用于接收功率检测器a和b的输出信号，以记录功率变化，功率变化检测器中有一个比较器，用于比较风电机输出功率和网侧逆变器输出功率，产生实际功率差信号ΔP，将此信号ΔP输入到控制电路的外环控制器中；控制电路实现电流解耦，并产生PWM控制信号，驱动逆变器。这种技术缺陷如下：1、网侧变流器STATCOM运行模式，其中电流解耦后的无功电流的参考值通过不断的测量功率差送入电网电压外环PI调节器，控制电路实现电流解耦，并产生PWM控制信号，驱动逆变器；反应较慢。2、没有新型无功补偿器有级平滑的调节技术，调节功率有波动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种使用功率外环的控制方法保证电压跌落并网期间系统的稳定和无功能够跟随电网跌落深度进行补偿，同时对网侧变流器过流进行限制，保证网侧变流器稳定工作。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过永磁直驱风电机组机侧变流器改变发电机负载转矩实现最大风能利用；(2)配合直流侧卸荷电路的条件下，在深度电网故障时，通过网侧变流器运行于无功优先输出模式的控制策略与网侧增加的无功补偿电路结合，实现快速平滑调节电网；(3)发电机侧变流器采用零d轴电流控制策略，调节发电机输出电磁转矩来调节发电机转速；(4)网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略，采用双环控制，外环为直流侧电压环，电网正常条件下可以稳定直流侧电压，内环为电流环，实现输出有功功率和无功功率的解耦控制。
采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1.由于根据国家2011年对风力发电系统并网的电压，无功功率的规定，无功电流的参考值是根据函数程序事先计算出来的。采用网侧无功优先输出控制策略，快速提供无功电流参考值，快速反应补偿无功，提高低电压穿越能力。2、采用新型无功补偿电路，与网侧变流器直流侧电流外环有效配合，实现有级平滑的调节系统无功功率。3、对于任意大容量的系统，可以事先计算出如何配置软件和硬件设施，能够对国家电网系统设施的配置实现统一有序的统计和配置。
本发明进一步的改进如下：
进一步地，当电网电压正常时，电网电压外环输出为零，网侧变流器无功电流给定为零，运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率。
进一步地，当电网电压发生跌落时，电网电压正常运行时，网侧保持有功电流最大，无功电流为零。
进一步地，当电网电压跌落到0.9以下时，事先计算出需要需要补偿的无功电流，采用网侧无功优先输出控制策略，快速提供无功电流参考值。
附图说明
图1是现有技术我国风电机组低电压穿越要求示意图。
图2是现有技术直驱式风电系统示意图。
图3是本发明网侧变流器控制框图。
图4是本发明STATCOM示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，其包括如下步骤：(1)通过永磁直驱风电机组机侧变流器改变发电机负载转矩实现最大风能利用；(2)配合直流侧卸荷电路的条件下，在深度电网故障时，通过网侧变流器运行于无功优先输出模式的控制策略与网侧增加的无功补偿电路结合，实现快速平滑调节电网；(3)发电机侧变流器采用零d轴电流控制策略，调节发电机输出电磁转矩来调节发电机转速；(4)网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略，采用双环控制，外环为直流侧电压环，电网正常条件下可以稳定直流侧电压，内环为电流环，实现输出有功功率和无功功率的解耦控制。
当电网电压正常时，电网电压外环输出为零，网侧变流器无功电流给定为零，运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率。当电网电压发生跌落时，电网电压正常运行时，网侧保持有功电流最大，无功电流为零。当电网电压跌落到0.9以下时，根据国家2011年对风力发电系统并网的电压，无功功率的规定，只需知道电压跌落的值，事先计算出需要补偿的无功电流，采用网侧无功优先输出控制策略，快速提供无功电流参考值，不需要测量输入输出功率差来计算得出需要补偿的无功电流参考值。根据电网电压的跌落程度和公式iq≥1.5*(0.9-Us)iN可得出无功电流的参考指令值，网侧变流器迅速向电网发出无功，支撑电网电压，增强了低电压穿越性能，电网电压外环开始工作，通过对有功参考电流进行限制。式中：iq为网侧无功电流指令；Us为电网电压幅值，iN为网侧电流额定值。
网侧变流器对应的有功电流限幅值为Idmax，I1为直流电压环经过PI的值，有功电流环和无功电流环的fcn函数程序如下：
Figure BSA0000100915200000071
u为电网电压测量值，I2为电网电压环无功电流的输出值。
Figure BSA0000100915200000072
其中Iq＝1.5*(0.9-Us)*IN
触发静止无功补偿器的继电器开关用PLC控制，
