专利名称：全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机组的并网方法，尤其涉及一种全功率风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法。
背景技术：
随着风力发电机组装机量的不断增加，风力发电在电力系统中的地位发生了转变。风电装机容量较小时，风电场的运行对系统稳定性的影响可以不予考虑；当风电装机容量越来越大，在系统中所占比例逐年增加时，风电场的运行对系统稳定性的影响变得不容忽视。世界各国电力系统对风电场接入电网时的要求越来越严格，各国电网公司都相继对风电场/风力发电机组的并网提出了更严格的技术要求，其中低电压穿越被认为是风力发电机组最迫切解决的问题。风力发电机组的低电压穿越能力是指其在电网侧端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可为系统提供一定无功支持以帮助系统恢复电压的能力。以国家能源局的标准为例，该标准要求当端电压跌至额定电压的20%时，风力发电机组能够维持运行625ms，当风力发电机组端电压在其额定电压的90%及以上时风力发电机组能够持续运行。对于风电机组变流器来说，当电网电压突降时，风机主控系统由于惯性来不及调节风机的转速，此时由于网压的下降，网侧变流器即使以最大电流并网也无法实现功率平衡，因此必然造成中间直流环节的能量积累，最终导致变流器出现故障或开关器件的损坏，从而无法完成低电压穿越。目前常采用基于制动电阻的低电压穿越技术，将由电网电压降低导致的剩余能量消耗在制动电阻上，实现系统的功率平衡。该技术虽然简单可靠，但一方面降低了系统效率，同时需要增加元器件数目，系统的硬件成本、体积重量都相应增大。
发明内容
本发明提供一种调节发电机磁场实现低电压穿越的方案，从而使风力发电机组效率进一步提高，并能简化结构设计，降低装置的体积和成本的风电机组并网变流器低电压穿越控制方法。本发明所述的全功率风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，如果采用电压型并网变流器，包括以下步骤:
(1)检测中间直流电压，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值；
(2)电压调节器的输出是电网侧变流器有功电流指令值，在低电压穿越阶段需要限制有功电流的指令值，确保网侧变流器能够按照最大能力向电网输出能量而不出现过流故障；
(3)低电压穿越期间，改变发电机磁场给定值，通过磁场调节器迅速减小风力发电机的磁场(磁场给定值可以根据电网电压跌落程度等比例改变，也可以根据不同情况灵活控制)，使发电机的输出功率减小，从而保证变流器的输入和输出功率平衡；
(4)在低电压穿越的过程中可以认为风速不变，发电机的机械输入功率不变。在发电机磁场减小后，发电机的输出电功率降低，会导致发电机的输入输出功率不平衡，发电机升速。由于风力发电机组的转动惯量很大，可以保证发电机转速始终处于正常范围内。本发明所述的全功率风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，如果采用电流型并网变流器，包括以下步骤:
(1)检测中间直流电流，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电流指令值；
(2)电流调节器的输出是电网侧变流器有功电流指令值，在低电压穿越阶段需要限制有功电流的指令值，确保网侧变流器能够按照最大能力向电网输出能量而不出现过流故障；
(3)低电压穿越期间，改变发电机磁场给定值，通过磁场调节器迅速减小风力发电机的磁场(磁场给定值可以根据电网电压跌落程度等比例改变，也可以根据不同情况灵活控制)，使发电机的输出功率减小，从而保证变流器的输入和输出功率平衡；
(4)在低电压穿越的过程中可以认为风速不变，发电机的机械输入功率不变。在发电机磁场减小后，发电机的输出电功率降低，会导致发电机的输入输出功率不平衡，发电机升速。由于风力发电机组的转动惯量很大，可以保证发电机转速始终处于正常范围内。本发明所述的并网变流器在电网电压跌落期间，根据电网调度给定的无功功率指令值，与实际无功功率反馈比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网的无功功率跟随无功功率指令值，实现对电网进行无功补偿，帮助电网电压更快恢复正常。本发明所述的全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法，在单位功率因数并网时，无功功率指令设置为零。本发明所述的全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法，通过电机侧变流器和网侧变流器的协调控制，实现剩余能量向发电机的转移，使风力发电机升速，保证风力发电机组在接入点电网电压跌落期间不脱网运行。提高机组效率，减小能量损失，简化系统结构，减小装置体积、增强结构紧凑性、降低装置成本。
