直流输电双馈型风电机组功率波动及故障控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种控制系统，尤其是一种直流输电双馈型风电机组功率波动及故障控制系统，属于风力发电技术领域。

背景技术：

双馈型风力发电机是目前风电市场使用最广泛的主流产品之一。传统的双馈型风电机组采用容量较小的背靠背变流器与发电机转子相连，而发电机的定子直接与电网相接，因此，在电网电压发生跌落故障时会造成发电机定子磁链的振荡，进而使得定子磁链中含有直流成分，对于不对称电网电压跌落还会有负序成分。而双馈型发电机的转速较高，因此定子磁链中的直流成分和负序成分会有较高的转差率，将导致发电机转子回路产生过电流或过电压。

目前传统的双馈型风电机组低电压穿越通常采用撬棒保护电路(Crowbar电路)，其原理是利用电阻消耗转子侧多余的能量，其优点是可以加快故障电流的衰减，以保护转子侧变流器；其缺点是Crowbar电路一旦投入运行，将短接发电机转子绕组，使双馈型发电机变为鼠笼异步发电机运行，需从电网吸收大量无功功率以作励磁，这将不利于电网故障后的电网电压迅速恢复，而且将能量通过电阻白白浪费掉。此外，Crowbar电路的投入切除时刻非常重要，选择不当，一方面将引起Crowbar电路多次动作，另一方面将可能引起大电流冲击。

由此可见，传统的双馈型风电机组存在固有缺陷：1)系统低电压穿越能力差：电网电压一旦跌落，发电机定子电压随之跌落，尤其是电网电压大幅跌落时，将在定子、转子绕组中引起很大的故障电流，直流母线电压也将快速上升，严重危及风电机组安全。2)撬棒保护电路控制不好，将会造成更大危害，也不利于电网电压恢复，而且电阻将浪费能量，增加变流器柜体的散热压力。

近年来柔性直流输电技术因其具有运行可靠、控制简单、成本低等诸多优势而深受关注，在风力发电系统应用越来越广泛，出现了基于柔性直流输电的大型风电场并网技术方案，也开始探讨柔性直流输电技术在双馈型风电场中的应用问题，其中直流输电线路有可能发生电压跌落(一般是单相接地导致)、过电压、直流输电线路断线等故障，严重威胁系统安全运行，目前在该方面的研究甚少。

此外，风速变化将引起风力发电机输出功率波动，影响风电机组输出功率的稳定。

总之，为了柔性直流输电技术在双馈型风电场中的使用和推广，建立安全可靠的双馈型风电场的柔性直流输电系统，必须解决功率波动抑制和电压跌落、过电压、断线等故障控制与保护问题。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于：针对上述问题，提出一种基于柔性直流输电技术的新型双馈型风电机组功率波动及故障控制系统，实现在风速波动情况下风电机组功率波动抑制，使双馈型风电机组输出功率保持平稳，以及直流输电线路发生电压跌落、过电压、断线等故障时对双馈型风力发电机及其变流器进行保护。

为了达到以上目的，本实用新型直流输电双馈型风电机组功率波动及故障控制系统，其特征在于，包括：双馈型风电机组、储能系统、第一接触器、第二接触器；所述双馈型风电机组包括风力机、齿轮箱、双馈型发电机、定子侧变流器、转子侧变流器、网侧直流变流器；所述储能系统包括第一储能设备、第二储能设备、第一功率变换器、第二功率变换器、第三功率变换器和储能控制系统；所述储能控制系统包括数据采集模块、风电功率预测模块、电网调度出力指令通信模块，并输出控制信号分别至第一功率变换器、第二功率变换器、第三功率变换器；所述数据采集模块采集风电机组实时功率、所述第一储能设备及第二储能设备的端电压、所述第一储能设备及第二储能设备的充放电电流、直流电网电压及电流、风速。

所述定子侧变流器一端与所述双馈型发电机的定子连接，另一端分别与所述第一接触器、网侧直流变流器连接；所述转子侧变流器一端与所述双馈型发电机的转子连接，另一端分别与所述第一接触器的另一端、所述第一功率变换器连接；所述第一功率变换器的另一端与所述第一储能设备连接；所述第二功率变换器的一端与所述双馈型发电机的定子连接，另一端与所述第一储能设备连接；所述网侧直流变流器的另一端与所述第二接触器相接，所述第二接触器的另一端分别与所述第三功率变换器和直流输电线路连接；所述第三功率变换器的另一端与所述第二储能设备连接。

所述定子侧变流器为电压源变流器(VSC)或不可控整流器与升压变换器的组合，所述转子侧变流器为电压源变流器(VSC)；所述网侧直流变流器为直流升压变流器；所述第一功率变换器和第三功率变换器均为直流双向变换器；所述第二功率变换器为AC/DC变换器。

