專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法。
技術(shù)背景風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)所占比例越來越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)于電網(wǎng)的影響就不能再忽略。 截至目前，在電網(wǎng)擾動(dòng)情況下，當(dāng)電網(wǎng)電壓減小到一定值的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)組便會(huì)自動(dòng)脫網(wǎng)。 隨著風(fēng)力發(fā)電電量的急劇增加，這種方法已經(jīng)不再適合于電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則。為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組連接在電網(wǎng)，電網(wǎng)安全運(yùn)行準(zhǔn)則要求風(fēng)力機(jī)具有低電壓穿越(LVRT, Low Voltage Ride-Through)功能。在風(fēng)力發(fā)電占主導(dǎo)地位的國家，比如丹麥、德國等國相繼制定了新 的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則。要求只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于如圖l所示的規(guī)定曲線以后才允許脫網(wǎng)。當(dāng) 電壓在陰影部分以上時(shí)，發(fā)電機(jī)不僅不脫網(wǎng)，而且還應(yīng)提供無功功率來幫助恢復(fù)電網(wǎng)電壓。 在不同國家之間有著不同的要求。丹麥要求25%以后持續(xù)100ms。 E.ON要求電網(wǎng)電壓跌落到 15%并且持續(xù)300ms，澳大利亞要求跌落到0%持續(xù)175ms。正常運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)子變流器控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而網(wǎng)側(cè)變流器控制轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)間的功 率流動(dòng)，保持兩個(gè)變流器間的電容電壓恒定。當(dāng)電壓跌落時(shí)，主磁通由于具有很大的時(shí)間常 數(shù)因此不會(huì)發(fā)生突變，而且轉(zhuǎn)速由于是機(jī)械過程更不會(huì)發(fā)生快速的變化，因此電機(jī)的反電動(dòng) 勢(shì)不會(huì)發(fā)生變化，所以一個(gè)很大的電壓差就會(huì)被施加在定子繞組的電阻和漏感之間。這會(huì)導(dǎo) 致定子電流出現(xiàn)過流現(xiàn)象。根據(jù)電機(jī)的磁鏈平衡方程可以得知轉(zhuǎn)子電流也會(huì)出現(xiàn)過流現(xiàn)象。 如果達(dá)到過流保護(hù)極限值，就會(huì)引起過流保護(hù)繼電器動(dòng)作，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)。另 外，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的保護(hù)動(dòng)作會(huì)使發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，由于轉(zhuǎn)子 加速度增加會(huì)產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。如果達(dá)到轉(zhuǎn)速保護(hù)極限值，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會(huì)脫網(wǎng)、停車。同 時(shí)若由于電網(wǎng)電壓的跌落導(dǎo)致風(fēng)電場解列，會(huì)使風(fēng)電系統(tǒng)缺失更大一部分有功和無功，導(dǎo)致 系統(tǒng)故障的進(jìn)一步加劇，因此必須在限制轉(zhuǎn)子側(cè)的電流的同時(shí)，要及時(shí)靈活的向電網(wǎng)饋送一 部分無功功率，抑制電網(wǎng)電壓的進(jìn)一步跌落，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠不脫網(wǎng)，保持連續(xù)運(yùn)行。目前主要的無功補(bǔ)償裝置有電容器，電抗器等，但是這些裝置不能分時(shí)分段地饋送無功 到電網(wǎng)，不能滿足電網(wǎng)電壓隨時(shí)變化的要求。STATC0M作為一種新型的裝置或者運(yùn)行方式， 是屬于靈活交流輸電的范疇，能夠通過及的注入或者吸收無功功率來改變終端電壓，保證系 統(tǒng)的穩(wěn)定性，本發(fā)明就是通過使網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在該模式下，使機(jī)組具有良好的低電壓穿越 特性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)在電壓跌落時(shí)易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)的缺點(diǎn)，電壓跌 落時(shí)，本發(fā)明的控制方法可使網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在靜止無功補(bǔ)償，即STATC0M模式，該模式能 夠及時(shí)的檢測(cè)跌落深度，得到相應(yīng)的無功功率和有功功率回饋到電網(wǎng)中，防止電網(wǎng)電壓進(jìn)一 步跌落。