CN107069756B - 计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，首先根据转速限制要求和转子变流器限流极限，分别求解转子电流和定子输出功率的关系，以及功率约束关系；及双重限制下的最大无功功率；根据有功功率和无功功率的最优值，按照定转子电流关系计算低电压穿越期间的转子侧变流器电流参考值，并按照计算的转子侧变流器电流参考值实施低电压穿越控制；本发明提供的方法，既考虑了低电压穿越期间桨距角调整这一因素的影响，又分析了机械功率动态变化对机组低电压穿越输出有功功率和无功功率的约束关系，可用于双馈风电场低电压穿越策略制定和实施，提高含大规模风电的电力系统的安全性和可靠性。

Description

计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组的低电压穿越方法技术领域，特别是一种计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法。

背景技术

风力发电是目前技术最成熟的新能源发电方式，已在全球范围内实现规模化应用。2000年以来风电占欧洲新增装机的30％，2007年以来风电占美国新增装机的33％。近10年来，我国风电装机保持强劲增长势头，风电新增装机容量连续六年领跑全球。2016年，我国累计并网风电装机已达到全部发电装机容量的9％，风力发电量占全部发电量的4％，成为继煤电、水电之后的第三大电源。其中双馈风电机组是目前应用最广泛和技术成熟的机型之一，采用能量双馈通道连接电网，相较于传统定速风电机组具有更大的运行范围、灵活的控制方式和更强的低电压穿越能力。

风电并网标准GT/T19963-2011规定，在电网发生三相短路使得风电机组接入点电压跌落至20％～90％额定电压时，风电场应提供动态无功电流以支撑电网电压。此时双馈风电机组桨距角控制系统需调整原动机功率输入，转子侧变流器控制器需闭锁外环按照并网标准的无功电流要求给定参考值，从而实现暂态无功功率的输出。

在低电压穿越期间，双馈风电机组输出无功功率可以支撑电网电压，并提高电网中同步发电机的功角稳定性。但是，双馈风电机组的无功输出能力受到各种条件的制约。目前，对于双馈风电机组暂态无功输出能力的研究集中于变流器硬件限制和开发网侧变流器的输出能力，尚未见到研究低电压穿越期间机械功率动态调整对机组输出能力的影响。实际上，由于桨距角调节速度受限于机械执行机构的运动速度，远慢于电磁功率的变化，若不考虑低电压穿越期间输入机械功率和电磁功率的平衡和配合问题，一味输出更大的无功功率，则可能造成双馈风电机组发电机转子加速过快，触发机组超速保护动作导致机组脱网，这制约了现有低电压穿越控制理论和技术的工程应用。

因此，需要一种计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法；本方法针对双馈风电机组低电压穿越方法尚未计及桨距角调整和转速极限的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，包括以下步骤：

S1：在转速极限对机组暂态输出功率的限制条件下，对紧急顺桨过程中输入发电机的机械功率进行解析表达，建立发电机转子的功率平衡方程，求解避免机组转子超速保护动作的最小有功功率；

S2：在双馈风电机组转子变流器限流极限的条件下，根据双馈风电机组数学模型求解转子电流和定子输出功率的关系，求解转子变流器限流极限下的功率约束关系；

S3：将转速极限下的最小有功功率代入转子变流器极限下的功率约束关系中，取得考虑双重限制下的最大无功功率；

S4：根据最小有功功率和最大无功功率值，按照定转子电流关系计算低电压穿越期间的转子侧变流器电流参考值，并按照计算的转子侧变流器电流参考值实施低电压穿越控制。

进一步，所述步骤S1中的紧急顺桨过程中输入机械功率的表达式具体如下：

P_m＝P_wC_p(t)；

其中，为流过扫风面积的全部风功率，ρ为空气密度，R为风轮机叶片半径，v_w为风速；t为从发生故障开始计算的时间；C_p(t)为桨距角调整过程中风能利用系数的时间函数；