上述直流输电双馈型风电机组功率波动及故障控制系统，其工作过程如下：

在风机启动并网前，所述第一接触器处于断开位置，首先由所述储能控制系统控制所述第一功率变换器使其工作于放电模式，由所述第一储能设备为所述转子侧变流器提供逆变电源，并使所述转子侧变流器的直流侧电压U_B稳定；其次控制所述转子侧变流器给所述双馈型风力发电机的转子提供三相交流励磁电流，风电机组启动。

在风电机组启动后，首先控制所述定子侧变流器将发电机定子发出的频率和幅值均可变化的交流电进行整流、升压稳压，当所述定子侧变流器的直流侧电压U_A等于所述转子侧变流器的直流侧电压U_B时，闭合所述第一接触器；其次控制所述网侧直流变流器使其工作于升压模式，当其输出电压U_D等于直流输电线路的电网电压U_bus时，闭合所述第二接触器，将双馈型风力发电机发出的功率输送至直流电网。

风电机组并网后，在正常运行情况下，使所述网侧直流变流器工作于定功率控制模式，确保所述定子侧变流器输出电压U_A维持稳定；同时采用功率波动抑制方法，控制所述第一功率变换器、所述第三功率变换器使其根据功率平稳输出指令和双馈型风电机组输出功率情况分别对所述第一储能设备、第二储能设备进行充放电，实现系统功率平稳输出。

在电网发生电压跌落的情况下，采用电压跌落故障控制方法，分别控制所述第一功率变换器、所述第二功率变换器、所述第三功率变换器和所述转子侧变流器工作于电压跌落故障控制模式，控制所述网侧直流变流器切换至定直流电压控制模式；当电网电压恢复正常后，采用电压恢复控制方法，使所述风电机组逐步恢复正常。

在电网发生过电压的情况下，使所述第三功率变换器工作于过电压故障控制模式，对所述第二储能设备进行充电，使其作为直流输电线路的快速放电装置，对直流输电线路电压进行钳位，抑制过电压，确保直流输电线路电压稳定。

在直流输电线路断线的情况下，首先使所述网侧直流变流器切换至定直流电压控制模式；其次使所述第二功率变换器工作于整流状态，对所述第一储能设备进行充电，同时使所述第三功率变换器工作于过电压故障控制模式，对所述第二储能设备进行充电，抑制过电压；第三，使所述转子侧变流器切换至断线故障控制模式，使风力发电机输出功率为零，并停机；第四，使所述定子侧变流器、所述第二功率变换器停机，闭锁所述网侧直流变流器，断开所述第二接触器，使所述第三功率变换器停机，进行检修。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型所述双馈型风电机组系统的拓扑结构使双馈型发电机定子不与电网直接相连，而是经过定子侧变流器、网侧直流变流器与直流电网相连，这样，在电网电压跌落时，无论是小幅跌落还是大幅跌落，定子电压均不会随之跌落，而转子侧变流器均能迅速根据电压跌落幅度调节电磁转矩，有效限制电压跌落时发电机中定子和转子的电流，减小发电机输出功率，使得机组发电功率与输出功率平衡，提高了双馈型风电机组在故障期间对电网电压的支撑能力，因而具有更优越的低电压穿越能力；当电网电压恢复时，转子侧变流器能使发电机输出功率逐步上升，减小电网恢复瞬间发动机电磁转矩和功率的大幅变动，增强了系统稳定性。

(2)在风速变化引起发电机输出功率波动时，储能控制系统根据风电功率预测模块预测的出力功率或电网调度出力指令，使储能设备与系统实现能量互动，有效抑制功率波动，实现风电机组输出功率平稳。

(3)在电网电压跌落或过电压时，储能系统能将多余能量存储在储能设备中，或者对直流电网提供电压支撑，并使发电机定子电压和直流侧电压稳定，有效保护发电机绕组和变流器的安全，进一步增强低电压穿越控制能力，且无需传统的Crowbar电路，可有效利用能源。

