專利名稱：一種雙饋風(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)明屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制領(lǐng)域，具體涉及一種在電網(wǎng)電壓驟降故障時(shí)保障并提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越能力的控制方法。
背景技術(shù)：
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在中大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著越來越多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)，新的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則都要求當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組仍能保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，并在故障切除后風(fēng)電機(jī)組能迅速恢復(fù)正常運(yùn)行， 即要求風(fēng)電機(jī)組能實(shí)現(xiàn)低電壓穿越運(yùn)行。電網(wǎng)故障引起的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率無法完全輸出到電網(wǎng)，從而給雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來兩大方面的影響，一是在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生過電流，二是引起電力電子變換器直流側(cè)的過電壓。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的電力電子變換器與全功率風(fēng)電機(jī)組的變換器相比功率等級(jí)較小，所以低電壓穿越問題是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)控制技術(shù)的重要挑戰(zhàn)，直接關(guān)系到風(fēng)電滲透下的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)(Crowbar)和在變換器的直流側(cè)并聯(lián)卸荷電路是一種比較常用的低電壓穿越控制方法。該方法在電網(wǎng)故障時(shí)，切除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電源，通過轉(zhuǎn)子旁路保護(hù)電阻釋放能量從而減小轉(zhuǎn)子回路的過電流，同時(shí)在直流側(cè)電容旁并聯(lián)卸荷電阻以減小直流側(cè)電壓的波動(dòng)。在該方法的基礎(chǔ)上，專利號(hào)為CN201010033770. 8，專利名為“低電壓穿越控制方案”的專利、專利號(hào)為CN201020518673. 3，專利名為“雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越變頻控制系統(tǒng)”的專利和專利號(hào)為CN201020509839. 5，專利名為“一種應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓短時(shí)間跌落的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防護(hù)裝置”的專利，提出了一些改進(jìn)的轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)以提高雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。但這些方法仍存在以下不足①需要增加新的硬件保護(hù)裝置，從而增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。②在故障時(shí)中斷了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器對(duì)發(fā)電機(jī)有功、無功功率的控制。③故障時(shí)發(fā)電機(jī)作傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)方式運(yùn)行，會(huì)從電網(wǎng)吸收無功功率，影響電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。針對(duì)轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)存在的問題，很多純軟件的控制方法在不改變硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的控制算法通過人工智能修改控制策略，以提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越性能。但這些控制算法通常由于過于復(fù)雜而不適合工業(yè)應(yīng)用，并且由于這些算法通常依賴于對(duì)某些系統(tǒng)參數(shù)的評(píng)估和控制參數(shù)的設(shè)計(jì)因而缺乏魯棒性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種在電網(wǎng)電壓驟降故障時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法。該控制方法通過轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制，減小發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子回路中的過電流和變換器直流側(cè)的過電壓，提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力，并能在電網(wǎng)故障期間保持發(fā)電機(jī)組對(duì)輸出有功和無功功率的控制。本發(fā)明無需增加硬件裝置，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法， 該方法基于具有電壓源型交-直-交PWM變換器的雙饋風(fēng)電機(jī)組，該風(fēng)電機(jī)組包括風(fēng)力機(jī)， 風(fēng)力機(jī)通過齒輪箱與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸連接，控制器包括風(fēng)力機(jī)控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)控制器和網(wǎng)側(cè)控制器，風(fēng)力機(jī)控制器的作用是實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制以及在高風(fēng)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)限制風(fēng)能的輸入，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器和網(wǎng)側(cè)控制器分別采用基于定子磁鏈定向和基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)控制有功和無功功率，其特征在于當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率無法完全輸出到電網(wǎng)，多余的能量使發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生過電流以及交-直-交變換器的直流側(cè)產(chǎn)生過電壓。當(dāng)檢測(cè)到雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)點(diǎn)電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和變換器的直流側(cè)電壓中的任意一值達(dá)到限制值時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器立即由正常運(yùn)行模式切換到故障運(yùn)行模式。在故障運(yùn)行模式下，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器通過限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的方式控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速運(yùn)行，將由電網(wǎng)電壓驟降引起的風(fēng)電機(jī)組中的不平衡能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，從而減小發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流的波動(dòng)。在故障運(yùn)行模式下，網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)電壓控制環(huán)中加入反映轉(zhuǎn)子功率&和直流側(cè)電壓udc波動(dòng)的前饋補(bǔ)償量pyud。