CN104242347A - 一种风电变流器的高电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电变流器的高电压穿越方法，风电变流器包括直流母线电压泄放电路；直流母线电压泄放电路包括IGBT、直流泄荷电阻，IGBT与直流泄荷电阻串联后连接在变流器两端。当电网电压高于额定电压的设定倍数时，进入高电压穿越状态，网侧变流器增加无功输出，实现高电压穿越的暂态过渡过程，可以实现在1.1-1.3pu电网电压下机组的不脱网运行。同时通过正负序电流控制实现变流器有功功率波动的抑制，直流母线电压泄放电路进行电能释放，有效的抑制并网有功功率和直流母线电压由于电网电动势不平衡造成的波动。

Description

一种风电变流器的高电压穿越方法

技术领域

本发明涉及一种风电变流器的高电压穿越方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

目前风力发电系统主要有恒速恒频发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。因恒速恒频发电系统只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低，应用越来越少；而变速恒频风力发电系统越来越得到广泛的应用。变速恒频风力发电系统一般采用双馈电机或永磁同步电机作为发电机，采用永磁同步电机作为发电机的直驱型风机可以省去双馈型风机的增速齿轮箱，减少发电机的体积和重量，同时也可以降低噪声和维护费用，因而得到越来越广泛的应用。随着大规模的海上风电和陆上风电的发展，大规模的风电接入电网，因为风电系统的波动性的特点，给电力系统带来很多问题，如：电压波动、功率不平衡、谐波含量大等现象，给电力系统的稳定运行埋下隐患。

基于安全稳定运行和控制保护要求，很多国家制定了新的并网技术规定，近年来，高电压穿越已经越来越被重视，国外如美国、加拿大、澳大利亚、爱尔兰、丹麦等已经制定了详细的HVRT标准规范和技术要求。中国国家标准中，明确规定了低电压穿越(LVRT)的相关标准，高电压穿越(HVRT)的相关标准暂未正式出台。

当电网电压发生故障骤升时，如果不加以控制，可能会造成变流器和风电机组的损坏，同时也可能对电网产生功率冲击，造成电力系统的暂态不稳定，严重时可能导致局部甚至系统瘫痪，危害电网中其他设备甚至造成更严重的损失。因此，并网型风力发电设备的故障穿越能力十分重要，当电网故障或者扰动引起风电场并网点的电压升高时，风电机组能够不间断的并网运行，在必要的时候还需要对电网提供无功功率的支持，完成电网电压骤升到恢复正常过程的故障穿越。

实际运行的风电场中，很对因素可能导致电网电压的骤升，例如：单相对地故障、风电场负载的突然切除、大的电容补偿器的投入等等。直驱风电变流器的网侧直接与电网相连，当电网电压骤升时，电网侧功率无法送出，功率由电网侧流入变流器，导致直流母线电压快速升高，导致系统故障停机，严重情况下可能因为过电压毁坏功率器件IGBT。

并且在完成电网电压骤升到恢复正常过程的故障穿越之后，有功功率和直流母线电压由于电网电动势不平衡会造成波动，但是现有技术中并没有有效地防止此类波动的措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电变流器的高电压穿越方法，用以解决高电压穿越后，并网有功功率和直流母线电压由于电网电动势不平衡造成的波动的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种风电变流器的高电压穿越方法，风电变流器包括机侧变流器、网侧变流器、直流母线电压泄放电路，直流母线电压泄放电路包括IGBT、直流泄荷电阻，IGBT与直流泄荷电阻串联后连接在直流母线电压两端；当电网电压高于额定电压的设定倍数时，网侧变流器增加无功输出，直流母线电压泄放电路进行电能释放；并且触发正负序电流控制：电网电流在正负同步旋转坐标系下进行解耦，得到正、负序电流分量，负序电流分量给定为零，负序电流分量经过PI调节器输出得到控制负序电流的调制电压，正序电流分量经过PI调节器输出得到控制正序电流的调制电压，控制正序电流的调制电压与控制负序电流的调制电压叠加并进行调制，完成正负序电流控制。

