CN105634014B - 基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法，该方法包括以下步骤：⑴建立基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制系统；⑵因故障引起电压突变时，动态电压补偿器DVR取得突变后的电压矢量进行正负序分离；⑶计算出需要补偿的随时间变化的电压量，同时给出控制信号；⑷动态电压补偿器DVR输出电压量，补偿变速恒频双馈异步发电机DFIG定子端电压，使其趋稳；⑸故障期间再次突变时取得突变后新的电网电压矢量；⑹根据突变后的电压矢量，计算出需要补偿的随时间变化的电压量；⑺动态电压补偿器DVR输出电压补偿量，补偿变速恒频双馈异步发电机DFIG定子端电压，使其趋稳。本发明可实现不脱网稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法。
背景技术
风电是目前在技术上最为成熟、经济上最为可行、应用最为广泛的新能源发电技术之一。面临日益紧迫的能源安全及环境恶化问题，风能已受到各国政府的高度重视，世界各主要国家包括美国、中国都相继把发展可再生能源提升到国家战略的层次。以风电为代表的新能源正逐步成为我国重要的能源资源，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、保护生态环境、促进经济社会发展等方面发挥重要作用。而随着电力系统中风电装机容量迅速增加，风电成为电力系统的重要电源，风电机组应对电网故障稳定运行的能力对保障电力系统的稳定与安全有着非常重要的作用。
在各种类型的风力发电机组中，变速恒频双馈异步发电机（DFIG）以其调速范围宽、有功无功功率可独立调节以及所需背靠背变换器容量较小等优点，占据了绝大部分市场份额。
现有的双馈异步风力发电机组控制基本原理如下：
电网电压发生突变会使得定子磁链中出现自由分量和负序分量：
其中，为同步转速，为电压正序分量对应的磁链正序分量，为电压负序分量对应的磁链负序分量，为磁链自由分量，该分量是由于电压突变时磁链不能突变而产生，按时间常数衰减。
若不对定子电压进行补偿，上述磁链分量会分别在转子中感应出相应的电动势：
，s为转差，；
然而由于DFIG定子直接与电网相连，当电网发生单相、两相或者三相对地短路以及相间短路故障时，DFIG机端电压都将发生突变，而且发生单相、两相接地短路故障以及相间短路故障时，还会产生较大的负序电压。由于定子磁链不会发生突变，必须连续变化，因此在机端电压发生突变时，会在DFIG定子磁链中会产生直流成分（自由分量），定子直流磁链会在高速旋转的转子回路中感应出一个很大的转子感应电动势，一般相当于正常运行时转子感应电动势的5~6倍，当电网电压跌落的幅值较大时，由此产生的感应电动势远远超过转子侧变换器（RSC）的容量限制，RSC会失去对DFIG的控制能力，会导致RSC过电压、过电流以及DFIG电磁转矩和输出功率剧烈变化等，DFIG也会因为RSC过流保护动作而脱网。而当DFIG机端电压中含有负序成分时，负序电压会在DFIG定子中产生负序磁链成分，负序磁链与转子旋转方向相反，同样会在转子感应出很大的感应电动势，一般相当于正常运行时转子感应电动势的5~7倍，当负序电压含量较高时，RSC也会发生过电压、过电流的情况，从而导致风机脱网。
若在电网故障期间对定子电压进行补偿，减小或者消除电压突变对风机的影响，则能避免上述磁链反应对转子产生的不良影响。
若在故障期间持续对电压进行完全补偿，完全隔绝电网扰动对风机的影响，风机将能够持续稳定运行，但故障期间由于电网电压跌落，风机相当部分功率不能有效送出（若电压跌至0，则是全部功率），DVR必须处理这部分功率，这就需要DVR配备与风机额定功率相匹配的储能容量或释能装置，这极不经济，在工程实际中几乎不可能实现。
针对以上情况，目前国内外采用转子快速短接保护（Crowbar）技术，来限制转子的电流，保护RSC，该方法实现简单、易操作，但是在Crowbar动作期间，DFIG相当于鼠笼式异步电机会从电网吸收大量无功功率，不仅不利于电网电压的恢复，甚至还会加剧电网电压的下降，引发更进一步的故障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实现不脱网稳定运行的基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法。
为解决上述问题，本发明所述的基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法，包括以下步骤：
