CN110247424A - 一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其与集中变频器配套使用，该控制方法包括以下步骤：步骤1：根据检测模块检测到的相关基本参数计算得到所述风电场中风电机组风力机的最优转速参考值；步骤2：根据最优转速参考值进一步计算得到所述集中变频器交流端口三相电压的最优参考频率；步骤3：根据最优参考频率进一步计算得到所述集中变频器交流端口三相电压的参考值；步骤4：根据最优参考频率进一步得到的相位角和所述集中变频器交流端口三相电压的参考值获取三相电压参考值；步骤5：根据三相电压参考值对应触发信号控制所述集中变频器的通断。与现有技术相比，本发明具有无通信依赖、运算简单等优点。

Description

一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法

技术领域

本发明涉及风电控制技术领域，尤其是涉及一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法。

背景技术

风电场集中变频方案中各单台机组无需配备独立的变流器，可大大简化风力发电系统的结构、降低成本并提高可靠性，是一种具有突出优势和潜在应用价值的系统方案，尤其在海上风电中优势更为突出。

现有技术将矢量控制或直接转矩控制引入集中变频器的控制，以期通过转矩、磁链闭环控制实现各台风电机组发电机的高控制性能。

实现转矩、磁链闭环控制依赖于转速、电气量的高速通信。而风电场集中变频方案中，集中变频器与各台风电机组发电机的距离较远，在风电场集中变频经分频输电送出的场合距离可能达到100km。远距离高速通信不仅增加成本、降低可靠性，而且通信延迟会恶化控制性能。此外，受到各台风电机组风速差异性的影响，现有技术预期的高控制性能并不一定能达到。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其无需与风电场进行通信即可实现风电机组最大功率跟踪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其与连接于电网和风电场之间的集中变频器配套使用，该控制方法包括以下步骤：

步骤1：根据检测模块检测到的相关基本参数计算得到所述风电场中风电机组风力机的最优转速参考值；

步骤2：根据最优转速参考值进一步计算得到所述集中变频器交流端口三相电压的最优参考频率；

步骤3：根据最优参考频率进一步计算得到所述集中变频器交流端口三相电压的参考值；

步骤4：根据最优参考频率进一步得到的相位角和所述集中变频器交流端口三相电压的参考值获取三相电压参考值；

步骤5：根据三相电压参考值对应触发信号控制所述集中变频器的通断。

进一步地，所述步骤2中的最优参考频率的计算公式为：

式中，f1^*为最优参考频率，为最优转速参考值，最优参考频率f1^*的上限f_H为下限f_L为ω_n为机组额定转速，ω_min为机组并网转速。

进一步地，该控制方法还包括步骤6：通过频率补偿和电压幅值补偿分别对所述步骤3中的集中变频器交流端口三相电压的最优参考频率和所述步骤4中的集中变频器交流端口三相电压的参考值进行修正，并根据修正后的最优参考频率进一步得到的相位角和修正后的所述集中变频器交流端口三相电压的参考值获取经过修正情况下的三相电压参考值，最终根据经过修正情况下的三相电压参考值对应触发信号精确控制所述集中变频器的通断。

进一步地，所述的步骤6中修正后的最优参考频率，其计算公式为：

式中，f^*表示修正后的最优参考频率，n_gb表示齿轮箱变速比，n_p表示发电机极对数，k_opt表示风力机气动特性常数，n表示风电机组台数，P_eΣ表示流入集中变频器的总有功功率，P_LossΣ表示总损耗，修正后的最优参考频率f^*的上限f_H为下限f_L为ω_n为机组额定转速，ω_min为机组并网转速。

进一步地，所述的步骤6中修正后的电压的参考值，其计算公式为：

U^*＝k_U/ff^*+ΔU_Σ

式中，U^*表示修正后的电压的参考值，k_U/f表示电压参考值与最优参考频率之间的系数关系，ΔU_Σ表示压降幅值。

进一步地，所述步骤6中修正后的最优参考频率的获取过程包括以下分步骤：

步骤21：计算风力机机械损耗；

步骤22：计算发电机铜损；

步骤23：计算线路有功损耗；

步骤24：对机械损耗、发电机铜损和线路有功损耗进行整体求和得到总损耗并进一步得到修正后的最优参考频率。

进一步地，所述步骤6中修正后的电压的参考值的获取过程包括以下分步骤：

步骤31：通过基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法获取公共连接点的电压复相量和公共连接点流向电网的电流复相量；

