CN115133569A - 用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，在电网故障期间，风电机组进入低电压穿越模式，机侧换流器负责控制直流电压稳定，网侧换流器根据电压跌落程度由有功优先的MPPT控制改为无功优先控制，同时在有功电流控制环节加入限流控制，防止有功电流突变引起的直流侧电容充放电电流的突变，有效抑制因网侧变流器工作模式切换而引起的直流电压波动。与此同时，系统进行变桨距角控制，减少不匹配能量，抑制转子转速的上升，该控制策略具有良好的故障穿越效果。

Description

用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法

技术领域

本申请涉及新能源发电技术领域，特别是涉及用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，属于控制技术领域。

背景技术

发展风力发电是世界各国推进能源转型与应对气候变化的重要途径和核心内容，海上风能资源丰富，具有巨大的开发潜力，近年来国内外发展的重心已经呈现出由陆上转向海上的趋势。海上风电场和陆上主网的连接有两种传统方式：工频高压交流(HVAC)输电和高压直流(HVDC)输电。目前对于中远距离的海上风电送出，采用低频交流(LFAC)输电技术是一种有竞争力的方案。低频输电的优点主要包括：解决了传统高压交流电缆最大输电功率随着输电距离的增长而显著减小的问题；不存在直流电缆的空间电荷积累效应，对电缆绝缘比较有利；不存在断路器的问题，海上风电场可以很方便地组成交流电网。

相较于双馈型风电机组，永磁直驱风电机组(PMSG)因其良好的低电压穿越性能在海上风电机组中得到了广泛应用。实现风力发电的关键问题在于维持变流器直流环节电容电压的稳定，通过稳定直流母线电压实现PMSG低电压穿越的研究方案主要有：通过在直流侧安装卸荷电路消纳多余能量；在直流侧安装储能装置，快速吞吐有功功率；并联辅助变流器增加直流侧功率的输出通道。上述方法均需增加外部硬件电路，增加变流器的体积和成本，并且在电网电压跌落时，网侧换流器处于限流状态，无法对电网提供动态的无功支撑。

发明内容

本申请实施例提出了一种用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，使得海上风电系统在电网侧发生故障时保证自身安全稳定运行，并向电网提供一定的无功支撑

本申请所述用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，用于海上风电经低频输电并网系统中，系统包括陆地上的频率为50Hz的工频电网及频率为20Hz的低频海缆，其中，工频电网与低频电网之间通过模块化多电平矩阵变换器(M3C)相连接，海上风机为永磁直驱风机。

为使风电机组在故障扰动时有更好的控制性能，风电机组的机侧换流器实现直流电压控制及机侧无功功率控制，网侧换流器实现最大功率跟踪控制(MPPT)及系统侧无功功率控制。将有功和无功控制集中于网侧换流器，便于根据系统需求对风电机组的有功与无功进行协调控制，且无需增加卸荷电路。

在电网故障期间，风电机组进入低电压穿越模式，网侧换流器根据电压跌落程度调整发电机电磁转矩，机侧换流器负责控制直流电压稳定。与此同时，为避免风机转速过大，系统进行变桨距角控制，减少不匹配能量，抑制转子转速的上升。

所述控制方法的实现步骤如下：

S1，根据采集的电压电流信号进行判断网侧是否发生故障，若未发生电压跌落，则正常运行，网侧换流器采取有功优先的MPPT控制；若发生故障，则执行S2；

S2，电网发生跌落时，限制网侧换流器有功输出，采取无功优先控制；

S3，进行变桨距角控制。

可选的，所述S1包括：

通过电压传感器采集风机端口与电网公共连接点的电压信号U_g的有效值判断网侧是否发生故障；

利用电压传感器采集直流母线电压信号U_dc、利用电流传感器采集风机端口与电网公共连接点的三相电流信号i_g，i_g经过静止三相坐标系变换至两相旋转坐标系i_gd、i_gq；

正常运行时，机侧变流器外环采用定直流电压控制，根据直流母线偏差经过PI调节输出定子有功电流参考指令，用于抑制电网电压跌落时直流电压的波动。

可选的，所述S2包括：

当电网电压发生跌落时，由于网侧换流器的限流作用，若继续执行有功优先控制，则网侧换流器处于功率限幅状态，采用无功优先控制；

在有功电流控制环节加入限流控制，防止有功电流突变引起的直流侧电容充放电电流的突变，抑制因网侧变流器工作模式切换而引起的直流电压波动：

风力发电机组在电压跌落过程中只是对系统提供一定的无功支撑，根据电网电压跌落的幅值调节网侧变流器的无功电流，改善电压跌落情况，提高风力发电机的低电压穿越能力；

当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，每个风力发电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流为

I_q≥1.5×(0.9-U_g)IN,0.2≤U_g≤0.9；

式中，I_q为注入电力系统的动态无功电流，U_g为风电场并网电压标幺值，I_N为风电场额定电流。

可选的，所述S3包括：

采用变桨距调节，风机桨距角控制器根据风机有功给定的上限值进行变桨调节，以增大风机桨距角，减少风机的有功出力；

根据风能转化原理，风机吸收功率为P_in＝C_pP_w，

式中，P_in为风机吸收功率；P_w为风机输入的风功率；C_p为风能利用系数；

若采用典型的风能利用系数表达式如下：

式中，1/λ_i＝1/(λ+0.08β)-0.035/(β³+1)；λ为叶尖速比；β为桨距角；c₁＝0.5176；c₂＝116；c₃＝0.4；c₄＝5；c₅＝0.5176；c₆＝0.0068。

可选的，所述方法还包括：

正常工作情况下，风机运行在MPPT模式；

电网故障期间，使桨距角以8°/s的速度线性增大以降低风机捕获的能量；

故障期间β的表达式为β(t)＝8t，式中，β为桨距角；t为时间。

有益效果：

风力发电机组在电压跌落过程中只是对系统提供一定的无功支撑，并不能使并网点电压恢复至额定值，因此不再采用PI控制，而是根据电网电压跌落的幅值调节网侧变流器的无功电流，改善电压跌落情况，进而提高风力发电机的低电压穿越能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请所述的永磁直驱风机经低频输电并网系统结构图；

图2为本申请所述低电压穿越控制流程图；

图3为本申请所述不同桨距角下风力机特性曲线；

图4为本申请所述风机网侧换流器控制框图；

图5为工频电网2s～2.625s发生三相跌落20％故障时三相电压波形图；

图6为工频电网2s～2.625s发生三相跌落20％故障时风机输出功率波形图；

图7为工频电网2s～2.625s发生三相跌落20％故障时风机直流母线电压。

具体实施方式

为使本申请的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的结构作进一步地描述。

图中和文中各符号为：HVAC为高压交流输电，HVDC为高压直流输电，LFAC为低频交流输电，PMSG为永磁直驱风电机组，M3C为模块化多电平矩阵变换器，MPPT为最大功率跟踪控制，U_g为风电场并网点电压标幺值，i_g为风机端口与电网公共连接点的三相电流信号标幺值，PI调节为比例积分控制，I_q为注入电力系统的无功电流，U_g为风电场并网电压标幺值，I_N为风电场额定电流，ω_n为风机额定转速，P_in为风机吸收功率，P_w为风机输入的风功率，C_p为风能利用系数，λ为叶尖速比，β为桨距角，c₁～c₆为表达式参数，t为时间，AC表示交流量，ω_r为风机转子转速，P_opt ^*为风机在最优运行点的功率标幺值，1和2分别表示正常运行状态和故障穿越运行状态，i_gd ^*为定子有功电流参考标幺值，i_gq ^*为定子无功电流参考标幺值，i_gd1 ^*为正常运行时定子有功电流参考标幺值，i_gq1 ^*为正常运行时定子无功电流参考标幺值，i_gd2 ^*为故障穿越时定子有功电流参考标幺值，i_gq2 ^*为故障穿越时定子无功电流参考标幺值，I_gmax为风机最大电流值，i_{g_d1} ^*为定子有功电流标幺值，U_sd为电网侧电压的d轴分量，U_g ^*为风电场并网点电压参考标幺值，Q_s为风机机侧输出的无功功率，Q_r为风机转子的无功功率，Q_m为风机励磁所需无功功率，U_abc为网侧故障电压，P_g为风机经换流器传至网侧有功功率，U_dc为风机背靠背换流器直流电压。

本申请中的永磁直驱风机经低频输电并网的结构图如图1所示，主要由风力发电机、永磁直驱风机、背靠背换流器、变压器、低频电缆和系统电网组成。风力机用于产生功率，经低频电缆传输至岸上交交换流站并入电网。其中机侧换流器用于定直流电压控制，网侧换流器用于跟踪风机输出最大功率并实现对电网频率的调节。

如图2流程图所示，所述低频故障穿越控制方法的实现步骤如下：

S1:判断网侧是否发生故障，根据采集的电压电流信号进行判断，若未发生电压跌落，则正常运行，网侧换流器采取有功优先的MPPT控制；若发生故障，则执行S2；

S2:电网发生跌落时，限制网侧换流器有功输出，采取无功优先控制；

S3:进行变桨距角控制。

S1具体实施方案为：通过电压传感器采集风机端口与电网公共连接点的电压信号U_g；通过U_g的有效值判断网侧是否发生故障。同时利用电压传感器采集直流母线电压信号U_dc、利用电流传感器采集风机端口与电网公共连接点的三相电流信号i_g。

正常运行时，机侧变流器外环采用定直流电压控制，根据直流母线偏差经过PI调节输出定子有功电流参考指令，该控制策略可有效抑制电网电压跌落时直流电压的波动；网侧换流器为有功优先的MPPT控制，即在对有功和无功电流限幅时，首先满足有功电流。

S2具体实施方案如图4所示：当电网电压发生跌落时由于网侧换流器的限流作用，若继续执行有功优先控制，则网侧换流器处于功率限幅状态，无法对系统提供无功支持，因此采用无功优先控制。同时在有功电流控制环节加入限流控制，防止有功电流突变引起的直流侧电容充放电电流的突变，从而有效抑制因网侧变流器工作模式切换而引起的直流电压波动。

目前并网技术规范要求总装机容量在百万千瓦及以上的风力发电场群，当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，每个风力发电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流为：

I_q≥1.5×(0.9-U_g)IN,0.2≤U_g≤0.9

S3具体实施方案为：一般情况下，风机最大转速不超过1.2ω_n，严重故障下的直驱风机转子转速可能超过临界值，不利于风电系统的安全稳定运行，在实际工程中是不被允许的。采用变桨距调节时，风机桨距角控制器根据风机有功给定的上限值进行变桨调节，以增大风机桨距角，减少风机的有功出力。在最恶劣的故障情况下能够减少近一半的能量输入，不匹配能量的减少将有效抑制转速的上升。

根据风能转化原理，风机吸收功率为P_in＝C_pP_w，

式中，P_w为风机输入的风功率；C_p为风能利用系数。

如图3所示，典型的风能利用系数表达式：

式中，1/λ_i＝1/(λ+0.08β)-0.035/(β³+1)；λ为叶尖速比；β为桨距角；c₁＝0.5176；c₂＝116；c₃＝0.4；c₄＝5；c₅＝0.5176；c₆＝0.0068。

永磁同步风机的桨距角β增大时，风能利用系数C_p减小十分明显，利用此特性可以在电网发生短路故障时增大桨距角，从而减少风机捕获的功率，实现减少不匹配功率的目标。正常工作情况下，风机运行在MPPT模式；电网故障期间，使桨距角以8°/s的速度线性增大以降低风机捕获的能量。

根据上述策略，故障期间β的表达式为β(t)＝8t，β为桨距角；t为时间。

搭建如图1所示的风机并网仿真平台，该平台包含一台根据输入风速改变输出功率的永磁直驱风机、一台进行交直交变换的背靠背换流器、低频电缆、两台变压器及系统电网。将本申请应用于该并网仿真平台，正常运行时，机侧换流器采用定直流电压控制、网侧换流器采用MPPT控制；网侧发生故障时，机侧换流器采用定直流电压控制、网侧换流器采用无功优先控制。

如图5所示，电网在2s时发生电压跌落故障，电压跌落深度为额定电压的80％，持续时间为0.625s。

如图6所示，在本申请所提出的低压穿越控制策略下，电网电压跌落后，网侧换流器进入限流模式不再进行MPPT控制，输出有功P_g受限。

如图7所示，在本申请所提出的低压穿越控制策略下，机侧换流器限制PMSG的有功输出P_s，抑制直流母线电压波动，实现直流侧电压的稳定。

对图1-7的概括性及意图说明：

图1给出的风机经低频输电并网系统为本申请的研究对象，其中风力发电采用永磁直驱机组，可根据风速改变输出功率；背靠背换流器为故障穿越控制策略的实施对象。

图2给出了本申请所述低压穿越控制流程图，根据采集的电压电流信号判断网侧是否发生故障。

图3为本申请所述不同桨距角下风力机特性曲线，表明风机桨距角控制器根据风机有功给定的上限值进行变桨调节，以增大风机桨距角，减少风机的有功出力，不匹配能量的减少将有效抑制转速的上升。

图4为本申请所述风机网侧换流器控制框图，表明系统正常运行时，网侧换流器为有功优先的MPPT控制，即在对有功和无功电流限幅时，首先满足有功电流；当电网电压发生跌落时由于网侧换流器的限流作用，若继续执行有功优先控制，则网侧换流器处于功率限幅状态，无法对系统提供无功支持，因此采用无功优先控制。同时在有功电流控制环节加入限流控制，防止有功电流突变引起的直流侧电容充放电电流的突变，从而有效抑制因网侧变流器工作模式切换而引起的直流电压波动。

图5-7为工频电网2s～2.625s发生三相跌落20％故障时系统电压及风机功率图。在网侧电压跌落过程中，虽然网侧变流器处于限流状态，但通过无功功率优先控制，此时以输出无功电流为主，对电网电压提供一定程度的支持，电压跌落幅度减小，电压跌落情况得到改善。图5-7验证了本申请所提的故障穿越控制方法的有效性，在网侧发生电压跌落时可以实现低电压穿越。

以上所述仅为本申请的实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，根据采集的电压电流信号进行判断网侧是否发生故障，若未发生电压跌落，则正常运行，网侧换流器采取有功优先的MPPT控制；若发生故障，则执行S2；

S2，电网发生跌落时，限制网侧换流器有功输出，采取无功优先控制；

S3，进行变桨距角控制。

2.根据权利要求1所述的用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，其特征在于，所述S1包括：

通过电压传感器采集风机端口与电网公共连接点的电压信号U_g的有效值判断网侧是否发生故障；

利用电压传感器采集直流母线电压信号U_dc、利用电流传感器采集风机端口与电网公共连接点的三相电流信号i_g，i_g经过静止三相坐标系变换至两相旋转坐标系i_gd、i_gq；

正常运行时，机侧变流器外环采用定直流电压控制，根据直流母线偏差经过PI调节输出定子有功电流参考指令，用于抑制电网电压跌落时直流电压的波动。

3.根据权利要求1所述的用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，其特征在于，所述S2包括：

当电网电压发生跌落时，由于网侧换流器的限流作用，若继续执行有功优先控制，则网侧换流器处于功率限幅状态，采用无功优先控制；

在有功电流控制环节加入限流控制，防止有功电流突变引起的直流侧电容充放电电流的突变，抑制因网侧变流器工作模式切换而引起的直流电压波动：

风力发电机组在电压跌落过程中只是对系统提供一定的无功支撑，根据电网电压跌落的幅值调节网侧变流器的无功电流，改善电压跌落情况，提高风力发电机的低电压穿越能力；

当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，每个风力发电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流为：

I_q≥1.5×(0.9-U_g)I_N,0.2≤U_g≤0.9；

式中，I_q为注入电力系统的动态无功电流，U_g为风电场并网电压标幺值，I_N为风电场额定电流。

4.根据权利要求1所述的用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，其特征在于，所述S3包括：

采用变桨距调节，风机桨距角控制器根据风机有功给定的上限值进行变桨调节，以增大风机桨距角，减少风机的有功出力；

根据风能转化原理，风机吸收功率为P_in＝C_pP_w，

式中，P_in为风机吸收功率，P_w为风机输入的风功率，C_p为风能利用系数；

若采用典型的风能利用系数表达式如下：

式中，1/λ_i＝1/(λ+0.08β)-0.035/(β³+1；λ为叶尖速比；β为桨距角；c₁＝0.5176；c₂＝116；c₃＝0.4；c₄＝5；c₅＝0.5176；c₆＝0.0068。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于永磁直驱风机经低频输电并网的故障穿越方法，其特征在于，所述方法还包括：

正常工作情况下，风机运行在MPPT模式；

电网故障期间，使桨距角以8°/s的速度线性增大以降低风机捕获的能量；

故障期间β的表达式为β(t)＝8t，式中，β为桨距角；t为时间。

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