专利名称：一种电励磁风力发电系统低电压穿越控制方法
技术领域：
本发明ー种电励磁风カ发电系统的结构与并网方法，特别涉及ー种电励磁风カ发电系统低电压穿越控制方法。
背景技术：
随着风力发电机组装机容量的不断増加，风カ发电系统对电网的影响已经不能忽略。风电装机容量较小时，风电场的运行对电カ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，风电场的运行对电カ系统稳定性的影响变得不容忽视。世界各国电カ系统对风电场接入电网时的要求越来越严格，各国电网公司相继对风电场/风カ发电机组的并网提出了更严格的技术要求，包括低(零)电压穿越能力、无功控制能力以及输出功率控制能力等，其中低电压穿越被认为是对风カ发电系统设计控 制技术的最大挑战。风カ发电系统的低电压穿越能力是指在接入点电网电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可以为电カ系统提供一定无功支持以帮助系统恢复电压的能力。欧洲等发达国家已相继制定了风カ发电系统具备电网故障运行能力的強制性标准,且不同国家有不同的要求,德国要求电网电压跌至15%时持续300ms，澳大利亚要求电网电压跌至0%时持续175ms，而且德国和西班牙明确要求风カ发电系统在低电压穿越吋，要实现对电网的无功支持，且无功电流最大为100%的额定电流。对于传统永磁风カ发电系统来说，通常采用电机侧变换器控制发电机的转速以实现最大风能跟踪控制，网侧变换器控制中间直流母线电压的控制方案。当电网电压瞬间跌落时，发电机转速由于惯性来不及调节，此时网侧变换器即使以最大电流并网，由于电网电压的下降无法实现功率平衡，如果直流侧不采取措施，必然造成中间直流母线电压的泵升，最终损坏变换器的开关器件。常用的解决方法有两种，一种是调节风カ机的桨距角，以减少前级捕获的功率，但响应和调节速度较慢，一般为秒级；另一种是在直流侧增加卸荷电路，通过控制功率器件投入和切出卸荷电路，调节直流侧电压；一般情况下是结合以上两种方法，该方案里然能实现前后的功率平衡，但会造成直流侧电压有较大的波动，影响直流侧电容的寿命，而且电网故障对机侧变换器、网侧变换器的控制方法和发电机的运行均产生了影响，不利于系统在电网电压故障消除后快速恢复至正常运行，降低了系统的运行效率，同时需要増加制动电阻，系统的硬件成本和体积都相应増大。基于以上分析，本发明人对现有的低电压穿越技术进行研究改进，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供ー种电励磁风カ发电系统低电压穿越控制方法，其在低电压穿越期间无需改变机侧变换器控制方法和发电机的运行状态，使网侧变换器一直工作于最大风能跟踪模式，同时无需使用电阻等元件消耗剰余能量，从而使系统在电网电压故障消除后能够快速恢复至正常运行，使风カ发电系统的效率进ー步提高，降低系统体积和成本。为了达成上述目的，本发明的解决方案是ー种电励磁风カ发电系统低电压穿越控制方法，所述电励磁风カ发电系统包括风力机、电励磁发电机、不控整流桥和并网变换器，所述风カ机直接或通过齿轮箱驱动电励磁发电机旋转发电，而不控整流桥将电励磁发电机输出的交流电压转换为直流电压，整流后直流母线与并网变换器的输入相连，通过并网变换器将电能送入电网；所述控制方法包括如下步骤(I)根据实时检测的风速Vw得到该风速下机组的最佳运行转速，将%与反 馈的转速《比较得到的差值A CO通过第一PI调节器得到并网变换器有功电流给定值id%并网变换器一直工作于最大风能跟踪控制模式；(2)当电网电压瞬间跌落时，将检测到的电网电压Us与电网电压參考值比较，得到的差值A u通过第二 PI调节器得到网侧变换器无功电流给定值i/，依据约束关系