本發(fā)明在故障期間仍能將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)繼續(xù)保持連接，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有良好的 低電壓穿越特性。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:在原有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，加入STATC0M 模式的控制方法，使網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在STATCOM模式。在不改變系統(tǒng)原有的背靠背結(jié)構(gòu)的情 況下，僅對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，即檢測(cè)電壓跌落的情況，經(jīng)過PI調(diào) 節(jié)器，發(fā)出相應(yīng)的無功電流，并且在容量允許的范圍內(nèi)，發(fā)出需要補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏?，分別作 為電流內(nèi)環(huán)控制參考值和電壓外環(huán)控制參考值，即可以靈活地補(bǔ)償出相應(yīng)的無功功率和有功 功率，解決了電壓跌落下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容易脫網(wǎng)的問題。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率回路主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)側(cè)變流器、直流 側(cè)電容、電網(wǎng)側(cè)變流器、電網(wǎng)側(cè)濾波電感等構(gòu)成。由風(fēng)電機(jī)組拖動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，把捕獲的風(fēng) 能轉(zhuǎn)化為電能，通過發(fā)電機(jī)側(cè)變流器轉(zhuǎn)化為直流電，直流側(cè)電容作為能量緩沖環(huán)節(jié)，穩(wěn)定直 流側(cè)電壓，由電網(wǎng)側(cè)變流器把直流電逆變?yōu)榻涣麟?，通過濾波電感并入電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)側(cè)變流 器通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子側(cè)的d軸和q軸電流，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子的無功功率(通常無 功設(shè)定值為0)，電網(wǎng)側(cè)變流器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，控制直流側(cè)電壓和流向電網(wǎng) 的無功功率，實(shí)現(xiàn)輸出有功和無功的解耦控制，輸出通常為單位功率因數(shù)。正常運(yùn)行情況下，網(wǎng)側(cè)變流器控制策略中無功參考電流無法得到精確的設(shè)定值，不能很 好的調(diào)節(jié)無功功率。當(dāng)電壓在允許的范圍內(nèi)變化時(shí)，無功參考電流為O,能夠滿足要求；但 是當(dāng)電壓跌落時(shí)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要無功補(bǔ)償來進(jìn)行電壓支撐，此時(shí)無功再設(shè)定為 0便不能滿足要求了，否則會(huì)對(duì)變流器產(chǎn)生危害，此時(shí)就要求根據(jù)電壓跌落的深度來產(chǎn)生相 對(duì)應(yīng)的無功電流設(shè)定值，要求一種靈活的方式來控制，而此時(shí)STATCOM運(yùn)行模式就能很好的 滿足要求，該模式?jīng)]有改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，僅是在對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略上進(jìn)行了改進(jìn)，就 能滿足系統(tǒng)對(duì)無功的靈活要求，實(shí)現(xiàn)真正意義上的靈活控制。本發(fā)明的控制方法就是隨時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓"s的變化情況，將電網(wǎng)電壓、與電網(wǎng)電壓參考值"^比較，將二者的差值A(chǔ)"經(jīng)過PI調(diào)解器后得到參考無功電流z'^/作為電流內(nèi)環(huán)控制的參 考值，相比之前的電流內(nèi)環(huán)控制參考值始終設(shè)定為O或者某一固定數(shù)值，該方法可以得到變 化的無功電流參考值，即能柔性的向電網(wǎng)電壓發(fā)送無功功率，滿足了不同場合的要求；本發(fā)明的控制方法中還包括對(duì)有功電流的控制，以補(bǔ)償電路中的有功損耗，功率器件由本身的容 量限制，不可能無限制的發(fā)出無功或者有功功率，在優(yōu)先發(fā)出相應(yīng)無功功率的基礎(chǔ)上，通過/<^2 = >//二 -々re/計(jì)算此時(shí)有功功率裕量，將/^"與電壓夕卜環(huán)控制環(huán)節(jié)中的實(shí)際測(cè)量值/,^比較，選擇較小值作為最終的有功電流參考值，通過該控制環(huán)節(jié)就可以以最小有功電流值來 滿足直流測(cè)電壓穩(wěn)定的要求。通過在已有的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加電流內(nèi)環(huán) 的參考無功電流的計(jì)算環(huán)節(jié)和電壓外環(huán)的有功電流比較計(jì)算選擇環(huán)節(jié)，優(yōu)化了控制策略。運(yùn)行在STATCOM模式下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有低電壓穿越特性，在電網(wǎng)電壓瞬間跌落情況下， 能夠根據(jù)需要靈活的饋送相應(yīng)無功功率，也可以相應(yīng)的調(diào)節(jié)有功功率，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 達(dá)到與火力發(fā)電機(jī)組相類似的傳輸可靠性標(biāo)準(zhǔn)，具有自我調(diào)節(jié)能力。


圖la直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖； 圖lb雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖； 圖2本發(fā)明控制原理框圖；圖3網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在正常模式下的控制策略框圖；圖4網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在STATC0M模式下的控制策略框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖la是直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖，其中風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)通過背靠背變流器與電網(wǎng)連 接。圖lb是雙饋式風(fēng)力發(fā)電示意圖，風(fēng)力機(jī)經(jīng)過齒輪箱與發(fā)電機(jī)連接，發(fā)電機(jī)的定子直接 與電網(wǎng)電壓經(jīng)降壓后的低壓端連接，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與背靠背變流器的機(jī)側(cè)變流器連接，背靠 背變流器中的網(wǎng)側(cè)變流器直接與電網(wǎng)電壓經(jīng)降壓后的另一低壓端子連接，其中機(jī)側(cè)變流器和 網(wǎng)側(cè)變流器串聯(lián)組成背靠背變流器。圖2是STATC0M運(yùn)行模式的原理圖。將電網(wǎng)的參考電壓"^與實(shí)際電壓、作差，送入PI調(diào)節(jié)器，得到靈活變化的無功電流^^，這是本發(fā)明的基礎(chǔ)。圖3是網(wǎng)側(cè)變流器正常運(yùn)行的控制策略框圖。網(wǎng)側(cè)變流器正常運(yùn)行采用的是雙閉環(huán)控制方法，由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個(gè)控制環(huán)構(gòu)成的。外環(huán)是通過電網(wǎng)的參考電壓"^與實(shí)際電壓""乍差，送入PI調(diào)節(jié)器，得到靈活變化的無功電流《^。而內(nèi)環(huán)是一般設(shè)定電流內(nèi)環(huán)控制的參考〈=0,或者根據(jù)需要設(shè)定某一固定值，同時(shí)將電網(wǎng)電壓或者電流經(jīng)dq變換得到d軸電壓&，q軸電壓、和d軸龜流；，q軸電流/,，將有功電流參考值/:和無功電流參考值〈分別 與經(jīng)電網(wǎng)電流變化后的b,z;作差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后分別得到新的d軸電壓和q軸電壓《,v;， 然后將《與d軸電流/rf和固定電抗值的乘積作差得到新的 ，將《與電網(wǎng)電壓變換得到 的v,與^v/之和作差，得到最新的&，然后再經(jīng)過"/ 和2/3變換，得到調(diào)制信號(hào)控制網(wǎng)側(cè) 變流器。圖4為網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在本發(fā)明方法下的控制框圖。本發(fā)明的控制方法改善了網(wǎng)側(cè)變流器電 壓外環(huán)有功電流參考設(shè)定值和電流內(nèi)環(huán)無功電流參考設(shè)定值，即隨著電網(wǎng)電壓的變化能夠及時(shí)靈活的變化。具體為將檢測(cè)得到的實(shí)際的電網(wǎng)電壓、與設(shè)定的電網(wǎng)電壓參考值"^作差，得到的電壓差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后得到的參考無功電流〈^;得到無功參考電流后，依據(jù)約束關(guān)系式d《，來計(jì)算得出網(wǎng)側(cè)變流器有功電流的最大補(bǔ)償量值《w， z皿為網(wǎng)側(cè)變流器最大允許電流值。