CN111682587B - 一种风力发电机低电压穿越控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机低电压穿越控制方法，包括以下步骤：接收电网电压的实时监测数据，以及风力发电机当前发出的有功功率；根据电压数据判断电网是否发生电压跌落：若发生电压跌落，进一步判断电压跌落是否在设定范围内，若超出设定范围，将风力发电机切除；若在设定范围内，计算当前能提供的无功功率，判断是否能够在保持当前有功功率的情况下满足无功功率需求，若能，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；否则，逐步修正有功与无功的给定值。本发明通过控制策略在电网电压跌落时提高系统无功输出能力，实现低电压穿越，而无需增设硬件保护电路。

Description

一种风力发电机低电压穿越控制方法及系统

技术领域

本发明属于面向风力发电系统低电压穿越技术领域，尤其涉及一种风力发电机低电压穿越控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于风电系统对电网电压变化敏感，当电网发生电压跌落时，在这个暂态过程中机械、电气功率的不平衡会影响风电机组的稳定运行，发电机由此产生的过流与附加转矩可能使器件损坏。此外电网发生的短时故障，可能导致风电机组脱网，而风电机组的脱网会带来功率分布的变化以及整个系统的稳定性问题。因此随着风力发电系统在可再生能源所占比例的逐渐加大，反而出现弃风限能等现象。为保证风电接入的电网稳定性，我国规定了风电的低电压穿越的行业标准，即风电机组在如图5所示曲线规定的电压时间范围内维持不脱网连续运行，电压恢复正常后风电机组有功功率输出快速恢复，风电机组应具备无功电流注入能力。其中无功电流注入响应时间不大于75ms，注入持续时间不低于550ms，注入有效值I_T≥1.5×(0.9-U_TP)I_n，式中I_T为无功电流注入有效值；I_n为风电机组额定电流；U_TP为测试点电压标幺值。

传统风力发电机依靠增设额外的硬件保护电路，如Crowbar保护电路、采用直流支撑电容器等方法以期实现低电压穿越。传统的增设额外硬件保护电路的方法能够有效调整电力系统的有功平衡，在电网故障时保护励磁变流器和转子绕组，但会导致风电场在短时间内失去控制能力。Crowbar电路的投切操作会在系统中造成暂态冲击，此时的感应电动机将会从系统中吸收大量无功，难以达到我国规定的低电压穿越标准。

由于风力发电系统往往基于最大功率点跟踪控制，这些采用增设硬件的保护策略往往忽略了变流器的本身具有的无功调节能力，难以利用变流器的闲置容量。因此在实际工程中，为确保低电压穿越达标，增设保护电路的同时会增设无功补偿器，提供无功功率以帮助电网电压恢复。这样的低电压穿越机制，要大量增设硬件装置，忽略风电系统的自身的无功输出能力，无疑导致了系统成本的增高、工作效率降低，难以获得经济的低电压穿越效果。其次风电系统是典型的多时间尺度动力学系统，增设硬件装置同时也增大了设计与控制的难度。此外，使用的Crowbar电路在电压跌落时会消耗大量有功功率，造成能量损失。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机低电压穿越控制方法。通过控制策略在电网电压跌落时提高系统无功输出能力，实现低电压穿越，而无需增设硬件保护电路。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种风力发电机低电压穿越控制方法，包括以下步骤：

接收电网电压的实时监测数据，以及风力发电机当前发出的有功功率；

根据电压数据判断电网是否发生电压跌落：

若发生电压跌落，进一步判断电压跌落是否在设定范围内，若超出设定范围，将风力发电机切除；若在设定范围内，计算当前能提供的无功功率，判断是否能够在保持当前有功功率的情况下满足无功功率需求，若能，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；否则，逐步修正有功与无功的给定值。