附图说明

图1为本实用新型直流输电双馈型风电机组功率波动及故障控制系统构成图。

图2为本实用新型网侧直流变流器定功率控制框图。

其中，1-定子侧变流器；2-转子侧变流器；3-网侧直流变流器；4-第一功率变换器；5-第一储能设备；6-第三功率变换器；7-第二储能设备；8-储能控制系统；9-双馈型发电机转子；10-双馈型发电机定子；11-第一接触器；12-第二接触器；13-直流输电线路；14-第二功率变换器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型直流输电双馈型风电机组功率波动及故障控制系统，包括：双馈型风电机组、储能系统、第一接触器11、第二接触器12；所述双馈型风电机组包括风力机、齿轮箱、双馈型发电机、定子侧变流器1、转子侧变流器2、网侧直流变流器3；所述储能系统包括第一储能设备5、第二储能设备7、第一功率变换器4、第二功率变换器14、第三功率变换器6和储能控制系统8；储能控制系统8包括数据采集模块、风电功率预测模块、电网调度出力指令模块，并输出控制信号分别至第一功率变换器4、第二功率变换器14、第三功率变换器6；数据采集模块采集双馈型风力发电机定子电压U_E、定子侧变流器1直流侧的电压U_A和电流I_A、转子侧变流器2直流侧的电压U_B和电流I_B、网侧直流变流器3高压侧的电压U_D和电流I_D、第一储能设备5的端电压U_C、第二储能设备7的端电压U_F、第一储能设备5的充放电电流I_C、第二储能设备7的充放电电流I_F、直流电网电压U_bus和电流I_bus、风速v_w；双馈型风力发电机实时功率由定子侧变流器1直流侧的电压U_A和电流I_A、转子侧变流器2直流侧的电压U_B和电流I_B计算获得。

定子侧变流器1一端与双馈型发电机的定子10连接，另一端分别与第一接触器11、网侧直流变流器3连接；转子侧变流器2一端与双馈型发电机的转子9连接，另一端分别与第一接触器11的另一端、第一功率变换器4连接；第一功率变换器4的另一端与第一储能设备5连接；第二功率变换器14的一端与双馈型发电机的定子10连接，另一端与第一储能设备5连接；网侧直流变流器3的另一端与第二接触器12相接，第二接触器12的另一端分别与第三功率变换器6和直流输电线路13连接；第三功率变换器6的另一端与第二储能设备7连接。

在风机启动并网前，第一接触器11处于断开位置，首先控制第一功率变换器4使其工作于放电模式(升压状态)，由第一储能设备5为转子侧变流器2提供直流侧电源，并使转子侧变流器2的直流侧电压U_B稳定；其次控制转子侧变流器2给双馈型风力发电机的转子9提供三相交流励磁电流，风电机组启动。

在风电机组启动后，首先控制定子侧变流器1将发电机定子10发出的频率和幅值均可变化的交流电进行整流、升压稳压，当定子侧变流器1直流侧电压U_A等于转子侧变流器2的直流侧电压U_B时，闭合第一接触器11；其次控制网侧直流变流器3使其工作于升压模式，当其输出电压U_D等于直流输电线路13的电网电压U_bus时，闭合第二接触器12，将双馈型风力发电机发出的功率输送至直流电网。

风电机组并网后，在正常运行情况下，使网侧直流变流器3工作于定功率控制模式，如图2所示，定子侧变流器1的直流侧电压参考值U_A^*与其测量值U_A之差，经PI控制器后限幅，限幅的目的是保证网侧直流变流器3的输出电流I_D在允许的范围内；经限幅后，得到网侧直流变流器3的输出电流的参考值I_D^*，I_D^*与其测量值I_D之差经限幅PI控制器送入PWM模块，产生驱动信号，控制网侧直流变流器3，确保定子侧变流器1的直流侧电压U_A维持稳定；同时采用功率波动抑制方法，控制第一功率变换器4、第三功率变换器6使其根据功率平稳输出指令和双馈型风电机组输出功率情况分别对第一储能设备5、第二储能设备7进行充放电，这样即可通过储能设备储存的能量与系统进行交换，实现系统功率平稳输出。

在电网发生电压跌落的情况下，采用电压跌落故障控制方法，分别控制第一功率变换器4、第二功率变换器14、第三功率变换器6和转子侧变流器2工作于电压跌落故障控制模式，控制网侧直流变流器3切换至定直流电压控制模式；当电网电压恢复正常后，采用电压恢复控制方法，使风电机组逐步恢复正常。

在电网发生过电压的情况下，使第三功率变换器6工作于过电压故障控制模式，直流输电线路电压参考值U_bus^*与测量值U_bus之差，经PI控制器和限幅环节，得到第二储能设备7的充电电流参考值I_Fref，I_Fref与测量值I_F之差，经PI控制器送入PWM模块，得到驱动信号，控制第三功率变换器6，使其工作于降压状态，对第二储能设备7进行充电，使其作为直流输电线路13的快速放电装置，对直流输电线路电压U_bus进行钳位，抑制过电压，确保直流输电线路电压U_bus稳定。

在直流输电线路断线的情况下，即检测到I_bus＝0，网侧直流变流器3的输出端电压U_D持续升高，如果U_D过高，将会导致系统崩溃。此时，首先使网侧直流变流器3切换至定直流电压控制模式；其次使第二功率变换器14工作于整流状态，对第一储能设备5进行充电，同时使第三功率变换器6工作于过电压故障控制模式，对第二储能设备7进行充电，抑制过电压；第三，使转子侧变流器2切换至断线故障控制模式，使发电机输出功率为0，并停机；第四，使定子侧变流器1、第二功率变换器14停机，闭锁网侧直流变流器3，断开第二接触器12，使第三功率变换器6停机，进行检修。