，從而平衡轉(zhuǎn)子功率的瞬時(shí)波動(dòng)，減小直流側(cè)的過電壓。當(dāng)檢測(cè)到故障切除后，轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器立即切換到正常運(yùn)行模式。本發(fā)明提出的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法具有如下的技術(shù)特點(diǎn)1、完全依靠控制實(shí)現(xiàn)，不要求傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增加其他硬件裝置。 能提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)的成本。2、將故障時(shí)系統(tǒng)中的不平衡能量轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，待故障切除后此動(dòng)能又能轉(zhuǎn)換為電能柔性釋放至電網(wǎng)。3、即使在電網(wǎng)電壓驟降為0伏時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器在故障運(yùn)行模式中加入的前饋補(bǔ)償量仍能抑制直流側(cè)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)。4、在故障時(shí)維持變換器與發(fā)電機(jī)的連接，保持對(duì)輸出有功和無功功率的控制。


圖1是正常運(yùn)行情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制框圖。圖2是電網(wǎng)故障時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制框圖。圖3是當(dāng)公共連接點(diǎn)(PCC)電壓跌落為0伏并且故障持續(xù)時(shí)間為150ms時(shí)，采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)和在變換器直流側(cè)并聯(lián)卸荷電路所得到的雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效果。圖4是當(dāng)公共連接點(diǎn)(PCC)電壓跌落為0伏并且故障持續(xù)時(shí)間為150ms時(shí)，采用本發(fā)明方法所得到的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效果。圖5是當(dāng)公共連接點(diǎn)(PCC)電壓跌落至額定值的15%并且故障持續(xù)時(shí)間為625ms 時(shí)，采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)和在變換器直流側(cè)并聯(lián)卸荷電路所得到的雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效果。圖6是當(dāng)公共連接點(diǎn)(PCC)電壓跌落至額定值的15%并且故障持續(xù)時(shí)間為625ms時(shí)，采用本發(fā)明方法所得到的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效果。
具體實(shí)施例方式雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其在正常運(yùn)行情況下的控制結(jié)構(gòu)如附圖1所示。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)、三相交-直-交PWM變換器和控制器組成。風(fēng)力機(jī)通過齒輪箱與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為ωρ繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子連接電網(wǎng)，定子電壓矢量為Us (分解后可得到d_q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量Uds和Utis)，通過定子流向電網(wǎng)的有功和無功功率分別為Ps和A。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過交-直-交PWM變換器實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子電壓、電流矢量分別為uj分解后可得到d_q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量Uto 和Uff)和i J分解后可得到d_q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量、和、)，轉(zhuǎn)子回路有功功率為已。 雙饋風(fēng)電機(jī)組流向電網(wǎng)的有功和無功功率分別為&和Qg，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓為Uto三相交-直-交變換器包括兩個(gè)獨(dú)立控制的電壓型變換器轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器，兩個(gè)變換器之間并聯(lián)電容Cd。，直流側(cè)電容電壓為Udc,網(wǎng)側(cè)變換器電感電流矢量為ij分解后可得到d_q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量、和ij。控制器包括風(fēng)力機(jī)控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)控制器和網(wǎng)側(cè)控制器。風(fēng)力機(jī)控制器通過為轉(zhuǎn)子側(cè)控制器提供有功功率指令PgMf來實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制，并且在風(fēng)速或風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定值時(shí)通過調(diào)節(jié)槳距角β限制風(fēng)能的輸入。轉(zhuǎn)子側(cè)控制器和網(wǎng)側(cè)控制器主要控制發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸出的有功和無功功率。為實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功功率(電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速)和無功功率(轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流)的解耦， 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用基于定子磁鏈定向的矢量控制，即以定子磁鏈Vs的方向作為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制參考坐標(biāo)系的d軸方向。有功、無功功率控制環(huán)(外環(huán))和電流控制環(huán)(內(nèi)環(huán))均采用PI調(diào)節(jié)器。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)之間流動(dòng)的有功和無功功率的解耦，網(wǎng)側(cè)變換器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，即以電網(wǎng)電壓us的方向作為網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制參考坐標(biāo)系的d軸方向。直流側(cè)電壓、無功功率控制環(huán)(外環(huán))和電流控制環(huán)(內(nèi)環(huán)) 均采用PI調(diào)節(jié)器。在電網(wǎng)故障情況下，本發(fā)明提出的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制框圖如附圖 2所示。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障會(huì)引起發(fā)電機(jī)定子電壓跌落，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率無法完全輸出到電網(wǎng)，多余的能量使發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生過電流。因此從能量平衡的角度考慮，減小發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子過電流的方法就是減小發(fā)電機(jī)組中的不平衡能量。本發(fā)明提出的低電壓穿越控制方法，其轉(zhuǎn)子側(cè)控制器的核心思想就是在故障時(shí)控制發(fā)電機(jī)加速運(yùn)行，將發(fā)電機(jī)組中的不平衡能量轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程為式中，Hg為發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)，Tsh為風(fēng)力機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)的扭矩，Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，B為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù)。由于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用基于定子磁鏈定向的矢量控制，因此在基于定子磁鏈定向的d_q坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為
