CN105356504A - 一种变流器和其控制方法及风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变流器和其控制方法及风力发电系统，其中，所述变流器包括电光转换模块、与电光转换模块连接的电光转换控制器、光电转换模块及与光电转换模块连接的光电转换控制器，所述电光转换模块一端与风力发电机组通过电路连接、另一端与光电转换模块通过光路连接，所述光电转换模块另一端连接电网，所述电光转换控制器与风力发电机组连接，所述光电转换控制器与电网连接，所述电光转换控制器通过控制电光转换模块调节风力发电机组侧能量，所述光电转换控制器通过控制光电转换模块调节电网侧能量。本发明通过电光转换和光电转换，实现风力发电机组侧和电网侧的电气解耦，减少谐波，提高风力发电机组的低、高电压穿越能力。

Description

一种变流器和其控制方法及风力发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电机组，特别是涉及一种变流器和其控制方法及风力发电系统。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械能，机械能带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组，包括风力机和发电机。风力发电机组的输电线路与电网连接，通过电网让电能输送出去。风力发电机组并入电网需要满足三个条件：风力发电机组的频率、电压、相位必须与电网的频率、电压、相位保持一致。由于风能的随机性，风力发电机组所发出电能的频率和电压都是不稳定的，因此，为了给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电要求，需要在风力发电机组和电网之间加入变流器。

风力发电机组的发展越来越趋向于单机大容量，这对风力发电机组变流器的设计提出了更高的要求，现有的电力变流器作为风力发电机组与电网的接口，既要对风力发电机组进行控制，又要向电网输送优质电能，实现低电压穿越与高电压穿越等功能。低电压穿越是指当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风力发电机组能够不间断并网运行。随着风力发电机组装机容量的增加，当电网发生故障，电压跌落时，不具备低电压穿越能力或低电压穿越能力不够的风力发电机组的电流会退出电网，如果大量的风力发电机组退出电网，会导致电网电压继续跌落，造成供电电网瘫痪，也对风力发电机组的运行特性造成直接影响。高电压穿越是指在故障恢复阶段，并网点可能发生过电压，造成电网侧功率大于风力发电机组侧功率，变流器中直流电压快速升高，会损坏变流器甚至造成风力发电机组脱网。

现有的大型风力发电机组中，为实现电网对低电压穿越的要求，均采用直驱型风力发电机组。对于直驱型风力发电机组，当电网电压发生跌落时，会导致变流器中直流电压上升，而且其输出电能含有谐波会对电网产生影响。因此，现有的电力变流器的低电压穿越能力受到限制，且其输出电能中含有谐波。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高风力发电机组低、高电压穿越能力、减少谐波的变流器和其控制方法及风力发电系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种变流器，包括电光转换模块、与电光转换模块连接的电光转换控制器、光电转换模块及与光电转换模块连接的光电转换控制器，所述电光转换模块一端与风力发电机组通过电路连接、另一端与光电转换模块通过光路连接，所述光电转换模块另一端连接电网，所述电光转换控制器与风力发电机组连接，所述光电转换控制器与电网连接，所述电光转换控制器通过控制电光转换模块调节风力发电机组侧能量，所述光电转换控制器通过控制光电转换模块调节电网侧能量。

优选的，所述电光转换模块与光电转换模块采用级联单元化结构。

优选的，还包括主控制器，所述电光转换控制器通过主控制器与风力发电机组连接，所述光电转换控制器通过主控制器与电网连接。

优选的，还包括LCL滤波器，所述LCL滤波器连接在光电转换模块和电网之间的电路上。

优选的，还包括变压器，所述光电转换模块通过变压器与电网连接。

优选的，所述光路采用LED光或激光。

优选的，所述光路上设置有光能感应模块，所述光能感应模块与光能消耗设备连接。

与现有技术相比，本发明的变流器通过电光转换模块和光电转换模块将电能进行能量转换和变流，实现风力发电机组侧和电网侧的电气解耦，避免电网发生电压跌落或升高时对风力发电机组的影响，提高风力发电机组的低电压穿越能力与高电压穿越能力，同时减少谐波，改善输出的电能质量，所述电光转换控制器通过控制电光转换模块实现对风力发电机组的控制，所述光电转换控制器通过控制光电转换模块实现对电网功率的控制，即实现对风力发电机组侧和电网侧功率的控制，进一步提高风力发电机组的低电压穿越能力与高电压穿越能力。