PLC的每个触电个g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8、g9。
算出对应的触发开关。根据电流Iq值计算不同电压跌落时需要补偿的静止无功补偿器的电容值，并通过触发开关来触发PLC的触点继而触发继电器的触点。假设电压跌落到小于0.1是需要补的无功电流值为IQ。
Figure BSA0000100915200000081
Figure BSA0000100915200000091
并且在后一个触发开通与前一个都有一个延迟，后一个触发与前一个触发的延迟可以采用软件实现，也可以采用时间继电器实现。以实现平滑的调节无功。
有功电流环和无功电流环的fcn函数程序如下：
/*网侧变流器对应的有功电流限幅值为Idmax，i1为直流电压环经过PI的值*/
u为电网电压测量值，i2为电网电压环无功电流的输出值。
Figure BSA0000100915200000093
其中iq＝1.5*(0.9-Us)*IN式中：iq为网侧无功电流指令；Us为电网电压幅值，IN为网侧电流额定值。
触发静止无功补偿器的继电器开关用PLC控制，PLC的每个触点g1，g2，g3，g4，g5，g6，g7，g8，g9，g10。根据电流iq值计算不同电压跌落时需要补偿的静止无功补偿器的电容值，并通过触发开关来触发PLC的触点继而触发继电器的触点。假设电压跌落到小于0.1是需要补的无功电流值为IQ。并且在后一个触发开通与前一个都有一个延迟，后一个触发与前一个触发的延迟可以采用软件实现，也可以采用时间继电器实现。以实现平滑的调节无功。
与电网电压环无功电流的输出值i2结合控制可关断器件程序如下：
Figure BSA0000100915200000101
Figure BSA0000100915200000111
如图3所示为网侧变流器控制框图，算出对应的触发开关。根据电流Iq值计算不同电压跌落时需要补偿的静止无功补偿器的电容值，并通过触发开关来触发PLC的触点继而触发继电器的触点。假设电压跌落到小于0.1是需要补的无功电流值为IQ。并且在后一个触发开通与前一个都有一个延迟，后一个触发与前一个触发的延迟可以采用软件实现，也可以采用时间继电器实现。以实现平滑的调节无功。
如图4所示为STATCOM的示意图，当电压跌落时，网侧的控制策略使电机向电网输出一定的无功功率，但是电机输出的无功功率是有限的，为了达到电网对无功功率的要求，提高风电系统的电能质量和低电压穿越能力，在风电系统并网口(PCC)高压端接入静止同步无功补偿器(STATCOM)，其是一种基于电压源变换器原理的新型无功补偿装置，通过网侧变流器控制策略与新型无功补偿器的配合，通过控制可关断器件的通断，可以快速调节交流电网的无功，具有反应快速和平滑的调节特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1.由于根据国家2011年对风力发电系统并网的电压，无功功率的规定，无功电流的参考值是根据函数程序事先计算出来的。采用网侧无功优先输出控制策略，快速提供无功电流参考值，快速反应补偿无功，提高低电压穿越能力。2、采用新型无功补偿电路，与网侧变流器直流侧电流外环有效配合，实现有级平滑的调节系统无功功率。3、对于任意大容量的系统，可以事先计算出如何配置软件和硬件设施，能够对国家电网系统设施的配置实现统一有序的统计和配置。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过永磁直驱风电机组机侧变流器改变发电机负载转矩实现最大风能利用；
(2)配合直流侧卸荷电路的条件下，在深度电网故障时，通过网侧变流器运行于无功优先输出模式的控制策略与网侧增加的无功补偿电路结合，实现快速平滑调节电网；
(3)发电机侧变流器采用零d轴电流控制策略，调节发电机输出电磁转矩来调节发电机转速；
(4)网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略，采用双环控制，外环为直流侧电压环，电网正常条件下可以稳定直流侧电压，内环为电流环，实现输出有功功率和无功功率的解耦控制。
2.如权利要求1所述的直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，其特征在于：当电网电压正常时，电网电压外环输出为零，网侧变流器无功电流给定为零，运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率。
3.如权利要求1所述的直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，其特征在于：当电网电压发生跌落时，电网电压正常运行时，网侧保持有功电流最大，无功电流为零。
4.如权利要求3所述的直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，其特征在于：当电网电压跌落到0.9以下时，事先计算出需要需要补偿的无功电流，采用网侧无功优先输出控制策略，快速提供无功电流参考值。
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