进一步，所述步骤S1中的最小有功功率值具体按照以下公式计算：

其中，β₀为桨距角调节速度，t_p为双馈风电机组加速度为0的时刻；M为双馈风电机组发电机转子惯量，ω_rmax为超速保护动作值，ω_r0为发电机转子初始转速。

进一步，所述步骤S1中的双馈风电机组加速度为0的时刻按照以下公式计算：

其中，ω_rN为双馈风电机组额定转速。

进一步，所述步骤S3中的最大无功功率按照以下公式进行计算：

其中，U_s为双馈风电机组故障后的机端电压，L_s、L_m分别为定子电感、励磁电感，I_rmax为转子变流器限流极限值。

进一步，所述步骤S4中的转子侧变流器电流参考值按照以下公式进行计算：

其中，分别为双馈风电机组转子侧变流器电流参考值；P_smin为最小有功功率；Q_smax为最大无功功率。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，针对双馈风电机组低电压穿越方法尚未计及桨距角调整和转速极限的问题，既考虑了低电压穿越期间桨距角调整这一因素的影响，又分析了机械功率动态变化对机组低电压穿越输出有功功率和无功功率的约束关系，可用于双馈风电场低电压穿越策略制定和实施，提高含大规模风电的电力系统的安全性和可靠性。

通过量化分析输入机械功率造成的机组输出有功功率和无功功率的约束，从而提出计及变流器限流极限和转速极限的最大无功功率，能够用于双馈风电场低电压穿越策略的实施，可进一步用于含大规模风电的电力系统暂态分析、故障保护和控制的研究。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1是本发明实施例中的方法流程图。

图2是本发明实施例中的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，同时考虑了双馈风电机组转子变流器限流极限和转速极限对机组暂态输出功率的限制。对于转速限制，对紧急顺桨过程中输入发电机的机械功率进行解析表达，建立发电机转子的功率平衡方程，求解避免机组转子超速保护动作的最小有功功率；对于转子变流器限流极限，根据双馈风电机组数学模型求解转子电流和定子输出功率的关系，求解转子变流器限流极限下的功率约束关系。将转速极限下的有功功率最小值代入转子变流器极限下的功率约束关系即可取得考虑双重限制下的最大无功功率。根据有功功率和无功功率的最优值，按照定转子电流关系计算低电压穿越期间的转子侧变流器电流参考值，并按照计算的转子侧变流器电流参考值实施低电压穿越控制；具体计算步骤包括：

1)建立电网发生故障后紧急顺桨过程中输入机械功率的表达式为：

P_m＝P_wC_p(t)；

其中，为流过扫风面积的全部风功率，ρ为空气密度，R为风轮机叶片半径，v_w为风速；t为从发生故障开始计算的时间；C_p(t)为桨距角调整过程中风能利用系数的时间函数，具体为：

C_p(t)＝-0.0002856β(t)²-0.01166β(t)+0.4383；

2)根据双馈风电机组转子功率平衡方程可以解得转子转速极限下的有功功率最小值为

其中，β₀为桨距角调节速度，t_p为双馈风电机组加速度为0的时刻；M为双馈风电机组发电机转子惯量，ω_rmax为超速保护动作值，ω_r0为发电机转子初始转速。t_p取值为：

其中，ω_rN为双馈风电机组额定转速。

3)根据故障时转子变流器耐流极限下双馈风电机组输出功率的约束关系，代入步骤2)中的最小有功功率可得到双馈风电机组在低电压穿越期间输出无功功率的最大值：

其中，U_s为双馈风电机组故障后的机端电压，L_s、L_m分别为定子电感、励磁电感，I_rmax为转子变流器限流极限值。

4)利用上述步骤计算的有功功率最小值P_smin和无功功率最大值Q_smax，根据定转子电流关系计算低电压穿越期间的转子侧变流器电流参考值：

其中，分别为双馈风电机组转子侧变流器电流参考值。

5)故障发生后，双馈风电机组闭锁转子侧变流器功率外环，并按照设定电流内环参考值，实施低电压穿越控制。

实施例2

本实施例提供的计及双馈风电机组低电压穿越期间桨距角调整的影响，通过量化发电机转子输入机械功率，建立转子功率平衡方程，从而在转速极限下求解最小的定子有功功率。继而代入转子变流器限流极限下的功率约束关系，即可得到考虑变流器限流极限和转速极限下的最大定子无功功率。

