直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，其包括如下步驟：(1)通過永磁直驅(qū)風電機組機側(cè)變流器改變發(fā)電機負載轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)最大風能利用；(2)配合直流側(cè)卸荷電路的條件下，在深度電網(wǎng)故障時，通過網(wǎng)側(cè)變流器運行于無功優(yōu)先輸出模式的控制策略與網(wǎng)側(cè)增加的無功補償電路結(jié)合，實現(xiàn)快速平滑調(diào)節(jié)電網(wǎng)；(3)發(fā)電機側(cè)變流器采用零d軸電流控制策略，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速；(4)網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，采用雙環(huán)控制，外環(huán)為直流側(cè)電壓環(huán)，電網(wǎng)正常條件下可以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，實現(xiàn)輸出有功功率和無功功率的解耦控制。
【專利說明】直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，尤其涉及一種直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越無功補償器的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)全球風能協(xié)會統(tǒng)計報告，2010年底，全球風電總裝機容量達194390兆瓦，發(fā)電量超過4099億千瓦時，占世界電力總發(fā)電量的1.92%,風電對于滿足電力需求越來越重要。目前我國已經(jīng)處于風電發(fā)展的黃金時期。按照我國“十二五”規(guī)劃，預(yù)計2015年底，風電新增裝機總量將達到90000兆瓦。在二十世紀八十年代興起的新能源技術(shù)革命中，并網(wǎng)運行的風力發(fā)電技術(shù)引起了世界各國的高度重視，并迅速實現(xiàn)了商品化，產(chǎn)業(yè)化。特別是隨著計算機與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展極為迅速，其單機容量從最初的數(shù)十千瓦級發(fā)展到最近進入市場的兆瓦級機組；控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展，預(yù)計在最近五年內(nèi)將推出智能型風力發(fā)電機組；運行可靠性由二十世紀八十年代初的50%提高到98%以上，并且在風電場運行的風力發(fā)電機組全部可以實現(xiàn)集中控制和遠程控制。
[0003]但是，廣泛采用的雙饋型風電機組也有許多自身缺點，首先就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪箱，它的造價成本很高，容易出故障并且維護工作量較大，這樣就不利于能量轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)的運行可靠性也很難提高；其次，雙饋電機中的滑環(huán)和碳刷必須定期檢修，后期維護工作量大，也從很大程度上降低了機組的可靠性。從中長期來看，直驅(qū)型傳動系統(tǒng)將逐步在大型風電機組中占有更大比例，另外在傳動系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計和緊湊型結(jié)構(gòu)是未來大型風電機組的發(fā)展趨勢。在大功率變流技術(shù)和高性能永磁材料日益發(fā)展完善的背景下，大型風電機組越來越多地采用直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機，其不從電網(wǎng)吸收無功功率，無需勵磁繞組和直流電源，也不需要滑環(huán)碳刷，結(jié)構(gòu)簡單且技術(shù)可靠性高，對電網(wǎng)運行影響小。全功率變流器更容易實現(xiàn)低電壓穿越等功能。
[0004]為保證電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性，在短暫的故障時間內(nèi)，風力發(fā)電不能停機，并且要為電網(wǎng)必要的過渡支撐能力，即低電壓穿越能力。網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，例如三相接地造成瞬時低電壓時，不可避免的受到過電流的沖擊，雖能采用低電壓穿越措施進行防范，但也會直接影響機組運行和電網(wǎng)迅速恢復(fù)要求。我國2011風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定風電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內(nèi)的風電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標稱電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。風電場的無功電源包括風電機組及風電場無功補償裝置。如圖1所示，風電場安裝的風電機組應(yīng)滿足功率因數(shù)在超前0.95?滯后0.95的范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)。所以深度電網(wǎng)故障時的低電壓控制策略顯得尤為重要。
[0005]背靠背雙PWM變流器的直驅(qū)式風電系統(tǒng)主要包括風力機、永磁同步發(fā)電機、發(fā)電機側(cè)變流器，網(wǎng)側(cè)變流器，直流側(cè)電容，直流側(cè)卸荷電路等。風力機通過軸系與永磁同步發(fā)電機直接耦合，永磁同步發(fā)電機通過全功率變流器與電網(wǎng)相連。當電網(wǎng)電壓跌落時，變流器將增加電流以便提供同樣大小的功率給電網(wǎng)，但是由于變流器的熱容量有限，因此必須對電流進行限制；此時直流側(cè)電容的輸入和輸出功率發(fā)生了不平衡，輸入功率大于輸出功率，此時如果直流側(cè)不采取措施，并且不限制輸入功率，則直流側(cè)電壓必將升高，若不限制則可能燒壞變流器。如圖2所示，直流側(cè)要采取措施限制其電壓的升高，法一:采用直流側(cè)加卸荷單元的方法，這種方法會造成直流側(cè)電壓波動較大，影響直流側(cè)電容的使用壽命。法二:在定子側(cè)增加電阻保護電路，減少輸入功率。法三:在網(wǎng)側(cè)增加無功補償電路，為電網(wǎng)提供一定的無功功率支持。
