CN105406490A - 一种风电机组及其低频谐振自适应电压型补偿系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,包括传感器部分、与传感器部分分别连接的触发控制装置和低频谐振自适应电压型补偿装置,传感器部分用于采集风电机组输出至电网的电压电流信号;触发控制装置用于判断电网是否存在低频谐振故障;低频谐振自适应电压型补偿装置用于在触发控制装置判断出电网存在低频谐振故障时,实时计算风电机组转矩给定指令的补偿量,并将该补偿量发送至风电机组主控系统。本发明还公开包含上述补偿系统的风电机组以及低频谐振自适应电压型补偿方法。本发明能实现对风电机组输出功率的稳定控制,增强了风电机组的抗扰动特性,维持风电机组在电网低频谐振故障状态下的不脱网运行。
Description
技术领域
本发明涉及风电机组控制技术领域,特别是涉及一种风电机组及其低频谐振自适应电压型补偿系统和方法。
背景技术
若风电机组所在的电力系统区域内产生5-10Hz的低频振荡时,会引发风电机组的输出电流发生剧烈的振荡;且电力系统发生低频谐振的时间一般会长达十几分钟,这样机组在该工况下会触发相关保护,从电网解列。但如果从对电网支撑的角度考虑,保持不脱网,则会严重影响机组使用寿命。目前关于在电网发生低频谐振情况下风电机组的控制策略研究较少。如发明专利申请CN201410542918.9,公开了一种双馈风力发电系统的电网低频振荡适应方法,该方法是在发生低频谐振时对双馈型风电机组重新建模,将多余的能量通过chopper卸荷电路进行释放,但并没有对实际中的低频谐振特征进行分析,并且该控制方法中采用的电压控制方法并未针对低频谐振采取特殊的抑制措施。还有发明专利CN201110175859.2,公开了一种利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法,该方法抑制的低频谐波的范围是0.05-1.5Hz,并通过分析低频谐振特征信号附加阻尼控制器,从而增加低频震荡的阻尼特性,但该方法依据最优转速跟踪并非将低频谐振抑制作为直接的控制目标。
由此可见,上述现有的关于在电网发生低频谐振情况下风电机组的控制策略仍存在有不足,如何能创设一种结构简单、性能稳定的新的风电机组及其低频谐振自适应电压型补偿系统和方法,成为当前业界急需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、性能稳定的风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,使其简单方便的实现风电机组低频谐振抑制的闭环控制,从而克服现有技术的不足。
为解决上述技术问题,本发明提供一种风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,包括传感器部分、与传感器部分分别连接的触发控制装置和低频谐振自适应电压型补偿装置,
所述传感器部分,用于采集风电机组输出至电网的电压电流信号,并将采集到的电压电流信号传送至触发控制装置和低频谐振自适应电压型补偿装置;
所述触发控制装置,用于判断所述电网是否存在低频谐振故障;
所述低频谐振自适应电压型补偿装置,用于在所述触发控制装置判断出所述电网存在低频谐振故障时,实时计算风电机组转矩给定指令的补偿量,并将所述补偿量发送至风电机组主控系统。
作为本发明的一种改进,所述传感器部分包括电压传感器和电流传感器;
所述触发控制装置包括低频谐振工况判断模块、和与其连接的第一信号输入端口和第一信号输出端口,所述第一信号输入端口与所述电压传感器和电流传感器的输出端连接,所述第一信号输出端口与所述低频谐振自适应电压型补偿装置连接;
所述低频谐振自适应电压型补偿装置包括依次连接的第二信号输入端口、信号滤波装置、电压信号自适应滤波器、补偿量计算模块和第二信号输出端口,以及开关模块;
所述第二信号输入端口与所述电压传感器和电流传感器的输出端连接,用于接收所述电网的电压电流信号;
所述信号滤波装置,用于对接收的电压电流信号进行高频滤波;
所述电压信号自适应滤波器,依据电网低频谐振特征值设计自适应滤波器,并提取所述电网的基波成分;
所述补偿量计算模块,用于计算风电机组转矩给定指令的补偿量;
所述第二信号输出端口,用于将所述风电机组转矩给定指令的补偿量传送至风电机组主控系统的转矩控制器;
所述开关模块与所述第一信号输出端口连接,用于控制所述低频谐振自适应电压型补偿装置的启闭。
本发明还提供一种包含上述风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统的风电机组,使其在低频谐振工况下运行稳定,从而克服现有的风电机组的不足。
为解决上述技术问题,本发明风电机组包含上述风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,且所述电压传感器和电流传感器设置于风电机组出口端,所述触发控制装置设置在风电机组主控PLC控制柜中。
进一步改进,所述风电机组为双馈型风电机组或全功率型风电机组。
本发明还提供一种风电机组低频谐振自适应电压型补偿方法,所述方法为:
(1)检测所述风电机组中电网的电压电流信号;
(2)由低频谐振工况判断模块根据所述电压电流信号判断所述电网是否存在低频谐振故障,若是,进行步骤(3),若否,返回步骤(1);
(3)通过信号滤波装置对所述电压电流信号进行高频滤波,并根据所述电网中低频谐振特征值设计电压信号自适应滤波器;
(4)所述电压信号自适应滤波器提取所述电网的基波成分,并通过计算模块计算所述电网中实时低频谐波分量和低频谐波分量在电网中的占比,以及相应的风电机组转矩给定指令的补偿量;
(5)将步骤(4)得到的补偿量通过所述风电机组的转矩控制器和变频器控制器发送给所述风电机组的变频器,由所述变频器实现对风电机组电机的控制,实现对风电机组低频谐振抑制的闭环控制。
作为本发明的一种改进,所述步骤(2)中判断所述电网是否存在低频谐振故障的方法为:当所述电网的电流出现大幅振荡,判断其电流值是否超过预设的电流阈值,若所述电流值超过电流阈值,对所述电网的电压频率进行特征值分析,判断电压中是否含有低频谐波,若电压中含有低频谐波,表明所述电网存在低频谐振故障;若所述电网的电流未出现大幅振荡、电流值未超过所述电流阈值或所述电压中不含有低频谐波,表明所述电网不存在低频谐振故障。
进一步改进,所述步骤(3)中电压信号自适应滤波器的数学传递函数表达式为:
其中,ω0=2πflf,flf为低频谐波的频率值,s为传递函数中的频率变量。
进一步改进,所述步骤(4)中风电机组转矩给定指令的补偿量算式为:-k*Tref(t),其中,Tref(t)为在正常工况下风电机组主控中转矩控制器发出的转矩给定值,k为低频谐波分量在电网中的占比。
采用上述的技术方案,本发明至少具有以下优点:
本发明风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,通过对电网中电压电流信号检测,判断电网中是否存在低频谐振故障,又通过该电网低频谐振特征值设计电压信号自适应滤波器,提取电网的基波成分,并计算实时风电机组转矩给定值的补偿量,实现风电机组输出功率的相对稳定,增强了风电机组的抗扰动特性,维持风电机组在电网低频谐振故障状态下的不脱网运行。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统在双馈风电机组中的应用示意图;
图2是本发明中触发控制装置的控制流程图;
图3是本发明中低频谐振自适应电压型补偿装置的控制流程图;
图4是本发明中自适应陷波滤波器的滤波功能示意图;
图5是本发明风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统在全功率风电机组中的应用示意图。
具体实施方式
本实施例以双馈型风电机组为例,对本发明技术方案进行详细说明,不应理解为是对本发明实施的任何限制。
参照附图1所示,本发明一种风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,包括传感器部分、与传感器部分分别连接的触发控制装置和低频谐振自适应电压型补偿装置。
传感器部分包括电压传感器和电流传感器,该电压传感器和电流传感器设置于风电机组输出端,用于采集风电机组输出端电网的电压电流信号,并将采集到的电压电流信号传送至触发控制装置和低频谐振自适应电压型补偿装置。
触发控制装置包括低频谐振工况判断模块、和与其连接的第一信号输入端口和第一信号输出端口,该第一信号输入端口与上述电压传感器和电流传感器的输出端连接,该第一信号输出端口与低频谐振自适应电压型补偿装置连接。
当触发控制装置由第一信号输入端口接收到风电机组输出端的电压电流信号时,由低频谐振工况判断模块判断电网是否发生低频谐振故障,若是,则由第一信号输出端口触发低频谐振自适应电压型补偿装置启动;若否,继续采集风电机组输出端的电压电流信号。
