一种风力发电机组低电压穿越控制方法

专利名称：一种风力发电机组低电压穿越控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机组低电压穿越控制方法。
技术背景风力发电在全球范围内所占比例越来越大，风力发电机对于电网的影响就不能再忽略。 截至目前，在电网扰动情况下，当电网电压减小到一定值的时候，风力机组便会自动脱网。 随着风力发电电量的急剧增加，这种方法已经不再适合于电网运行准则。为了使风力发电机 组连接在电网，电网安全运行准则要求风力机具有低电压穿越(LVRT, Low Voltage Ride-Through)功能。在风力发电占主导地位的国家，比如丹麦、德国等国相继制定了新 的电网运行准则。要求只有当电网电压跌落低于如图l所示的规定曲线以后才允许脱网。当 电压在阴影部分以上时，发电机不仅不脱网，而且还应提供无功功率来帮助恢复电网电压。 在不同国家之间有着不同的要求。丹麦要求25%以后持续100ms。 E.ON要求电网电压跌落到 15%并且持续300ms，澳大利亚要求跌落到0%持续175ms。正常运行情况下，转子变流器控制发电机的转速，而网侧变流器控制转子和电网间的功 率流动，保持两个变流器间的电容电压恒定。当电压跌落时，主磁通由于具有很大的时间常 数因此不会发生突变，而且转速由于是机械过程更不会发生快速的变化，因此电机的反电动 势不会发生变化，所以一个很大的电压差就会被施加在定子绕组的电阻和漏感之间。这会导 致定子电流出现过流现象。根据电机的磁链平衡方程可以得知转子电流也会出现过流现象。 如果达到过流保护极限值，就会引起过流保护继电器动作，从而导致风力发电机组脱网。另 外，转子侧变流器的保护动作会使发电机的电磁转矩减小，导致发电机转速增加，由于转子 加速度增加会产生附加转矩。如果达到转速保护极限值，风力发电机组将会脱网、停车。同 时若由于电网电压的跌落导致风电场解列，会使风电系统缺失更大一部分有功和无功，导致 系统故障的进一步加剧，因此必须在限制转子侧的电流的同时，要及时灵活的向电网馈送一 部分无功功率，抑制电网电压的进一步跌落，使风力发电机能够不脱网，保持连续运行。目前主要的无功补偿装置有电容器，电抗器等，但是这些装置不能分时分段地馈送无功 到电网，不能满足电网电压随时变化的要求。STATC0M作为一种新型的装置或者运行方式， 是属于灵活交流输电的范畴，能够通过及的注入或者吸收无功功率来改变终端电压，保证系 统的稳定性，本发明就是通过使网侧变流器运行在该模式下，使机组具有良好的低电压穿越 特性。发明内容本发明的目的是克服现有技术在电压跌落时易导致风力发电机组脱网的缺点，电压跌 落时，本发明的控制方法可使网侧变流器运行在静止无功补偿，即STATC0M模式，该模式能 够及时的检测跌落深度，得到相应的无功功率和有功功率回馈到电网中，防止电网电压进一 步跌落。本发明在故障期间仍能将发电机与电网继续保持连接，使风力发电机组具有良好的 低电压穿越特性。本发明采用的技术方案是:在原有电压外环和电流内环控制策略的基础上，加入STATC0M 模式的控制方法，使网侧变流器运行在STATCOM模式。在不改变系统原有的背靠背结构的情 况下，仅对网侧变流器的控制方法进行了改进和优化，即检测电压跌落的情况，经过PI调 节器，发出相应的无功电流，并且在容量允许的范围内，发出需要补偿的有功电流，分别作 为电流内环控制参考值和电压外环控制参考值，即可以灵活地补偿出相应的无功功率和有功 功率，解决了电压跌落下风力发电机组容易脱网的问题。变速恒频风力发电系统功率回路主要由风力发电机组、发电机、发电机侧变流器、直流 侧电容、电网侧变流器、电网侧滤波电感等构成。由风电机组拖动风力发电机，把捕获的风 能转化为电能，通过发电机侧变流器转化为直流电，直流侧电容作为能量缓冲环节，稳定直 流侧电压，由电网侧变流器把直流电逆变为交流电，通过滤波电感并入电网。