CN105098833A - 用于微电网的异步恒速风电机组系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微电网的异步恒速风电机组系统及其工作方法，该系统包括依次连接的风轮、齿轮箱和异步发电机，所述用于微电网的异步恒速风电机组系统还包括风电侧断路器，其一端与异步恒速风电机组的定子侧相连，另一端与隔离变压器相连；所述隔离变压器与交直交变流器相连，所述交直交变流器通过电网侧断路器连接至风电机组箱变；所述风电机组箱变连接至交流母线上，交流母线与电网之间还设置有并网断路器。本发明平抑了风电功率波动，维持了微电网运行时功率平衡以及整个系统的稳定性。

Description

用于微电网的异步恒速风电机组系统及其工作方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种用于微电网的异步恒速风电机组系统及其工作方法。

背景技术

《风电场接入电力系统技术规定》中提出要求如下：在电网相短路故障、两相短路故障和单相接地短路故障的条件下，风电场内的风电机组具有在行网点电压跌落至20％额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力；风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90％时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

早期投产的传统异步风电机组，存在功率不可调、无功支撑能力弱等缺点，现代电网对风电机组运行提出的要求是功率可控、低电压穿越能力等。目前，在一些海岛、偏远地区仍存在一定数量的早期投产的异步风电机组，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化，不能像双馈感应风力发电机组和永磁风力发电机组一样通过改变励磁电流幅值和相位实现无功功率调节。当微电网系统中含有这种类型风电机组时，风电机组难以实现低电压穿越以及低电压穿越期间对电网的无功支撑，从而影响了微电网孤网运行的稳定性，严重情况下导致微电网系统崩溃、损坏用电设备。因此，为保证微电网可靠运行，需要对异步风电机组进行改造，实现风电机组无功电压支撑能力。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种用于微电网的异步恒速风电机组系统及其工作方法，本发明的该异步恒速风电机组系统能够平滑微电网内的风电功率波动并且保持电压稳定性，减少风力发电系统对微电网的影响。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，包括依次连接的风轮、齿轮箱和异步发电机，所述用于微电网的异步恒速风电机组系统还包括风电侧断路器，其一端与异步恒速风电机组的定子侧相连，另一端与隔离变压器相连；所述隔离变压器与交直交变流器相连，所述交直交变流器通过电网侧断路器连接至风电机组箱变；所述风电机组箱变连接至交流母线上，交流母线与电网之间还设置有并网断路器。

所述异步恒速风电机组还并联有无功补偿装置。

所述交直交变流器包括通过直流母线相连的风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器，所述风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器之间并联直流电容。

所述直流母线还配置有储能模块，其用于平抑风电功率波动。

所述风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器均是由6个IGBT和反并联二极管组成的桥式电路。

所述风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器均是电压源型的变换器。

一种用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，包括：

在异步恒速风电机组系统启动的过程中，交直交变流器为异步恒速风电机组提供启动电流，交直交变流器进行AC/DC/AC变换来控制发电机组输出电压的幅值和频率；

当风速达到切入风速后，异步恒速风电机组开始发电，进入并网运行状态；

在并网运行情况下，异步恒速风电机组发出有功功率并且从电网吸收无功功率，用于维持异步恒速风电机组系统的功率平衡。

所述用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，还包括：

当并网断路器断开时，微电网处于孤网运行状态，若发生故障时，微电网并网点电压下降，异步恒速风力发电机输出有功功率，且交直交变流器对异步恒速风电机组系统进行无功功率调节。

在并网运行情况下，异步恒速风电机组并联的无功补偿装置还采用多组电容器分组投切的方式对异步恒速风电机组系统进行无功补偿。

交直交变流器采用电压源型的变换器，其输出电流采用电流控制器来控制，电流控制器在d-q旋转坐标系下对交直交变流器的输出电流进行解耦控制。

本发明的有益效果为：

(1)本发明针对现有的含异步恒速风电机组的风电场，提供一种能够提高异步恒速风电机组的效率，改善暂态电压稳定水平的方法，与传统分析方法相比具有如下优点：能够有效的改善传统以异步恒速风电机组为主风电场的电压稳定水平，同时向系统提供一定的无功功率，且减少了附加无功设备的投入，提高风电场本身的运行效益；

(2)由于本发明的该系统是在原有风电机组基础上进行了改进，在异步恒速风电机组的定子侧的输出端增加了风电侧断路器，风电侧断路器连接至隔离变压器，隔离变压器连接有交直交变流器，交直交变流器通过电网侧断路器连接至风电机组箱变，通过这样的对风电机组的结构改进，平抑了风电功率波动，维持了微电网运行时功率平衡以及整个系统的稳定性，而且使得更易于工程实现。