该低频谐振自适应电压型补偿装置包括依次连接的第二信号输入端口、信号滤波装置、电压信号自适应滤波器、补偿量计算模块和第二信号输出端口,以及控制该低频谐振自适应电压型补偿装置启闭的开关模块。
该第二信号输入端口与上述电压传感器和电流传感器的输出端连接,用于接收电压电流信号,并将其接收到的电压电流信号传送至信号滤波装置。由该信号滤波装置对接收到的电压电流信号进行高频滤波,排除不必要的干扰,再由电压信号自适应滤波器依据电网低频谐振特征值设计自适应滤波器,由该自适应滤波器提取电网的基波成分,并由补偿量计算模块计算出相应的实时低频谐波成分、以及低频谐波含量在电网中的实时占比,最后计算出风电机组转矩给定指令的补偿量,再由第二信号输出端口将该风电机组转矩给定指令的补偿量传送至风电机组主控系统,并由该风电机组主控系统的转矩控制器将该补偿量发送给风电机组的变频器控制器,再由变频器控制器控制变频器,最后由变频器控制风电机组的输出功率,最终实现风电机组抑制低频谐振的闭环控制,保证在低频谐振工况下风电机组的稳定运行。
本发明风电机组低频谐振自适应电压型补偿方法的具体步骤如下:
1.判断电网是否存在低频谐振故障
该步骤由触发控制装置接收由传感器采集的电压电流信号,并通过对该电压电流信号的分析,判断风电机组的电网是否发生低频谐振故障,若是,则触发低频谐振自适应电压型补偿装置启动。
具体的控制过程如附图2所示:
1)检测风电机组输出端的端电压Ugrid和端电流Igrid
由电压传感器和电流传感器分别检测风电机组输出端的端电压Ugrid和端电流Igrid,并将该端电压Ugrid和端电流Igrid信号传送至低频谐振工况判断模块;
2)判断是否存在低频谐振故障
由低频谐振工况判断模块分析:当电流Igrid出现大幅振荡,判断是否超过设置的电流阈值Ilim;若Igrid超过电流阈值Ilim,即Igrid>=Ilim,对电网的电压频率进行特征值分析,判断电压中是否含有低频谐波分量Ulf;
若判断出电网电压中含有低频谐波,表明电网存在低频谐振故障,则触发低频谐振自适应电压型补偿装置的开关模块。
若电流Igrid未出现大幅振荡、Igrid未超过电流阈值Ilim或电压中不含有低频谐波,则继续对电网的电压电流信号进行监测。
2.计算风电机组转矩给定指令的补偿量
该步骤的具体控制过程如附图3所示:
1)当低频谐振自适应电压型补偿装置的开关模块被触发,该装置启动控制模式,则第二信号输入端口接收由电压传感器和电流传感器采集的电压Ugrid、电流Igrid信号,并传送至信号滤波装置;
2)信号滤波装置对采集到的电压Ugrid、电流Igrid信号进行高频滤波,排除不必要的干扰;
3)根据电网低频谐振特征值设计电压信号自适应滤波器;自适应滤波器的数学传递函数表达式为下述式(1):
其中ω0=2πflf,flf为低频谐波的频率值,s为传递函数中的频率变量;
4)通过该电压信号自适应滤波器提取电网的基波成分,如附图4所示,并根据式(2)和式(3),计算电网中实时低频谐波分量Ulf(t)以及低频谐波分量在电网中的占比k;
Ugrid(t)=Ulf(t)+Ubase(t)(2)
其中,Ugrid(t)为电网中实时电压值,Ubase(t)为电网中实时基波分量,Ulf(t)为电网中实时低频谐波分量,k为低频谐波分量在电网中的占比。
5)将步骤4)计算得到的占比k取反作为风电机组转矩给定指令的补偿量,补偿量算式为:
-k*Tref(t)(4)
其中,Tref(t)为在正常工况下风电机组主控中转矩控制器发出的转矩给定值,k为低频谐波分量在电网中的占比。
进而得出低频谐振工况下风电机组主控中转矩控制器发出的转矩给定值Tref-lf(t),其算式为下式(5):
Tref-lf(t)=Tref(t)-k*Tref(t)(5)
3.实现风电机组低频谐振自适应电压型补偿的闭环控制
将步骤2中计算得到的风电机组转矩给定指令的补偿量通过第二信号输出端口传送至风电机组主控系统的转矩控制器,再由转矩控制器将低频谐振工况下的转矩给定值发送给风电机组的变频器控制器,再由变频器控制器控制变频器,最终由变频器对电机进行控制,实现风电机组低频谐振抑制的闭环控制。
本发明风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,可以简单方便地在风电机组上进行安装,其中触发控制装置可安装在风电机组主控PLC控制柜中。当然,本发明还可用于全功率风电机组,其结构示意图如附图5所示。本发明的自适应电压型补偿控制策略,在电网发生低频振荡时,可以使风电机组输出相对稳定的功率,增强风电机组的抗扰动特性,维持在电网低频谐振故障状态下的不脱网运行。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,其特征在于,包括传感器部分、与传感器部分分别连接的触发控制装置和低频谐振自适应电压型补偿装置,
所述传感器部分,用于采集风电机组输出至电网的电压电流信号,并将采集到的电压电流信号传送至触发控制装置和低频谐振自适应电压型补偿装置;
所述触发控制装置,用于判断所述电网是否存在低频谐振故障;
所述低频谐振自适应电压型补偿装置,用于在所述触发控制装置判断出所述电网存在低频谐振故障时,实时计算风电机组转矩给定指令的补偿量,并将所述补偿量发送至风电机组主控系统。
2.根据权利要求1所述的风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统,其特征在于,所述传感器部分包括电压传感器和电流传感器;
所述触发控制装置包括低频谐振工况判断模块、和与其连接的第一信号输入端口和第一信号输出端口,所述第一信号输入端口与所述电压传感器和电流传感器的输出端连接,所述第一信号输出端口与所述低频谐振自适应电压型补偿装置连接;
所述低频谐振自适应电压型补偿装置包括依次连接的第二信号输入端口、信号滤波装置、电压信号自适应滤波器、补偿量计算模块和第二信号输出端口,以及开关模块;
所述第二信号输入端口与所述电压传感器和电流传感器的输出端连接,用于接收所述电网的电压电流信号;
所述信号滤波装置,用于对接收的电压电流信号进行高频滤波;
所述电压信号自适应滤波器,依据电网低频谐振特征值设计自适应滤波器,并提取所述电网的基波成分;
所述补偿量计算模块,用于计算风电机组转矩给定指令的补偿量;
所述第二信号输出端口,用于将所述风电机组转矩给定指令的补偿量传送至风电机组主控系统的转矩控制器;
所述开关模块与所述第一信号输出端口连接,用于控制所述低频谐振自适应电压型补偿装置的启闭。
3.一种包含如权利要求1或2所述的风电机组低频谐振自适应电压型补偿系统的风电机组,其特征在于,所述电压传感器和电流传感器设置于风电机组出口端,所述触发控制装置设置在风电机组主控PLC控制柜中。
4.根据权利要求3所述的风电机组,其特征在于,所述风电机组为双馈型风电机组或全功率型风电机组。
5.一种风电机组低频谐振自适应电压型补偿方法,其特征在于,所述方法为:
(1)检测所述风电机组中电网的电压电流信号;
(2)由低频谐振工况判断模块根据所述电压电流信号判断所述电网是否存在低频谐振故障,若是,进行步骤(3),若否,返回步骤(1);
(3)通过信号滤波装置对所述电压电流信号进行高频滤波,并根据所述电网中低频谐振特征值设计电压信号自适应滤波器;
(4)所述电压信号自适应滤波器提取所述电网的基波成分,并通过计算模块计算所述电网中实时低频谐波分量和低频谐波分量在电网中的占比,以及相应的风电机组转矩给定指令的补偿量;
(5)将步骤(4)得到的补偿量通过所述风电机组的转矩控制器和变频器控制器发送给所述风电机组的变频器,由所述变频器实现对风电机组电机的控制,实现对风电机组低频谐振抑制的闭环控制。
6.根据权利要求5所述的风电机组低频谐振自适应电压型补偿方法,其特征在于,所述步骤(2)中判断所述电网是否存在低频谐振故障的方法为:当所述电网的电流出现大幅振荡,判断其电流值是否超过预设的电流阈值,若所述电流值超过电流阈值,对所述电网的电压频率进行特征值分析,判断电压中是否含有低频谐波,若电压中含有低频谐波,表明所述电网存在低频谐振故障;若所述电网的电流未出现大幅振荡、电流值未超过所述电流阈值或所述电压中不含有低频谐波,表明所述电网不存在低频谐振故障。
7.根据权利要求5所述的风电机组低频谐振自适应电压型补偿方法,其特征在于,所述步骤(3)中电压信号自适应滤波器的数学传递函数表达式为:
其中,ω0=2πflf,flf为低频谐波的频率值,s为传递函数中的频率变量。
8.根据权利要求5所述的风电机组低频谐振自适应电压型补偿方法,其特征在于,所述步骤(4)中风电机组转矩给定指令的补偿量算式为:-k*Tref(t),其中,Tref(t)为在正常工况下风电机组主控中转矩控制器发出的转矩给定值,k为低频谐波分量在电网中的占比。
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