发电机侧变流 器通过调节发电机定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的转矩和定子的无功功率(通常无 功设定值为0)，电网侧变流器通过调节网侧的d轴和q轴电流，控制直流侧电压和流向电网 的无功功率，实现输出有功和无功的解耦控制，输出通常为单位功率因数。正常运行情况下，网侧变流器控制策略中无功参考电流无法得到精确的设定值，不能很 好的调节无功功率。当电压在允许的范围内变化时，无功参考电流为O,能够满足要求；但 是当电压跌落时，变速恒频风力发电系统需要无功补偿来进行电压支撑，此时无功再设定为 0便不能满足要求了，否则会对变流器产生危害，此时就要求根据电压跌落的深度来产生相 对应的无功电流设定值，要求一种灵活的方式来控制，而此时STATCOM运行模式就能很好的 满足要求，该模式没有改变系统的结构，仅是在对网侧变流器的控制策略上进行了改进，就 能满足系统对无功的灵活要求，实现真正意义上的灵活控制。本发明的控制方法就是随时检测电网电压"s的变化情况，将电网电压、与电网电压参考值"^比较，将二者的差值A"经过PI调解器后得到参考无功电流z'^/作为电流内环控制的参 考值，相比之前的电流内环控制参考值始终设定为O或者某一固定数值，该方法可以得到变 化的无功电流参考值，即能柔性的向电网电压发送无功功率，满足了不同场合的要求；本发明的控制方法中还包括对有功电流的控制，以补偿电路中的有功损耗，功率器件由本身的容 量限制，不可能无限制的发出无功或者有功功率，在优先发出相应无功功率的基础上，通过/<^2 = >//二 -々re/计算此时有功功率裕量，将/^"与电压夕卜环控制环节中的实际测量值/,^比较，选择较小值作为最终的有功电流参考值，通过该控制环节就可以以最小有功电流值来 满足直流测电压稳定的要求。通过在已有的电压外环和电流内环控制的基础上增加电流内环 的参考无功电流的计算环节和电压外环的有功电流比较计算选择环节，优化了控制策略。运行在STATCOM模式下的风力发电机组具有低电压穿越特性，在电网电压瞬间跌落情况下， 能够根据需要灵活的馈送相应无功功率，也可以相应的调节有功功率，可以使风力发电机组 达到与火力发电机组相类似的传输可靠性标准，具有自我调节能力。


图la直驱型风力发电系统组成示意图； 图lb双馈型风力发电系统组成示意图； 图2本发明控制原理框图；图3网侧变流器运行在正常模式下的控制策略框图；图4网侧变流器运行在STATC0M模式下的控制策略框图。
具体实施方式
以下结合图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。图la是直接驱动型风力发电系统示意图，其中风力机拖动通过背靠背变流器与电网连 接。图lb是双馈式风力发电示意图，风力机经过齿轮箱与发电机连接，发电机的定子直接 与电网电压经降压后的低压端连接，发电机的转子与背靠背变流器的机侧变流器连接，背靠 背变流器中的网侧变流器直接与电网电压经降压后的另一低压端子连接，其中机侧变流器和 网侧变流器串联组成背靠背变流器。图2是STATC0M运行模式的原理图。将电网的参考电压"^与实际电压、作差，送入PI调节器，得到灵活变化的无功电流^^，这是本发明的基础。图3是网侧变流器正常运行的控制策略框图。网侧变流器正常运行采用的是双闭环控制方法，由电压外环和电流内环两个控制环构成的。外环是通过电网的参考电压"^与实际电压""乍差，送入PI调节器，得到灵活变化的无功电流《^。而内环是一般设定电流内环控制的参考〈=0,或者根据需要设定某一固定值，同时将电网电压或者电流经dq变换得到d轴电压&，q轴电压、和d轴龟流；，q轴电流/,，将有功电流参考值/:和无功电流参考值〈分别 与经电网电流变化后的b,z;作差，经过PI调节器后分别得到新的d轴电压和q轴电压《,v;， 然后将《与d轴电流/rf和固定电抗值的乘积作差得到新的 ，将《与电网电压变换得到 的v,与^v/之和作差，得到最新的&，然后再经过"/ 和2/3变换，得到调制信号控制网侧 变流器。