触发正负序电流控制的步骤具体为：

(1)、d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压值u_d+，q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值i_q+相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压值u_q+，d轴正序直流电压信号u_d+与q轴正序直流电压信号u_q+进行dq坐标到αβ坐标变换得到αβ坐标系下正序输出u^* _αβ+。

(2)、d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值i_d-相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压值u_d-，q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值i_q-相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压值u_q-，d轴负序直流电压信号u_d-与q轴负序直流电压信号u_q-进行dq坐标到αβ坐标变换得到αβ坐标系下正序输出u^* _αβ-。

(3)、设定d轴负序直流电流给定值和q轴负序直流电流给定值为零，正序输出u^* _αβ+与负序输出u^* _αβ-叠加得到调制信号u^* _{α_total}和u^* _{β_total}，然后进行SVPWM调制。

网侧变流器改变无功电流来增加无功输出。

直流母线电压泄放电路还包括二极管，二极管与IGBT反向并联后与直流泄荷电阻串联。

本发明提供一种风电变流器的高电压穿越方法，有效降低了当电网电压骤升时，系统故障停机，严重时烧坏功率器件IGBT的问题；并且是在已有的低电压穿越的硬件基础上进行的，不需要增加额外的成本就可以实现高电压穿越，避免了对现有正在运行于风场的直驱风力发电机组的硬件改造，节约了成本，提高了高压穿越改造进行的可行性。

更重要的是：采用正负序双同步旋转坐标系控制，将电网电流在正负同步旋转坐标系下进行解耦，得到正、负序电流分量，将负序电流分量给定为零，正、负序电流分量分别经过PI调节器输出得到控制负序电流的调制电压和控制正序电流的调制电压，两者叠加并进行调制。使得负序电流得到良好的控制，而且有效的抑制并网有功功率和直流母线电压由于电网电动势不平衡造成的波动。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为高电压穿越方法流程图；

图3为变流器正负序控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，图1为本发明系统结构图，风电变流器包括网侧变流器GSC、机侧变流器LSC、直流母线电压泄放电路DBR，直流母线电压泄放电路DBR包括IGBT、直流泄荷电阻R、二极管，二极管与IGBT反向并联后与直流泄荷电阻R串联。

实时监测风力发电机组的电网电压，当检测到的电网电压为额定电压的设定倍数时，这里以1.1倍为例。当检测到的电网电压为额定电压的1.1倍时，变流器进入高电压穿越控制状态，网侧变流器通过改变无功电流增加无功输出，无功电流计算公式为I_q＝k*(M_Ug-1)，式中M_Ug为电网电压标幺值幅值，k需要根据变流器功率等级的实际情况确定。然后通过提高变流器无功电流来调节电网电压，电网电压U_g，变流器交流侧电压U_s、电抗器电压U_L三者形成矢量三角形。当电网电压U_g增加时，由于U_s有限定值不能跳变，需要调节电抗器电流I_L，增大U_L，达到新的平衡状态，实现了通过提高变流器无功电流来调节电网电压的目的。

网侧变流器计算控制所需的调制度，当计算得到的调制度大于设定值时，网侧变流器增加无功电流输出用以减小调制度，使得网侧调制度运行在设定值之下。

同时通过直流母线电压泄放电路DBR中的直流泄荷电阻R配合完成高电压穿越过程，变流器实时检测直流母线电压值，直流母线电压升高至设定触发开关器件IGBT导通的限制值时，变流器进入高电压穿越状态，触发开关器件IGBT导通，此时直流母线电压泄放电路DBR与两端加载的直流母线电压就形成了一个回路，直流泄荷电阻R就消耗掉高于限定值电压的那部分电能，保持母线电压不超过直流母线电压保护值。

通过网侧变流器GSC和直流母线电压泄放电路DBR的配合，即网侧变流器GSC增加无功输出，直流母线电压泄放电路DBR进行电能释放，电网电压很快恢复正常。当电网电压恢复为正常值范围内时，网侧变流器恢复正常控制，减小无功输出，直至为零，进行网侧稳压控制；由于此时母线电压低于设定的限制值，直流母线电压泄放电路的开关器件IGBT关断，切断直流泄荷电阻R。实现了高电压穿越的暂态过渡过程，可以满足在1.1-1.3pu电网电压下机组的不脱网运行。