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綜合轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，可以看出減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的q軸分量‘即可減小電磁轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)電機(jī)加速運(yùn)行。本發(fā)明提出的低電壓穿越控制方法，其轉(zhuǎn)子側(cè)控制器的具體實(shí)施方案為當(dāng)檢測(cè)到雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)點(diǎn)電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和變換器直流側(cè)電壓中的任意一值達(dá)到限制值時(shí)，取消有功功率外環(huán)，將轉(zhuǎn)矩電流的參考值設(shè)定為0，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速運(yùn)行，從而將發(fā)電機(jī)中的不平衡電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的動(dòng)能。采用零極點(diǎn)配置的方法選擇PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使內(nèi)環(huán)和外環(huán)的上升時(shí)間分別小于IOms和50ms，內(nèi)、外環(huán)的超調(diào)量均小于 20%。待故障切除后，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器又切換到正常運(yùn)行情況的結(jié)構(gòu)，故障時(shí)轉(zhuǎn)換的動(dòng)能又能重新轉(zhuǎn)換為電能柔性釋放至電網(wǎng)。如果在故障過程中，轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，風(fēng)力機(jī)控制器的槳距角控制環(huán)節(jié)將立即啟動(dòng)，將轉(zhuǎn)速限制在額定值范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明提出的方法不會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)造成沖擊。直流側(cè)電容電壓的動(dòng)態(tài)方程為
權(quán)利要求
1.一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法，包括轉(zhuǎn)子側(cè)控制器和網(wǎng)側(cè)控制器的協(xié)調(diào)控制，其特征在于(1)檢測(cè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)點(diǎn)電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和交-直-交變換器的直流側(cè)電壓；(2)當(dāng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和變換器直流側(cè)電壓中的任意一個(gè)值達(dá)到限制值時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器切換到故障運(yùn)行模式；(3)當(dāng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和變換器直流側(cè)電壓中的任意一個(gè)值達(dá)到限制值時(shí)，網(wǎng)側(cè)控制器切換到故障運(yùn)行模式；(4)當(dāng)檢測(cè)到故障切除后，轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器立即切換到正常運(yùn)行模式。
2.如權(quán)利要求1所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法，其特征在于所述步驟O)中，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器在故障運(yùn)行模式時(shí)的控制方法為取消有功功率外環(huán)， 將轉(zhuǎn)矩電流的參考值設(shè)定為0，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速運(yùn)行，將由電網(wǎng)電壓驟降引起的風(fēng)電機(jī)組中的不平衡電能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，從而減小發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子回路中的過電流；待故障切除后，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器又切換到正常運(yùn)行模式，即由有功功率外環(huán)PI控制器的輸出作為轉(zhuǎn)矩電流的參考值，則故障時(shí)轉(zhuǎn)換的動(dòng)能又能轉(zhuǎn)換為電能柔性釋放至電網(wǎng)。
3.如權(quán)利要求1所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法，其特征在于所述步驟(3)中，網(wǎng)側(cè)控制器在故障運(yùn)行模式時(shí)的控制方法為在網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)電壓外環(huán)PI控制器輸出信號(hào)中加入反映轉(zhuǎn)子功率&和直流側(cè)電壓Udc波動(dòng)的前饋補(bǔ)償量pyud。，從而平衡轉(zhuǎn)子功率的瞬時(shí)波動(dòng)，減小變換器直流側(cè)的過電壓；待故障切除后，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器又切換到正常運(yùn)行模式，即直流側(cè)電壓外環(huán)PI控制器的輸出信號(hào)中不再加入前饋補(bǔ)償量pyud。。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法，包含轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的控制。其技術(shù)方案是在故障時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器通過限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的方式控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速運(yùn)行，將由電網(wǎng)電壓驟降引起的風(fēng)電機(jī)組中的不平衡能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，從而減小發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子回路中的過電流；網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)電壓控制環(huán)中加入反映轉(zhuǎn)子功率和直流電壓波動(dòng)的前饋補(bǔ)償量，從而平衡轉(zhuǎn)子功率的瞬時(shí)波動(dòng)，減小直流側(cè)的過電壓。本發(fā)明無需增加硬件裝置，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高，可有效提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力，并能在電網(wǎng)故障期間保持發(fā)電機(jī)組對(duì)輸出有功和無功功率的控制。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102522768SQ20111038909
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者楊黎暉, 許昭, 馬西奎 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)