CN108270246B - 风电变流器网侧有功功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电变流器网侧有功功率控制方法及系统。该方法包括：基于风机并网处的网侧电压和电流来确定机组的实际净上网有功功率P；基于给定发电机有功功率和功率损耗计算值来计算机组的理想净上网有功功率P’；基于功率差值来确定交轴电流调节值，功率差值是所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值的差值；基于给定的发电机的转矩来确定发电机的交轴电流参考值I_{q_ref}；并且基于所述交轴电流调节值和所述交轴电流参考值I_{q_ref}的和来调节风电变流器网侧的有功功率。本发明采用基于风机并网点有功功率进行闭环控制的策略，使得风电机组净上网功率控制精度提升的情况下，降低制造成本。

Description

风电变流器网侧有功功率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地，涉及一种风电变流器网侧有功功率控制方法及系统。

背景技术

永磁直驱机组全球风电产业中占有重要地位，由于其技术成熟与整机可靠性高等优点而成为各大风电厂商的核心产品。对于风电电网而言，随着负载的变动，电机的速度也将有所变动，为此，引入了发电机功率闭环控制。不同于不包括输出检测这个步骤的开环控制，发电机功率闭环控制(closed-loop control)，是指在永磁直驱风力机组控制中给定发电机功率后，检测当前实时发电机功率，使得发电机功率跟随给定发电机功率的控制方式。

在永磁直驱风电机组中，风电全功率变流器作为能量转换器件，为提高发电机功率的控制精度，其机侧逆变器一般采用发电机功率闭环控制策略。发电机功率控制精度取决于功率检测的精度，即取决于机侧逆变器电压和电流传感器检测的精度。

如果机侧逆变器采用低精度传感器，则发电机功率控制精度较低，发电机满发功率一致性较差，发电效率低，发电机功率控制精度变差。而如果机侧逆变器采用高精度传感器，需要增加成本数万元，经济效益较差。上述情况都可能导致发电机出力不足或超发等问题，影响了机组的发电效率。

因此，迫切需要保证控制精确度，同时控制传感器成本的风电变流器网侧有功功率控制方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种风电变流器网侧有功功率控制方法及系统，能保证控制精确度，同时降低成本。

根据本发明的一个方面，提供了一种风电变流器网侧有功功率控制方法，方法包括：基于风机并网处的网侧电压和电流，确定风电机组的实际净上网有功功率P；基于给定发电机有功功率和功率损耗计算值计算机组的理想净上网有功功率P’；基于所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值的差值，确定交轴电流调节值；基于给定的发电机的转矩，确定发电机的交轴电流参考值I_{q_ref}；并且基于所述交轴电流调节值和所述交轴电流参考值I_{q_ref}的和，调节风电变流器网侧的有功功率。

根据本发明的另一方面，提供了一种风电变流器网侧有功功率控制系统，包括：第一计算模块，被配置为基于风机并网处的网侧电压和网侧电流来确定机组的实际净上网有功功率P；第二计算模块，被配置为基于给定发电机有功功率和功率损耗计算值，计算风电机组的理想净上网有功功率P’；电流调节值确定模块，被配置为基于所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值差值，确定交轴电流调节值；电流参考值确定模块，被配置为基于给定的发电机的转矩来确定所述发电机的交轴电流参考值I_{q_ref}；以及控制模块，被配置为基于交轴电流调节值和所述交轴电流参考值I_{q_ref}的和，调节风电变流器网侧的有功功率。

本发明提供的实施例通过在风机并网点安装高精度电流、电压传感器，计算获取高精度风机并网点有功功率，使得机侧逆变器可以安装较低精度的传感器，并采用基于风机并网点有功功率进行闭环控制的策略，使得风电机组净上网功率控制精度提升的情况下，降低制造成本。

本发明涉及风电变流器网侧有功功率控制方法及系统。取决于实施例，还可以获得一个或多个益处。参考下面的详细描述和附图可以全面地理解本发明的这些益处以及各个另外的目的、特征和优点。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的示例性实施例的特征、优点和技术效果进行描述，附图中相似的附图标记表示相似的元件，其中：

