CN104578150A - 一种双馈型风力发电机组的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双馈型风力发电机组的控制方法，属于风力发电领域，以简便易行的方法实现了双馈型风力发电机组的高压穿越能力。该双馈型风力发电机组的控制方法包括：实时检测电网电压；当检测到电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，控制所述双馈型风力发电机组的网侧变流器吸收电网的无功功率，并且重启机侧变流器。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体地说，涉及一种双馈型风力发电机组的控制方法。
背景技术
风力发电作为一种无污染、利用可再生资源的环保型发电方式，成为最具发展潜力的可再生能源技术之一，已成为世界各国竞相发展的热点和重点，市场前景广阔。
随着风力发电机组装机容量的快速提升，其占全球总发电量的比重也越来越大。为了应对风力发电机组的大规模并网对电网造成的负面影响，世界各国电网公司也相继出台了严格的风力发电场接入技术规定，包括对风力发电机组的高电压穿越能力(How Voltage Ride-Through，简称HVRT)的要求。高电压穿越能力，意味着电网电压突然升高时，风力发电机组能够不离网运行，并能够吸收电网的一部分无功功率，抑制电网电压的进一步升高。
发明人发现，现有技术在电网电压突然升高时，需要利用直流母线斩波电路进行动态调节，导致双馈型风力发电机组的成本增高，并且增大了双馈型风力发电机组的控制难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双馈型风力发电机组的控制方法，以简便易行的方法实现了双馈型风力发电机组的高压穿越能力。
本发明提供了一种双馈型风力发电机组的控制方法，该方法包括：
实时检测电网电压；
当检测到电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，控制所述双馈型风力发电机组的网侧变流器吸收电网的无功功率，并且重启机侧变流器。
其中，所述当检测到电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，重启机侧变流器包括：
实时检测转子电流或直流母线电压；
当检测到转子电流或直流母线电压因电网电压过高而升高至预设保护值时，断开所述机侧变流器，利用撬棒电路释放所述双馈型风力发电机组的转子绕组的暂态冲击电流，之后重启所述双馈型风力发电机组的机侧变流器。
其中，当电网电压不对称升高时，利用转子电压的d轴和q轴分量，作为所述机侧变流器重启时转子电流PI调节器输出的指令电压的前馈补偿项。
其中，所述转子电流的预设保护值为1500A，所述直流母线电压的预设保护值为1300V。
其中，所述方法还包括：
检测所述网侧变流器的电流；
当所述网侧变流器出现过电流时，重启所述网侧变流器。
其中，当所述网侧变流器的重启次数大于预设值时，断开所述网侧变流器。
其中，所述预设值为20。
本发明带来了以下有益效果：在本发明实施例中，为了以简便易行的方法实现了双馈型风力发电机组的高压穿越能力，本发明实施例提供了一种双馈型风力发电机组的控制方法，仅需要在电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，控制双馈型风力发电机组的网侧变流器吸收电网的无功功率，并且重启机侧变流器，即可使得该双馈型风力发电机组具有高压穿越能力，操作简单。并且整个双馈型风力发电机组的结构简单，元器件少，无需对现有的双馈型风力发电机组增加硬件、进行硬件上的改造，使用成本低。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是本发明实施例提供的双馈型风力发电机组的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的双馈型风力发电机组的控制方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的机侧变流器的控制原理图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明实施例提供了一种双馈型风力发电机组的控制方法，如图1所示，该双馈型风力发电机组包括风机系统、双馈发电机(Double Fed Induction Generator，简称DFIG)、撬棒(Crowbar)电路、机侧变流器、网侧变流器、无功补偿电容、滤波器、风机箱变等结构。