C=Vw2-V ,计算并网变换器无功电流的最大补偿量值i</，为并网变换器最大允许电流；然后比较i/和的大小，选择较小者作为并网变换器无功电流的给定值，向电网注入无功功率。上述控制方法中，电励磁发电机在励磁变换器的控制下，使电励磁发电机的直流母线电压保持恒定；所述控制方法是将直流母线电压Udc与直流母线电压给定值Ud:比较得到差值A U，将A U作为第三PI调节器的输入，得到发电机励磁电流给定值i/，将i/与实际励磁电流if经过滞环控制，得到励磁变换器PWM控制信号，控制励磁功率电路中功率开关管的占空比，实现宽风速范围内恒压输出。采用上述方案后，本发明不仅适用于电励磁风カ发电系统，还适用于混合励磁风カ发电系统，与传统永磁风カ发电系统相比，本发明所提出的方案具有如下优点(I)发电机后接ニ极管不控整流器，可靠性高、成本低，可有效降低机组的制造成本和后期维护投入；(2)通过控制电励磁发电机的励磁电流，实现直流母线电压恒定，省去了传统永磁系统中间ー级DC/DC环节，且在电网电压瞬间跌落情况下，机侧励磁变换器可以一直工作于调压模式，避免由于控制策略的切换导致发电机的转矩大幅震荡；(3)并网变换器有功电流给定i/始終来源于转速差A Co，即当风速没有变化吋，并网变换器注入电网的有功功率始終恒定，与电网电压是否跌落无关，即发电机的运行状态(最大风能跟踪模式)始終不变；(4)并网变换器可以根据电网电压跌落的程度，在容量允许的范围内，发出相应的无功电流，帮助电网电压恢复；(5)由于采用机侧励磁变换器稳定直流母线电压，并网变换器实现最大风能跟踪控制，在电网电压跌落期间，通过机侧励磁变换器和并网变换器的协调控制，实现电网电压瞬间跌落的情况下剩余能量的转移，不存在由于能量不匹配导致直流母线电压快速泵升的情況，即无需增加传统的撬棒电路即可实现低电压穿越。
图I是本发明中电励磁风カ发电系统的组成示意图2是本发明中最佳风速转速匹配曲线图；图3是本发明中励磁变换器的控制框图；图4是本发明中电励磁风カ发电系统的结构与总体控制流程图。附图符号说明
权利要求
1.一种电励磁风力发电系统低电压穿越控制方法，其特征在于所述电励磁风力发电系统包括风力机、电励磁发电机、不控整流桥和并网变换器，所述风力机直接或通过齿轮箱驱动电励磁发电机旋转发电，而不控整流桥将电励磁发电机输出的交流电压转换为直流电压，整流后直流母线与并网变换器的输入相连，通过并网变换器将电能送入电网；所述控制方法包括如下步骤 (1)根据实时检测的风速Vw得到该风速下机组的最佳运行转速，将《_与反馈的转速《比较得到的差值A CO通过第一 PI调节器得到并网变换器有功电流给定值id%并网变换器一直工作于最大风能跟踪控制模式； (2)当电网电压瞬间跌落时，将检测到的电网电压Us与电网电压参考值Um/比较，得到的差值A U通过第二 PI调节器得到网侧变换器无功电流给定值i/，依据约束关系,计算并网变换器无功电流的最大补偿量值i</，为并网变换器最大允许电流；然后比较i/和的大小，选择较小者作为并网变换器无功电流的给定值，向电网注入无功功率。
2.如权利要求I所述的一种电励磁风力发电系统低电压穿越控制方法，其特征在于所述控制方法中，电励磁发电机在励磁变换器的控制下，使电励磁发电机的直流母线电压保持恒定；所述控制方法是将直流母线电压Udc与直流母线电压给定值Ud:比较得到差值A U，将A u作为第三PI调节器的输入，得到发电机励磁电流给定值i/，将i/与实际励磁电流if经过滞环控制，得到励磁变换器PWM控制信号，控制励磁功率电路中功率开关管的占空比，实现宽风速范围内恒压输出。
全文摘要
本发明公开一种电励磁风力发电系统低电压穿越控制方法，步骤为将机组的最佳运行转速与反馈的转速的差值通过PI调节器得到并网变换器有功电流给定值；当电网电压瞬间跌落时，将电网电压与参考值比较，差值通过PI调节器得到网侧变换器无功电流给定值，计算并网变换器无功电流的最大补偿量值，与网侧变换器无功电流给定值比较，选择较小者作为并网变换器无功电流的给定值，向电网注入无功功率。此种控制方法在低电压穿越期间无需改变机侧变换器控制方法和发电机的运行状态，使网侧变换器一直工作于最大风能跟踪模式，同时使系统在电网电压故障消除后能够快速恢复至正常运行，使风力发电系统的效率进一步提高，降低系统体积和成本。
文档编号H02J3/38GK102801183SQ20121030664
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者许恩利, 周波, 郭鸿浩, 刘颖 申请人:南京航空航天大学