图1是本发明的示例的系统应用示意图。

图2是根据本发明的实施例的、风电变流器网侧有功功率控制方法的流程图。

图3是根据本发明的实施例的、风电变流器网侧有功功率控制系统的框图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

图1是本发明的示例的系统应用示意图。该图仅作为示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该理解很多变化、替代和修改。

在风电系统中，发电机、变流器、电网顺次连接。网侧变流器均采用全功率变流器，例如，可以采用三相H桥结构。网侧变流器工作于可控整流器模式，机侧变流器工作于不可控整流器模式，还可以通过调节励磁电源输出电流的大小来实现最大功率点跟踪运行。替代的，网侧变流器可以工作于可控整流器模式，机侧变流器可以工作于功率外环、转矩内环(可以没有功率外环)的双闭环控制模式，可以通过控制机侧变流器的输出功率来实现最大功率点跟踪运行。

根据本发明的实施例，在风机并网处的网侧连接有电压传感器和电流传感器。从而，与电压传感器和电流传感器相连接的计算模块可以基于风机并网处的网侧电压和电流来确定机组的所述实际净上网有功功率P。例如，计算模块可以根据下述方式来计算实际净上网有功功率P：采集所述风电变流器网侧的三相相电压值，定义为Ua，Ub，Uc，计算下述电压值U_α和U_β：

采集所述风电变流器网侧的三相电流值定义为ia，ib，ic，计算下述电流值I_α和I_β：

则实际净上网有功功率P计算如下：P＝U_α*I_α+U_β*I_β，其中U_α为两相静止坐标系α(即alpha)轴电压，U_β为两相静止坐标系β(即beta)轴电压，I_α为两相静止坐标系α轴电流，I_β为两相静止坐标系β轴电流。。

通过安装少量的高精度传感器，可以提升发电机输出功率控制的精度，从而提升机组并网点有功功率控制的精度，从而提升风力发电机组的发电效率。

图2是根据本发明的实施例的、风电变流器网侧有功功率控制方法200的流程图。该图仅作为示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该理解很多变化、替代和修改。

方法200开始于步骤201；在步骤201，基于所述风机并网处的网侧电压和电流来确定机组的实际净上网有功功率P。

有功功率是是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率，称为有功功率。以字母P表示，单位主要有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)等。通过在安风电变流器网侧装高精度电压和电流传感器，可以计算机组实际净上网有功功率P。

根据一个实施例，基于所检测的三相电压和三相电流值，如上文所述，在此不再赘述。

根据优选的实施例，可以设置滤波器来对所获得的实际净上网有功功率P进行滤波处理。可以设置滤波器来对理想净上网有功功率P’进行滤波。

方法200随后继续到步骤202；在步骤202，基于给定发电机有功功率和功率损耗计算值来计算机组的理想净上网有功功率P’。

根据一个实施例，给定发电机有功功率和功率损耗计算值的差值即机组的理想净上网有功功率P’。功率损耗计算值包括下述项中的一项或多项：发电机功率损耗、电缆功率损耗、变流器功率损耗、以及自用电功率损耗。功率损耗计算值可以通过损耗曲线获得。例如，分别通过发电机理想损耗曲线、电缆损耗曲线、变流器损耗曲线、机组自用电损耗曲线，根据能量守恒定律来确定发电机功率损耗、电缆功率损耗、变流器功率损耗自用电功率损耗。

根据一个实施例，发电机功率损耗是根据下述方法计算的：采集发电机绕组直流电阻值、发电机相电流值，并且基于所述直流电阻值以及发电机相电流值，根据公式P＝I²R来计算当前实时发电机功率损耗。根据一个实施例，电缆功率损耗是根据下述方法计算的：根据电缆的电阻率求出所述电缆的电阻值，采集通过所述电缆的交流电流，并且基于所述电缆的电阻值以及发通过所述电缆的交流电流来计算当前实时电缆功率损耗。变流器功率损耗、以及自用电功率损耗可以以类似的方式来计算，在此不再赘述。

方法200随后继续到步骤203；在步骤203，基于功率差值来确定交轴电流调节值，其中功率差值是实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值的差值。