附图说明

图1是鼠笼式异步恒速风电机组原理图；

图2是风电机组低电压穿越能力要求示意图；

图3是本发明的用于微电网的异步恒速风电机组系统；

图4是交直交变换器的内部结构；

图5为电网侧变换器定直流电压控制框图；

图6为风电侧变换器定交流电压控制框图；

图7是三相电压跌落至20％时风机侧线电压；

图8是三相电压跌落至20％时风机侧有功电流和无功电流。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，以鼠笼式异步恒速风电机组为例，异步恒速风电机组主要由桨叶、齿轮箱、普通异步发电机和升压变组成。鼠笼式异步恒速风电机组中发电机额定转速的桨距角和转速都是固定不变的，在发出有功功率的同时，还需要消耗无功功率，通常是安装电容器。

图2为风电机组低电压穿越能力要求示意图，在电网相短路故障、两相短路故障和单相接地短路故障的条件下，风电场内的风电机组具有在行网点电压跌落至20％额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力；风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90％时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

图3是本发明异步恒速风电机组系统组成的微电网示意图，其中，用于微电网的异步恒速风电机组系统，包括依次连接的风轮、齿轮箱和异步发电机，用于微电网的异步恒速风电机组系统还包括风电侧断路器，其一端与异步恒速风电机组的定子侧相连，另一端与隔离变压器相连；隔离变压器与交直交变流器相连，交直交变流器通过电网侧断路器连接至风电机组箱变；风电机组箱变连接至交流母线上，交流母线与电网之间还设置有并网断路器。

微电网包括异步恒速风电机组系统、风电机组箱变、储能系统、重要用电负荷和一般用电负荷，微电网通过并网断路器接入电网。当并网断路器断开时，微电网处于孤网运行状态，此时风电机组需要与储能系统协调运行，风电机组充当系统主要电源，提供系统稳定运行需求的无功功率和电压需求，以满足重要用电负荷不间断用电需求。

其中，风电侧断路器，用于实现风电机组投入；隔离变压器，用于实现风电机组与交直交变流器的电气隔离，屏蔽干扰，提高系统可靠性；电网侧断路器，用于实现风电机组和风电机组改造装置的投入。

图4为交直交变流器结构，交直交变流器由风电侧AC/DC变换器、直流电容和电网侧DC/AC变换器组成，电网侧DC/AC变换器端与隔离变的输出端相连实现隔离变输出交流电整流为直流电，直流母线位于风电侧变换器和电网侧变换器之间，直流电容连接在直流母线两侧，同时并联储能模块，用以稳定直流母线电压，电网侧DC/AC变换器实现直流电逆变为交流电，输出通过电网侧断路器接入至风电机组箱变。其中，风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器均是电压源型的变换器，而且都是由6个IGBT和反并联二极管组成的桥式电路，C_dcw、C_dcg是直流电容，R_w、L_w、R_g、L_g分别表示两个变换器的换流电抗的等效电阻和电感。

交直交变流器需要获取的信息量主要由风机侧信息和电网侧信息组成，其中风机侧信息包括三相电压、三相电流、风电机组软启动模块信息、开关设备状态，电网侧信息包括三相电压、三相电流、开关设备状态。

风电机组对交直交变流器的响应状态信息主要指交直交设备故障信息，当交直流设备自检故障后，发送信号至风机控制器，在低电压穿越、故障等情况下，风电机组需要紧急停机。

交直交变流器的直流母线侧配置的储能模块用以吸收风电功率波动部分，平滑有功功率后平滑输出至电网侧；风速突然减少时，交直交变流器通过直流母线侧储能模块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；通过平抑风电功率波动来维持微电网运行时功率平衡、系统稳定。

其中，异步恒速风电机组还并联有无功补偿装置。

由于异步恒速风电机组存在功率不可调、无功支撑能力弱等缺点，而在微电网运行环境下风电机组作为主电源需要具备低电压穿越能力、无功功率支撑等能力，才能维持住孤网情况下系统稳定性。因此，需要对已投产的异步恒速风电机组进行改造才能满足微电网运行要求。