一个或多个实施例提供了一种风力发电机低电压穿越控制系统，包括：

电压实时监测模块，接收电网电压的实时监测数据，以及风力发电机当前发出的有功功率；

电压跌落判断模块，根据电压数据判断电网是否发生电压跌落；

电压跌落控制模块，若发生电压跌落，进一步判断电压跌落是否在设定范围内，若超出设定范围，将风力发电机切除；若在设定范围内，计算当前能提供的无功功率，判断是否能够在保持当前有功功率的情况下满足无功功率需求，若能，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；否则，逐步修正有功与无功的给定值。

一个或多个实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现风力发电机低电压穿越控制方法。

一个或多个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现风力发电机低电压穿越控制方法。

一个或多个实施例提供了一种变流器，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述风力发电机低电压穿越控制方法。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明仅改变控制策略，未增设硬件保护电路，提高了风电机组低电压穿越时的无功输出能力，有效克服了增设硬件电路带来的暂态冲击、能量损失问题，同时降低了系统成本，提高了系统的电能变换效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为风能利用系数与桨距角与叶尖速比的关系曲线；

图2为风力机转速与功率关系曲线；

图3为风电并网变流器等值电路；

图4为无功功率的调节区间；

图5为低电压穿越标准；

图6为本发明实施例提供的低电压穿越控制策略流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

最大功率点跟踪是风力发电机控制的基本原理，是提高风能利用率的重要手段。最大功率点跟踪控制的目的是使风力发电机在不同风速下均输出其最大功率。风力发电机在正常运行时，其输出的机械功率P为：

式中：C_P为风能利用系数，ρ为空气密度，A为流面面积，v为风速。风能利用系数C_P是桨距角β和叶尖速比λ的函数。C_P和β与λ的关系，即风力机性能曲线如图1所示。显然，当桨距角固定时在同一风速下存在某一λ使C_P达到最大，并由此得出不同风速、转速与功率的关系曲线，见图2。

风力发电机的无功支撑，需要通过变流器实现。在风力发电机与电网间的变流器，其主要功能是在风电机组到电网的有功传递。但在有功功率低于变流器的视在功率的情况下，变流器也可以通过控制风电并入电网的功率因数来对交流电网提供无功支撑。因此风力发电系统的无功输出能力的本质是三相间的功率交换，并受到其自身视在功率的限制，有功功率的增大会使得无功功率的输出减少。风电并网变流器的等值电路如图3所示，其中U为变流器输出电压，E_N为并网点电压，x为等值电感，α为变流器输出电压与并网点的相角差，根据等值电路推导出有功功率与无功功率的表达式：

并得到有功功率与无功功率的调节区间如图4所示，其中调节区间即为ABCD围成的区域，P_max表示实现最大功率跟踪时取得的有功，阴影部分即Q为负值的区域表示在此区域内能够发出无功功率。除上述推导范围外，需考虑变流器容量对无功输出的影响。

实施例一

本实施例公开了一种风力发电机低电压穿越控制方法，核心点是基于最大功率点跟踪策略并进行优化，正常运行时改善系统的电能质量，电网电压跌落时提高系统无功输出能力，进而实现低电压穿越。具体地，所述

步骤1：控制器接收电网电压的实时监测数据E，以及风力发电机当前发出的有功功率P_pre；

步骤2：判断电网是否正常运行，若是，执行步骤3；若否，首先判断跌落是否在设定范围内，若超出设定范围，则将风力发电机切除，若在设定范围内，计算当前的最大视在功率S_max和能提供的无功功率Q，进入步骤4；

本实施例中，若电压E≥0.9E_N，表示未发生跌落，电网正常运行；若E＜0.9E_N，进一步判断电压跌落是否在一定范围内，若0.2E_N≤E＜0.9E_N，计算当前的最大视在功率S_max和能提供的无功功率Q。

为了保证实现低电压穿越而不使保护动作，切除发电机，变流器输出电流要在其额定电流的1.1倍以内，最大视在功率可以计算为Smax＝3E_N*1.1I_N，其中，E_N为并网点的电压值(见图3)，I_N为变流器额定电流

步骤3：基于最大功率点跟踪控制策略得到电压优化控制参数；

步骤4：保持当前有功功率，并发出需要发出的无功，即，根据瞬时的最大视在功率限制条件判断是否能够不改变有功功率的情况下满足切换的无功功率需求，若是，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；否则，按照柔化控制策略来逐步修正有功与无功的给定值。具体地，若步骤2中计算得到的变流器能提供的最大无功功率大于需要的无功功率Q_set，则发出需要的无功功率Q_set可以根据电网规程简单计算为

其中，S为变流器容量，ΔE为并网点电压在故障前后的差值。

检测到并网点电压恢复时，切换至最大功率点跟踪控制策略运行，若长时间电压不恢复或电压跌落后低于额定值20％时，快速响应将风机切除。

所述柔化控制策略为

式中α为[0,1]区间上的变量，其值根据电压跌落的幅度与变化率的变化以进行实时调整，P_pre为检测到电压变化时的有功功率的输出。

通常而言，采用最大功率点跟踪控制策略的风力发电系统并网运行时其无功的给定设置为零，即风力发电系统本身不涉及无功功率的调节，需要配套火电机组来进行无功调度。这就造成了出现故障电压跌落时必须配套硬件保护电路才能实现低电压穿越要求的实际状况。因此，想要从控制策略上进行无功功率的调节，必须改变原有的最大功率点跟踪模式，形成不追求最大的发电效率，牺牲一部分有功功率以产生无功的优化控制策略。

当检测到电压跌落时，根据低电压穿越的标准并考虑可能存在的噪声影响，当电网电压下降到低于额定的90％时，切换原有最大功率点跟踪运行模式，不再采用原无功的给定值，将现有有功功率的给定值保持不变，并发出需要发出的无功

保证不对有功功率的控制产生剧烈影响，随后根据瞬时的最大视在功率限制条件判断是否能够不改变有功功率的情况下满足切换的无功功率需求。若所发无功功率可以达到低电压穿越标准，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；否则，按照

的柔化控制策略来逐步修正有功与无功的给定值，避免对系统造成剧烈影响，并实现低电压穿越过程中有功与无功变化的需求，式中α为[0,1]区间上的变量，其值根据电压跌落的幅度与变化率进行变化以进行实时调整，P_pre为检测到电压变化时的有功功率的输出。当控制器检测到并网点电压恢复时，切换至最大功率点跟踪控制策略运行，若长时间电压不恢复或电压跌落后低于额定值20％时，快速响应将风机切除。以上具体流程如图6所示。

对于正常运行的风力发电机时，同样可以采用这种功率调节策略以提高风电的无功调节能力，在最大视在功率计算出以后，可以将现有有功功率的给定值保持不变，并发出需要发出的无功

在发电量能够满足用户需求的情况下对电网进行无功支持，改善系统的电能质量，提高风力发电的使用效率，减少对其他发电方式的依赖程度，降低对无功补偿硬件的需求。

本实施例基于最大功率点跟踪策略和变流器的功率特性，充分利用变流器的闲置容量，可以实现正常运行时改善系统的电能质量；在电网电压跌落时检测电压变化，调整有功功率与无功功率的给定值，以确保系统的无功输出能够满足低电压穿越的需求，而无需额外增设硬件保护电路。有效克服了增设硬件电路带来的暂态冲击、能量损失问题，同时降低了系统成本，提高了系统的电能变换效率。

本发明基于风电机组常采用的最大功率点跟踪控制策略，由于风力发电机存在非线性的特性，其运行输出的最大功率点将随风力大小变化而变化。为保证有功功率的最大输出，通过调节风力发电机转子变流器的转矩分量来控制有功功率输出，以保证风力发电机运行在最佳功率曲线上。当发电量足以支撑负载的需求时，调整自身的输出功率以向电网输出一定的无功功率，进而改善系统的电能质量。

在感性线路的电力系统中，发生电压跌落说明无功功率不足，应提供容性的无功功率以减小因电压跌落时感性无功扰动造成的电压畸变程度，防止电压的进一步跌落。此时必须依照我国低电压穿越的标准调整原有控制策略，在保证最大功率点跟踪的同时利用变流器的闲置容量尽可能的输出无功功率以支撑电压。当发生严重故障的时候能够柔性的降低有功功率的输出，满足低电压穿越的无功电流输出标准，转化更多的无功功率，帮助电网电压恢复，当电网电压恢复时再逐渐增加有功输出至额定功率，提高低电压穿越能力。

实施例二

本实施例的目的是提供一种风力发电机低电压穿越控制系统，所述系统包括：

电压实时监测模块，接收电网电压的实时监测数据，以及风力发电机当前发出的有功功率；

电压跌落判断模块，根据电压数据判断电网是否发生电压跌落；

电压跌落控制模块，若发生电压跌落，进一步判断电压跌落是否在设定范围内，若超出设定范围，将风力发电机切除；若在设定范围内，计算当前能提供的无功功率，判断是否能够在保持当前有功功率的情况下满足无功功率需求，若能，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；否则，逐步修正有功与无功的给定值。

实施例三

本实施例的目的是提供一种电子设备。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如实施例中所述的风力发电机低电压穿越控制方法。

实施例四

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例中所述的风力发电机低电压穿越控制方法。

实施例五

本实施例的目的是提供一种变流器，其被配置为能够存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例中所述的风力发电机低电压穿越控制方法。

以上实施例二-五中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种风力发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收电网电压的实时监测数据，以及风力发电机当前发出的有功功率；

根据电压数据判断电网是否发生电压跌落：若发生电压跌落，进一步判断电压跌落是否在设定范围内，若超出设定范围，将风力发电机切除；若在设定范围内，计算当前能提供的无功功率，保持当前有功功率，并发出需要发出的无功，即，根据瞬时的最大视在功率限制条件判断是否能够不改变有功功率的情况下满足切换的无功功率需求，若能，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；若不能在保持当前有功功率的情况下满足无功功率需求，按照柔化控制策略来逐步修正有功与无功的给定值；

所述柔化控制策略为：

式中，P(t)、Q(t)分别为有功功率和无功功率给定值的修正值，α为[0,1]区间上的变量，其值根据电压跌落的幅度与变化率进行实时调整，S_max为当前最大视在功率，P_pre为检测到电压变化时的有功功率的输出，P_set为需要的有功功率。

2.如权利要求1所述的风力发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，

若未发生电压跌落，基于最大功率点跟踪控制策略对输出电压进行优化控制。

3.如权利要求1所述的风力发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，当电压跌落是否在设定范围内时，还计算当前的最大视在功率，根据瞬时的最大视在功率限制条件判断是否能够在保持当前有功功率的情况下满足无功功率需求。

4.如权利要求2所述的风力发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，持续接收电网电压的实时监测数据，当电压恢复时，切换至最大功率点跟踪控制策略对输出电压进行优化控制。

5.一种风力发电机低电压穿越控制系统，其特征在于，包括：

电压实时监测模块，接收电网电压的实时监测数据，以及风力发电机当前发出的有功功率；

电压跌落判断模块，根据电压数据判断电网是否发生电压跌落；

电压跌落控制模块，若发生电压跌落，进一步判断电压跌落是否在设定范围内，若超出设定范围，将风力发电机切除；若在设定范围内，计算当前能提供的无功功率，保持当前有功功率，并发出需要发出的无功，即，根据瞬时的最大视在功率限制条件判断是否能够不改变有功功率的情况下满足切换的无功功率需求，若能，持续运行直至故障恢复或达到规定时间风力发电机切除；若不能在保持当前有功功率的情况下满足无功功率需求，按照柔化控制策略来逐步修正有功与无功的给定值；

所述柔化控制策略为：

式中，P(t)、Q(t)分别为有功功率和无功功率给定值的修正值，α为[0,1]区间上的变量，其值根据电压跌落的幅度与变化率进行实时调整，S_max为当前最大视在功率，P_pre为检测到电压变化时的有功功率的输出，P_set为需要的有功功率。

6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4任一项所述风力发电机低电压穿越控制方法。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述风力发电机低电压穿越控制方法。

8.一种变流器，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述风力发电机低电压穿越控制方法。

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