CN103944189A - 一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法，针对由风力机、齿轮箱、感应发电机、补偿电容器组构成的恒速风电机组典型拓扑结构，在上述设备的基础上新增一套由双馈电机、永磁电机、交直交变流器构成的电网友好型改造装置。通过对所述电网友好型改造装置的合理控制，可提高恒速风电机组的电网友好度，具体包括平滑输出功率、实现低电压穿越、增强低电压穿越期间的无功支撑能力。本发明适用于对单台恒速风电机组独立进行电网友好型改造，也适用于对风况接近的若干台恒速风电机组同时进行电网友好型改造，使其满足电网对风电机组输出功率平滑、具备低电压穿越能力和无功支撑能力的要求。

Description

一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及风电机组的电网友好型改造，特别涉及一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法。
背景技术
随着电网中风电渗透率的不断增加，风电机组电网友好性不足的问题已成为制约风电行业发展的主要因素之一，该问题已受到日益广泛的关注。
早期安装的风电机组大多为恒速风电机组，这类风电机组与电网“刚性”连接，风速的波动直接体现为风电机组注入电网的有功功率波动，降低了接入点的电能质量。
此外，恒速风电机组不具备低电压穿越能力。在电网电压跌落期间，风电机组电磁转矩不足，转子将在机械转矩作用下加速，一旦转差率超过临界值，即使在电网电压回升后，风电机组的电磁转矩也无法恢复，而且风电机组从电网吸收的无功功率将急剧增加，阻碍风电场端电压恢复，最终导致转速和端电压失稳。
关于恒速风电机组的低电压穿越改造方法，目前国内外主要采用在风电场接入点处增设STATCOM的方式，借助STATCOM输出的无功功率提高笼型风电机组的临界转速。然而，STATCOM的无功功率输出能力在电压跌落期间将大幅降低。根据分析，为使恒速风电机组临界转速提升0.05p.u.，STATCOM的容量必须超过风电机组本身的容量。考虑到高压大功率电力电子器件昂贵的价格，该方式的经济性较差。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法。通过在恒速风电机组和电网间增设电网友好型改造装置并辅以适当的控制方法，平滑风电机组正常发电期间注入电网的有功功率。同时，针对恒速风电机组在电网电压跌落期间转速和端电压失稳的根本原因——转差率超过临界值，通过提高感应发电机定子绕组频率和电压幅值的方式限制转差率，从而解决恒速风电机组的低电压穿越问题。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法，针对由风力机、齿轮箱、感应发电机、补偿电容器组构成的恒速风电机组典型拓扑结构，在上述设备的基础上新增一套由双馈电机、永磁电机、交直交变流器构成的电网友好型改造装置，其特征在于：通过对所述电网友好型改造装置的合理控制，可提高恒速风电机组的电网友好度，具体包括平滑输出功率、实现低电压穿越、增强低电压穿越期间对电网的无功支撑能力；
所述的电网友好型改造装置，双馈电机的转子绕组与感应发电机定子绕组、补偿电容器组连接，双馈电机的定子绕组连接工频电网，双馈电机与永磁电机的转子同轴机械连接，永磁电机由连接到工频电网的交直交变流器驱动；
所述的平滑输出功率的控制方法，在风电机组正常发电期间，可通过控制双馈电机的转速调节感应发电机定子绕组的频率，在风速突增时提高感应发电机定子绕组的频率使风能增量部分转化为风电机组的旋转动能增量以减少注入到电网的有功功率，在风速突降时降低感应发电机定子绕组的频率使风电机组储存的部分旋转动能转化为电能输出以增加注入到电网的有功功率；
所述的实现低电压穿越的控制方法，在电网电压跌落期间，通过控制双馈电机的转速使感应发电机定子绕组的频率、电压幅值同步上升，一方面利用电压幅值的上升增大感应发电机的电磁力矩以减缓转速上升速度，同时利用频率的上升防止感应发电机的转差率超过临界值，从而避免转差率越限导致的电磁转矩过度衰减和无功消耗急剧增加，维持风电机组转速和端电压的稳定；
所述的增强低电压穿越期间对电网的无功支撑能力的控制方法，在电网电压跌落期间，通过控制双馈电机的转速使补偿电容器组的频率、电压幅值同步上升，利用电容器组输出无功功率与频率成正比、与电压幅值的平方成正比的特点，大幅提高补偿电容器组对电网的无功功率支撑能力；
所述的一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法，其电网友好型改造装置既可单独接一台恒速风电机组，也可同时接若干台风况接近的恒速风电机组。
所述的一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法，为延长恒速风电机组低电压穿越运行的时间，可在交直交变流器的直流侧增设辅助电源以维持驱动永磁电机所需的直流电容电压。
本发明的优点和积极效果是：
可平滑恒速风电机组注入电网的有功功率、实现恒速风电机组的低电压穿越、增强补偿电容器组的无功功率输出能力，从而提高恒速风电机组的电网友好度，这有助于推动电网中风电渗透率的进一步增加。
附图说明
图1为恒速风电机组电网友好型改造的原理图，其中虚线框所包围的部分为友好型改造装置。
具体实施方式
本发明提供一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法，在恒速风电机组典型拓扑结构的基础上，新增双馈电机、永磁电机、交直交变流器，辅以适当的控制方法，达到平滑输出功率、实现低电压穿越、增强低电压穿越期间无功支撑能力的目标，提高恒速风电机组的电网友好度。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图1对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明在由风力机、齿轮箱、感应发电机、补偿电容器组构成的恒速风电机组典型拓扑结构的基础上，新增一套由双馈电机、永磁电机、交直交变流器构成的电网友好型改造装置。新增装置与恒速风电机组典型拓扑结构原有装置的连接方式如下：双馈电机的转子绕组与感应发电机定子绕组、补偿电容器组连接，双馈电机的定子绕组连接工频电网，双馈电机与永磁电机的转子同轴机械连接，永磁电机由连接到工频电网的交直交变流器驱动。按上述方式接入电网友好型改造装置后，主控系统可通过交直交变流器控制与永磁电机同轴机械连接的双馈电机的转速，从而调节感应发电机定子绕组、补偿电容器组的频率和电压幅值。
如图1所示的恒速风电机组的电网友好型改造装置，其控制方法如下：
1)风电机组注入电网有功功率的平滑控制方法。
风电机组正常发电期间，主控系统根据检测到的风速变化趋势控制双馈电机的转速，从而调节感应发电机定子绕组的频率。
若主控系统检测到风速突增，则提高感应发电机定子绕组的频率，使一部分风能增量转化为风电机组的旋转动能增量，只将剩下的部分风能增量转化为注入电网的有功功率。
若主控系统检测到风速突降，则降低感应发电机定子绕组的频率，使储存在风电机组转子转动惯量中的一部分旋转动能转化为电能，与风能转换所获得的电能一起注入电网。
2)风电机组的低电压穿越控制方法。
主控系统在检测到电网电压跌落故障后，通过控制双馈电机的转速，使感应发电机定子绕组、补偿电容器组的频率和电压幅值同步提高。所述控制方法可获得以下效果：
①感应发电机定子绕组电压幅值的上升，使其电磁转矩增大，有助于减缓感应发电机转速的上升速度。
②感应发电机定子绕组频率的上升，限制了感应发电机的转差率，防止因转差率过大导致的电磁转矩过度衰减、无功消耗急剧增加，避免风电机组的转速和端电压失稳。
③补偿电容器组输出的无功功率与频率成正比、与电压幅值的平方成正比，因此频率、电压幅值的增加将使补偿电容器组输出大量的无功功率支撑电网电压。