⑴建立基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制系统，该系统包括变速恒频双馈异步发电机DFIG、动态电压补偿器DVR和控制模块；所述变速恒频双馈异步发电机DFIG中分别设有转子侧变换器RSC、定子侧转换器GSC，该定子侧转换器GSC与所述动态电压补偿器DVR串联后与电网相连接；所述控制模块与所述动态电压补偿器DVR相连；
⑵当所述电网电压正常时，所述动态电压补偿器DVR不工作，但所述动态电压补偿器DVR实时检测定子电压稳态值；
当所述电网因故障引起电压突变时，则所述动态电压补偿器DVR迅速取得突变后的电压矢量，进行正负序分离：
；
其中为正序分离电压，为负序分离电压；
⑶根据所述突变后的电压矢量，计算出需要补偿的随时间变化的电压量，同时所述控制模块向所述动态电压补偿器DVR给出控制信号；
⑷所述动态电压补偿器DVR根据所述控制模块的控制信号输出所述步骤⑶计算出的电压量，补偿所述变速恒频双馈异步发电机DFIG定子端电压，使其缓慢过渡至新的稳态；
⑸故障期间所述动态电压补偿器DVR持续检测所述电网电压；当故障恢复引起电压再次突变时，所述动态电压补偿器DVR迅速取得突变后新的所述电网电压矢量；
⑹根据突变后的所述电压矢量，计算出需要补偿的随时间变化的电压量，电压补偿量为：
，；
式中：为补偿时间，为电压增量；
⑺所述动态电压补偿器DVR根据所述控制模块的控制信号输出所述步骤⑸得到的所述电压补偿量，补偿所述变速恒频双馈异步发电机DFIG定子端电压，使其缓慢过渡至稳态。
所述步骤⑴中的动态电压补偿器DVR包括逆变器、滤波电路和储能装置；所述逆变器与所述储能装置通过两根导线连接，且两根导线间连接电容；所述逆变器的输出端与所述滤波电路的输入端相连。
所述步骤⑶中计算出需要补偿的随时间变化的电压量是按下述过程进行计算：
正序电压补偿量：
，
；
负序电压补偿量：；
电压补偿量：；
式中：为正序电压增量；为负序电压增量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在电网发生故障时，动态电压补偿器DVR可以充当电压缓冲器，使得定子电压缓慢过渡至新的稳态，辅助变速恒频双馈异步发电机DFIG机组的暂态穿越过程，保证变速恒频双馈异步发电机DFIG在整个暂态过程完全可控，且较之动态电压补偿器DVR完全补偿方案，大大减小动态电压补偿器DVR所需储能容量或释能装置。且在电压期间持续对负序电压进行完全补偿，但对于正序电压，在故障发生时刻完全补偿，随后按时间变化逐步减小电压补偿量，直至过渡至突变后的稳态。
2、本发明在电网发生故障时，快速检测故障电压，且仅需极小的储能容量或释能装置迅速对其作出补偿，就能大幅减小电压突变引发的磁链反应的不良影响，从而降低风电机组受到的扰动程度，达到风电机组故障穿越，不脱网稳定运行的目的。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明中基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制系统的原理框图。
图2为本发明中动态电压补偿器DVR的原理框图。
图3为本发明中电网故障下定子电压补偿原理示意图。
图中：1—变速恒频双馈异步发电机DFIG 11—转子侧变换器RSC 12—定子侧转换器GSC 2—动态电压补偿器DVR 3—控制模块 4—电网 5—逆变器 6—滤波电路 7—储能装置 8—电容。
具体实施方式
基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法，包括以下步骤：
⑴如图1所示，建立基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制系统，该系统包括变速恒频双馈异步发电机DFIG1、动态电压补偿器DVR2和控制模块3。变速恒频双馈异步发电机DFIG1中分别设有转子侧变换器RSC11、定子侧转换器GSC12，该定子侧转换器GSC12与动态电压补偿器DVR2串联后与电网4相连接；控制模块3与动态电压补偿器DVR2相连。动态电压补偿器DVR2不断采集电网4侧电压，控制模块3控制动态电压补偿器DVR2的输出电压。
其中：动态电压补偿器DVR2包括逆变器5、滤波电路6和储能装置7。逆变器5与储能装置7通过两根导线连接，且两根导线间连接电容8；逆变器5的输出端与滤波电路6的输入端相连（参见图2）。
⑵当电网4电压正常时，动态电压补偿器DVR2不工作，但动态电压补偿器DVR2实时检测定子电压稳态值。
当电网4因故障引起电压突变时，则动态电压补偿器DVR2迅速取得突变后的电压矢量，进行正负序分离：
；
其中为正序分离电压，为负序分离电压。