双馈发电机的转子轴连接风机系统，定子绕组直接连接至电网，转子绕组则通过机侧变流器与网侧变流器连接电网。其中网侧变流器优选为四象限整流器。网侧变流器的输出端并联RC滤波器或串联LC滤波器，以减少网侧变流器输出的电流的纹波；机侧变流器的输出端并联撬棒电路，无功补偿电容可滤除机侧变流器输出电流的高频分量，双馈发电机通过风机箱变实现与电网的连接。
该双馈型风力发电机组的并网过程大致如下：首先通过风机箱变将电网连接上该双馈型风力发电机组，通过整流桥对网侧变流器的直流环节充电，充电完毕后启动网侧变流器。同时，待滤波器的端口电压与电网电压相位幅值相同时，闭合网侧接触器K1，完成网侧变流器并网；网侧变流器并网后，启动机侧变流器，开始对双馈发电机的转子绕组励磁，并使得双馈发电机的定子端口电压与电网电压频率、幅值、相位相同。最后闭合定子接触器K2，双馈型风力发电机组并网完成。
如图2所示，为了实现该双馈型风力发电机组的高压穿越能力，该双馈型风力发电机组的控制方法包括：
步骤S101、实时检测电网电压。
步骤S102、当检测到电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，控制所述双馈型风力发电机组的网侧变流器吸收电网的无功功率，并且重启机侧变流器。
电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，为了防止因电网电压过高导致网侧变流器出现调制度饱和，进而造成网侧变流器失控，可采用控制网侧变流器吸收电网的无功功率的方式，即令网侧变流器的无功指令值根据电网电压的升高而发生一定斜率的增大。同时网侧变流器的有功指令值保持不变，即维持直流母线电压恒定。
从而，可保证在双馈型风力发电机组的运行过程中，网侧滤波电感L1上的电压与电网电压的矢量和的峰值小于直流母线电压的实际值，即小于网侧变流器中间支撑电容上的电压，从而保证调制度不饱和，使得网侧变流器可控。
另外，对于机侧变流器而言，电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，需要将其进行重启。在重启过程中，需要实时检测转子电流或直流母线电压，并根据转子电流以及直流母线电压的大小投入或切出撬棒电路。
具体的，当检测到由电网电压过高而引起的转子电流快速增大到预设保护值1500A、或直流母线电压达到预设保护值1300V时，通过封锁该机侧变流器中的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)脉冲的方式断开机侧变流器，并投入位于双馈发电机转子侧的撬棒电路。利用撬棒电路中的吸收电阻，迅速衰减双馈发电机磁链中的直流分量，释放双馈发电机的转子绕组的暂态冲击电流，以实现能量泄放。其中，本发明实施例中将撬棒电路的投入时间设置为10ms。即意味着在本发明实施例中，投入撬棒电路10ms后，立即重新启动机侧变流器，恢复对机侧变流器的控制。并且，在转子电流或直流母线电压进入可控范围(即转子电流或直流母线电压衰减至额定值甚至以下)时，切出撬棒电路，机侧变流器恢复控制。
撬棒电路是一种过电压保护电路，这种电路的设计思想是当其自身的电源电压超过预定值时，将电源短路掉，通过短路将电源电压拉下。在本发明实施例中，所使用的撬棒电路优选为有源撬棒电路。
在重启机侧变流器的过程中，如果电网电压对称升高，由于双馈发电机的转子绕组中的暂态冲击电流中没有负序分量，则机侧变流器能重启成功，从而实现双馈发电机的有效控制。
而如果电网电压不对称升高，将导致双馈发电机的转子绕组中的暂态冲击电流产生负序分量，机侧变流器重启时，机侧变流器内的电流会出现二次冲击过流值。如果这个二次冲击过流值达到机侧变流器的故障电流值，将使得机侧变流器出现过流停机的问题，进而导致该双馈型风力发电机组的高电压穿越能力失效。
在本发明实施例中，为了防止上述问题的出现，如图3所示，运用了转子电压补偿的方法。
如图3所示，在本发明实施例中，根据实时监测到的电网电压ulabc，通过锁相回路或锁相环(Phase Locked Loop，简称PLL)计算得到电网的电角度θ1或利用PLL输出的电网电压ulabc的q轴分量ulq、结合ulq的参考量(ulq_ref通常设为0)、经过比例调节和积分调节(Proportional Integral，简称PI)调节器和积分器I得到电角度θ1。同时速度编码器可根据检测得到的双馈发电机M的转子的电角度θω结合得到的电角度θ1计算得到转子电流同步旋转的角度θr。进而利用θr和转子电压urabc，经过两相同步d轴、q轴坐标系到三相静止a轴、b轴、c轴坐标系的PARKE变换矩阵得到urabc的d轴、q轴分量，分别为urd、urq。类似的，可计算得到转子电流irabc的d轴、q轴分量，分别为ird、irq。