Claims (6)

1.一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法，针对由风力机、齿轮箱、感应发电机、补偿电容器组构成的恒速风电机组典型拓扑结构，在上述设备的基础上新增一套由双馈电机、永磁电机、交直交变流器构成的电网友好型改造装置，其特征在于：通过对所述电网友好型改造装置的合理控制，可提高恒速风电机组的电网友好度，具体包括平滑输出功率、实现低电压穿越、增强低电压穿越期间对电网的无功支撑能力。 
2.根据权利要求1所述的电网友好型改造装置，其特征在于：双馈电机的转子绕组与感应发电机定子绕组、补偿电容器组连接，双馈电机的定子绕组连接工频电网，双馈电机与永磁电机的转子同轴机械连接，永磁电机由连接到工频电网的交直交变流器驱动。 
3.根据权利要求1所述的平滑输出功率的控制方法，其特征在于：风电机组正常发电期间，可通过控制双馈电机的转速调节感应发电机定子绕组的频率，在风速突增时提高感应发电机定子绕组的频率使风能增量部分转化为风电机组的旋转动能增量以减少注入到电网的有功功率，在风速突降时降低感应发电机定子绕组的频率使风电机组储存的部分旋转动能转化为电能输出以增加注入到电网的有功功率。 
4.根据权利要求1所述的实现低电压穿越的控制方法，其特征在于：电网电压跌落期间，通过控制双馈电机的转速使感应发电机定子绕组的频率、电压幅值同步上升，一方面利用电压幅值的上升增大感应发电机的电磁力矩以减缓转速上升速度，同时利用频率的上升防止感应发电机的转差率超过临界值，从而避免转差率越限导致的电磁转矩过度衰减和无功消耗急剧增加，维持风电机组转速和端电压的稳定。 
5.根据权利要求1所述的增强低电压穿越期间对电网的无功支撑能力的控制方法，其特征在于：电网电压跌落期间，通过控制双馈电机的转速使补偿电容器组的频率、电压幅值同步上升，利用电容器组输出无功功率与频率成正比、与电压幅值的平方成正比的特点，大幅提高补偿电容器组对电网的无功功率支撑能力。 
6.根据权利要求1所述的一种适用于恒速风电机组的电网友好型改造方法，其特征在于：所述电网友好型改造装置既可单独接一台恒速风电机组，也可同时接若干台风况接近的恒速风电机组。 
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