图4为网侧变流器运行在本发明方法下的控制框图。本发明的控制方法改善了网侧变流器电 压外环有功电流参考设定值和电流内环无功电流参考设定值，即随着电网电压的变化能够及时灵活的变化。具体为将检测得到的实际的电网电压、与设定的电网电压参考值"^作差，得到的电压差经过PI调节器后得到的参考无功电流〈^;得到无功参考电流后，依据约束关系式d《，来计算得出网侧变流器有功电流的最大补偿量值《w， z皿为网侧变流器最大允许电流值。同时在电压外环控制中，将设定的电容电压参考值与通过DSP AD通 道测量到的实际值作差，经过PI调节也得到有功电流参考值il"，然后比较4^和4^2的大小,选择较小值作为无功电流补偿设定值《< 。将有功电流参考值i〗re/和无功电流参考值《< 分别与经电网电流变化后的^々作差，经过PI调节器后分别得到新的d轴电压和q轴电压 《'《，然后将^与d轴电流^和固定电抗值的乘积G^作差得到新的、，将《与电网电压变换得到的&与^^之和作差，得到最新的^，然后再经过""和2/3变换，得到调制信号 控制网侧变流器。这样，当电网电压再降低时，通过上述控制方法后，有功功率和无功功率 就随之改变，有功功率控制稳定了直流测的电压，而无功功率则把相应的无功功率回馈到电 网中去，抑制了电网电压的进一步跌落，这样电网电压不再跌落，发电机定，转子就不会产 生过流现象，从而保证了发电机的不脱网运行使风力发电机组具有了低电压穿越能力。
权利要求
1. 一种风力发电机组低电压穿越的响应控制方法，其特征在于随时检测电网电压us的变化情况，将电网电压us与电网电压参考值uref比较，得到的差值Δu通过PI调节器得到无功电流iqref*和有功电流idref*；将无功电流iqref*作为电流内环控制的参考值，配合电压外环和电流内环控制策略，控制网侧变流器，抑制电网电压跌落；有功电流idref*补偿电路中的有功损耗。
2. 按照权利要求1所述的风力发电机组低电压穿越的响应控制方法，其特征在于，将检 测得到的实际的电网电压、与设定的电网电压参考值"^作差，得到的电压差经过PI调节器 后得到的参考无功电流《^;得到无功参考电流后，依据约束关系式!1/2 =-。，计算得出网侧变流器有功电流的最大补偿量值^;， i,为网侧变流器最大允许电流值；同时在电压外环控制中，将设定的电容电压参考值与通过DSP AD通道测量到的实际值作差，经过PI 调节也得到有功电流参考值C^;然后比较4^和/1,2的大小，选择较小值作为无功电流补偿设定值二/;将有功电流参考值!;^和无功电流参考值《^分别与经电网电流变化后的^々作差，经过PI调节器后分别得到新的d轴电压和q轴电压&' ，然后将^与d轴电流^和固定电抗值的乘积^^作差得到新的、，将《与电网电压变换得到的 与々^之和作差，得 到最新的^，然后再经过""和2/3变换，得到调制信号控制网侧变流器。
全文摘要
一种风力发电机组低电压穿越的响应控制方法，其特征在于随时检测电网电压u_s的变化情况，将电网电压u_s与电网电压参考值u_ref比较，得到的差值Δu通过PI调节器得到无功电流i_qref^*和有功电流i_dref^*；将无功电流i_qref^*作为电流内环控制的参考值，配合电压外环和电流内环控制策略，控制网侧变流器，抑制电网电压跌落；有功电流i_dref^*补偿电路中的有功损耗。在电网电压瞬间跌落情况下，本发明能够根据需要灵活的馈送相应无功功率，也可以相应的调节有功功率，可以使风力发电机组达到与火力发电机组相类似的传输可靠性标准，具有自我调节能力。
文档编号H02J3/16GK101272055SQ20081010604
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月7日 优先权日2008年5月7日
发明者孔德国, 李建林, 许洪华, 斌 赵 申请人:中国科学院电工研究所