方法200随后继续到步骤204；在步骤204，基于给定的发电机的转矩来确定发电机的交轴电流参考值I_{q_ref}，其中转矩是基于给定发电机有功功率确定的。例如，可以根据T＝P/ω来确定发电机的转矩T，其中P代表给定发电机有功功率，ω代表发电机转动的角速度。

在本发明的实施例中，电机可以是贴面式电机(SPMSM，surface permanentmagnet synchronous motor)。在这种情况下，交轴电流参考值I_{q_ref}是基于I_{q_ref}＝T/1.5*P_nψ_f确定的，其中T代表所述贴面式发电机的转矩，P_n代表所述贴面式发电机的极对数，以及ψ_f代表所述贴面式发电机的额定总磁链。

根据优选的实施例，当未知全功率风力发电机组机侧变流器馈入直流侧功率时，交轴电流参考值I_{q_ref}值为0。

方法200随后继续到步骤205；在步骤205，基于交轴电流调节值和交轴电流参考值I_{q_ref}的和来调节所述风电变流器网侧的有功功率。

根据一个实施例，理想净上网有功功率P’与实际净上网有功功率P差值输入有功功率调节器。其输出作为交轴电流调节值。交轴电流参考值I_{q_ref}与交轴电流调节值相加作为联合电流给定值，输入矢量控制器，实现网侧净上网有功功率闭环控制。

例如，对于异步电动机，矢量控制器可以将电动机在三相坐标系下的定子电流I_a、I_b、I_c、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1。随后，矢量控制器可以通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流I_m1、I_t1(I_m1相当于直流电动机的励磁电流；I_t1相当于与转矩成正比的电枢电流)。随后以直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对电动机的控制。

以这种方式，通过安装少量的高精度传感器，提升发电机输出功率控制的精度，从而提升机组并网点有功功率控制的精度，可以提升风力发电机组的发电效率。

图3是根据本发明的实施例的、风电变流器网侧有功功率控制系统300的框图。该图仅作为示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该理解很多变化、替代和修改。

图3示出了一种风电变流器网侧有功功率控制系统300。系统300包括：第一计算模块310、第二计算模块320、电流调节值确定模块330、电流参考值确定模块340、以及控制模块350。

第一计算模块310被配置为基于风机并网处的网侧电压和电流来确定机组的实际净上网有功功率P。第二计算模块320被配置为基于给定发电机有功功率和功率损耗计算值来计算机组的理想净上网有功功率P’。电流调节值确定模块330被配置为基于功率差值来确定交轴电流调节值，其中所述功率差值是所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值的差值。电流参考值确定模块340被配置为基于给定的发电机的转矩来确定所述发电机的交轴电流参考值I_{q_ref}，其中转矩可以是由系统的主控制发送给变流器控制器的。控制模块320被配置为基于所述交轴电流调节值和所述交轴电流参考值I_{q_ref}的和来调节所述风电变流器网侧的有功功率。

图3中各个模块的功能可以类似于参考图2所述的实施例中的方式来实现，在此不再赘述。

本发明提供的实施例通过在风机并网点安装高精度电流、电压传感器，计算获取高精度风机并网点有功功率，使得机侧逆变器可以安装较低精度的传感器，并采用基于风机并网点有功功率进行闭环控制的策略，使得风电机组净上网功率控制精度提升的情况下，降低制造成本。

本发明的元素可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。

上文中提到了“一个实施例”，然而应理解，在各个实施例中提及的特征并不一定只能应用于该实施例，而是可能用于其他实施例或与其他实施例组合使用。

上面已经参考附图描述了根据本发明的一些具体示例。但是，本发明并非意在受到上述实施例中描述的任何具体配置和过程的限制。本文中所提到的系统、方法、图表、电路实现均为本发明声明，所列出的示例仅为本发明的应用举例，并不代表本发明仅限于此类应用示例。在本发明的精神的范围之内，本领域技术人员能够认识到上述配置、算法、操作和过程的各种替换、改变或修改。

Claims (10)