步骤32：通过基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法获取发电机端电压复相量；

步骤33：通过基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法获取发电机端定子电阻压降；

步骤34：利用公共连接点的电压复相量、发电机端电压复相量和发电机端定子电阻压降得到集中变频器端至发电机端的压降复相量，进一步得到压降幅值后最终得到修正后的电压的参考值。

进一步地，所述的基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法，包括以下步骤：

步骤01：检测集中变频器端的三相电压和三相电流，对三相电压进行锁相，并将三相电压变换到同步旋转坐标系，得到d、q轴电压分量；

步骤02：通过坐标变换将三相电流定向到与电压同步的旋转坐标系上得到d、q轴电流分量；

步骤03：计算获取各支路元件的复阻抗；

步骤04：以d、q轴上电压分量和电流分量为基准，从集中变频器端由近及远的获取支路电流或线路压降得到各节点电压复相量和各支路电流复相量。

进一步地，当所述风电场中的发电机采用鼠笼感应发电机时，所述电压参考值与最优参考频率之间的系数关系，其具体描述公式为：

k_U/f＝4.44N_sk_NsΦ_mN₁

式中，N_s表示定子每相绕组串联匝数，k_Ns表示定子基波绕组系数，Φ_m表示每极磁通量的额定值，N₁表示变压器变比；

当所述风电场中的发电机采用永磁同步发电机时，所述电压参考值与最优参考频率之间的系数关系，其具体描述公式为：

式中，ψ_f表示转子永磁体磁链系数。

进一步地，所述步骤21中风力机机械损耗的计算公式为：

式中，P_Lmech表示机械损耗，P_Lmech0和c₁均为风力机出厂测试参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明所公开的集中变频控制策略仅需要依靠检测模块检测集中变频器端的相关基本参数，即电流、电压即可完成控制，不需要风电场中各台机组的风速、转速以及各台发电机的电流、电压检测，整个系统无通信依赖，可降低成本、提高可靠性。

(2)本发明所公开的基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法，采用坐标变换得到基准电压复相量和基准电流复相量，将复相量运算简化为代数运算，便于控制器实时实现。

附图说明

图1为无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制的基础系统架构图；

图2为带有频率补偿和电压幅值补偿的风电场无通信集中变频开环恒压频比控制方法的系统架构图。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

第一部分：基础的无通信开环恒压频比控制

风电场集中变频的系统架构如图1所示。集中变频器一端与电网连接、另一端与风电场连接，与风电场相连的一端可实现变压变频，当频率与电压按照特定的恒压频比变化时可以为风电场提供集中变频，风电场中的各台风电机组无需独立配备变流器即可实现变速运行。风电场中的发电机可以采用鼠笼感应发电机(SCIG)或永磁同步发电机(PMSG)，当采用鼠笼感应发电机时通常需要在风力机和发电机之间配备齿轮箱、在发电机定子端配备并联电容；当采用永磁同步发电机时，齿轮箱和并联电容均是可选的。风电场中各台风电机组的变桨控制可采用现有的成熟技术。

集中变频器通常是一台大容量的电力电子变换器，集中变频器可采用多种可选的拓扑结构，包括但不限于：1.背靠背电压源型变换器(包括两电平电压源型变换器、多电平电压源型变换器、模块化多电平变换器)，此类集中变频器由两个背靠背的电压源型变换器组成，本发明中将靠近电网的称为网侧电压源型变换器，靠近风电场的称为风场侧电压源型变换器，背靠背电压源型变换器采用交-直-交间接变频，通常网侧电压源型变换器控制直流母线电压使其保持稳定，因此网侧电压源型变换器可沿用常规控制；2.交-交直接变频器，包括周波变换器、矩阵变换器、模块化多电平矩阵变换器。本发明仅给出上述不同拓扑通用的控制部分，具体的，对于背靠背电压源型变换器给出的是风场侧电压源型变换器的三相电压参考值，对于交-交直接变频器给出的是其风场侧交流端口的三相电压参考值。各种具体拓扑结构如何通过电力电子开关器件的通断产生与该电压参考值等效的三相交流电压可采用现有的成熟技术。

