CN110867895A - 一种风电机组高电压穿越控制方法 - Google Patents

一种风电机组高电压穿越控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电机组高电压穿越控制方法，属于风力发电技术领域。根据电网电压状态变流器执行不同的控制策略，通过控制电网侧等效电感上的电压相量，使得风电机组变流器直流侧、功率器件所承受的电压小于电网电压，从而实现高电压穿越期间机组安全稳定不脱网，保证风电机组正常运行发电。该方法自动化程度高、不依赖人为操作、策略合理，保证了系统的稳定性和安全性，具有良好的经济效益。

Description

一种风电机组高电压穿越控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电机组高电压穿越控制方法。
背景技术
近年来风力发电快速发展，高比例风电的并网运行给电力系统的安全稳定带来了巨大的挑战，世界主要风电发达国家与地区均通过并网导则对风电的并网行为进行了规范，特别是风电的故障穿越能力，其包括低电压穿越(LVRT)和高电压穿越(HVRT)。目前低电压穿越问题基本得以解决，但风电高电压问题未受到应有的重视。
电网低电压故障恢复后往往伴生有电网高电压，2011年以来的几起大规模风电脱网事故调研表明，风电大规模脱网的典型过程为风电机组低电压脱网导致场内电压升高，接着导致风电机组高电压脱网。低穿电网故障切除后，造成系统局部无功过剩，电力系统发生了短时高电压故障，大量成功低电压穿越的风电机组因电网短时高电压故障而脱网，造成了系统故障进一步扩大，严重威胁电力系统的安全稳定运行。具备高电压穿越能力已逐渐成为对风电的必然要求，各国关于风电故障穿越的相关标准也在不断升级与完善。
在现有技术中，针对风电机组零电压穿越的研究也仅仅局限于理论方面，公开号为：CN 110138015A、名称为“一种风机高电压穿越控制方法及装置”的中国发明专利申请提出了一种根据电网在进入高电压状态前后的电压变化量确定风机调节的无功功率目标值的高电压穿越控制方法，未对其进行深入的研究。公开号为：CN 110138012A、名称为“一种风电机组高电压穿越控制方法、装置及设备”，该发明专利提出了解决变桨系统高电压穿越问题，只是针对变桨系统提出控制策略，未对高电压穿越核心控制单元变流器提出控制研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种风电机组高电压穿越控制方法，能够确保高电压穿越期间机组安全稳定不脱网，保证风电机组正常运行发电。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种风电机组高电压穿越控制方法，根据电网电压状态执行不同的控制策略，包括：
状态1：当电网电压处于稳态时，变流器接收主控制器下发的指令并执行；当变流器处于并网发电状态时，主控制器根据风电机组的实时参数，控制变流器发出的总功率；
电网电压开始上升：
状态2：当电网电压开始上升还未稳定时，变流器处于高电压穿越状态，变流器计算功率值，控制网侧IGBT模块和机侧IGBT模块，控制变流器有功输出控制，并开始启动感性无功分抵控制；监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；监测电网电压和直流母线电压，决定Crowbar回路是否动作；
状态3：当电网电压上升至稳定时，变流器维持网侧IGBT模块和机侧IGBT模块进行有功额定控制，保证变流器有功和无功的控制输出，利用无功输出抵抗部分过压；监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；监测电网电压和直流母线电压，决定Crowbar回路是否动作；
故障清除后，电网电压开始恢复：
状态4：当电网电压开始恢复还未稳定时，控制网侧和机侧IGBT模块有功输出，停止变流器无功控制；监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；监测电网电压和直流母线电压，决定Crowbar回路是否动作；
判断电网电压的变化趋势，若电网电压再次上升，执行状态1的控制策略；
状态5：当电网电压恢复正常时，保持有功输出控制，监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；
当状态5持续预定时间后，恢复有功控制，并将风电机组的功率恢复至电压上升前的数值，电网电压回复至状态1，完成风电机组的高电压穿越控制。
优选地，状态1时，控制变流器发出的总功率是通过转矩给定与发电机当时转速，折算出需要发出的功率，并通过功率环-电流环对转子侧电流进行控制。
优选地，电网电压是否上升至稳定，是通过电网电压的正序分量和负序分量进行判断。
优选地，风电机组的功率恢复时的功率变化率≥10％额定功率/秒。