如图1所示；本实施例提供的一台双馈风电机组为例介绍进行低电压穿越方法的实施，具体步骤为：

1、输入机组参数

需输入的双馈风电机组参数包括：额定容量，定、转子额定电压，定、转子电阻，定、转子电抗、激磁电抗，当前运行风速，发电机初始转速，发电机超速保护动作值，转子侧变流器限流极限，风轮机半径；

2、确定故障条件

实时检测双馈风电机组机端电压，并计算机端电压幅值，电网发生故障瞬间得到跌落后的机端电压幅值U_s。

3、确定双馈风电机组加速度为0的时刻t_p：

其中，ω_rN为双馈风电机组额定转速。

4、计算有功功率受限区域边界ω_r′₀：

5、确定桨距角调节速度β₀，得到桨距角的时间函数β(t)：

β(t)＝β₀t (3)

其中，t为以故障发生瞬间为零时刻的时间。

6、确定风能利用系数的时间函数C_p(t)和它的积分函数f(t)：

7、求解保证双馈风电机组发电机不超速的最小有功功率

其中，为流过扫风面积的全部风功率，ρ为空气密度，R为风轮机叶片半径，v_w为风速。

8、将转速极限约束下的最小有功功率代入转子侧变流器限流极限约束下的功率关系，求解最大无功功率Q_smax：

其中，I_rmax为转子变流器限流极限值。

9、根据计算的有功功率和无功功率设定转子侧变流器电流参考值

电网故障发生后，按照下式给定转子侧变流器电流内环d、q轴参考值

如图2所示，正常运行时，转子侧变流器内环电流参考值接端口1，由外环功与其参考值的差值经过PI调节器得到，再内环电流参考值与转子电流的差值再通过内环PI调节器调节，加上转子电压补偿项，得到转子电压参考值，作为调制波送至信号发生单元生成PMW控制信号控制IGBT开关，从而实现功率的控制。故障发生后，闭锁转子变流器功率外环，内环电流参考值由端口1切换到端口2，直接按照式(8)给定内环电流参考值，以实现较快的跟踪和控制效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (6)

1.计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在转速极限对机组暂态输出功率的限制条件下，对紧急顺桨过程中输入发电机的机械功率进行解析表达，建立发电机转子的功率平衡方程，求解避免机组转子超速保护动作的最小有功功率；

S2：在双馈风电机组转子变流器限流极限的条件下，根据双馈风电机组数学模型求解转子电流和定子输出功率的关系，求解转子变流器限流极限下的功率约束关系；

S3：将转速极限下的最小有功功率代入转子变流器极限下的功率约束关系中，取得考虑双重限制下的最大无功功率；

S4：根据最小有功功率和最大无功功率值，按照定转子电流关系计算低电压穿越期间的转子侧变流器电流参考值，并按照计算的转子侧变流器电流参考值实施低电压穿越控制。

2.如权利要求1所述的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于：所述步骤S1中的紧急顺桨过程中输入机械功率的表达式具体如下：

P_m＝P_wC_p(t)；

其中，为流过扫风面积的全部风功率，ρ为空气密度，R为风轮机叶片半径，v_w为风速；t为从发生故障开始计算的时间；C_p(t)为桨距角调整过程中风能利用系数的时间函数。

3.如权利要求1所述的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于：所述步骤S1中的最小有功功率P_smin具体按照以下公式计算：

其中，β₀为桨距角调节速度，t_p为双馈风电机组加速度为0的时刻；M为双馈风电机组发电机转子惯量，ω_rmax为超速保护动作值，ω_r0为发电机转子初始转速。

4.如权利要求3所述的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于：所述步骤S1中的双馈风电机组加速度为0的时刻t_p按照以下公式计算：

其中，ω_rN为双馈风电机组额定转速。

5.如权利要求1所述的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于：所述步骤S3中的最大无功功率按照以下公式进行计算：

其中，U_s为双馈风电机组故障后的机端电压，L_s、L_m分别为定子电感、励磁电感，I_rmax为转子变流器限流极限值。

6.如权利要求1所述的计及转速极限的双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于：所述步骤S4中的转子侧变流器电流参考值按照以下公式进行计算：

其中，分别为双馈风电机组转子侧变流器电流参考值；P_smin为最小有功功率；Q_smax为最大无功功率。