风力发电机组的逆变器控制方法和装置与流程

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组的逆变器控制方法和装置。

背景技术：

在风力发电机组的运行过程中，当电网由于扰动或故障，电网电压值瞬间跌落至1p.u(perunit，标幺值)以下时，风力发电机组的控制系统可通过调整控制策略实现在电网电压故障期间的不间断并网运行。其中，风力发电机组的变流器执行主要的低电压穿越控制。现有的低电压穿越控制策略中，在电网故障消除时，电网处于低电压穿越恢复状态，一般对变流器的有功功率不进行限制，控制变流器满功率运行。

但是，此时的电网电压相位角和频率仍会大幅变化，网侧逆变器可能会由于工作功率过大出现不稳定工作状态，严重时可能从逆变功率状态变为吸收功率状态。而且，机侧整流器也会想直流母线注入有功功率，从而导致直流母线吸收过多的有功功率，在制动单元由于过载而无法泄放直流母线上过多的能量时，将造成直流母线电压超过最大工作电压，导致器件失效，增加风力发电机组的维护成本，而且还可能导致低电压穿越失效。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种风力发电机组的逆变器控制方法和装置，以解决现有技术中低电压穿越恢复时网侧逆变器易从电网吸收有功功率，导致的直流母线过压问题。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种风力发电机组的逆变器控制方法，包括：如果检测到电网电压小于第一电压阈值，则确定风力发电机组的网侧逆变器进入低电压穿越状态；如果所述网侧逆变器已处于所述低电压穿越状态，并且检测到电网电压增大至大于第二电压阈值，则控制所述网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，其中，所述第二电压阈值大于所述第一电压阈值。

可选地，所述控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，包括：控制网侧逆变器的有功电流限值和无功电流限值逐渐增大；和/或，控制网侧逆变器的有功功率限值和无功功率限值逐渐增大。

可选地，所述控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，包括：控制网侧逆变器的工作电流限值随时间线性增大。

可选地，所述逆变器控制方法还包括：在所述网侧逆变器的工作电流限值增大至网侧逆变器的最大工作电流时，将所述最大工作电流设定为所述网侧逆变器的工作电流限值。

可选地，在所述如果检测到电网电压小于第一电压阈值之后，还包括：控制网侧逆变器从执行有功电流优先控制切换为执行无功电流优先控制。

可选地，所述逆变器控制方法还包括：在检测到电网电压增大至大于第二电压阈值时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制；或者，在所述网侧逆变器的工作电流限值增大至网侧逆变器的最大工作电流时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制。

可选地，所述逆变器控制方法还包括：在检测到直流母线电压大于预设泄放电压阈值时，控制所述风力发电机组的制动单元泄放直流母线能量。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例还提供一种风力发电机组的逆变器控制装置，包括：检测模块，用于如果检测到电网电压小于第一电压阈值，则确定风力发电机组的网侧逆变器进入低电压穿越状态；第一控制模块，用于如果所述网侧逆变器已处于所述低电压穿越状态，并且检测到电网电压增大至大于第二电压阈值，则控制所述网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，其中，所述第二电压阈值大于所述第一电压阈值。

可选地，所述第一控制模块用于控制网侧逆变器的有功电流限值和无功电流限值逐渐增大；和/或，控制网侧逆变器的有功功率限值和无功功率限值逐渐增大。

可选地，所述第一控制模块用于：控制网侧逆变器的工作电流限值随时间线性增大。

可选地，所述第一控制模块还用于：在所述网侧逆变器的工作电流限值增大至网侧逆变器的最大工作电流时，将所述最大工作电流设定为所述网侧逆变器的工作电流限值。

可选地，所述逆变器控制装置还包括：第二控制模块，用于如果检测到电网电压小于第一电压阈值，则控制网侧逆变器从执行有功电流优先控制切换为执行无功电流优先控制。

可选地，所述逆变器控制装置还包括：第三控制模块，用于在检测到电网电压增大至大于第二电压阈值时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制；或者，用于在所述网侧逆变器的工作电流限值增大至网侧逆变器的最大工作电流时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制。