因此，本发明提出的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，针对传异步恒速风电机组运行特性，在异步恒速风电机组定子输出侧依次串联风电侧断路器、交直交变流器、隔离变压器和电网侧断路器，通过对交直交变流器的实时控制，可提高恒速风电机组的电网友好度，具体包括实现低电压穿越、增强低电压穿越期间对电网的无功支撑能力、提供动态无功功率输出。

本发明的用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，包括：

1、在启动情况下，交直交变流器为异步恒速风电机组提供启动电流

异步恒速发电机组在启动过程中从电动机状态到发电机状态需要吸收大量的无功功率，这个过程所吸收的无功容量接近于发电机的容量，交直交变流器异步恒速风电机组提供启动电流，交直交变流器进行AC/DC/AC变换，从而控制发电机组输出电压的幅值好频率，风速达到切入风速后，异步恒速风电机组开始发电，进入并网运行状态。

2、在并网运行情况下，异步恒速风电机组发出有功功率的同时提供无功功率支撑

在并网运行情况下，异步恒速风电机组并网运行，在发出有功功率的同时需要从电网吸收无功功率来建立磁场，这类风电机组需要自身配备无功补偿装置，不能向系统发出无功。

发电机端并联的无功补偿装置，常采用多组电容器分组投切的方式进行补偿，补偿容量一般为风机容量的30％-50％，以保证风电机组正常运行时的功率因数大于0.98，但鼠笼式异步发电机组在启动过程中从电动机状态到发电机状态需要吸收大量的无功功率，这个过程所吸收的无功容量接近于发电机的容量。

交直交变流器进行AC/DC/AC变换，从而控制发电机组输出电压的幅值好频率。风电机组正常运行和风电场故障时，可借助交直交变流器进行无功功率调节。

3、故障期间检测电压下降，对系统提供无功功率补偿；

当微电网孤网运行时，发生故障时，微电网并网点电压下降，异步恒速风力发电机输出有功功率P_g的同时，需要吸收无功功率检测交流母线电压U_t信号，当交流母线电压U_t跌落到阀值时，通过调节交直交变流器中的电流控制器的电流值替代原有参考值发送值到发电机侧控制器对发电机侧的母线电压进行控制，通过网侧的U_dc控制器对直流母线电压进行控制，向系统提供无功功率起到无功功率支撑作用，则故障期间风电机组改造装置通过升压变后的无功功率提供的无功功率为：

$\begin{array}{c}{Q}_g^{/}=Q_g^{jzj}-Q_g=U_{d1}\·i_q^t-Q_g=U_{dc}\·i_q^{t+1}-Q_g\\ Q_g=Q_g^w+Q_g^{glt}+Q_g^{xt}\end{array}---\left(1\right)$

其中：为交直交变流器通过升压变后的无功功率提供的无功功率；为交直交变流器输出的无功功率；Q_g为无功消耗需求总量，它由风电机组无功需求量隔离变的无功损耗风电机组箱变的无功损耗组成；U_d1为定子电压的d轴分量；为第t采样周期的定子电流的q轴分量；U_dc为交直交变流器网侧母线电压；为电流控制器在第t+1采样周期的q轴电流值。

为保证风力发电机的稳定工作，机侧变换器控制风机端交流电压稳定，这样风力发电机发出的功率会全部变换到直流侧。电网侧变换器的控制目标为保证直流电压稳定，维持功率平衡，将直流功率全部变换到电网中。

交直交变流器是电压源型的变换器，采用在d-q旋转坐标系下的解耦控制，控制方法包括外环和内环，外环控制包括直流电压、交流电压、有功功率、无功功率等，内环控制采用电流控制环。

(1)外环电压控制

图5为电网侧变换器定直流电压控制框图，电网侧变换器采用定直流电压定无功控制，在dq坐标系下，电网侧变换器注入电网的有功P和无功功率Q为：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(u_{rq}{i}_{rq}+u_{rd}{i}_{rd})\\ Q=\frac{3}{2}(u_{rd}{i}_{rq}-u_{rq}{i}_{rd})\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中，i_rd为有功电流；i_rq为无功电流；u_rd＝u_r，u_r表示电网电压幅值；u_rq表示变流器交流侧q轴电压；

在abc-dq变换中取d轴超前q轴90°且采用d轴定向，则电网侧变换器注入电网的有功和无功功率为：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(u_{rq}{i}_q+u_{rd}{i}_d)=\frac{3}{2}{u}_{rd}{i}_d=\frac{3}{2}{u}_r{i}_d\\ Q=\frac{3}{2}(u_{rd}{i}_q-u_{rq}{i}_d)=\frac{3}{2}{u}_{rd}{i}_q=\frac{3}{2}{u}_r{i}_q\end{array}\right.---\left(3\right)$

公式(3)表明，i_rd为有功电流；i_rq为无功电流；u_rd＝u_r，u_r表示电网电压幅值；u_rq表示变流器交流侧q轴电压，u_rd表示变流器交流侧d轴电压；i_q表示经dq变换后q轴电流；i_d表示经dq变换后d轴电流；注入电网的有功功率P和无功功率Q受有功电流i_rd和无功电流i_rq控制。根据瞬时功率理论，无功功率只在三相之间传递，影响直流电压的只能是有功功率，故可以通过有功电流i_rd控制并网输出有功功率P进而控制直流电压u_dc。据此引入PI控制器，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rd}^{*}=\left(k_{dp}+\frac{k_{di}}{s}\right)\left({U_{dc}}^{*}-U_{dc}\right)\\ i_{rq}^{*}=\left(k_{qp}+\frac{k_{qi}}{s}\right)\left(Q^{*}-Q\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，为经过PI控制器修改后的有功电流，为经过PI控制器修改后的无功电流，U_dc为直流电压，Q为无功功率，U_dc ^*为直流电压设定参考值，Q^*为无功功率设定参考值，k_dp为d轴PI控制器比例系数，k_di为d轴PI控制器积分系数，k_qp为q轴PI控制器比例系数，k_qi为q轴PI控制器积分系数。

由公式(4)可知，当直流电压U_dc高于设定参考值U_dc ^*时，将减少有功电流i_rd进而降低直流电压；当直流电压U_dc低于设定参考值U_dc ^*时，将增加有功电流i_rd进而提高直流电压；当无功功率Q高于参考值Q^*时，无功电流i_rq减少，输出无功功率Q将减小；当无功功率Q低于参考值Q^*时，无功电流i_rq增加，输出无功功率Q将增加。因此，按照公式(4)设计控制器，可以控制直流电压和无功功率输出跟踪参考值。

(2)内环电流控制

图5为电网侧变换器定直流电压控制框图，输出侧状态方程为：

$u=L_1\frac{di}{dt}+{\mathrm{iR}}_1+u_r---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}u={\[u_a,u_b,u_c\]}^T\\ i={\[i_a,i_b,i_c\]}^T\\ u_r={\[u_{ra},u_{rb},u_{rc}\]}^T\end{array}\right.$

式中，L₁为电网侧变换器的等效电感，R₁为电网侧变换器的等效电阻。

将状态方程(5)通过park变换为如下形式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{rd}}{dt}+R_1{i}_{rd}-{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{rq}+u_{rd}\\ u_q=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{rq}}{dt}+R_1{i}_{rq}+{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{rd}+u_{rq}\end{array}\right.---\left(6\right)$

公式(6)中，ω表示电网频率，在公式(6)中i_rd与u_d及i_rq与u_q存在耦合关系，将式中的-ωL₁i_rq、ωL₁i_rd、u_rd和u_rq均视为扰动，则可定义：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d^{\′}=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{rd}}{dt}+R_1{i}_{rd}\\ u_q^{\′}=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{rq}}{dt}+R_1{i}_{rq}\end{array}\right.---\left(7\right)$

公式(7)表明i_rq和i_rd分别对u'_q和u'_d作独立响应，可视为两个一阶动态系统，可引入PI控制器。采用电流反馈的PI控制器，则可得u’_q和u’_d参考值表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d^{\′}=\left(k_{dp}+\frac{k_{di}}{s}\right)\left(i_{rd}^{*}-i_{rd}\right)\\ u_q^{\′}=\left(k_{qp}+\frac{k_{qi}}{s}\right)\left(i_{rq}^{*}-i_{rq}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，u'_d为经过PI控制器修改后的d轴电压，u'_q为经过PI控制器修改后的q轴电压，i_rd为有功电流，为有功电流设定参考值，i_rq为无功电流i_rd，为无功电流设定参考值，k_dp为d轴PI控制器比例系数，k_di为d轴PI控制器积分系数，k_qp为q轴PI控制器比例系数，k_qi为q轴PI控制器积分系数。

将公式(8)代入公式(7)中可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d^{*}=\left(k_{dp}+\frac{k_{di}}{s}\right)\left(i_{rd}^{*}-i_{rd}\right)-{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{rd}+u_{rq}\\ u_q^{*}=\left(k_{qp}+\frac{k_{qi}}{s}\right)\left(i_{rq}^{*}-i_{rq}\right)+{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{rd}+u_{rq}\end{array}\right.---\left(9\right)$