其中，ird、irq作为电流环的反馈值，分别结合ird *、irq *经过PI调节器输出指令电压urd *、urq *。而机侧变流器的转子电压urabc的d轴、q轴分量urd、urq将分别作为机侧变流器重启时、PI调节器输出的指令电压urd *、urq *的前馈补偿项。之后结合θr、通过三相静止a轴、b轴、c轴坐标系到两相同步d轴、q轴坐标系的PARKE变换矩阵、经过脉冲产生单元(Pulse Width Modulation，简称PWM)作用于机侧变流器，以抵消机侧变流器重启时转子电压urabc对机侧变流器的影响。从而降低了双馈型风力发电机组的机侧变流器出现二次冲击过流值的可能性，提高了机侧变流器的快速控制能力，增强了双馈风力发电机组的高电压穿越能力，同时也有效提高了机侧变流器的使用寿命。
进一步的，在本发明实施例中，还需要实时检测网侧变流器的电流，如果网侧变流器出现过流问题，网侧变流器也采取重新启动的控制方法，来维持直流母线电压的恒定。但是，如果重启次数大于预设值(例如20)，说明此时风力过猛，继续工作将可能对整个双馈型风力发电机组带来不可修复的损坏。则此时通过封锁网侧变流器的IGBT的脉冲，停止网侧变流器的工作，等待电网电压恢复至正常的额定值。当电网电压恢复至额定值，网侧变流器重新发出脉冲，从而整个双馈型风力发电机组可回复到正常工作状态。
需要说明的是，如图1所示，该双馈型风力发电机组中，还包括整机控制器。该整机控制器是双馈型风力发电机组的核心。在本发明实施例中，网侧变流器和机侧变流器等部件的操作受控于该整机控制器，整机控制器与网侧变流器、机侧变流器之间可通过控制器局域网(Controller Area Network，简称CAN)总线进行通信。
综上，在本发明实施例中，为了以简便易行的方法实现了双馈型风力发电机组的高压穿越能力，本发明实施例提供了一种双馈型风力发电机组的控制方法，仅需要在电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，控制所述双馈型风力发电机组的网侧变流器吸收电网的无功功率，并且重启机侧变流器，即可使得该双馈型风力发电机组具有高压穿越能力，操作简单。并且整个双馈型风力发电机组的结构简单，元器件少，无需对现有的双馈型风力发电机组增加硬件、进行硬件上的改造，使用成本低。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种双馈型风力发电机组的控制方法，其特征在于，包括：
实时检测电网电压；
当检测到电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，控制所述双馈型风力发电机组的网侧变流器吸收电网的无功功率，并且重启机侧变流器。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述当检测到电网电压为额定电压的1.1至1.3倍时，重启机侧变流器包括：
实时检测转子电流或直流母线电压；
当检测到转子电流或直流母线电压因电网电压过高而升高至预设保护值时，断开所述机侧变流器，利用撬棒电路释放所述双馈型风力发电机组的转子绕组的暂态冲击电流，之后重启所述双馈型风力发电机组的机侧变流器。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当电网电压不对称升高时，利用转子电压的d轴和q轴分量，作为所述机侧变流器重启时转子电流PI调节器输出的指令电压的前馈补偿项。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，
所述转子电流的预设保护值为1500A，所述直流母线电压的预设保护值为1300V。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：
检测所述网侧变流器的电流；
当所述网侧变流器出现过电流时，重启所述网侧变流器。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，
当所述网侧变流器的重启次数大于预设值时，断开所述网侧变流器。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述预设值为20。
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