本发明首先通过检测和计算模块检测集中变频器端的三相电流和电压，计算得到流入集中变频器的总有功功率P_eΣ，求取n台机组的平均功率后，通过式(1)计算得到风电场中风电机组风力机的最优转速参考值

其中k_opt为风力机气动特性决定的常数，其中C_pmax为风力机的最大风能利用系数，λ_opt为风力机的最佳叶尖速比，ρ为空气密度，R为风力机桨叶半径。上述最优转速参考值也可以采用与P_eΣ/n的查找表实现。

进一步根据式(2)直接计算得到集中变频器交流端口三相电压的最优参考频率f1^*，

其中，n_gb为齿轮箱变速比，n_p为发电机极对数。f1^*的上下限根据风电机组容许的变速范围设置，其中上限ω_n为机组额定转速；下限ω_min为机组并网转速。

进一步根据f1^*得到集中变频器交流端口三相电压的参考值U1^*，

U1^*＝k_U/ff1^* (3)

对于鼠笼感应发电机(SCIG)，电压参考值U1^*与最优参考频率f1^*之间的系数关系k_U/f为：

k_U/f＝4.44N_sk_NsΦ_mN₁ (4)

其中，Φ_m为每极磁通量的额定值，k_Ns为定子基波绕组系数，N_s为定子每相绕组串联匝数，N₁为变压器变比。

对于永磁同步发电机(PMSG)，电压参考值U1^*与最优参考频率f1^*之间的系数关系k_U/f为：

其中，ψ_f为转子永磁体磁链系数。

根据最优参考频率f1^*可得到电压参考值的相位角

θ^*＝∫2πf1^*dt (6)

(注：图1中s是拉普拉斯算子，表示积分)。

根据电压参考值U1^*及其相位角θ^*可以得到三相参考电压参考值。由驱动信号产生模块输出集中变频器中电力电子开关器件的触发信号，该触发信号可控制电力电子开关器件的通断，产生与三相电压参考值等效的三相交流电压。

上述控制为基础的无通信开环恒压频比控制，可实现风电场集中变频和各台机组变速运行的基本功能。为改善上述基础控制的控制性能并提高风电场风能捕获效率，需要对开环恒压频比控制中的电压参考值和频率参考值进行修正，见图2所示：

第二部分：基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法

在此之前，本发明还公开一种便于控制器实时实现的基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法，其具体步骤为：

第一步，检测集中变频器端的三相电压和三相电流，对三相电压进行锁相，并将三相电压变换到同步旋转坐标系得到d、q轴电压分量u_d、u_q＝0，将电压复相量表示为

第二步，通过坐标变换将三相电流定向到与电压同步的旋转坐标系上得到d、q轴电流分量i_d、i_q，将电流复相量表示为

第三步，计算各支路元件的复阻抗R+jX，其中线路中的感抗X_L＝2πf1^*L，L为电感值；电缆的对地容抗C为电容值；

第四步，以集中变频器端电压复相量和电流复相量为基准，按照复数四则运算，从集中变频器端由近及远的计算支路电流或线路压降ΔU_Line，得到各节点电压复相量和各支路电流复相量。具体的，当某一结点处存在对地电容支路时，根据节点电压复相量与对地容抗计算该对地电容支路的电流复相量，该电流复相量与靠近集中变频器的支路电流复相量叠加，得到远离集中变频器的支路电流复相量；当某一支路上存在复阻抗时，以该支路电流复相量及复阻抗计算支路压降复相量，靠近集中变频器的节点电压复相量减去支路压降复相量，得到远离集中变频器的节点电压复相量。

第三部分：开环恒压频比控制中的电压参考值和频率参考值修正方法

在控制器中增加一个检测、锁相、坐标变换和计算模块，该模块检测集中变频器端的三相电流和电压，经过锁相环、坐标变换得到基准电压复相量和基准电流复相量，以上述节点电压复相量和支路电流复相量计算方法为基础，计算得到各节点电压复相量和各支路电流复相量。进一步的，对开环恒压频比控制中的电压参考值和频率参考值修正如下：

(1)电压参考值修正。修正电压参考值U1^*的目的是通过压降补偿使发电机端电压更逼近恒压频比。

第一步，结合输电线路复阻抗，从集中变频器端逆推计算得到公共连接点(PCC)的电压复相量和公共连接点流向电网的电流复相量

第二步，忽略各台机组的差异性，认为各台机组流向公共连接点的电流复相量结合集电线路复阻抗(不同的风电场内网结构下集电线路复阻抗有所不同)可计算得到发电机端电压复相量

第三步，计算发电机定子电阻压降对于永磁同步发电机，对于带有固定电容补偿的鼠笼感应发电机，需先计算固定电容补偿支路的电流复相量则

第四步，计算集中变频器端至发电机端的压降复相量进一步得到压降幅值

第五步，修正的电压参考值计算如下：

U^*＝k_U/ff^*+ΔU_Σ (7)

(2)频率参考值修正。上述控制中，从风力机捕获的气动功率到集中变频器处检测到的电功率之间存在有功损耗，包括传动系统的机械损耗、发电机铜损、线路有功损耗等，补偿这些损耗可以使f1^*更逼近真实的最优频率参考值，从而使发电机转速更逼近最优转速。

1)机械损耗P_Lmech。机械损耗可表示成风力机转速ω的函数P_Lmech＝P_Lmech0+c₁ω，参数P_Lmech0、c₁可通过出厂测试获得。进一步的可以在集中变频器端根据频率参考值f1^*估算得到机械损耗：

2)发电机铜损P_LgenΣ。根据流过发电机定子的电流，可以得到发电机定子铜损其中对于采用永磁同步发电机的机组则风电场所有发电机的铜损可近似计算为P_LgenΣ＝nP_Lgen。

3)线路有功损耗P_LlineΣ。假定某一段线路上流过的电流复相量为a+jb，线路电阻为R_Line，则该段线路有功损耗可根据P_Lline＝3(a²+b²)R_Line近似计算得到。所有线路上的有功损耗P_LlineΣ为各段线路有功损耗之和。

总损耗P_LossΣ可近似计算如下：

P_LossΣ＝P_Lmech+P_LgenΣ+P_LlineΣ (9)

修正的频率参考值f^*计算如下：

需指出的是，上述步骤给出的是原理性的描述，技术人员结合专业知识可以做出适当调整或修改，包括但不限于所约定电流方向对表达式符号的影响，坐标变换矩阵系数对计算幅值的影响，以及输电线路采用电缆时其对地电容支路的处理等。

本发明已经过仿真证明可行，结果表明所述集中变频控制策略可以实现风电场整场风电机组的变速运行，风电场整体具有较高的风能捕获效率。

本发明给出的控制方案以及压降补偿方法理论上也适用于集中变频器拖动交流电动机(包括鼠笼感应电动机和永磁同步电动机)，本专业技术人员可以结合本发明的说明做出针对性的修改。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其与连接于电网和风电场之间的集中变频器配套使用，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

步骤1：根据检测模块检测到的相关基本参数计算得到所述风电场中风电机组风力机的最优转速参考值；

步骤2：根据最优转速参考值进一步计算得到所述集中变频器交流端口三相电压的最优参考频率；

步骤3：根据最优参考频率进一步计算得到所述集中变频器交流端口三相电压的参考值；

步骤4：根据最优参考频率进一步得到的相位角和所述集中变频器交流端口三相电压的参考值获取三相电压参考值；

步骤5：根据三相电压参考值对应触发信号控制所述集中变频器的通断。

2.根据权利要求1所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，所述步骤2中的最优参考频率的计算公式为：

式中，f1^*为最优参考频率，为最优转速参考值，最优参考频率f1^*的上限f_H为下限f_L为ω_n为机组额定转速，ω_min为机组并网转速。

3.根据权利要求1所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，该控制方法还包括步骤6：通过频率补偿和电压幅值补偿分别对所述步骤3中的集中变频器交流端口三相电压的最优参考频率和所述步骤4中的集中变频器交流端口三相电压的参考值进行修正，并根据修正后的最优参考频率进一步得到的相位角和修正后的所述集中变频器交流端口三相电压的参考值获取经过修正情况下的三相电压参考值，最终根据经过修正情况下的三相电压参考值对应触发信号精确控制所述集中变频器的通断。

4.根据权利要求3所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，所述的步骤6中修正后的最优参考频率，其计算公式为：

式中，f^*表示修正后的最优参考频率，n_gb表示齿轮箱变速比，n_p表示发电机极对数，k_opt表示风力机气动特性常数，n表示风电机组台数，P_eΣ表示流入集中变频器的总有功功率，P_LossΣ表示总损耗，修正后的最优参考频率f^*的上限f_H为下限f_L为ω_n为机组额定转速，ω_min为机组并网转速。

5.根据权利要求3所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，所述的步骤6中修正后的电压的参考值，其计算公式为：

U^*＝k_U/ff^*+ΔU_Σ

式中，U^*表示修正后的电压的参考值，k_U/f表示电压参考值与最优参考频率之间的系数关系，ΔU_Σ表示压降幅值。

6.根据权利要求3所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，所述步骤6中修正后的最优参考频率的获取过程包括以下分步骤：

步骤21：计算风力机机械损耗；

步骤22：计算发电机铜损；

步骤23：计算线路有功损耗；

步骤24：对机械损耗、发电机铜损和线路有功损耗进行整体求和得到总损耗并进一步得到修正后的最优参考频率。

7.根据权利要求3所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，所述步骤6中修正后的电压的参考值的获取过程包括以下分步骤：

步骤31：通过基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法获取公共连接点的电压复相量和公共连接点流向电网的电流复相量；

步骤32：通过基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法获取发电机端电压复相量；

步骤33：通过基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法获取发电机端定子电阻压降；

步骤34：利用公共连接点的电压复相量、发电机端电压复相量和发电机端定子电阻压降得到集中变频器端至发电机端的压降复相量，进一步得到压降幅值后最终得到修正后的电压的参考值。

8.根据权利要求7所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，所述的基于同步旋转坐标系的节点电压复相量和支路电流复相量计算方法，包括以下步骤：

步骤01：检测集中变频器端的三相电压和三相电流，对三相电压进行锁相，并将三相电压变换到同步旋转坐标系，得到d、q轴电压分量；

步骤02：通过坐标变换将三相电流定向到与电压同步的旋转坐标系上得到d、q轴电流分量；

步骤03：计算获取各支路元件的复阻抗；

步骤04：以d、q轴上电压分量和电流分量为基准，从集中变频器端由近及远的获取支路电流或线路压降得到各节点电压复相量和各支路电流复相量。

9.根据权利要求5所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，当所述风电场中的发电机采用鼠笼感应发电机时，所述电压参考值与最优参考频率之间的系数关系，其具体描述公式为：

k_U/f＝4.44N_sk_NsΦ_mN₁

式中，N_s表示定子每相绕组串联匝数，k_Ns表示定子基波绕组系数，Φ_m表示每极磁通量的额定值，N₁表示变压器变比；

当所述风电场中的发电机采用永磁同步发电机时，所述电压参考值与最优参考频率之间的系数关系，其具体描述公式为：

式中，ψ_f表示转子永磁体磁链系数。

10.根据权利要求6所述的一种无通信的风电场集中变频开环恒压频比控制方法，其特征在于，所述步骤21中风力机机械损耗的计算公式为：

式中，P_Lmech表示机械损耗，P_Lmech0和c₁均为风力机出厂测试参数。