优选地，直流母线电压超过1.2倍额定电压时，Chopper回路动作。
优选地，电网电压超过最高设定值、直流母线电压超过1.3倍额定电压时，Crowbar回路动作。
优选地，状态5的持续时间≤200ms。
优选地，风电机组处于高电压穿越状态时，除高电压穿越以外的其它故障采取延时报警策略。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的风电机组高电压穿越控制方法，根据电网电压状态变流器执行不同的控制策略，通过控制电网侧等效电感上的电压相量，使得风电机组变流器直流侧、功率器件所承受的电压小于电网电压，从而实现高电压穿越期间机组安全稳定不脱网，保证风电机组正常运行发电。该方法自动化程度高、不依赖人为操作、策略合理，保证了系统的稳定性和安全性，具有良好的经济效益。
进一步地，风电机组处于高电压穿越状态时，除高电压穿越以外的其它故障采取延时报警策略，避免风电机组在高电压穿越期间停机。
附图说明
图1为本发明的控制方法的原理图；
图2为本发明的变流器控制逻辑图；
图3为本发明的控制系统的整体原理图；
图4为本发明的变流器控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
高电压穿越机组控制的难点在于需要同时抑制发电机转子过电流和变流器直流母线过电压。双馈发电机电网电压突变引起的双馈发电机转子开路电压瞬时值主要由两部分组成。第一部分是由电网电压突变后的稳态值与转差率决定的稳态分量，频率为双馈发电机转差频率；第二部分则是由电网电压突变量与转差率决定的暂态衰减分量，频率为发电机转子旋转频率。在升高或者跌落相同幅度，高电压穿越期间和低电压穿越期间转子暂态电压最大值和变化过程基本相同，电网电压突变所引起的转子暂态电压极值主要由暂态衰减分量决定，稳态值则由电压突变后的电网电压稳定值决定。
如图3，为保证高电压穿越期间，风电机组不脱网，首先需要保证机组硬件装置电压耐受水平，需要确认变桨，变流器，主控及其他相关外围装置硬件电气的电压耐受水平，保证能够承受1.3倍额定电压，必要时需要进行相应的更换。
变流器控制策略：
如图4，风电机组运行过程中变流器通过硬件采样回路将一系列模拟信号传入主控制器，从而获得电网电压等信息，并根据电网电压有效值判断是否发生电网电压高的故障。程序内部根据电压情况将电网电压分为5个状态，图2为变流器控制逻辑图：
根据实时电压采样，采用某型号高电压状态机作为状态指示，将电网电压分为以下5个状态：
Figure BDA0002289245600000051
根据电压状态字highVoltStateWord的值来区分电网电压不同状态，从而采取不同的控制策。当高电压状态字为0时，即电网电压处于稳态，此时通过通讯接收主控下发的并网、脱网、转矩万分比给定等指令，并执行主控下发的命令。如果变流器处于并网发电状态，通过转矩给定与发电机当时转速，折算出需要发出的功率，并通过功率环-电流环最终对转子侧电流进行控制，从而控制变流器发出的总功率。
如图1，如果判断电网电压发生上升，高电压状态字从0跳到1，即变流器进入高穿状态，此时变流器相应的动作有：
(1)将变流器正处于高穿状态标志位置1，并通过通讯通知主控制器。
(2)变流器计算功率值，控制网侧和机侧IGBT模块，控制变流器有功控制，并开始启动感性无功分抵控制。
(3)对电网电压正序分量，负序分量计算，并判断电网电压是否上升至稳定。
(4)根据直流母线电压是否超过1200V，决定chopper回路是否动作。
(5)检测电网电压超过最高设定值、直流母线电压超过1300V，启动Crowbar回路，立即脱网，保证系统安全。
高穿时变流器与主控制器通过通讯将高穿信号传递给主控，
等到电压正序负序分量都已经稳定时，高电压状态字从1状态跳转到2状态。进入电压2状态后的动作有：
(6)维持网侧和机侧IGBT模块有功额定控制，保证变流器有功和无功的控制输出，无功输出可以抵抗一部分过压。
(7)根据直流母线电压，决定chopper回路是否动作。
(8)检测电网电压、直流母线电压，若电压过高，立即脱网，保证系统安全。
故障清除后的恢复：
电网恢复的判断标准，实时的检测电网电压，根据有效值进行判断电网电压是否已经恢复。
当判断电网电压开始恢复时，高电压状态字从2状态跳转到3状态，此时的动作有：
(9)控制网侧和机侧IGBT模块有功输出，停止变流器无功控制。
(10)判断电网电压真的恢复正常(跳转到4状态)，还是再次上升(跳转到1状态)。
(11)根据直流电压状况，决定chopper回路是否动作。
(12)检测电网电压、直流母线电压，若电压过高，立即脱网，保证系统安全。
在高电压状态字在3状态如果判断为真的恢复正常，电压状态字从3状态跳转到4状态(注：电压4状态为过渡状态，一般持续200ms，和电压0状态控制策略一致)，此时的动作有：
(13)保持有功输出控制。