同時(shí)在電壓外環(huán)控制中，將設(shè)定的電容電壓參考值與通過DSP AD通 道測(cè)量到的實(shí)際值作差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)也得到有功電流參考值il"，然后比較4^和4^2的大小,選擇較小值作為無功電流補(bǔ)償設(shè)定值《< 。將有功電流參考值i〗re/和無功電流參考值《< 分別與經(jīng)電網(wǎng)電流變化后的^々作差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后分別得到新的d軸電壓和q軸電壓 《'《，然后將^與d軸電流^和固定電抗值的乘積G^作差得到新的、，將《與電網(wǎng)電壓變換得到的&與^^之和作差，得到最新的^，然后再經(jīng)過""和2/3變換，得到調(diào)制信號(hào) 控制網(wǎng)側(cè)變流器。這樣，當(dāng)電網(wǎng)電壓再降低時(shí)，通過上述控制方法后，有功功率和無功功率 就隨之改變，有功功率控制穩(wěn)定了直流測(cè)的電壓，而無功功率則把相應(yīng)的無功功率回饋到電 網(wǎng)中去，抑制了電網(wǎng)電壓的進(jìn)一步跌落，這樣電網(wǎng)電壓不再跌落，發(fā)電機(jī)定，轉(zhuǎn)子就不會(huì)產(chǎn) 生過流現(xiàn)象，從而保證了發(fā)電機(jī)的不脫網(wǎng)運(yùn)行使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有了低電壓穿越能力。
權(quán)利要求
1. 一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越的響應(yīng)控制方法，其特征在于隨時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓us的變化情況，將電網(wǎng)電壓us與電網(wǎng)電壓參考值uref比較，得到的差值Δu通過PI調(diào)節(jié)器得到無功電流iqref*和有功電流idref*；將無功電流iqref*作為電流內(nèi)環(huán)控制的參考值，配合電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制策略，控制網(wǎng)側(cè)變流器，抑制電網(wǎng)電壓跌落；有功電流idref*補(bǔ)償電路中的有功損耗。
2. 按照權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越的響應(yīng)控制方法，其特征在于，將檢 測(cè)得到的實(shí)際的電網(wǎng)電壓、與設(shè)定的電網(wǎng)電壓參考值"^作差，得到的電壓差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器 后得到的參考無功電流《^;得到無功參考電流后，依據(jù)約束關(guān)系式!1/2 =-。，計(jì)算得出網(wǎng)側(cè)變流器有功電流的最大補(bǔ)償量值^;， i,為網(wǎng)側(cè)變流器最大允許電流值；同時(shí)在電壓外環(huán)控制中，將設(shè)定的電容電壓參考值與通過DSP AD通道測(cè)量到的實(shí)際值作差，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)也得到有功電流參考值C^;然后比較4^和/1,2的大小，選擇較小值作為無功電流補(bǔ)償設(shè)定值二/;將有功電流參考值!;^和無功電流參考值《^分別與經(jīng)電網(wǎng)電流變化后的^々作差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后分別得到新的d軸電壓和q軸電壓&' ，然后將^與d軸電流^和固定電抗值的乘積^^作差得到新的、，將《與電網(wǎng)電壓變換得到的 與々^之和作差，得 到最新的^，然后再經(jīng)過""和2/3變換，得到調(diào)制信號(hào)控制網(wǎng)側(cè)變流器。
全文摘要
一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越的響應(yīng)控制方法，其特征在于隨時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓u_s的變化情況，將電網(wǎng)電壓u_s與電網(wǎng)電壓參考值u_ref比較，得到的差值Δu通過PI調(diào)節(jié)器得到無功電流i_qref^*和有功電流i_dref^*；將無功電流i_qref^*作為電流內(nèi)環(huán)控制的參考值，配合電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制策略，控制網(wǎng)側(cè)變流器，抑制電網(wǎng)電壓跌落；有功電流i_dref^*補(bǔ)償電路中的有功損耗。在電網(wǎng)電壓瞬間跌落情況下，本發(fā)明能夠根據(jù)需要靈活的饋送相應(yīng)無功功率，也可以相應(yīng)的調(diào)節(jié)有功功率，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組達(dá)到與火力發(fā)電機(jī)組相類似的傳輸可靠性標(biāo)準(zhǔn)，具有自我調(diào)節(jié)能力。
文檔編號(hào)H02J3/16GK101272055SQ20081010604
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者孔德國, 李建林, 許洪華, 斌 趙 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所