一种永磁风力发电机组实现孤岛运行的装置和控制方法与流程

本发明涉及风电发电技术领域，尤其涉及一种永磁风力发电机组实现孤岛运行的装置和控制方法。

背景技术：

随着世界及中国经济的发展，能源的消耗将急剧增加。然而由于我国资源的相对匮乏以及不可再生资源的消耗对于环境的破坏，使得我国将在未来一段时间内长期面临着环境和资源的双重压力，发展包括风力和太阳能发电在内的可再生能源是中国能源困境的最好解决办法。

国际上对孤岛的定义如下：一个本地电力系统或若干个本地电力系统经公共连接点联结，且和其余电力系统在电气上分离的一种电网运行状态。其基本特点是电压和频率的波动范围较大，受负荷运行的影响较为明显，多数运行在低压、低频范围。

与联网电力系统相比，孤岛由于各种调频手段限制以及无功补偿控制手段不足，静态稳定性和动态稳定性都较差，有功不平衡发生时一般经过较长时间的发电调整才能恢复，甚至出现频率崩溃和电压崩溃现象。原先的区域电网进行联合时，要对互联系统的特性进行全面的分析，防止系统在故障情况下解列为孤岛运行，在解列后，有功过剩的电网将频率升高，引起高频切发电机控制装置动作，在有功缺额严重的区域，会造成频率崩溃，引起大面积的停电现象。

对于海上或近海风电场而言，若所有机组对外的电力连接中断，则海上风电场等同于一种无法监控的状态，特别是台风，暴雨等恶劣天气情况下，机组处于失控状态可能威胁到整个风电场设备的安全。因此海上风电机组具备孤岛运行功能至关重要，一方面可以实时查看风机状态，另一方面风电机组一直处于运行状态下，对内部的湿度和环境状态可以进行有效的控制。

目前，行业内通用的风电机组孤岛运行方案有以下两类：一是双馈风力发电机机组，在电网断电后由于发电机无法并网，不能继续发电，所以只能利用外置柴油发电机组实现风机的控制系统运行和监控，但是运行时间受到柴油容量的限制，而且非常消耗成本和污染海上环境。

二是常规型直驱永磁风电机组的方案，可以利用具备电池储能功能的ups电源实现停电后的风机启动，风机启动后自我发电给ups充电，以此实现能量循环。但此方案要求ups的电池容量应满足整个机组的运行要求，且电池寿命较短，需要定期更换电池，维护成本高；且电网断电后需要风机先停机保护，然后再通过ups的电源进行远程控制启动，不能实现风机正常运行与孤岛运行两种模式之间的平滑切换。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服以上缺陷，提供一种维护成本低运行稳定的一种永磁风力发电机组实现孤岛运行的装置和控制方法。

本发明的一种永磁风力发电机组实现孤岛运行的装置的技术方案是，其包括变流器直流电源母线、风机控制系统，还包括直流降压单元、电源切换单元、逆变单元、chopper电路、直流电容，所述直流降压单元跨接在直流电源母线之间，将直流母线电压降低到设定的直流电压值，逆变单元将设定的直流电压值转换为设定的交流电压并输出至电源切换单元的一个输入端，电源切换单元的另一输入端与电网400vac/50hz相连接，电源切换单元的输出连接至风机控制系统，所述chopper电路和直流电容并联后跨接在直流降压单元输出端的正负极之间，所述直流电容用于缓冲机侧、网侧的功率暂态不平衡，当直流母线电压过高时，则通过所述的chopper电路释放能量，起到抑制高电压的作用。

优选的，所述设定的直流电压值为500伏至800伏，所述设定的交流电压为400vac/50hz。

优选的，所述逆变单元采用恒定的v/f控制模式，输出电压始终保持为400vac/50hz。

优选的，所述电源切换单元包括并联的两个igbt模块、隔离变压器、电网开关、逆变单元开关和输出开关，所述电网开关设置在电网与igbt模块ⅰ之间，所述逆变单元开关设置在逆变单元与igbt模块ⅱ之间，igbt模块ⅰ、igbt模块ⅱ并联后依次与隔离变压器和输出开关串联。