(14)根据直流母线电压，决定chopper回路是否动作。
(15)在电压4状态持续200ms后，高电压状态字从4状态跳转至0状态，此时动作有：
(16)恢复有功控制，并以不低于10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。
(17)将变流器正处于高穿状态标志位置0，并通过通讯通知主控高穿已经恢复。
在整个过程中，主控制器的控制策略包括：
(a)协同控制
1在高电压穿越期间，主控接收变频器高穿状态信号，机组进入高穿状态。
2主控向变频器发送有功/无功控制等辅助指令，使变频器在高穿期间为电网提供有功、无功支撑。
3主控向保持变桨系统在高穿期间正常执行变桨动作，保持转速稳定。
(b)故障报警延时
1延时报警高穿期间出现的短时过电压/过电流等电网相关故障，避免机组在高穿过程中停机。
2延时报警高穿期间系统出现的其他相关故障，避免机组在高穿过程中停机。
(c)状态监测
1保持对电网电压的监测，在电压变化暂态过程中迅速调整机组状态。
2保持对变桨、变频器系统的状态监测，保证转矩控制及转速控制的协调性。
3保持对机组风速、转速等状态量的监测，保证机组高穿期间的稳定运行。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，根据电网电压状态执行不同的控制策略，包括：
状态1：当电网电压处于稳态时，变流器接收主控制器下发的指令并执行；当变流器处于并网发电状态时，主控制器根据风电机组的实时参数，控制变流器发出的总功率；
电网电压开始上升：
状态2：当电网电压开始上升还未稳定时，变流器处于高电压穿越状态，变流器计算功率值，控制网侧IGBT模块和机侧IGBT模块，控制变流器有功输出控制，并开始启动感性无功分抵控制；监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；监测电网电压和直流母线电压，决定Crowbar回路是否动作；
状态3：当电网电压上升至稳定时，变流器维持网侧IGBT模块和机侧IGBT模块进行有功额定控制，保证变流器有功和无功的控制输出，利用无功输出抵抗部分过压；监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；监测电网电压和直流母线电压，决定Crowbar回路是否动作；
故障清除后，电网电压开始恢复：
状态4：当电网电压开始恢复还未稳定时，控制网侧和机侧IGBT模块有功输出，停止变流器无功控制；监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；监测电网电压和直流母线电压，决定Crowbar回路是否动作；
判断电网电压的变化趋势，若电网电压再次上升，执行状态1的控制策略；
状态5：当电网电压恢复正常时，保持有功输出控制，监测直流母线电压，决定Chopper回路是否动作；
当状态5持续预定时间后，恢复有功控制，并将风电机组的功率恢复至电压上升前的数值，电网电压回复至状态1，完成风电机组的高电压穿越控制。
2.根据权利要求1所述的风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，状态1时，控制变流器发出的总功率是通过转矩给定与发电机当时转速，折算出需要发出的功率，并通过功率环-电流环对转子侧电流进行控制。
3.根据权利要求1所述的风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，电网电压是否上升至稳定，是通过电网电压的正序分量和负序分量进行判断。
4.根据权利要求1所述的风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，风电机组的功率恢复时的功率变化率≥10％额定功率/秒。
5.根据权利要求1所述的风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，直流母线电压超过1.2倍额定电压时，Chopper回路动作。
6.根据权利要求1所述的风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，电网电压超过最高设定值、直流母线电压超过1.3倍额定电压时，Crowbar回路动作。
7.根据权利要求1所述的风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，状态5的持续时间≤200ms。
8.根据权利要求1所述的风电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，风电机组处于高电压穿越状态时，除高电压穿越以外的其它故障采取延时报警策略。
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