CN108667366B - 一种采用有功功率优先模式的自封闭型电磁耦合调速风电机组控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用有功功率优先模式的自封闭型电磁耦合调速风电机组控制方法，电网电压跌落期间，采用有功功率优先的模式，先计算变频器转矩指令，根据电网电压跌落前的风轮转速，判断是否在电网电压跌落期间减小变频器转矩指令；再进行无功电流i_q计算，控制电励磁同步发电机发出无功电流i_q。本发明优化变桨系统和传动链载荷，从而延长变桨系统和整个机组的寿命；在保证短时电流不超限即发电机安全运行的前提下，对电网电压进行最大限度的支撑。

Description

一种采用有功功率优先模式的自封闭型电磁耦合调速风电机 组控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组领域，特别涉及一种用于自封闭型电磁耦合调速 风电机组的控制方法。

背景技术

如图1所示，自封闭型电磁耦合调速风电机组采用自封闭型电磁耦合调速 装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱2侧向电 励磁同步发电机侧传递，并网接口为电励磁同步发电机5；自封闭型电磁耦合调 速装置由电磁耦合器4、变频器6以及永磁同步发电机3组成，永磁同步发电机 3用于给变频器6供电；电磁耦合器4有两根转轴，分别与齿轮箱2和电励磁同 步发电机5相联并都转动，变频器6控制电磁耦合器4两根转轴的相对转速和 电磁转矩；齿轮箱的高速轴与电磁耦合器的一根轴相联构成前轴系，电磁耦合 器的另一根轴与电励磁同步发电机5的转子轴相联构成后轴系，前、后轴系为2个独立的轴系，永磁同步发电机3与前轴系同轴实现对所述变频器6供电。

当电网出现故障时，电网电压发生跌落并超出正常范围，自封闭型电磁耦 合调速风电机组的现有控制策略就转入低电压穿越控制模式，由于变频器是由 与齿轮箱高速轴同轴的永磁同步发电机供电，电网电压的跌落不会对变频器的 供电产生影响，为了保持机组输出有功电流恒定，变频器转矩指令值T_{cmd_LVRT}的计算公式为：

T_{cmd_LVRT}＝kT_cmd (1)

式中，k为电网电压的标幺值，T_cmd为电网电压跌落时刻变频器转矩指令值， 该变频器转矩指令值是由自封闭型电磁耦合调速风电机组风轮最优机械特性曲 线所求得，桨距角的求取与电网电压正常时相同，根据风轮转速目标值和实测 值采用PI调节器求得。

但现有的控制策略并没有考虑电网故障时，风速对系统的影响，T_cmd为自封 闭型电磁耦合调速风电机组基本运行时由风轮最优机械特性曲线所求得的变频 器转矩指令值，风速越大，T_cmd越大，风速越小，T_cmd越小。由于△T_cmd＝(1-k) T_cmd，因此，风速越大，△T_cmd越大，风速越小，△T_cmd越小，△T_cmd是变桨系 统需要承受的载荷，变桨系统包括风机风轮以及附属的用于变桨的电机，△T_cmd越大，对风轮以及变桨电机的使用寿命会造成较大影响。

目前，自封闭型电磁耦合调速风电机组在电网故障时并没有考虑风速对变 频器转矩指令值的影响，因此，当变桨系统承受载荷较大时，会对变桨系统的 使用寿命产生影响。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提出了一种采用有功功率优先模式的 自封闭型电磁耦合调速风电机组控制方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种采用有功功率优先模式的自封闭型电磁耦合调速风电机组控制方法， 采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子 轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同 步发电机；所述自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器、变频器以及永磁同 步发电机组成，永磁同步发电机用于给变频器供电；所述电磁耦合器有两根转 轴，分别与齿轮箱和电励磁同步发电机相联并都转动，变频器控制电磁耦合器 两根转轴的相对转速和电磁转矩；

电网电压跌落期间，采用有功功率优先的模式，先计算变频器转矩指令， 根据电网电压跌落前的风轮转速，判断是否在电网电压跌落期间减小变频器转 矩指令；再进行无功电流i_q计算，控制电励磁同步发电机发出无功电流i_q，

i_q计算公式如下：

式中，i_rated为额定电流，i_qmax为最大允许无功电流值，即当i_qmax＞3i_rated时，无 功电流i_q为三倍额定电流；当i_qmax≤3i_rated时，无功电流i_q为最大允许无功电流值 i_qmax，最大允许无功电流值i_qmax根据下式计算：

i_max是并网的电励磁同步发电机短时最大允许电流值，i_s为电网电压跌落时 刻测得的有功电流。

可选地，当电网电压发生跌落时刻的风轮转速小于标幺值t时，保持有功电 流i_s不变，变频器转矩指令值T_{cmd_LVRT}计算公式为：

T_{cmd_LVRT}＝kT_cmd (1)

式中，k为电网电压的标幺值，T_cmd为电网电压跌落时刻变频器转矩指令值。

可选地，当电网电压发生跌落时刻的风轮转速大于或者等于标幺值t时，保 持电网电压跌落前后的转矩指令值不变，即T_cmd，T_cmd为电网电压跌落时刻变频 器转矩指令值。

本发明的有益效果是：

(1)优化变桨系统和传动链载荷，从而延长变桨系统和整个机组的寿命；

(2)在保证短时电流不超限即发电机安全运行的前提下，对电网电压进行 最大限度的支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为自封闭型电磁耦合调速风电机组的原理示意图；

图2为本发明的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制策略在电网故障时并没有考 虑风速对变频器转矩指令值的影响，因此，当变桨系统承受载荷较大时，会对 变桨系统的使用寿命产生影响。

本发明提出了一种采用有功功率优先模式的自封闭型电磁耦合调速风电机 组控制方法，考虑风速对变桨系统承受载荷的影响，实现了对变桨系统的保护。

本发明的控制方法用于对如图1所示自封闭型电磁耦合调速风电机组在电 网故障期间的控制，在电网电压跌落期间，采用有功功率优先的模式，先计算 变频器转矩指令，根据电网电压跌落前的风轮转速，判断是否在电网电压跌落 期间减小变频器转矩指令，判断过程具体如下：

当电网电压发生跌落时刻的风轮转速小于标幺值t时(t为实际风轮转速/ 风轮转速额定值，例如风轮转速额定值为17.4rpm)，说明当前风速较小，当前 风电机组输出有功功率较小，保持有功电流i_s不变，根据发生跌落时刻电网电 压标幺值k(k为实际电网电压/电网电压额定值，电网电压额定值为690V)，计 算变频器转矩指令值T_{cmd_LVRT}，计算公式为：

T_{cmd_LVRT}＝kT_cmd (1)

式中，k为电网电压的标幺值，T_cmd为电网电压跌落时刻变频器转矩指令值。

当电网电压发生跌落时的风轮转速大于或者等于标幺值t时，说明当前风速 较大，当前风电机组输出有功功率较大，如果仍然按照公式(1)计算变频器转 矩指令值T_{cmd_LVRT}，则转矩变化△T_cmd较大，为了防止风轮超速，变桨系统必须 以较快速度顺桨，这会造成变桨系统载荷较大，因此，为了避免发生上述变桨 系统载荷较大的情况，本发明的控制方法保持变频器转矩指令为T_cmd，即电网电 压跌落前后的转矩指令不变。

根据上述方法计算变频器转矩指令之后，再进行无功电流i_q计算，控制电 励磁同步发电机发出无功电流i_q，i_q计算公式如下：

式中，i_rated为额定电流，i_qmax为最大允许无功电流值i_qmax，即当i_qmax＞3i_rated时，无功电流i_q为三倍额定电流，风电机组发出高达三倍额定电流的无功电流 对电网电压进行有效支撑；当i_qmax≤3i_rated时，表明三倍的额定电流值已大于最 大允许电流值，无法发出三倍额定电流的无功电流，因此无功电流i_q为最大允 许无功电流值i_qmax，最大允许无功电流值i_qmax根据下式计算：

i_max是并网的电励磁同步发电机短时最大允许电流值，i_s为测得的有功电流。

本发明由风轮转速判断风电机组输出有功功率大小，利用该机组在电网电 压发生跌落期间能够发出有功功率的特点(因变频器可以正常供电)，在保证对 电网电压进行有效支撑的基础上，考虑变桨系统载荷情况，避免变桨系统在电 网电压跌落后承受较大载荷，优化变桨系统和传动链载荷，从而延长变桨系统 和整个机组的寿命；

进行无功电流i_q计算的角度：常规电厂中，同步发电机在电网电压发生跌 落期间，能够发出高达三倍额定电流的无功电流对电网电压进行有效支撑，由 于本发明风电机组并网接口也为电励磁同步发电机，因此考虑其短时最大允许 电流值，在保证短时电流不超限即发电机安全运行的前提下，力求模拟常规电 厂中的同步发电机，发出三倍额定电流的无功电流，对电网电压进行最大限度 的支撑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种采用有功功率优先模式的自封闭型电磁耦合调速风电机组控制方法，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机；所述自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器、变频器以及永磁同步发电机组成，永磁同步发电机用于给变频器供电；所述电磁耦合器有两根转轴，分别与齿轮箱和电励磁同步发电机相联并都转动，变频器控制电磁耦合器两根转轴的相对转速和电磁转矩；其特征在于：

电网电压跌落期间，采用有功功率优先的模式，先计算变频器转矩指令，根据电网电压跌落前的风轮转速，判断是否在电网电压跌落期间减小变频器转矩指令；再进行无功电流i_q计算，控制电励磁同步发电机发出无功电流i_q，

i_q计算公式如下：

式中，i_rated为额定电流，i_qmax为最大允许无功电流值，即当i_qmax＞3i_rated时，无功电流i_q为三倍额定电流；当i_qmax≤3i_rated时，无功电流i_q为最大允许无功电流值i_qmax，最大允许无功电流值i_qmax根据下式计算：

i_max是并网的电励磁同步发电机短时最大允许电流值，i_s为电网电压跌落时刻测得的有功电流；

当电网电压发生跌落时刻的风轮转速小于标幺值t时，保持有功电流i_s不变，变频器转矩指令值T_{cmd_LVRT}计算公式为：

T_{cmd_LVRT}＝kT_cmd (1)

式中，k为电网电压的标幺值，T_cmd为电网电压跌落时刻变频器转矩指令值；

当电网电压发生跌落时刻的风轮转速大于或者等于标幺值t时，保持电网电压跌落前后的转矩指令值不变，即T_cmd，T_cmd为电网电压跌落时刻变频器转矩指令值。

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