CN105048519A - 直驱风力发电机频率穿越方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种直驱风力发电机频率穿越方法和装置，方法包括：实时检测电网的频率；若电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值；利用电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值，给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。本发明的技术方案实现了在电网频率出现异常时，控制风电机组向电网提供有力的有功功率支撑，完成风电机组的频率穿越过程。

Description

直驱风力发电机频率穿越方法和装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种直驱风力发电机频率穿越方法和装置。

背景技术

随着风电装机容量的增加，尤其是风电的大规模集中接入电网，极大改变了风电在电力系统中的作用和地位。风电与电网的相互影响已变得不容忽略，在电网故障情况下的风力发电设备的响应特性及其对电网的影响更是不可忽视。

在实际电力系统运行实践中，电网故障会导致风电场并网点电压和频率发生变化。其中,针对频率的变化的影响存在如下两种情况：

在电力系统运行过程中，若某一个大电源突然退出运行，则会导致电网频率的急剧下降；若某一个大负荷突然退出运行，则会导致电网频率的急剧上升。

对于直驱风电机组而言，因变桨系统只在风速大于额定风速时才开始工作(用于叶轮转速和输出功率的限制)，因此直驱风电机组的变桨系统很难在电网频率突然异常时向电网提供有力的有功功率支撑。

发明内容

本发明的实施例提供一种直驱风力发电机频率穿越方法和装置，以实现在电网频率出现异常时，控制风电机组向电网提供有力的有功功率支撑，完成风电机组的频率穿越过程。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种直驱风力发电机频率穿越方法，包括：

实时检测电网的频率；

若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值；

利用所述电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值，给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

本发明的实施例还提供了一种直驱风力发电机频率穿越装置，包括：

频率检测模块，用于实时检测电网的频率；

修正值计算模块，用于若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值；

修正控制模块，用于利用所述电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值，给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

本发明实施例提供的直驱风力发电机频率穿越方法和装置，通过在电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值时，运用预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值来对电磁转矩修正值进行修正，从而借助调控电磁转矩给定值，来间接调控发电机输出至电网的有功功率、发电机转速，最终达到调节电网的频率的功能，实现发电机组进行频率穿越过程中，主动支撑和改变电网的频率，从而提高发电机组的频率穿越能力。

附图说明

图1为现有技术中直驱风力发电机主回路拓扑图；

图2为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越方法一个实施例的方法流程图；

图3为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越方法另一个实施例的方法流程图；

图4为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越方法又一个实施例的方法流程图；

图5为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越装置一个实施例的结构示意图；

图6为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越装置另一个实施例的结构示意图。

附图标号说明

1-风力发电机、21-机侧变流器、22-网侧变流器、3-电网、C-直流母线支撑电容、R-制动电阻、L_ac-网侧滤波电感、501-频率检测模块、502-修正值计算模块、503-修正控制模块、5021-第一计算单元、5022-第二计算单元、5023-第三计算单元、5031-第一修正单元、5032-第二修正单元、5033-控制单元。

具体实施方式

直驱风力发电机(简称“发电机”)主回路拓扑如图1所示。从图1可知，风力发电机1经过AC-DC-AC全功率变流器(包括机侧变流器21和网侧变流器22)与电网3相连，L_ac为网侧滤波电感、C为直流母线支撑电容、R为制动电阻。发电机输出侧与风电机组电网侧已被“频率/电压解耦”，但是永磁同步发电机输出侧与直驱风电机组电网侧并非“有功功率解耦”，机侧变流器21的电磁转矩控制特性直接影响到直驱风电机组整机的总出力。

在电力系统中，频率的变化与电力系统的有功功率平衡之间有着密切的关系。因为频率与发电机的转速之间存在线性关系。而转速的变化取决于作用在发电机转子上的驱动转矩与制动转矩的平衡，而转矩的平衡受发电机输入机械功率与输出电磁功率的平衡关系的影响。发电机输入的功率减去励磁损耗和各种附加损的差值，如果发电机输入功率能与发电机输出的电磁功率严格的保持平衡，则发电机的转速就恒定不变，系统的频率就保持恒定不变。

本发明的实施例的技术方案原理，是基于上述电网频率、发电机转速、发电机有功功率等参数之间的平衡对应关系，在电网频率出现异常时，通过调节发电机组的给定电磁转矩，从而达到支撑电网频率，实现频率穿越的目的。

实施例一

图2为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越方法一个实施例的方法流程图，该方法的执行主体可以为风力发电机组的机侧变流器的控制器。如图2所示，该直驱风力发电机频率穿越方法具体包括：

S201，实时检测电网的频率。

S202，若电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值。

根据表1中，国标GB/T19963-2011关于风电运行频率适应性的技术要求所示：在电力系统频率处于49.5Hz～50.2Hz，风电机组为正常连续运行，而当小于49.5Hz或大于50.2Hz时要求风电机组具有运行固定时间段的能力。该固定时间段即为频率穿越持续时间。

表1国标GB/T19963-2011关于风电运行频率适应性的技术要求

本方案中，将50.2Hz作为频率控制死区的上限阀值，将49.5Hz作为频率控制死区的下限阀值，但不以此为限。当电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则表征当前接入电网的风电机组需要进行频率穿越，即参考当前电网所处的频率范围，连续运行频率穿越持续时间所规定的时长。