⑶根据突变后的电压矢量，计算出需要补偿的随时间变化的电压量，同时控制模块3向动态电压补偿器DVR2给出控制信号。
其中：计算出需要补偿的随时间变化的电压量是按下述过程进行计算：
正序电压补偿量：
，
；
负序电压补偿量：；
电压补偿量：；
式中：为正序电压增量；为负序电压增量。
补偿量随时间逐步减小直至退出，如图3所示。故障期间完全补偿负序电压，使定子电压中不含负序分量。
⑷动态电压补偿器DVR2根据控制模块3的控制信号输出步骤⑶计算出的电压量，补偿变速恒频双馈异步发电机DFIG1定子端电压，使其缓慢过渡至新的稳态。
⑸故障期间动态电压补偿器DVR2持续检测电网4电压；当故障恢复引起电压再次突变时，动态电压补偿器DVR2迅速取得突变后新的电网4电压矢量。
⑹根据突变后的电压矢量，计算出需要补偿的随时间变化的电压量。故障恢复后，电网电压中无负序分量，因此补偿量中无负序分量。电压补偿量为：
，；
式中：为补偿时间，为电压增量。
⑺动态电压补偿器DVR2根据控制模块3的控制信号输出步骤⑸得到的电压补偿量，补偿变速恒频双馈异步发电机DFIG1定子端电压，使其缓慢过渡至稳态。
本发明工作原理：
在电压期间持续对负序电压进行完全补偿，但对于正序电压，在故障发生时刻完全补偿，随后按时间变化逐步减小电压补偿量，直至过渡至突变后的稳态。这样就使得定子电压由突变转为缓变，自由磁链的感应电势将大幅减小：
正序电压补偿量，补偿时间为，按斜率递减，时间后完全退出；
负序电压补偿量；
由此，补偿后定子侧电压变为：
对应定子磁链：
转子感应电动势为：
此时只要补偿时间足够长，即可使上述感应电动势足够小，一般取工频周期的2~3倍。
此种补偿方案下，由于补偿时间较前方案大幅缩短，所需容量不及原方案的1/10。
应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。
Claims (3)
1.基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法，包括以下步骤：
⑴建立基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制系统，该系统包括变速恒频双馈异步发电机DFIG（1）、动态电压补偿器DVR（2）和控制模块（3）；所述变速恒频双馈异步发电机DFIG（1）中分别设有转子侧变换器RSC（11）、定子侧转换器GSC（12），该定子侧转换器GSC（12）与所述动态电压补偿器DVR（2）串联后与电网（4）相连接；所述控制模块（3）与所述动态电压补偿器DVR（2）相连；
⑵当所述电网（4）电压正常时，所述动态电压补偿器DVR（2）不工作，但所述动态电压补偿器DVR（2）实时检测定子电压稳态值；
当所述电网（4）因故障引起电压突变时，则所述动态电压补偿器DVR（2）迅速取得突变后的电压矢量，进行正负序分离：
；
其中为正序分离电压，为负序分离电压；
⑶根据所述突变后的电压矢量，计算出需要补偿的随时间变化的电压量，同时所述控制模块（3）向所述动态电压补偿器DVR（2）给出控制信号；
⑷所述动态电压补偿器DVR（2）根据所述控制模块（3）的控制信号输出所述步骤⑶计算出的电压量，补偿所述变速恒频双馈异步发电机DFIG（1）定子端电压，使其缓慢过渡至新的稳态；
⑸故障期间所述动态电压补偿器DVR（2）持续检测所述电网（4）电压；当故障恢复引起电压再次突变时，所述动态电压补偿器DVR（2）迅速取得突变后新的所述电网（4）电压矢量；
⑹根据突变后的所述电压矢量，计算出需要补偿的随时间变化的电压量，电压补偿量为：
，；
式中：为补偿时间，为电压增量；
⑺所述动态电压补偿器DVR（2）根据所述控制模块（3）的控制信号输出所述步骤⑹得到的所述电压补偿量，补偿所述变速恒频双馈异步发电机DFIG（1）定子端电压，使其缓慢过渡至稳态。
2.如权利要求1所述的基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法，其特征在于：所述步骤⑴中的动态电压补偿器DVR（2）包括逆变器（5）、滤波电路（6）和储能装置（7）；所述逆变器（5）与所述储能装置（7）通过两根导线连接，且两根导线间连接电容（8）；所述逆变器（5）的输出端与所述滤波电路（6）的输入端相连。
3.如权利要求1所述的基于动态电压补偿器的双馈异步风力发电机组控制方法，其特征在于：所述步骤⑶中计算出需要补偿的随时间变化的电压量是按下述过程进行计算：
正序电压补偿量：
，
；
负序电压补偿量：；
电压补偿量：；
式中：为正序电压增量；为负序电压增量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |