CN110838720A - 基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场及其控制方法 - Google Patents

基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场拓扑结构，包括并联布置的并联集群，每一条并联集群包括多个串联布置的风电机组，风电机组包括多绕组永磁同步发电机，多绕组永磁同步发电机的定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器以及DC/DC变流器，且多绕组永磁同步发电机的多个DC/DC变流器的直流输出侧串联形成风电机组的输出连接端子，该结构具有定子电流小、可靠性高、容错性强等优势，是实现海上风电系统高压大容量化的有效途径。此外本发明还提供了一种过电压控制方法，可有效保障海上风电场串并联拓扑结构的安全可靠运行。

Description

基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场及其控制 方法
技术领域
本发明涉及海上风力发电技术领域，具体涉及一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场及其控制方法。
背景技术
大力发展海上风电对我国能源结构调整与高效转型具有重大的战略意义。我国的海岸线长达1.8万公里，可利用海域面积达300多万平方公里，海上空间广阔、风能储量丰富。截止2018年，我国海上风电装机规模居全球第三。且预计到2020年我国海上风电累计装机容量可达到800万千瓦，2020年至2030年每年新增容量将达到200万至300万千瓦。我国海上风电凭借海上资源丰富、便于消纳等优势，近年来发展迅速，市场前景广阔。
直驱永磁风电系统具有结构简单、可靠性高与运维性好等优点，是实现海上风能高效利用的最佳技术路线。直驱永磁风电系统常采用三相直驱永磁发电机将风能转换为电能，然后通过背靠背全功率变流器并入电网。传统三相直驱永磁风电系统大都以中低压为主，需要一个升压变流器来实现中低压风电机组与高压电网的连接，这增加了系统的复杂度与成本。此外，在目前全球风电系统向高压大容量发展的趋势下，传统三相直驱永磁风电系统由于相数少，存在定子电流大、冗余能力有限等劣势，严重制约了海上风电机组向大容量化发展。
另一方面，随着风资源较好的近海风区开发殆尽，海上风电场的建设已越来越远。在综合考虑输电线路损耗、系统稳定性与经济性等方面，可知基于电压源变流器的高压直流输电技术在长距离海上输电方面具有独特的优势。目前基于电压源变流器的高压直流海上风电场拓扑主要采用串并联结构，通过将风电机组直流侧串联来抬升输电电压等级，将串联机组的直流侧并联来提升海上风电场的装机容量。然而，该拓扑结构中的风电机组存在耦合性强，容错性差等问题，单台风电机组变流器发生过电压故障将会危机整个海上风电场的安全稳定运行。因此，如何在每台风电机组功率不同的情况下，控制整个海上风电场中的风电机组不出现过电压故障是一个难题。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提供了一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场拓扑结构，该结构具有定子电流小、可靠性高、容错性强等优势，是实现海上风电系统大容量化的有效途径。此外本发明还提供了一种过电压控制方法，该控制方法可有效保障海上风电场串并联拓扑结构的安全可靠运行。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场，包括一条或两条以上并联布置的并联集群，每一条并联集群包括多个串联布置的风电机组，所述风电机组包括多绕组永磁发电机，所述多绕组永磁同步发电机包括转子和套设在转子外的定子绕组，且所述定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器以及DC/DC变流器，且所述多绕组永磁同步发电机的多个DC/DC变流器的直流输出侧串联形成风电机组的输出连接端子。
可选地，所述一条或两条以上并联布置的并联集群连接有岸上换流站以及变压器，所述一条或两条以上并联布置的并联集群均依次通过岸上换流站、变压器接入电网。
此外，本发明还提供一种前述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，实施步骤包括：
1)根据风电场的可利用风功率
Figure BDA0002277144740000021
与指令功率
Figure BDA0002277144740000022
计算风电场中各风电机组实际功率Pwt,i；
2)根据风电机组的实际功率Pwt,i与风电机组的端电压Uwt,i之间的数学关系，预测每个风电机组的端电压Uwt,i；
3)判断每个风电机组的端电压Uwt,i与变流器极限电压Ulimit之间的关系，并计算风电机组的极限功率Plimit；
4)更新风电场的可利用风功率
Figure BDA0002277144740000023
与指令功率
Figure BDA0002277144740000024
5)重新分配每台风电机组的实际功率Pwt,i(k+1)，并使获得的每台风电机组的实际功率Pwt,i(k+1)不超过极限功率Plimit；跳转执行步骤2)直至风电场中每台风电机组没有过电压现象。
可选地，步骤1)中计算风电场中各风电机组实际功率Pwt,i的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000025
上式中，Pwt,i(k/k＝1)为初始时刻k＝1时第i台风电机组的实际功率Pwt,i，
Figure BDA0002277144740000026
为风电场的可利用风功率，为风电场的指令功率，为第i台风电机组的可利用功率。
可选地，步骤2)中风电机组的实际功率Pwt,i与风电机组的端电压Uwt,i之间的数学关系的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000029
上式中，Uwt,i为第i台风电机组的端电压，
Figure BDA00022771447400000210
为海上风电场侧的总端电压，Pwt,i为第i台风电机组的实际功率Pwt,i，Pc,i为第i个并联集群的输出功率，Rc为每个并联集群的总电阻。
可选地，步骤3)的详细步骤包括：
3.1)判断每台风电机组的端电压Uwt,i与变流器极限电压Ulimit之间的关系：假如风电机组的端电压Uwt,i没有超过变流器的极限电压Ulimit，则表明风电场中没有风电机组出现过电压的现象；假如风电机组的端电压Uwt,i超过变流器的极限电压Ulimit，则表明风电场中有风电机组出现了过电压现象；
3.2)根据变流器的极限电压Ulimit计算风电机组的极限功率Plimit，且计算风电机组的极限功率Plimit的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000031
上式中，Plimit为风电机组的极限功率，
Figure BDA0002277144740000032
为海上风电场侧的总端电压，Ulimit为变流器的极限电压，Pc,i为第i个并联集群的输出功率，Rc为每个并联集群的总电阻。
可选地，步骤4)中更新风电场的可利用风功率
Figure BDA0002277144740000033
与指令功率
Figure BDA0002277144740000034
的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000035
Figure BDA0002277144740000036
上式中，
Figure BDA0002277144740000037
为k+1时刻风电场更新的可利用风功率，
Figure BDA0002277144740000038
为k+1时刻风电场的可利用风功率，
Figure BDA0002277144740000039
为k+1时刻第i台风电机组的可利用功率，
Figure BDA00022771447400000310
为k+1时刻风电场更新的指令功率，
Figure BDA00022771447400000311
为k+1时刻风电场的指令功率，
Figure BDA00022771447400000312
为k+1时刻第i台风电机组的指令功率。
可选地，步骤5)中重新分配每台风电机组的实际功率Pwt,i(k+1)的函数表达式如下：
Figure BDA00022771447400000313
上式中，Pwt,i(k+1)为k+1时刻第i台风电机组的实际功率，
Figure BDA00022771447400000314
为k+1时刻风电场更新的指令功率，
Figure BDA00022771447400000315
为k+1时刻风电场更新的可利用风功率，为k+1时刻第i台风电机组的可利用功率，Plimit为风电机组的极限功率。
此外，本发明还提供一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的计算机程序。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场具有下述优点：
1、本发明基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场将多绕组永磁发电机替代传统三相永磁同步发电机，具有定子电流小、冗余性强、可靠性高等优势，是实现海上风电系统向高压大容量化发展的最佳技术路线；
2、本发明基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场将多绕组永磁直驱风电系统串并联连接，具有结构简单，易于实现等优势，并且该拓扑结构较传统海上直流风电场拓扑结构相比，能够有效降低建设成本与功率损耗。
和现有技术相比，本发明基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法具有下述优点：本发明基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，能够实现整个直流串并联风电场的过电压限制，有益于实现海上风电场的安全可靠运行。
附图说明
图1为本发明实施例一直流串并联海上风电场的拓扑结构示意图。
图2为本发明实施例一中直流串并联海上风电场的电路详细接线示意图。
图3为本发明实施例二的海上风电场中风电机组过电压控制方法逻辑框图。
具体实施方式
实施例一：
如图1和图2所示，本实施例基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场包括一条或两条以上并联布置的并联集群(图中为并联集群1～并联集群n)，每一条并联集群包括一个或两个以上串联布置的风电机组1(图中为m个)，风电机组1包括多绕组永磁发电机11，多绕组永磁同步发电机11包括转子和套设在转子外的定子绕组，且定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器12以及DC/DC变流器13，且多绕组永磁同步发电机11的多个DC/DC变流器13的直流输出侧串联形成风电机组1的输出连接端子。
参见图1，本实施例中一条或两条以上并联布置的并联集群连接有岸上换流站2以及变压器3，一条或两条以上并联布置的并联集群均依次通过岸上换流站2、变压器3接入电网。
实施例一：
本实施例在实施例一的基础上，进一步提供一种前述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，如图2、3所示，实施步骤包括：
1)根据风电场的可利用风功率
Figure BDA0002277144740000051
与指令功率
Figure BDA0002277144740000052
计算风电场中各风电机组实际功率Pwt,i；
2)根据风电机组1的实际功率Pwt,i与风电机组1的端电压Uwt,i之间的数学关系，预测每个风电机组1的端电压Uwt,i；
3)判断每个风电机组1的端电压Uwt,i与变流器极限电压Ulimit之间的关系，并计算风电机组1的极限功率Plimit；
4)更新风电场的可利用风功率
Figure BDA0002277144740000053
与指令功率
5)重新分配每台风电机组1的实际功率Pwt,i(k+1)，并使获得的每台风电机组1的实际功率Pwt,i(k+1)不超过极限功率Plimit；跳转执行步骤2)直至风电场中每台风电机组1没有过电压现象。
本实施例中，步骤1)中计算风电场中各风电机组实际功率Pwt,i的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000055
上式中，Pwt,i(k/k＝1)为初始时刻k＝1时第i台风电机组1的实际功率Pwt,i，
Figure BDA0002277144740000056
为风电场的可利用风功率，
Figure BDA0002277144740000057
为风电场的指令功率，
Figure BDA0002277144740000058
为第i台风电机组的可利用功率。
本实施例中，步骤2)中风电机组1的实际功率Pwt,i与风电机组1的端电压Uwt,i之间的数学关系的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000059
上式中，Uwt,i为第i台风电机组的端电压，
Figure BDA00022771447400000510
为海上风电场侧的总端电压，Pwt,i为第i台风电机组1的实际功率Pwt,i，Pc,i为第i个并联集群的输出功率，Rc为每个并联集群的总电阻。
本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：
3.1)判断每台风电机组的端电压Uwt,i与变流器极限电压Ulimit之间的关系：假如风电机组的端电压Uwt,i没有超过变流器的极限电压Ulimit，则表明风电场中没有风电机组出现过电压的现象；假如风电机组的端电压Uwt,i超过变流器的极限电压Ulimit，则表明风电场中有风电机组出现了过电压现象；
3.2)根据变流器的极限电压Ulimit计算风电机组的极限功率Plimit，且计算风电机组的极限功率Plimit的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000061
上式中，Plimit为风电机组的极限功率，
Figure BDA0002277144740000062
为海上风电场侧的总端电压，Ulimit为变流器的极限电压，Pc,i为第i个并联集群的输出功率，Rc为每个并联集群的总电阻。
本实施例中，步骤4)中更新风电场的可利用风功率
Figure BDA0002277144740000063
与指令功率
Figure BDA0002277144740000064
的函数表达式如下：
Figure BDA0002277144740000065
上式中，
Figure BDA0002277144740000067
为k+1时刻风电场更新的可利用风功率，
Figure BDA0002277144740000068
为k+1时刻风电场的可利用风功率，
Figure BDA0002277144740000069
为k+1时刻第i台风电机组的可利用功率，
Figure BDA00022771447400000610
为k+1时刻风电场更新的指令功率，为k+1时刻风电场的指令功率，
Figure BDA00022771447400000612
为k+1时刻第i台风电机组的指令功率。
本实施例中，步骤5)中重新分配每台风电机组1的实际功率Pwt,i(k+1)的函数表达式如下：
Figure BDA00022771447400000613
上式中，Pwt,i(k+1)为k+1时刻第i台风电机组的实际功率，
Figure BDA00022771447400000614
为k+1时刻风电场更新的指令功率，
Figure BDA00022771447400000615
为k+1时刻风电场更新的可利用风功率，
Figure BDA00022771447400000616
为k+1时刻第i台风电机组的可利用功率，Plimit为风电机组的极限功率。
此外，本实施例还提供一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行本实施例前述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行本实施例前述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的计算机程序。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行本实施例前述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的计算机程序。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场，其特征在于：包括一条或两条以上并联布置的并联集群，每一条并联集群包括多个串联布置的风电机组(1)，所述风电机组(1)包括多绕组永磁同步发电机(11)，所述多绕组永磁同步发电机(11)包括转子和套设在转子外的定子绕组，且所述定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器(12)以及DC/DC变流器(13)，且所述多绕组永磁同步发电机(11)的多个DC/DC变流器(13)的直流输出侧串联形成风电机组(1)的输出连接端子。
2.根据权利要求1所述的基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场，其特征在于：所述一条或两条以上并联布置的并联集群连接有岸上换流站(2)以及变压器(3)，所述一条或两条以上并联布置的并联集群均依次通过岸上换流站(2)、变压器(3)接入电网。
3.一种权利要求1或2所述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，其特征在于实施步骤包括：
1)根据风电场的可利用风功率与指令功率
Figure FDA0002277144730000012
计算风电场中各风电机组的实际功率Pwt,i；
2)根据风电机组(1)的实际功率Pwt,i与风电机组(1)的端电压Uwt,i之间的数学关系，预测每个风电机组(1)的端电压Uwt,i；
3)判断每个风电机组(1)的端电压Uwt,i与变流器极限电压Ulimit之间的关系，并计算风电机组(1)的极限功率Plimit；
4)更新风电场的可利用风功率
Figure FDA0002277144730000013
与指令功率
Figure FDA0002277144730000014
5)重新分配每台风电机组(1)的实际功率Pwt,i(k+1)，并使获得的每台风电机组(1)的实际功率Pwt,i(k+1)不超过极限功率Plimit；跳转执行步骤2)直至风电场中每台风电机组(1)没有过电压现象。
4.根据权利要求3所述的基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，其特征在于，步骤1)中计算风电场中各风电机组实际功率Pwt,i的函数表达式如下：
Figure FDA0002277144730000015
上式中，Pwt,i(k/k＝1)为初始时刻k＝1时第i台风电机组(1)的实际功率Pwt,i，
Figure FDA0002277144730000016
为风电场的可利用风功率，
Figure FDA0002277144730000017
为风电场的指令功率，为第i台风电机组的可利用功率。
5.根据权利要求3所述的基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，其特征在于，步骤2)中风电机组(1)的实际功率Pwt,i与风电机组(1)的端电压Uwt,i之间的数学关系的函数表达式如下：
Figure FDA0002277144730000021
上式中，Uwt,i为第i台风电机组的端电压，
Figure FDA0002277144730000022
为海上风电场侧的总端电压，Pwt,i为第i台风电机组(1)的实际功率Pwt,i，Pc,i为第i个并联集群的输出功率，Rc为每个并联集群的总电阻。
6.根据权利要求3所述的基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，其特征在于，步骤3)的详细步骤包括：
3.1)判断每台风电机组的端电压Uwt,i与变流器极限电压Ulimit之间的关系：假如风电机组的端电压Uwt,i没有超过变流器的极限电压Ulimit，则表明风电场中没有风电机组出现过电压的现象；假如风电机组的端电压Uwt,i超过变流器的极限电压Ulimit，则表明风电场中有风电机组出现了过电压现象；
3.2)根据变流器的极限电压Ulimit计算风电机组的极限功率Plimit，且计算风电机组的极限功率Plimit的函数表达式如下：
Figure FDA0002277144730000023
上式中，Plimit为风电机组的极限功率，
Figure FDA0002277144730000024
为海上风电场侧的总端电压，Ulimit为变流器的极限电压，Pc,i为第i个并联集群的输出功率，Rc为每个并联集群的总电阻。
7.根据权利要求3所述的基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，其特征在于，步骤4)中更新风电场的可利用风功率
Figure FDA0002277144730000025
与指令功率
Figure FDA0002277144730000026
的函数表达式如下：
Figure FDA0002277144730000027
Figure FDA0002277144730000028
上式中，
Figure FDA0002277144730000029
为k+1时刻风电场更新的可利用风功率，
Figure FDA00022771447300000210
为k+1时刻风电场的可利用风功率，
Figure FDA00022771447300000211
为k+1时刻第i台风电机组的可利用功率，为k+1时刻风电场更新的指令功率，
Figure FDA00022771447300000213
为k+1时刻风电场的指令功率，
Figure FDA00022771447300000214
为k+1时刻第i台风电机组的指令功率。
8.根据权利要求3所述的基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法，其特征在于，步骤5)中重新分配每台风电机组(1)的实际功率Pwt,i(k+1)的函数表达式如下：
Figure FDA0002277144730000031
上式中，Pwt,i(k+1)为k+1时刻第i台风电机组的实际功率，
Figure FDA0002277144730000032
为k+1时刻风电场更新的指令功率，
Figure FDA0002277144730000033
为k+1时刻风电场更新的可利用风功率，
Figure FDA0002277144730000034
为k+1时刻第i台风电机组的可利用功率，Plimit为风电机组的极限功率。
9.一种基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求3～8中任意一项所述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行权利要求3～8中任意一项所述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的计算机程序。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求3～8中任意一项所述基于多绕组永磁发电机的直流串并联海上风电场的过电压限制控制方法的计算机程序。
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