[0006]法一:采用直流側(cè)加卸荷單元的方法。在直流側(cè)增加卸荷電路是一種常見的方法，卸荷電路通常由功率器件和卸荷電阻構(gòu)成，通過控制功率器件投入和切出卸荷電路，調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓。美國專利第US6819535號采用直流側(cè)電壓作為判斷條件，當直流側(cè)電壓超出設(shè)定的上限電壓時，投入卸荷電阻，當直流側(cè)電壓低于設(shè)定的下限電壓時，切出卸荷電阻。這種方法僅以直流側(cè)電壓作為判斷條件，與網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)電壓環(huán)較難配合。
[0007]卸荷電路控制器的第二種方法:采集輸入有功功率、輸出有功功率，以輸入和輸出有功功率的偏差作為主要判斷條件，通過判斷輸入和輸出有功功率的偏差，確定卸荷電路是否需要投入運行?？梢圆杉涣鱾?cè)電壓、電流獲取輸入和輸出的有功功率，也可以通過采集直流側(cè)電壓、電流獲取輸入和輸出有功功率。根據(jù)輸入輸出有功功率的偏差，通過PI調(diào)節(jié)器確定功率器件的導(dǎo)通占空比。卸荷電路同時采用直流側(cè)電壓作為輔助判斷條件，當根據(jù)功率偏差對卸荷電路的控制不夠快或者直流側(cè)電壓上升幅度較大時，由直流側(cè)電壓作為條件對卸荷電路進行控制。這種方法，采用功率差作為判斷條件，可以與網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)電壓配合，但反應(yīng)慢，調(diào)節(jié)有波動。
[0008]鑒于上述缺陷，實有必要設(shè)計一種改進的直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越無功補償器。
[0009]當電網(wǎng)電壓跌落時，電網(wǎng)電壓外環(huán)開始工作，網(wǎng)側(cè)變流器STATC0M運行模式控制策略是在原有控制的基礎(chǔ)上，對有功電流和無功電流的參考值重新分配來實現(xiàn)的。
[0010]另一現(xiàn)有技術(shù)請參考2012年11月07日公開的中國專利申請第CN102769306A號，其公開了一種永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)逆變器低電壓穿越控制方法。永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)逆變器低電壓穿越控制方法包括功率檢測器a、功率檢測器b、功率變化檢測器和控制電路，功率變化檢測器用于接收功率檢測器a和b的輸出信號，以記錄功率變化，功率變化檢測器中有一個比較器，用于比較風電機輸出功率和網(wǎng)側(cè)逆變器輸出功率，產(chǎn)生實際功率差信號△ P，將此信號△ P輸入到控制電路的外環(huán)控制器中；控制電路實現(xiàn)電流解耦，并產(chǎn)生PWM控制信號，驅(qū)動逆變器。這種技術(shù)缺陷如下:1、網(wǎng)側(cè)變流器STATC0M運行模式，其中電流解耦后的無功電流的參考值通過不斷的測量功率差送入電網(wǎng)電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器，控制電路實現(xiàn)電流解耦，并產(chǎn)生PWM控制信號，驅(qū)動逆變器；反應(yīng)較慢。2、沒有新型無功補償器有級平滑的調(diào)節(jié)技術(shù)，調(diào)節(jié)功率有波動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于:提供一種使用功率外環(huán)的控制方法保證電壓跌落并網(wǎng)期間系統(tǒng)的穩(wěn)定和無功能夠跟隨電網(wǎng)跌落深度進行補償，同時對網(wǎng)側(cè)變流器過流進行限制，保證網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)定工作。[0012]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0013]一種直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，其特征在于，包括如下步驟:(I)通過永磁直驅(qū)風電機組機側(cè)變流器改變發(fā)電機負載轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)最大風能利用；(2)配合直流側(cè)卸荷電路的條件下，在深度電網(wǎng)故障時，通過網(wǎng)側(cè)變流器運行于無功優(yōu)先輸出模式的控制策略與網(wǎng)側(cè)增加的無功補償電路結(jié)合，實現(xiàn)快速平滑調(diào)節(jié)電網(wǎng)；(3)發(fā)電機側(cè)變流器采用零d軸電流控制策略，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速；(4)網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，采用雙環(huán)控制，外環(huán)為直流側(cè)電壓環(huán)，電網(wǎng)正常條件下可以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，實現(xiàn)輸出有功功率和無功功率的解耦控制。
[0014]采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:1.由于根據(jù)國家2011年對風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的電壓，無功功率的規(guī)定，無功電流的參考值是根據(jù)函數(shù)程序事先計算出來的。采用網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先輸出控制策略，快速提供無功電流參考值，快速反應(yīng)補償無功，提高低電壓穿越能力。2、采用新型無功補償電路，與網(wǎng)側(cè)變流器直流側(cè)電流外環(huán)有效配合，實現(xiàn)有級平滑的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率。3、對于任意大容量的系統(tǒng)，可以事先計算出如何配置軟件和硬件設(shè)施，能夠?qū)译娋W(wǎng)系統(tǒng)設(shè)施的配置實現(xiàn)統(tǒng)一有序的統(tǒng)計和配置。
[0015]本發(fā)明進一步的改進如下:
[0016]進一步地，當電網(wǎng)電壓正常時，電網(wǎng)電壓外環(huán)輸出為零，網(wǎng)側(cè)變流器無功電流給定為零，運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，只向電網(wǎng)輸送有功功率。
[0017]進一步地，當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，電網(wǎng)電壓正常運行時，網(wǎng)側(cè)保持有功電流最大，無功電流為零。