为了实现上述目的，本发明还提供一种风力发电系统，包括：至少一个风力发电机组、所述变流器及电网，所述风力发电机组通过所述变流器连接到电网。

与现有技术相比，本发明的风力发电系统中的风力发电机组通过所述变流器连接到电网，实现风力发电机组侧和电网侧的电气解耦和功率的控制，避免电网发生电压跌落或升高时对风力发电机组的影响，同时减少谐波，提高风力发电机组的低、高电压穿越能力。

为了实现上述目的，本发明还提供一种变流器的控制方法，包括如下步骤：

步骤一，由传感器检测风力发电机组与电网的运行状况并将状况信号传输到主控制器，如风速，叶片转速，桨距角，风力发电机组侧的端电压与电流，电网侧并网点的电压与电流；

步骤二，主控制器将接收的状况信号进行处理，判断是否需要反馈信号到电光转换控制器与光电转换控制器；

步骤三，若此时风力发电系统运行正常，电网电压正常，则保持检测，不进行反馈；若主控制器检测到风力发电机组风速，叶片转速及风力发电机组侧功率发生变化，则主控制器控制变桨机构，调节叶片桨距角，实现最大风能捕获，使风力发电机组的输出功率保持额定状态；若主控制器检测到由于电网故障造成并网点的电压跌落，则主控制器启动低电压穿越方案；若主控制器检测到在故障恢复阶段并网点电压骤升至1.2pu或以上，则主控制器启动高电压穿越方案；

步骤四，在启动低电压穿越方案时，主控制器同时对电光转换控制器和光电转换控制器进行控制，实现风力发电机组侧和电网侧的协同控制；主控制器控制电光转换控制器，使其调节电光转换模块，减少电光级联单元，使中间环节的能量减少，光能感应模块对中间环节能量进行检测，消耗多余光能，同时主控制器控制光电转换控制器，使其调节光电转换模块，调节输出的有功、无功功率，对电网功率进行补偿；

步骤五，在启动高电压穿越方案时，主控制器同时对电光转换控制器和光电转换控制器进行控制，实现风力发电机组侧和电网侧的协同控制；主控制器控制光电转换控制器，使其调节光电转换模块，减少光电级联单元，使中间环节的能量减少，光能感应模块对中间环节能量进行检测，消耗多余光能，同时主控制器控制电光转换控制器，使其调节电光转换模块，提高接收光能域量；

步骤六，所述并网点电压、电流恢复到正常状况，风力发电系统正常运行。

与现有技术相比，本发明的变流器控制方法通过电光转换模块和光电转换模块将电能进行能量转换和变流，实现风力发电机组侧和电网侧的电气解耦，避免电网发生电压跌落或升高时对风力发电机组的影响，提高风力发电机组的低电压穿越能力与高电压穿越能力，同时减少谐波，改善输出的电能质量，所述电光转换控制器通过控制电光转换模块实现对风力发电机组的控制，所述光电转换控制器通过控制光电转换模块实现对电网功率的控制，即实现对风力发电机组侧和电网侧功率的控制，进一步提高风力发电机组的低电压穿越能力与高电压穿越能力。

附图说明

图1是本发明一实施例中变流器的结构示意图；

图2是本发明一实施例中风力发电系统能量转换控制的示意图；

图3是本发明一实施例中变流器控制方法的步骤示意图。

图中所示：10、变流器；11、电光转换模块；12、电光转换控制器；13、光电转换模块；14、光电转换控制器；15、LCL滤波器；16、变压器；17、主控制器；20、风力发电机组；21、风力机；22、发电机；30、电网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

参照图1和图2，本发明的变流器10，包括电光转换模块11、与电光转换模块11连接的电光转换控制器12、光电转换模块13及与光电转换模块13连接的光电转换控制器14，所述电光转换模块11一端与风力发电机组20的发电机22通过电路连接、另一端与光电转换模块13通过光路连接，所述光电转换模块13另一端连接电网30，所述电光转换控制器12与风力发电机组20的风力机21连接，所述光电转换控制器14与电网30连接。所述电光转换模块11与光电转换模块13采用级联单元化结构。所述变流器10还包括主控制器17、LCL滤波器15及变压器16，所述电光转换控制器12通过主控制器17与风力发电机组20的风力机21连接，所述光电转换控制器14通过主控制器17与电网30连接。所述LCL滤波器15连接在光电转换模块13和电网30之间的电路上，所述光电转换模块13通过变压器16与电网30连接。所述光路采用LED光或激光，所述光路上设置有光能感应模块，所述光能感应模块与光能消耗设备连接。

风力发电机组20通过风力机21将风能转化成机械能，然后通过发电机22将机械能转化成电能，通过变流器10的电光转换模块11将不规律的电能转化成可控的光能，再通过光电转换模块13将光能转化为符合电网30要求的电能，最终输出到电网30。通过光能和电能的相互转换，代替现有变流器的电能转换，省去了中间的电气环节，实现风力发电机组侧和电网侧的电气解耦，避免电网30发生电压跌落或升高时对风力发电机组20的影响，不需要考虑现有变流器中直流环节的复杂的能量储存或消耗问题，提高风力发电机组20的低、高电压穿越能力，同时减少谐波，改善输出的电能质量。

本发明变流器10的电光转换控制器12通过主控制器17接收风力发电机组20的风力机21的桨距角、转矩、风速等信息，对电光转换模块11进行控制，当外界的风能较大时，控制电光转换模块11加大能量输出，以提高风力发电机组20接受风能的能力，风力发电机组20通过主控制器17对发电机22的输出转矩等进行控制，实现对风能的最大捕获。

本发明变流器10的光电转换控制器14通过主控制器17接收电网侧的电压、电流、功率及光电转换模块13的光能等信息，对光电转换模块13进行控制，以实现对光电转换模块13能量输出的稳定，并控制电网侧的有功功率、无功功率，使输出的电能质量符合标准。

本发明变流器10的电光转换控制器12和光电转换控制器14实现对风力发电机组侧和电网侧功率的协同控制，所述电光转换控制器12通过控制电光转换模块11调节风力发电机组侧能量，所述光电转换控制器14通过控制光电转换模块13调节电网侧能量，提高风力发电机组20的低电压穿越能力。

本发明变流器10不仅限于提高风力发电机组20的低电压穿越能力，还可以解决其他电压故障。当发生高电压故障，如电网侧的电压高于风力发电机组侧的电压时，本发明变流器10同样可以提高风力发电机组20的高电压穿越能力。

本发明变流器10的电光转换控制器12和光电转换控制器14通过主控制器17相互连接，通过信息传递可以实现协同控制，进一步提高风力发电机组20的低、高电压穿越能力。本发明变流器10通过增加LCL滤波器15，进一步消除谐波，减少谐波对电网30的影响。本发明变流器10通过增加变压器16，使输入到电网30的电能满足实际具体的需求，具有更好的实际意义。本发明变流器10还可以通过主控制器17对风力发电机组20和变流器10进行统一控制。本发明变流器10通过设置在光路上的光能感应模块监测光能的转换状态及变化情况，将多余的光能经过光能消耗设备进行消耗。

参照图1和图2，本发明的风力发电系统，包括至少一个风力发电机组20、所述变流器10及电网30，所述风力发电机组20通过所述变流器10连接到电网30。

本发明风力发电系统中的风力发电机组20通过所述变流器10连接到电网30，实现风力发电机组侧和电网侧的电气解耦和功率的控制，避免电网30发生电压跌落时对风力发电机组20的影响，同时减少谐波，提高风力发电机组20的低电压穿越能力。

参照图3所示，本发明还提供一种变流器10的控制方法，包括如下步骤：

步骤一，由传感器检测风力发电机组20与电网30的运行状况并将状况信号传输到主控制器17，如风速，叶片转速，桨距角，风力发电机组侧的端电压与电流，电网侧并网点的电压与电流；

步骤二，主控制器17将接收的状况信号进行处理，判断是否需要反馈信号到电光转换控制器12与光电转换控制器14；

步骤三，若此时风力发电系统运行正常，电网30电压正常，则保持检测，不进行反馈；若主控制器17检测到风力发电机组20风速，叶片转速及风力发电机组侧功率发生变化，则主控制器17控制变桨机构，调节叶片桨距角，实现最大风能捕获，使风力发电机组20的输出功率保持额定状态；若主控制器17检测到由于电网30故障造成并网点的电压跌落，则主控制器17启动低电压穿越方案；若主控制器17检测到在故障恢复阶段并网点电压骤升至1.2pu或以上，则主控制器17启动高电压穿越方案；

步骤四，在启动低电压穿越方案时，主控制器17同时对电光转换控制器12和光电转换控制器14进行控制，实现风力发电机组侧和电网侧的协同控制；主控制器17控制电光转换控制器12，使其调节电光转换模块11，减少电光级联单元，使中间环节的能量减少，光能感应模块对中间环节能量进行检测，消耗多余光能，同时主控制器17控制光电转换控制器14，使其调节光电转换模块13，调节输出的有功、无功功率，对电网30功率进行补偿；

步骤五，在启动高电压穿越方案时，主控制器17同时对电光转换控制器12和光电转换控制器14进行控制，实现风力发电机组侧和电网侧的协同控制；主控制器17控制光电转换控制器14，使其调节光电转换模块13，减少光电级联单元，使中间环节的能量减少，光能感应模块对中间环节能量进行检测，消耗多余光能，同时主控制器17控制电光转换控制器12，使其调节电光转换模块11，提高接收光能域量；

步骤六，所述并网点电压、电流恢复到正常状况，风力发电系统正常运行。

Claims (9)

1.一种变流器，其特征在于，包括电光转换模块、与电光转换模块连接的电光转换控制器、光电转换模块及与光电转换模块连接的光电转换控制器，所述电光转换模块一端与风力发电机组通过电路连接、另一端与光电转换模块通过光路连接，所述光电转换模块另一端连接电网，所述电光转换控制器与风力发电机组连接，所述光电转换控制器与电网连接，所述电光转换控制器通过控制电光转换模块调节风力发电机组侧能量，所述光电转换控制器通过控制光电转换模块调节电网侧能量。

2.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述电光转换模块与光电转换模块采用级联单元化结构。

3.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，还包括主控制器，所述电光转换控制器通过主控制器与风力发电机组连接，所述光电转换控制器通过主控制器与电网连接。

4.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，还包括LCL滤波器，所述LCL滤波器连接在光电转换模块和电网之间的电路上。

5.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，还包括变压器，所述光电转换模块通过变压器与电网连接。

6.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述光路采用LED光或激光。

7.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述光路上设置有光能感应模块，所述光能感应模块与光能消耗设备连接。

8.一种风力发电系统，其特征在于，包括至少一个风力发电机组、权利要求1至7中任何一项所述的变流器及电网，所述风力发电机组通过所述变流器连接到电网。

9.一种变流器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，由传感器检测风力发电机组与电网的运行状况并将状况信号传输到主控制器，如风速，叶片转速，桨距角，风力发电机组侧的端电压与电流，电网侧并网点的电压与电流；

步骤二，主控制器将接收的状况信号进行处理，判断是否需要反馈信号到电光转换控制器与光电转换控制器；

步骤三，若此时风力发电系统运行正常，电网电压正常，则保持检测，不进行反馈；若主控制器检测到风力发电机组风速，叶片转速及风力发电机组侧功率发生变化，则主控制器控制变桨机构，调节叶片桨距角，实现最大风能捕获，使风力发电机组的输出功率保持额定状态；若主控制器检测到由于电网故障造成并网点的电压跌落，则主控制器启动低电压穿越方案；若主控制器检测到在故障恢复阶段并网点电压骤升至1.2pu或以上，则主控制器启动高电压穿越方案；

步骤四，在启动低电压穿越方案时，主控制器同时对电光转换控制器和光电转换控制器进行控制，实现风力发电机组侧和电网侧的协同控制；主控制器控制电光转换控制器，使其调节电光转换模块，减少电光级联单元，使中间环节的能量减少，光能感应模块对中间环节能量进行检测，消耗多余光能，同时主控制器控制光电转换控制器，使其调节光电转换模块，调节输出的有功、无功功率，对电网功率进行补偿；

步骤五，在启动高电压穿越方案时，主控制器同时对电光转换控制器和光电转换控制器进行控制，实现风力发电机组侧和电网侧的协同控制；主控制器控制光电转换控制器，使其调节光电转换模块，减少光电级联单元，使中间环节的能量减少，光能感应模块对中间环节能量进行检测，消耗多余光能，同时主控制器控制电光转换控制器，使其调节电光转换模块，提高接收光能域量；

步骤六，所述并网点电压、电流恢复到正常状况，风力发电系统正常运行。