图6为风电侧变换器定交流电压控制框图，其原理与电网侧变换器基本相似，同样采用内外环的控制模式，其中外环为风机端直轴电压U_d和交轴电压U_q，内环为电流环。在这种控制方式下，d轴电压参考值设为1，q轴电压参考值设为0，通过比例积分(PI)控制器，形成内环电流参考值；内环电流通过PI控制器形成换流器的电压参考值；再通过正弦脉宽调制SPWM技术产生各开关管的触发脉冲。内环中，ωL_ci_qs、ωL_ci_ds是耦合分量，用来消除d、q间的耦合。频率控制来自于本地信号，再通过控制坐标变换角度θ来实现。

效果分析：

在风电机组小功率工况下，在风电机组出口发生三相短路和两相短路故障时风机的输出特性进行了测试。对电压跌落至0.2幅值时，在三相电压跌落和两相电压跌落故障下进行测试。图7和图8以标幺值标注，基准值分别取为：电压U_r＝35KV，功率P_r＝2.0MW。

从图7中可以看出，在微电网系统电压跌落至20％时，采用本发明提出的电流内环、电压外环的双闭环控制器方法，风电机组正常运行，实现了低电压穿越，有效抑制了微电网功率振荡，提高了控制精度。

图8给出了流向电网的有功和无功电流波形。网侧变流器在满足无功补偿需求的前提下，还向电网输送少量的有功功率，而过剩的有功功率则由直流卸荷电路消耗。因此，在电网电压跌落过程中，电网吸收的有功功率减小，而无功功率由向异步恒速风电机组提供变为从网侧吸收。在电网三相对称电压跌落深度为20％、跌落时间为625ms时，满足《风电场接入电力系统技术规定》所允许的最大跌落深度，从实验结果可以看出，在跌落期间，由于定子电压得到了很好的补偿，因此定子电流的波动和冲击都较小，并且网侧变流器发出大量的无功电流，为微电网的恢复提供支撑，保证了微电网电压稳定性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，包括依次连接的风轮、齿轮箱和异步发电机，其特征在于，所述用于微电网的异步恒速风电机组系统还包括风电侧断路器，其一端与异步恒速风电机组的定子侧相连，另一端与隔离变压器相连；所述隔离变压器与交直交变流器相连，所述交直交变流器通过电网侧断路器连接至风电机组箱变；所述风电机组箱变连接至交流母线上，交流母线与电网之间还设置有并网断路器。

2.如权利要求1所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，其特征在于，所述异步恒速风电机组还并联有无功补偿装置。

3.如权利要求1所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，其特征在于，所述交直交变流器包括通过直流母线相连的风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器，所述风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器之间并联直流电容。

4.如权利要求3所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，其特征在于，所述直流母线还配置有储能模块，其用于平抑风电功率波动。

5.如权利要求3所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，其特征在于，所述风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器均是由6个IGBT和反并联二极管组成的桥式电路。

6.如权利要求3所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统，其特征在于，所述风电侧AC/DC变换器和电网侧DC/AC变换器均是电压源型的变换器。

7.一种如权利要求1所述的用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，其特征在于，包括：

在异步恒速风电机组系统启动的过程中，交直交变流器为异步恒速风电机组提供启动电流，交直交变流器进行AC/DC/AC变换来控制发电机组输出电压的幅值和频率；

当风速达到切入风速后，异步恒速风电机组开始发电，进入并网运行状态；

在并网运行情况下，异步恒速风电机组发出有功功率并且从电网吸收无功功率，用于维持异步恒速风电机组系统的功率平衡。

8.如权利要求7所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，其特征在于，所述用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，还包括：

当并网断路器断开时，微电网处于孤网运行状态，若发生故障时，微电网并网点电压下降，异步恒速风力发电机输出有功功率，且交直交变流器对异步恒速风电机组系统进行无功功率调节。

9.如权利要求7所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，其特征在于，在并网运行情况下，异步恒速风电机组并联的无功补偿装置还采用多组电容器分组投切的方式对异步恒速风电机组系统进行无功补偿。

10.如权利要求8所述的一种用于微电网的异步恒速风电机组系统的工作方法，其特征在于，交直交变流器采用电压源型的变换器，其输出电流采用电流控制器来控制，电流控制器在d-q旋转坐标系下对交直交变流器的输出电流进行解耦控制。