[0018]進一步地，當電網(wǎng)電壓跌落到0.9以下時，事先計算出需要需要補償?shù)臒o功電流，采用網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先輸出控制策略，快速提供無功電流參考值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是現(xiàn)有技術(shù)我國風電機組低電壓穿越要求示意圖。
[0020]圖2是現(xiàn)有技術(shù)直驅(qū)式風電系統(tǒng)示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖。
[0022]圖4是本發(fā)明STATC0M示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0024]一種直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，其包括如下步驟:(I)通過永磁直驅(qū)風電機組機側(cè)變流器改變發(fā)電機負載轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)最大風能利用；(2)配合直流側(cè)卸荷電路的條件下，在深度電網(wǎng)故障時，通過網(wǎng)側(cè)變流器運行于無功優(yōu)先輸出模式的控制策略與網(wǎng)側(cè)增加的無功補償電路結(jié)合，實現(xiàn)快速平滑調(diào)節(jié)電網(wǎng)；(3)發(fā)電機側(cè)變流器采用零d軸電流控制策略，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速；(4)網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，采用雙環(huán)控制，外環(huán)為直流側(cè)電壓環(huán)，電網(wǎng)正常條件下可以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，實現(xiàn)輸出有功功率和無功功率的解耦控制。
[0025]當電網(wǎng)電壓正常時，電網(wǎng)電壓外環(huán)輸出為零，網(wǎng)側(cè)變流器無功電流給定為零，運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，只向電網(wǎng)輸送有功功率。當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，電網(wǎng)電壓正常運行時，網(wǎng)側(cè)保持有功電流最大，無功電流為零。當電網(wǎng)電壓跌落到0.9以下時，根據(jù)國家2011年對風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的電壓，無功功率的規(guī)定，只需知道電壓跌落的值，事先計算出需要補償?shù)臒o功電流，采用網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先輸出控制策略，快速提供無功電流參考值，不需要測量輸入輸出功率差來計算得出需要補償?shù)臒o功電流參考值。根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落程度和公式iq^ 1.5*(0.9-1)、可得出無功電流的參考指令值，網(wǎng)側(cè)變流器迅速向電網(wǎng)發(fā)出無功，支撐電網(wǎng)電壓，增強了低電壓穿越性能，電網(wǎng)電壓外環(huán)開始工作，通過對有功參考電流進行限制。式中:iq為網(wǎng)側(cè)無功電流指令；US為電網(wǎng)電壓幅值，iN為網(wǎng)側(cè)電流額定值。
[0026]網(wǎng)側(cè)變流器對應(yīng)的有功電流限幅值為Idmax，Il為直流電壓環(huán)經(jīng)過PI的值，有功
電流環(huán)和無功電流環(huán)的fcn函數(shù)程序如下:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)通過永磁直驅(qū)風電機組機側(cè)變流器改變發(fā)電機負載轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)最大風能利用； (2)配合直流側(cè)卸荷電路的條件下，在深度電網(wǎng)故障時，通過網(wǎng)側(cè)變流器運行于無功優(yōu)先輸出模式的控制策略與網(wǎng)側(cè)增加的無功補償電路結(jié)合，實現(xiàn)快速平滑調(diào)節(jié)電網(wǎng)； (3)發(fā)電機側(cè)變流器采用零d軸電流控制策略，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速； (4)網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，采用雙環(huán)控制，外環(huán)為直流側(cè)電壓環(huán)，電網(wǎng)正常條件下可以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，實現(xiàn)輸出有功功率和無功功率的解率禹控制。
2.如權(quán)利要求1所述的直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，其特征在于:當電網(wǎng)電壓正常時，電網(wǎng)電壓外環(huán)輸出為零，網(wǎng)側(cè)變流器無功電流給定為零，運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，只向電網(wǎng)輸送有功功率。
3.如權(quán)利要求1所述的直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，其特征在于:當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，電網(wǎng)電壓正常運行時，網(wǎng)側(cè)保持有功電流最大，無功電流為零。
4.如權(quán)利要求3所述的直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越的控制方法，其特征在于:當電網(wǎng)電壓跌落到0.9以下時，事先計算出需要需要補償?shù)臒o功電流，采用網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先輸出控制策略，快速提供無功電流參考值。
【文檔編號】H02J3/38GK103795081SQ201410044081
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】韓如成, 盧沁雄, 潘峰, 智澤英, 左龍 申請人:太原科技大學(xué)