图2为本发明风电变流器的高电压穿越方法流程图。

在完成电网电压骤升到恢复正常过程的故障穿越之后，有功功率和直流母线电压由于电网电动势不平衡会造成波动。本发明提供了一种有效地消除此类波动的方法。

如图3所示，变流器检测到电网电压不平衡状态时，立即触发正负序电流控制，将电网电流在正负同步旋转坐标系下进行解耦，得到正负序电流分量，将负序电流指令给定为零，经过PI调节器输出可以得到控制负序电流的调制电压，与控制正序电流的调制电压叠加，通过空间矢量调制实现网侧变流器的正负序控制，实现抑制并网有功功率和直流母线电压由于电网电动势不平衡造成的波动的效果。具体如下：

d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值i_d+相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压值u_d+，q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值i_q+相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压值u_q+，d轴正序直流电压信号u_d+与q轴正序直流电压信号u_q+进行dq坐标到αβ坐标变换得到αβ坐标系下正序输出u^* _αβ+。

d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值i_d-相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压值u_d-，q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值i_q-相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压值u_q-，d轴负序直流电压信号u_d-与q轴负序直流电压信号u_q-进行dq坐标到αβ坐标变换得到αβ坐标系下正序输出u^* _αβ-。

设定d轴负序直流电流给定值和q轴负序直流电流给定值为零，正序输出u^* _αβ+与负序输出u^* _αβ-直接叠加得到调制信号u^* _{α_total}和u^* _{β_total}，然后进行SVPWM调制。网侧变流器的正负序控制，实现抑制并网有功功率和直流母线电压由于电网电动势不平衡造成的波动的效果。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风电变流器的高电压穿越方法，其特征在于，风电变流器包括机侧变流器、网侧变流器、直流母线电压泄放电路，直流母线电压泄放电路包括IGBT、直流泄荷电阻，IGBT与直流泄荷电阻串联后连接在直流母线电压两端；当电网电压高于额定电压的设定倍数时，网侧变流器增加无功输出，直流母线电压泄放电路进行电能释放；并且触发正负序电流控制：电网电流在正负同步旋转坐标系下进行解耦，得到正、负序电流分量，负序电流分量给定为零，负序电流分量经过PI调节器输出得到控制负序电流的调制电压，正序电流分量经过PI调节器输出得到控制正序电流的调制电压，控制正序电流的调制电压与控制负序电流的调制电压叠加并进行调制，完成正负序电流控制。

2.根据权利要求1所述的风电变流器的高电压穿越方法，其特征在于，所述触发正负序电流控制的步骤具体为：

(1)、d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值(i_d+)相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压值(u_d+)，q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值(i_q+)相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压值(u_q+)，d轴正序直流电压信号(u_d+)与q轴正序直流电压信号(u_q+)进行dq坐标到αβ坐标变换得到αβ坐标系下正序输出(u^* _αβ+)；

(2)、d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值(i_d-)相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压值(u_d-)，q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值(i_q-)相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压值(u_q-)，d轴负序直流电压信号(u_d-)与q轴负序直流电压信号(u_q-)进行dq坐标到αβ坐标变换得到αβ坐标系下正序输出(u^* _αβ-)；

(3)、设定d轴负序直流电流给定值和q轴负序直流电流给定值为零，正序输出(u^* _αβ+)与负序输出(u^* _αβ-)叠加得到调制信号(u^* _{α_total})和(u^* _{β_total})，然后进行SVPWM调制。

3.根据权利要求1或2所述的风电变流器的高电压穿越方法，其特征在于，所述网侧变流器改变无功电流来增加无功输出。

4.根据权利要求3所述的风电变流器的高电压穿越方法，其特征在于，所述直流母线电压泄放电路还包括二极管，二极管与IGBT反向并联后与直流泄荷电阻串联。