图1是基于全功率风电机组并网变流器(电压型)的主电路图；图2是电压型全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法的电网侧变流器的控制原理图；图3是电压型全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法的电机侧变流器的控制原理图；图4是基于全功率风电机组并网变流器(电流型)的主电路图；图5是电流型全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法的电网侧变流器的控制原理图；图6是电流型全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法的电机侧变流器的控制原理图。
具体实施方案实施例1
本发明所述的电压型全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法，在电网电压跌落时，具体实施方案如下:
(1)检测到中间直流电压上升，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值；
(2)电压调节器的输出是电网侧变流器有功功率指令值，在低电压穿越阶段需要限制有功功率的指令值，确保网侧变流器能够按照最大能力向电网输出能量而不出现过流故障；
(3)低电压穿越期间，改变发电机磁场给定值，通过磁场调节器迅速减小风力发电机的磁场(磁场给定值可以根据电网电压跌落程度等比例改变，也可以根据不同情况灵活控制)，使发电机的输出功率减小，从而保证变流器的输入和输出功率平衡；
(4)在低电压穿越的过程中可以认为风速不变，发电机的机械输入功率不变。在发电机磁场减小后，发电机的输出电功率降低，会导致发电机的输入输出功率不平衡，发电机升速。剩余的能量就会转化为动能在发电机上存储，防止了风电机组并网变流器中间直流电压的升闻。电网电压恢复后，并网功率会迅速上升，造成中间直流电压下降:
(1)检测到中间直流电压下降，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值；
(2)电压调节器的输出是电网侧变流器有功功率指令值，在正常工作的条件下能够稳定控制风电机组并网变流器有功功率，确保变流器的功率平衡；
(3)随着电网侧电压的慢慢恢复，逐步将发电机磁场给定值恢复至正常，发电机的输出功率增加。根据发电机的转矩平衡方程，电机的输入输出功率逐渐恢复平衡，电机转速不再升高。至此，低电压期间的一个调节过程结束。实施例2
本发明所述的电流型全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法，在电网电压跌落时，具体实施方案如下:
(1)检测到中间直流电流上升，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电流指令值；
(2)电流调节器的输出是电网侧变流器有功功率指令值，在低电压穿越阶段需要限制有功功率的指令值，确保网侧变流器能够按照最大能力向电网输出能量而不出现过流故障；
(3)低电压穿越期间，改变发电机磁场给定值，通过磁场调节器迅速减小风力发电机的磁场(磁场给定值可以根据电网电压跌落程度等比例改变，也可以根据不同情况灵活控制)，使发电机的输出功率减小，从而保证变流器的输入和输出功率平衡；
(4)在低电压穿越的过程中可以认为风速不变，发电机的机械输入功率不变。在发电机磁场减小后，发电机的输出电功率降低，会导致发电机的输入输出功率不平衡，发电机升速。剩余的能量就会转化为动能在发电机上存储，防止了风电机组并网变流器中间直流电压的升闻。电网电压恢复后，并网功率会迅速上升，造成中间直流电压下降:
(I)检测到中间直流电流下降，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电压电流值；
(2)电压调节器的输出是电网侧变流器有功功率指令值，在正常工作的条件下能够稳定控制风电机组并网变流器有功功率，确保变流器的功率平衡；
(3)随着电网侧电压的慢慢恢复，逐步将发电机磁场给定值恢复至正常，发电机的输出功率增加。根据发电机的转矩平衡方程，电机的输入输出功率逐渐恢复平衡，电机转速不再升高。至此，低电压期间的一个调节过程结束。
权利要求
1.风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，采用电压型并网变流器，其特征是，包括以下步骤:1)检测中间直流电压，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值；2)电压调节器的输出是电网侧变流器有功电流指令值，在低电压穿越阶段需要限制有功电流的指令值，确保网侧变流器能够按照最大能力向电网输出能量而不出现过流故障；3)低电压穿越期间，改变发电机磁场给定值，通过磁场调节器迅速减小风力发电机的磁场，使发电机的输出功率减小，保证变流器的输入和输出功率平衡；4)在低电压穿越的过程中可以认为风速不变，发电机的机械输入功率近似不变；在发电机磁场减小后，发电机的输出电功率降低，会导致发电机的输入输出功率不平衡，发电机升速；由于风力发电机组的转动惯量很大，可以保证发电机转速始终处于正常范围内；电网电压恢复后，并网功率会迅速上升，造成中间直流电压下降:1)检测到中间直流电压下降，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值；2)电压调节器的输出是电网侧变流器有功功率指令值，在正常工作的条件下能够稳定控制风电机组并网变流器有功功率，确保变流器的功率平衡；3)随着电网侧电压的慢慢恢复，逐步将发电机磁场给定值恢复至正常，发电机的输出功率增加；根据发电机的转矩平衡方程，电机的输入输出功率逐渐恢复平衡，电机转速不再升高；至此，低电压期间的一个调节过程结束。
2.风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，采用电流型并网变流器，其特征是，包括以下步骤:I)检测中间直流电流，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电流指令值；2)电流调节器的输出是电网侧 变流器有功电流指令值，在低电压穿越阶段需要限制有功电流的指令值，确保网侧变流器能够按照最大能力向电网输出能量而不出现过流故障；3)低电压穿越期间，改变发电机磁场给定值，通过磁场调节器迅速减小风力发电机的励磁，使发电机的输出功率减小，从而保证变流器的输入和输出功率平衡；4)在低电压穿越的过程中可以认为风速不变，发电机的机械输入功率近似不变；在发电机磁场减小后，发电机的输出电功率降低，会导致发电机的输入输出功率不平衡，发电机升速；由于风力发电机组的转动惯量很大，可以保证发电机转速始终处于正常范围内；电网电压恢复后，并网功率会迅速上升，造成中间直流电压下降:I)检测到中间直流电流下降，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电压电流值；2)电压调节器的输出是电网侧变流器有功功率指令值，在正常工作的条件下能够稳定控制风电机组并网变流器有功功率，确保变流器的功率平衡；3)随着电网侧电压的慢慢恢复，逐步将发电机磁场给定值恢复至正常，发电机的输出功率增加；根据发电机的转矩平衡方程，电机的输入输出功率逐渐恢复平衡，电机转速不再升高；至此，低电压期间的一个调节过程结束。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述并网变流器在电网电压跌落期间，根据电网电压或主控或其他上位机给定无功功率指令值，与实际无功功率反馈比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网的无功功率跟随无功功率指令值，实现对电网进行无功补偿，帮助电网电压更快恢复正常。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，单位功率因数并网时，无功功率指令设置为零。
5.根据权利要求3所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，无功功率指令值以功率值或者无功功率电流值形式给出。
6.根据权利要求1或2所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，低电压穿越期间，通过控制发电机磁场，实现风力发电机组并网变流器功率平衡。
7.根据权利要求1或2所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，发电机磁场给定值以磁场值或者磁场电流值形式给出。
8.根据权利要求1或2所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，发电机磁场给定值大小可以根据风电机组运行状态或电网运行状态或变流器运行状态得出。
9.根据权利要求6所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，发电机磁场控制可以通过定子绕组控制或者转子绕组控制或者定子绕组与转子绕组协调控制或者其他励磁绕组控制 。
全文摘要
本发明提供一种全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其中电网侧变流器实现中间直流电压稳定和根据电网或主控要求产生无功功率功能；电机侧变流器实现根据主控命令调节发电机转矩和根据不同运行状态调节发电机磁场的功能。通过电机侧变流器和电网侧变流器的协调控制实现能量平衡，保证风力发电机组在接入点电网电压跌落期间不脱网运行。提高机组效率，减小能量损失，简化系统结构，减小装置体积、增强结构紧凑性、降低装置成本。
文档编号H02J3/16GK103187734SQ201110442399
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者童亦斌, 周飞, 姚修远 申请人:北京能高自动化技术股份有限公司