本发明的一种永磁风力发电机组实现孤岛运行的装置的控制方法是，其包括以下步骤：

步骤1、电网电压的检测，在风机启动后检测电网电压是否低于额定电压的90%，如果是，则进入步骤4，如果不是，则进入步骤2；

步骤2、判断电网电压是否小于额定电压的110%，如果不是，则进入高电压穿越模式，如果是，则进入步骤3；

步骤3、判断逆变单元是否已启动，如果没有启动，则进入正常发电模式，如果已启动，则依次关闭直流降压单元、逆变单元、电源切换单元，然后进入正常发电模式；

步骤4、进入低穿模式，开始计时低电压持续时间，同时依次启动直流降压单元、逆变单元，电源切换单元进入待机状态；

步骤5、判断低电压持续时间是否超过两秒，如果不是，则进入步骤2，如果是，则进入孤岛模式；

步骤6、电源切换至由逆变单元供电，然后断开高压开关；

步骤7、检测逆变单元的输出功率，判断其输出功率是否与电机侧功率一致，如果不是，则启动变流器机侧功率控制，重复步骤7；如果是，则进入稳定的孤岛运行状态。

优选的，所述步骤4的直流降压单元将变流器的直流母线电压降低到500伏至800伏，逆变单元将500伏至800伏直流电压转换成400vac/50hz的交流电压。

优选的，所述步骤7的电机侧功率设定最大上限值不超过风电机组额定功率的6%。

本发明的有益技术效果是，由于在变流器的直流侧增加一个降压和逆变回路，在孤岛情况下，直接通过此电路向风机控制系统供电，从而相对于ups方案可减少交流-直流转换的功率部件，也不需要电池储能部件。运行后无需维护，大大节约了运行成本。由于电网电压u小于额定电压的90%时，即进入低穿模式，并启动直流降压单元、逆变单元，同时电源切换单元进入待机模式，一旦低电压持续时间超过2秒，则可以无间隙切换至孤岛模式。

附图说明

图1为背景技术的直驱永磁风电机组孤岛运行原理图；

图2为本发明实施例孤岛运行装置原理图；

图3为本发明实施例孤岛运行控制方法流程图；

图4为本发明实施例电源切换单元原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

参照附图，一种永磁风力发电机组实现孤岛运行的装置的技术方案是，其包括变流器直流电源母线1、风机控制系统2，还包括直流降压单元3、电源切换单元4、逆变单元5、chopper电路6、直流电容7，所述直流降压单元3跨接在直流电源母线1之间，将直流电源母线1电压降低到设定的直流电压值，逆变单元5将设定的直流电压值转换为设定的交流电压并输出至电源切换单元4的一个输入端，所述设定的直流电压值为500伏至800伏，所述设定的交流电压为400vac/50hz，所述逆变单元5采用恒定的v/f控制模式，输出电压始终保持为400vac/50hz，电源切换单元4的另一输入端与电网8相连接，电源切换单元4的输出端连接至风机控制系统2，所述chopper电路6和直流电容7并联后跨接在直流降压单元3输出端的正负极之间，所述直流电容7用于缓冲机侧、网侧的功率暂态不平衡，当直流电源母线1电压过高时，则通过所述的chopper电路6释放能量，起到抑制高电压的作用，所述电源切换单元4包括并联的igbt模块ⅰ4-1和igbt模块ⅱ4-2、隔离变压器4-3、电网开关4-4、逆变单元开关4-5和输出开关4-6，所述电网开关设置在电网8与igbt模块ⅰ4-1之间，所述逆变单元开关4-5设置在逆变单元5与igbt模块ⅱ4-2之间，igbt模块ⅰ4-1、igbt模块ⅱ4-2并联后依次与隔离变压器4-3和输出开关4-6串联。

本发明的一种永磁风力发电机组实现孤岛运行的装置的控制方法是，其包括以下步骤：

步骤1、电网电压的检测，在风机启动后检测电网电压是否低于额定电压的90%，如果是，则进入步骤4，如果不是，则进入步骤2；

步骤2、判断电网电压是否小于额定电压的110%，如果不是，则进入高电压穿越模式，如果是，则进入步骤3；

步骤3、判断逆变单元5是否已启动，如果没有启动，则进入正常发电模式，如果已启动，则依次关闭直流降压单元3、逆变单元5、电源切换单元4，然后进入正常发电模式；

步骤4、进入低穿模式，开始计时低电压持续时间，同时依次启动直流降压单元3、逆变单元5，电源切换单元4进入待机状态，所述直流降压单元3将变流器的直流电源母线1电压降低到500伏至800伏，逆变单元5将500伏至800伏直流电压转换成400vac/50hz的交流电压；

步骤5、判断低电压持续时间是否超过两秒，如果不是，则进入步骤2，如果是，则进入孤岛模式；

步骤6、电源切换至由逆变单元5供电，然后断开高压开关；

步骤7、检测逆变单元5的输出功率，判断其输出功率是否与电机侧功率一致，如果不是，则启动变流器机侧功率控制，重复步骤7；如果是，则进入稳定的孤岛运行状态，所述电机侧功率设定最大上限值不超过风电机组额定功率的6%。