可选地，所述逆变器控制装置还包括：第四控制模块，用于在检测到直流母线电压大于预设泄放电压阈值时，控制所述风力发电机组的制动单元泄放直流母线能量。

根据本实施例的风力发电机组的逆变器控制方案，通过检测电网电压是否过小来确定风力发电机组的网侧逆变器是否进入低电压穿越状态，并在低电压穿越状态持续检测电网电压，在电网电压增大至正常状态时，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，以达到限制网侧逆变器的功率值的目的，从而解决了因网侧逆变器从电网吸收电网功率造成的直流母线过压的问题，进而避免了器件失效的问题，降低了风力发电机组的维护成本。

附图说明

图1为本发明的实施例一的风力发电机组的逆变器控制方法的流程图；

图2为本发明的实施例二的风力发电机组的逆变器控制方法的流程图；

图3为本发明的实施例二的风力发电机组的逆变器控制方法提供的电网电压跌落曲线和电流限值控制曲线；

图4为本发明的实施例三的风力发电机组的逆变器控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图(若干附图中相同的标号表示相同的元素)对本发明实施例的风力发电机组的逆变器控制方法、装置和装置进行详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

图1为本发明的实施例一的风力发电机组的逆变器控制方法的流程图。

如图1所示，本实施例的风力发电机组的逆变器控制方法包括：

s110，如果检测到电网电压小于第一电压阈值，则确定风力发电机组的网侧逆变器进入低电压穿越状态。

其中，第一电压阈值用于判断电网电压是否跌落至电网电压信号波动较大且易发生畸变的较低区域，在电网电压小于第一电压阈值时，可以确定电网发生故障。第一电压阈值的取值范围可以为0～1p.u。第一电压阈值可以根据实际的低电压穿越控制的经验值来确定，也可以结合仿真计算得到实验数据来确定。例如，第一电压阈值可以为0.88p.u。

在风力发电机组的运行过程中，可通过在并网点设置电压检测设备(例如，电压传感器)，来周期性地检测风力发电机组的并网电压信号，并通过电压处理设备来处理电网电压。在检测到电网电压小于第一电压阈值时，确定电网发生故障，进而确定风力发电机组的网侧变流器进入低电压穿越状态。为保证风力发电机组不脱网运行，对风力发电机组执行低电压穿越控制，包括将网侧逆变器所执行的正常工作状态下的有功电流优先控制，切换为低电压穿越状态下的无功电流优先控制。

s120，如果网侧逆变器已处于低电压穿越状态，并且检测到电网电压增大至大于第二电压阈值，则控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大。

其中，第二电压阈值大于第一电压阈值。第二电压阈值用于判断电网电压是否增长至电网电压信号波动较小且不会发生畸变的正常区间。第二电压阈值大于第一电压阈值，且第一电压阈值的取值范围可以为0～1p.u。例如，第一电压阈值可以为0.88p.u，第二电压阈值可以为0.92p.u。

在网侧逆变器处于低电压穿越状态时，持续检测电网电压值是否从小于第一电压阈值，增大至大于第二电压阈值。在检测到电网电压增大至大于第二电压阈值时，低电压穿越处于恢复状态，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大。其中，工作电流限值为网侧逆变器当前的工作电流的上限值，可用于对网侧逆变器的工作电流做限幅处理，也即，利用逐渐增大的工作电流限值，对网侧逆变器的工作电流做限幅处理。例如，通过实时向网侧逆变器发送携带工作电流限值的给定值的指令，来控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大。

在控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大的过程中，即使网侧逆变器从电网侧吸收有功功率，网侧逆变器的功率值仍处于可控状态，使得直流母线吸收的功率也有限，不易超过直流母线的最大工作电压，从而在根本上避免了由网侧逆变器吸收大量有功功率导致的直流母线过压问题，也进一步提高了低电压穿越的成功率，保证电网的稳定性。

一种可选的实施方式中，从检测到电网电压增大至第二电压阈值对应的时刻开始计时，设置网侧逆变器在该时刻对应的工作电流限值为零，并控制网侧逆变器的工作电流限值随时间逐渐增大。

根据本实施例的风力发电机组的逆变器控制方法，通过检测电网电压是否过小来确定风力发电机组的网侧逆变器是否进入低电压穿越状态，并在低电压穿越状态持续检测电网电压，在电网电压增大至正常状态时，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，以达到限制网侧逆变器的功率值的目的，从而解决了因网侧逆变器从电网吸收功率造成的直流母线过压的问题，进而避免了器件失效的问题，降低了风力发电机组的维护成本。

上述本实施例的风力发电机组的逆变器控制方法，可以由风力发电机组的变流器控制器，以及网侧逆变器控制器等控制设备来执行。但本领域技术人员应当明了，在实际应用中，任意具有相应的数据采集和处理功能的其他设备，均可以参考本实施例执行本发明的风力发电机组的逆变器控制方法。

实施例二

图2为本发明的实施例二的风力发电机组的逆变器控制方法的流程图，该方法可视为上述实施例一的风力发电机组的逆变器控制方法的一种可选实施方式。

本实施例的来风力发电机组的逆变器控制方法的执行主体，可以为任意具有相应的数据采集和处理功能的设备。包括风力发电机组的变流器控制器、网侧逆变器控制器，以及独立于变流器控制器和网侧逆变器控制器的控制器，但不限于此。

如图2所示，本实施例的风力发电机组的逆变器控制方法包括：

s210，判断电网电压是否小于第一电压阈值。

其中，第一电压阈值用于判断电网是否发生故障，在电网电压小于第一电压阈值时，可以确定电网发生故障导致电网电压跌落至较低区域。

在风力发电机组的运行过程中，可以通过在并网点设置电压传感器来检测电网电压，并判断检测到的电网电压是否跌落至第一电压阈值。若检测到的电网电压大于第一电压阈值，则确定电网电压未跌落至较低区域，风力发电机组仍处于正常运行状态，此时，执行步骤s260，控制网侧逆变器继续正常运行。若检测到的电网电压小于(或者等于)第一电压阈值，则确定电网电压跌落至较低区域，此时，执行步骤s220，以保证风力发电机组不脱网运行。

s220，确定网侧逆变器进入低电压穿越状态，控制网侧逆变器执行无功电流优先控制。

本实施例中，在风力发电机组的正常运行过程中，网侧逆变器执行有功电流优先控制，以增加风力发电机组的并网功率。在检测到电网电压跌落至小于第一电压阈值时，确定风力发电机机组的网侧逆变器进入低电压穿越状态，并控制网侧逆变器执行无功电流优先控制。

一种可选的实施方式中，在检测到电网电压值小于第一电压阈值时，取消外部无功给定(例如，对远程控制器的无功给定)，计算此时的无功电流给定值，控制网侧逆变器从执行有功电流有限控制切换为执行无功电流优先控制。具体地，首先，通过风力发电机组中的无功电流控制器，根据故障穿越时无功电流规则计算无功电流给定值iq_ref，并判断无功电流给定值iq_ref是否大于最大电流限值imax1。如果iq_ref大于imax1，则将iq_ref修改为imax1。如果iq_ref小于或等于imax1，则不修改iq_ref。然后，通过风力发电机组中的直流母线外环控制器(pi调节器)，获取有功电流给定值id_ref，并判断有功电流给定值id_ref是否满足如果满足，则不修改id_ref；如果不满足，则将id_ref修改为最后，将确定的iq_ref和id_ref用于网侧逆变器控制算法，生成用于控制网侧逆变器的igbt的门极开关信号。其中，imax1为网侧逆变器的最大电流限值，用于对网侧逆变器的工作电流进行限幅处理。imax1小于或等于网侧逆变器的最大工作电流imax(在这里说明，最大工作电流imax可以为网侧逆变器所能承受的最大可持续工作电流，和/或，网侧逆变器所能承受的最大短时可持续工作电流，且

s230，判断电网电压是否大于第二电压阈值。

如图3所示，在0～t1时段，网侧逆变器处于正常工作状态；在t1～t2时段，网侧逆变器处于低电压穿越状态，电网电压会先持续减小，然后持续增加。通过判断检测到的电网电压是否从小于第一电压阈值增加至大于第二电压阈值，可以确定低电压穿越状态是否恢复。在t2～t3时段，电网电压增加至大于第二电压阈值，电网电压恢复至波动较小的正常区域，网侧逆变器处于低电压穿越恢复状态。在检测到电网电压大于第二电压阈值的t2时刻，执行步骤s240。若电网电压未增加至第二电压阈值，则确定网侧逆变器仍处于低电压穿越状态，并继续执行步骤s220。

s240，控制网侧逆变器的工作电流限值随时间线性增大，并在检测到直流母线电压大于预设泄放电压阈值时，控制风力发电机组的制动单元泄放直流母线能量。

在检测到电网电压大于第二电压阈值时，确定网侧逆变器处于低电压穿越恢复状态，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，以通过限制网侧逆变器的工作电流增加过快的方式，来限制网侧逆变器的功率值，从而防止直流母线出现过压问题。优选地，控制网侧逆变器的工作电流限值随时间线性增大。当然，在其他实施例中，还可以控制网侧逆变器的工作电流限制按照时间的非线性函数，或者阶段性性函数等其他形式逐渐增大。

如图3所示，在网侧逆变器正常工作的0～t1时段，可以控制网侧逆变器的工作电流限值为最大工作电流imax；在网侧逆变器处于低电压穿越状态的t1～t2时段，可以通过上无功电流优先控制的方式，控制网侧逆变器的工作电流限值为最大电流限值imax1；在网侧逆变器处于低电压穿越恢复状态的t2～t3时段，可以按照公式：imax2＝k*t，来控制网侧逆变器的工作电流限值随时间线性增大。其中，时间t从t2时刻开始计时，k为斜率。

此外，在实际应用中，可以通过分别控制网侧逆变器的有功电流限值和无功电流限值逐渐增大，来实现控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大。例如，分别控制有功电流限值id_max按照公式：id_max＝kd*t随时间线性增大，以及控制无功电流限值iq_max按照公式：iq_max＝kq*t随时间线性增大。其中，时间t从t2时刻开始计时，kd和kq分别为斜率。

或者，分别控制网侧逆变器的有功功率限值和无功功率限值逐渐增大，以在电压一定或变化较小的情况下，通过分别限制有功功率和无功功率，来限制有功电流和无功电流，进而实现控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大。

本实施例中，实时检测直流母线电压，并在检测到直流母线电压大于预设泄放电压阈值时，控制制动单元泄放直流母线能量。例如，在网侧逆变器处于低电压穿越恢复状态时，若检测到直流母线电压增大至大于预设泄放电压阈值，为防止直流母线过压的问题，控制风力发电机组的制动单元泄放直流母线能量。具体地，可以控制制动单元中的功率模块开启，通过与该功率模块连接的制动电阻来泄放直流母线能量，避免因机侧整流器向直流母线注入的有功功率的注入量大于网侧逆变器的逆变功率量，引起直流母线电压超过最大工作电压，从而进一步防止了直流母线过压问题。

s250，判断工作电流限值是否增大至最大工作电流。

如图3所示，在控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大时，若网侧逆变器的工作电流限值未增大至最大工作电流imax，则继续执行步骤s240，控制网侧逆变器的工作电流限值继续增大。若网侧逆变器的工作电流限值增大至最大工作电流imax，则执行步骤s260，将最大工作电流imax设定为网侧逆变器的工作电流限值。

s260，将网侧逆变器的最大工作电流设定为网侧逆变器的工作电流限值，控制网侧逆变器执行有功电流优先控制。

经过网侧逆变器的低电压穿越恢复状态时段t2～t3时段，电网电压恢复至正常区域，可以将网侧逆变器的工作模式切换为正常工作模式，也即，将网侧逆变器的最大工作电流imax设定为工作电流限值。并且，在电网电压完全恢复至正常区域时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制，可以进一步保证低电压穿越的成功率。

一种可选的实施方式中，网侧逆变器执行的有功电流优先控制的方式为：首先，通过风力发电机组中的直流母线外环控制器获取有功电流给定值id_ref，并判断有功电流给定值id_ref是否大于最大工作电流imax。如果id_ref大于imax，则将id_ref修改为imax。如果id_ref小于或等于imax，则不修改id_ref。然后，通过风力发电机组中的无功电流控制器计算无功电流给定值iq_ref，并判断无功电流给定值iq_ref是否满足如果满足，则不修改iq_ref；如果不满足，则将iq_ref修改为最后，将确定的iq_ref和id_ref用于网侧逆变器控制算法，生成用于控制网侧逆变器的igbt的门极开关信号。

上述为本实施例的风力发电机组的网侧逆变器的控制方法，相当于在网侧逆变器从低电压穿越状态恢复到正常工作状态之间的过渡阶段，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，以控制网侧逆变器的工作电流的增加速度，从而限制网侧逆变器的功率值，达到限制直流母线吸收的能量的目的，有效解决了直流母线过压的问题。

在实际的应用场景中，上述网侧逆变器的控制方法还可以适应调整各步骤的顺序。例如，步骤s260中，在网侧逆变器的工作电流限值增大至最大工作电流imax时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制，用于进一步提高低电压穿越的成功率。在实际应用中，可以在电网电压增大至大于正常区域的第二电压阈值时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制，以提高网侧逆变器的逆变功率。

本发明实施例的风力发电机组的逆变器控制方法，在上述实施例一的基础上，进一步示出了在网侧逆变器的处于低电压穿越恢复状态时，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大的具体方式，有效限制了网侧逆变器的工作电流的增加速度，达到了限制网侧逆变器的功率值的目的，从而限制直流母线吸收的能量，有效解决了直流母线过压的问题；并且，通过在网侧逆变器的工作电流限值增大到最大工作电流时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制，进一步提高了低电压穿越的成功率。

实施例三

图4为本发明的实施例三的风力发电机组的逆变器控制装置的结构框图。

如图4所示，该风力发电机组的逆变器控制装置包括检测模块410和第一控制模块420。检测模块410用于如果检测到电网电压小于第一电压阈值，则确定风力发电机组的网侧逆变器进入低电压穿越状态；第一控制模块420用于如果网侧逆变器已处于低电压穿越状态，并且检测到电网电压增大至大于第二电压阈值，则控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，其中，第二电压阈值大于第一电压阈值。

根据本实施例的风力发电机组的逆变器控制装置，通过检测电网电压是否过小来确定风力发电机组的网侧逆变器是否进入低电压穿越状态，并在低电压穿越状态持续检测电网电压，在电网电压增大至正常状态时，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，以达到限制网侧逆变器的功率值的目的，从而解决了因网侧逆变器从电网吸收电网功率造成的直流母线过压的问题，进而避免了器件失效的问题，降低了风力发电机组的维护成本。

进一步地，第一控制模块420还用于在网侧逆变器的工作电流限值增大至网侧逆变器的最大工作电流时，将最大工作电流设定为网侧逆变器的工作电流限值。

进一步地，本实施例的逆变器控制装置还包括第二控制模块430，用于如果检测到电网电压小于第一电压阈值，则控制网侧逆变器从执行有功电流优先控制切换为执行无功电流优先控制。

进一步地，本实施例的逆变器控制装置还包括第三控制模块440，用于在检测到电网电压增大至大于第二电压阈值时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制；或者，用于在网侧逆变器的工作电流限值增大至网侧逆变器的最大工作电流时，控制网侧逆变器从执行无功电流优先控制切换为执行有功电流优先控制。

进一步地，第一控制模块420用于控制网侧逆变器的工作电流限值随时间线性增大。

进一步地，第一控制模块420用于控制网侧逆变器的有功电流限值和无功电流限值逐渐增大；和/或，控制网侧逆变器的有功功率限值和无功功率限值逐渐增大。

进一步地，本实施例的逆变器控制装置还包括第四控制模块450，用于在检测到直流母线电压大于预设泄放电压阈值时，控制风力发电机组的制动单元泄放直流母线能量。

在实际应用中，本实施例的逆变器控制装置可以集成在风力发电机组的变流器控制器中，也可以集成在网侧逆变器控制中，当然，还可以独立于变流器控制器和网侧逆变器控制器设置。

本实施例的逆变器控制装置可用于执行上述实施例一或实施例二的风力发电机组的逆变器控制方法，以在网侧逆变器的处于低电压穿越恢复状态时，控制网侧逆变器的工作电流限值逐渐增大，进而限制网侧逆变器的工作电流的增加速度，达到限制网侧逆变器的功率值的目的，从而限制直流母线吸收的能量，有效地解决直流母线过压的问题。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个部件/步骤拆分为更多部件/步骤，也可将两个或多个部件/步骤或者部件/步骤的部分操作组合成新的部件/步骤，以实现本发明的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。