1.一种风电变流器网侧有功功率控制方法，其特征在于，所述方法包括：

基于风机并网处的网侧电压和网侧电流，确定风电机组的实际净上网有功功率P；

基于给定发电机有功功率和功率损耗的计算值，计算所述风电机组的理想净上网有功功率P’；

基于所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值的差值，确定交轴电流调节值；

基于给定的发电机的转矩，确定所述发电机的交轴电流参考值I_{q_ref}；并且

基于所述交轴电流调节值和所述交轴电流参考值I_{q_ref}的和，调节所述风电变流器网侧的有功功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于风机并网处的网侧电压和网侧电流，确定风电机组的实际净上网有功功率P，具体包括：

采集所述风电变流器网侧的三相相电压值，定义为Ua，Ub，Uc；

根据所述三相相电压值计算下述电压值U_α和U_β：

采集所述风电变流器网侧的三相电流值，定义为ia，ib，ic；

根据三相电流值计算下述电流值I_α和I_β：

则实际净上网有功功率P计算如下：

P＝U_α*I_α+U_β*I_β

其中U_α为两相静止坐标系α轴电压，U_β为两相静止坐标系β轴电压，I_α为两相静止坐标系α轴电流，I_β为两相静止坐标系β轴电流。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率损耗包括下述项中的至少一项：发电机功率损耗、电缆功率损耗、变流器功率损耗、以及自用电功率损耗。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述实际净上网有功功率P及所述理想净上网有功功率P’进行滤波处理；

基于所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值的差值，确定交轴电流调节值，具体包括：

基于滤波处理后的所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的绝对值的差值，确定交轴电流调节值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发电机是贴面式发电机；并且，所述交轴电流参考值I_{q_ref}基于I_{q_ref}＝T/1.5*P_nψ_f确定，其中T代表所述贴面式发电机的转矩，P_n代表所述贴面式发电机的极对数，以及ψ_f代表所述贴面式发电机的额定总磁链。

6.一种风电变流器网侧有功功率控制系统，其特征在于，所述系统包括：

第一计算模块，被配置为基于风机并网点处的网侧电压和网侧电流，确定风电机组的实际净上网有功功率P；

第二计算模块，被配置为基于给定发电机有功功率和功率损耗计算值，计算所述风电机组的理想净上网有功功率P’；

电流调节值确定模块，被配置为基于所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’的差值，确定交轴电流调节值；

电流参考值确定模块，被配置为基于给定的发电机的转矩来确定所述发电机的交轴电流参考值I_{q_ref}；以及

控制模块，被配置为基于所述交轴电流调节值和所述交轴电流参考值I_{q_ref}的和，调节所述风电变流器网侧的有功功率。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一计算模块被进一步配置为：

第一采集子模块，用于采集所述风电变流器网侧的三相相电压值，定义为Ua，Ub，Uc；

第一计算子模块，用于根据所述三相相电压值计算电压值U_α和U_β：

第二采集子模块，用于采集所述风电变流器网侧的三相电流值，定义为ia，ib，ic；

第二计算子模块，用于根据三相电流值计算下述电流值I_α和I_β：

功率计算子模块，用于计算实际净上网有功功率P，其中P＝U_α*I_α+U_β*I_β

其中，U_α为两相静止坐标系α轴电压，U_β为两相静止坐标系β轴电压，I_α为两相静止坐标系α轴电流，I_β为两相静止坐标系β轴电流。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述功率损耗包括下述项中的至少一项：发电机功率损耗、电缆功率损耗、变流器功率损耗、以及自用电功率损耗。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：

滤波模块，被配置为对所述实际净上网有功功率P以及所述理想净上网有功功率P’进行滤波处理，并将滤波处理后的所述实际净上网有功功率P与所述理想净上网有功功率P’发送至所述电流调节值确定模块。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述发电机是贴面式发电机，所述交轴电流参考值I_{q_ref}基于I_{q_ref}＝T/1.5*P_nψ_f确定，其中T代表所述贴面式发电机的转矩，P_n代表所述贴面式发电机的极对数，以及ψ_f代表所述贴面式发电机的额定总磁链。

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