为改善风电机组从原有被动适应电网的异常频率，到主动支撑改善电网的异常频率恢复正常，本实施例，在风电机组进行频率穿越过程中，通过对预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值；从而利用电磁转矩修正值修正原有给定电磁转矩，间接改变输入电网的有功功率，达到改善异常电网频率的目的。

其中，所述功率调节需求值即为需要改变的输入电网的有功功率值，具体是增大改变，还是减少改变，要看需要改变有功功率的大小方向而定。

S203，利用电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值，给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

由于需要改变的输入电网的有功功率是通过电磁转矩修正值实现的。当注入至电网的有功功率发生改变时，相应的通过风电机组发电机的惯性响应控制，也会影响到电网的频率，从而实现对电网的频率实现支撑调节的作用。

本发明实施例提供的直驱风力发电机频率穿越方法，通过在电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值时，根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值来对电磁转矩修正值进行修正，从而借助调控电磁转矩给定值，来间接调控发电机输出至电网的有功功率、发电机转速，最终达到调节电网的频率的功能，实现发电机组进行频率穿越过程中，主动支撑和改变电网的频率，从而提高发电机组的频率穿越能力。

实施例二

图3为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越方法另一个实施例的方法流程图。是如图2所示实施例的一种具体实现方式。与图2所示实施例相比，图3所示实施例中，针对步骤S202和S203均进行了细化。

具体地，针对步骤S202，本实施例示出了基于风电机组的惯性响应控制特性，根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值的具体方式，对应步骤包括：S2021～S2023。

S2021，根据公式(1)得到发电机的传动链惯性能量变换量ΔE。

$\mathrm{\Δ}P-\frac{\mathrm{\Δ}E}{\mathrm{\Δ}t}\mathrm{...}\left(1\right)$

S2022，根据公式(2)得到发电机的机械角速度变化量Δω_m。

$\mathrm{\Δ}E=\frac{1}{2}J(2{\mathrm{\ω}}_{m0}{\mathrm{\Δ\ω}}_m+{{\mathrm{\Δ\ω}}_m}^2)\mathrm{...}\left(2\right)$

S2023，根据公式(3)得到发电机的电磁转矩修正值ΔT。

$\mathrm{\Δ}T=\frac{\mathrm{\Δ}P}{{\mathrm{\Δ\ω}}_e}\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，Δt为频率穿越持续时间，ΔP为功率调节需求值，J为发电机转动惯量，ω_m0为发电机的初始机械角速度，Δω_e为与Δω_m对应的电角速度变化量。

针对步骤S202的细化内容，本实施例的思想是将要调节的有功功率转化为储存在发电机组传动系的惯性能量ΔE，然后利用ΔE与发电机转速变化量即Δω_m的关系求解出Δω_m，最后利用Δω_m以及需要改变的有功功率变化量即ΔP求解出发电机的电磁转矩修正值。

在此基础上，针对步骤S203，本实施例示出了利用电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值的具体方式，对应步骤包括：S2031～S2033。

S2031，若电网的频率为大于频率控制死区的上限阀值，则将待修正的电磁转矩给定值减去电磁转矩修正值得到的差值作为最终的电磁转矩给定值。

S2032，若电网的频率为小于频率控制死区的下限阀值，则将待修正的电磁转矩给定值与电磁转矩修正值的和值作为最终的电磁转矩给定值。

此时，电磁转矩修正值取正值。当电网的频率为大于频率控制死区的上限阀值时，则需要降低电网的频率，对应方法为降低注入至电网的有功功率，减小发电机电磁转矩给定值；当电网的频率为小于频率控制死区的下限阀值时，则需要提高电网的频率，对应方法为提高注入至电网的有功功率，增大发电机电磁转矩给定值。

S2033，将最终的电磁转矩给定值给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

进一步地，在获取到电磁转矩修正值ΔT后，还可对ΔT进行带通滤波处理，得到更为平滑的ΔT。

本实施例所述直驱风力发电机频率穿越方法可通过如图4所示的方法流程图实现。具体地，如图4所示，根据监测的电网频率、预置的频率控制死区的上、下限阀值，以及预设的频率穿越持续时间、对应的功率调节需求值和发电机的转速ω(包含机械角速度和电角速度)进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值，该电磁转矩修正值通过带通滤波处理，得到最终的电磁转矩修正值ΔT；最后，在风电机组的转矩控制中，利用电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值T_ref，给定至永磁直驱风电机组的机侧变流器的控制器以输出用于发电机转矩控制的风电机组输出参数，从而进行转矩控制，间接达到电网的频率的调节。

本发明实施例提供的直驱风力发电机频率穿越方法，在图2所示方法实施例的基础上，进一步示出了计算获取电磁转矩修正值ΔT，以及利用ΔT对发电机原有给定电磁转矩进行修正的具体实现方式，更加细化和规范了本方案的内容，提供了可行的实现方案。

实施例三

图5为本发明提供的直驱风力发电机频率穿越装置，可用于实现图2所示实施例的方法步骤。如图5所示，该直驱风力发电机频率穿越装置包括：频率检测模块501，修正值计算模块502、和修正控制模块503。

频率检测模块501，用于实时检测电网的频率；

修正值计算模块502，用于若电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值；

修正控制模块503，用于利用电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值，给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

在此基础上，上述频率控制死区的上限阀值可为50.2Hz、下限阀值可为49.5Hz，但不以此为限。

如图6所示，上述直驱风力发电机频率穿越装置中，修正值计算模块502包括：

第一计算单元5021，用于根据得到发电机的传动链惯性能量变换量ΔE；

第二计算单元5022，用于根据得到发电机的机械角速度变化量Δω_m；

第三计算单元5023，用于根据得到发电机的电磁转矩修正值ΔT；

其中，Δt为频率穿越持续时间，ΔP为功率调节需求值，J为发电机转动惯量，ω_m0为发电机的初始机械角速度，Δω_e为与Δω_m对应的电角速度变化量。

进一步地，上述修正控制模块503还可包括：

第一修正单元5031，用于若电网的频率为大于频率控制死区的上限阀值，则将待修正的电磁转矩给定值减去电磁转矩修正值得到的差值作为最终的电磁转矩给定值；第二修正单元5032，用于若电网的频率为小于频率控制死区的下限阀值，则将待修正的电磁转矩给定值与电磁转矩修正值的和值作为最终的电磁转矩给定值；控制单元5033，用于将最终的电磁转矩给定值给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

进一步地，上述直驱风力发电机频率穿越装置中还包括：

滤波模块，用于对得到的发电机的电磁转矩修正值ΔT进行带通滤波处理。

上述图3所示方法实施例可通过如图6所示直驱风力发电机频率穿越装置执行完成，在此对方法原理不做赘述。

本发明实施例提供的直驱风力发电机频率穿越装置，通过在电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值时，运用预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值来对电磁转矩修正值进行修正，从而借助调控电磁转矩给定值，来间接调控发电机输出至电网的有功功率、发电机转速，最终达到调节电网的频率的功能，实现发电机组进行频率穿越过程中，主动支撑和改变电网的频率，从而提高发电机组的频率穿越能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种直驱风力发电机频率穿越方法，其特征在于，包括：

实时检测电网的频率；

若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值；

利用所述电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值，给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率控制死区的上限阀值为50.2Hz、下限阀值为49.5Hz。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值包括：

根据得到发电机的传动链惯性能量变换量ΔE；

根据得到发电机的机械角速度变化量Δω_m；

根据得到发电机的电磁转矩修正值ΔT；

其中，所述Δt为所述频率穿越持续时间，所述ΔP为所述功率调节需求值，所述J为发电机转动惯量，所述ω_m0为发电机的初始机械角速度，所述Δω_e为与所述Δω_m对应的电角速度变化量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用所述电磁转矩修正值对发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值包括：

若所述电网的频率为大于所述频率控制死区的上限阀值，则将所述待修正的电磁转矩给定值减去所述电磁转矩修正值得到的差值作为所述最终的电磁转矩给定值；

若所述电网的频率为小于所述频率控制死区的下限阀值，则将所述待修正的电磁转矩给定值与所述电磁转矩修正值的和值作为所述最终的电磁转矩给定值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对得到的所述发电机的电磁转矩修正值ΔT进行带通滤波处理。

6.一种直驱风力发电机频率穿越装置，其特征在于，包括：

频率检测模块，用于实时检测电网的频率；

修正值计算模块，用于若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阀值，则根据预设的频率穿越持续时间及对应的功率调节需求值进行惯性响应控制计算，得到发电机的电磁转矩修正值；

修正控制模块，用于利用所述电磁转矩修正值对待修正的发电机的电磁转矩给定值进行修正，得到最终的电磁转矩给定值，给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述频率控制死区的上限阀值为50.2Hz、下限阀值为49.5Hz。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述修正值计算模块包括：

第一计算单元，用于根据得到发电机的传动链惯性能量变换量ΔE；

第二计算单元，用于根据得到发电机的机械角速度变化量Δω_m；

第三计算单元，用于根据得到发电机的电磁转矩修正值ΔT；

其中，所述Δt为所述频率穿越持续时间，所述ΔP为所述功率调节需求值，所述J为发电机转动惯量，所述ω_m0为发电机的初始机械角速度，所述Δω_e为与所述Δω_m对应的电角速度变化量。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述修正控制模块包括：

第一修正单元，用于若所述电网的频率为大于所述频率控制死区的上限阀值，则将所述待修正的电磁转矩给定值减去所述电磁转矩修正值得到的差值作为所述最终的电磁转矩给定值；

第二修正单元，用于若所述电网的频率为小于所述频率控制死区的下限阀值，则将所述待修正的电磁转矩给定值与所述电磁转矩修正值的和值作为所述最终的电磁转矩给定值；

控制单元，用于将所述最终的电磁转矩给定值给定至机侧变流器的控制器以进行转矩控制。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

滤波模块，用于对得到的所述发电机的电磁转矩修正值ΔT进行带通滤波处理。