无刷双馈风力发电并网均衡控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及控制方法，特别涉及无刷双馈风力发电并网均衡控制方法。
【背景技术】
[0002] 在变速恒频风力发电并网系统中，风电场发电变化引起风电场接入地区局部电网 电压变化，影响电力系统稳定运行，同时对风电场近距离接入点负荷电压产生影响，使负荷 电压变化。
[0003] 目前，并网风力发电系统中风力发电机往往采用感应发电机，双馈异步发电机或 同步发电机。采用感应发电机的风力发电系统并网时，感应发电机会消耗无功，且无功大小 不可控，并网控制近距离负荷电压主要是通过并联电容器补偿无功消耗，通过改变连接的 电容器数量来分级控制并网电压，实现负荷、电网和风力发电系统的平衡。采用双馈发电机 风力发电系统并网时，利用与双馈异步发电机转子相连的变频器控制电网侧的无功功率， 功率因数可调节到1，因而可以通过控制变频器来控制负荷电压，实现电网，负荷和风力发 电系统三者平衡。但双馈电机由于装有碳刷、滑环和复杂的起动装置等缺点，使其存在可靠 性差，需要定期维护，使用场合受到限制等不利因素。采用同步发电机的风力发电系统并网 时，可以通过控制同步发电机的励磁电流实现网侧无功功率可控，从而根据负荷的大小，控 制风力发电机输出功率，达到稳定电网电压，实现电网，负荷和风力发电系统供需平衡。但 这种风力发电系统要求风力发电机有精确的调速机构，保证风速变化时发电机转速维持同 步转速不变，且与同步发电机定子串接的变频器容量较大。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种风力发电并网均衡控制方法，该方法能 够在风电变化时，稳定风电场接入点局部电网电压和近风电场变化负荷电压。
[0005] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
[0006] 本发明提供的无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，是采用均衡控制技术对风力 发电系统、电网和负荷三方进行均衡，具体是：根据风力的变化和负荷大小，调节无刷双馈 风力发电系统发出的无功功率的大小，从而稳定负荷的电压及电网电压，实现电网、负荷和 风力发电系统之间的供用电平衡，实现均衡控制。
[0007] 所述的无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其步骤包括：
[0008] (1)构建无刷双馈风力发电并网系统：
[0009] 将风力机通过齿轮箱连接到无刷双馈发电机转子，无刷双馈发电机定子绕组中的 功率绕组通过变压器连接到电网，定子绕组中的控制绕组连接到矩阵变频器输出端，矩阵 变频器输入端通过变压器与电网相连，控制器与矩阵变频器及风力机相连，由此而构建无 刷双馈风力发电并网系统；
[0010] ⑵利用步骤⑴建立的无刷双馈风力发电并网系统，负荷连接在电网和风力发 电系统（又称为风力发电场）之间，并靠近风力发电场；
[0011] (3)利用步骤（1)建立的无刷双馈风力发电并网系统，通过传感器采集到并网处 的电压、电流、频率信号、风速、风轮转速和风向数据信号、负荷处电压信号，将这些信号送 入控制器，控制器通过信号处理发出控制指令，对矩阵变频器及其他执行机构进行控制，从 而控制无刷双馈风力发电机转速和输出功率，从而稳定负荷的电压及电网电压，实现电网、 负荷和风力发电系统之间的供用电平衡，实现均衡控制。
[0012] 本发明采用无刷双馈发电机，它有两套定子绕组和一套转子绕组，其中一套定子 绕组称为功率绕组，另一套定子绕组称为控制绕组。
[0013] 本发明采用矩阵变频器对无刷双馈发电机控制绕组进行励磁控制。
[0014] 本发明采用均衡控制技术，根据风力的变化和负荷大小，调节无刷双馈风力发电 系统发出的无功功率的大小，从而稳定负荷的电压及电网电压，实现电网、负荷和风力发电 系统之间的供用电平衡，实现均衡控制。
[0015] 本发明提供的上述无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其用途是：在无刷双馈 风力发电并网中的应用。
[0016] 本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：
[0017] 1.风力发电机采用无刷双馈发电机。相比双馈异步发电机，无刷双馈发电机转子 上取消电刷和滑环，噪声低，大大降低磨损。
[0018] 2.无刷双馈发电机控制绕组由矩阵变频器交流励磁，控制矩阵变频器可使流过控 制绕组电流可控，从而使整个风力发电系统的无功功率可控（功率因数可调至1)，相比异 步感应发电机，不用并联笨重的分组电容进行无功补偿，系统体积小。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明无刷双馈风力发电并网系统的结构示意图。
[0020] 图2是本发明的一个实施例无刷双馈风力发电并网均衡控制系统的结构框图。
[0021] 图3是本发明的一个实施例中矩阵变频器与无刷双馈发电机连接图。
[0022] 图4是本发明的一个实施例中矩阵变频器中一个开关单元的结构示意图。
[0023] 图5是本发明的一个实施例中风电场、电网及负荷的等效数学模型。
[0024] 图中?风力机；101?风；2?齿轮箱；3?无刷双馈发电机；301?功率绕组；302?控 制绕组；4.矩阵变频器；5.控制器；6.变压器；7.负荷；8.电网；9.变桨距执行机构。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不限定本发明。
[0026] 本发明提供的无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，是通过无刷双馈风力发电系 统实现的。该方法是：根据风力的变化和负荷大小，调节无刷双馈风力发电系统发出的无功 功率的大小，从而稳定风电场接入点局部电网电压和近风电场变化负荷电压，实现电网、负 荷和风力发电系统之间的供用电平衡，实现均衡控制。
[0027] 所述无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其步骤包括：
[0028] 1?构建无刷双馈风力发电并网系统：
[0029] (1)构建无刷双馈风力发电并网系统：
[0030] 构建无刷双馈风力发电并网系统：它是将风力机通过齿轮箱连接到无刷双馈发电 机，无刷双馈发电机功率绕组连接到电网，无刷双馈发电机控制绕组连接到矩阵变频器输 出端，矩阵变频器输入端通过变压器与电网相连，控制器与矩阵变频器及风力机相连而形 成的。
[0031] (2)利用建立的无刷双馈风力发电并网系统，负荷连接在电网和风力发电并网系 统（即风力发电场）之间，并靠近风力发电场。
[0032] 2.本发明无刷双馈风力发电并网均衡控制方法具体的实现方法是：
[0033] 通过传感器采集到无刷双馈风力发电系统并网处的电压、电流和频率信号，风速、 风轮转速和风向数据信号，负荷处电压信号，将这些信号送入控制器，控制器根据构建的负 荷电压和功率、电网电压、电网中输电线阻抗、变压器阻抗、风力发电场输出的无功功率、有 功功率之间的数学关系模型进行信号处理，并发出控制指令，对矩阵变频器及其他执行机 构进行控制，从而实现无刷风力发电机输出电压、频率和无功功率控制，稳定风电场接入点 局部电网电压和近风电场变化负荷电压，实现并网均衡控制。
[0034] 对于矩阵变频器，设其输入端所接三相电网相电压最大值为Uim，频率为U i,则其 输入三相电压uu、uv、1^分别为
[0035] Uu=Uim COS CO it
【主权项】
1. 一种无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其特征是采用均衡控制技术对风力发电 系统、电网和负荷S方进行均衡，具体是；根据风力的变化和负荷大小，调节无刷双馈风力 发电系统发出的无功功率的大小，从而稳定负荷的电压及电网电压，实现电网、负荷和风力 发电系统之间的供用电平衡，实现均衡控制。
2. 根据权利要求1所述的无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其特征是采用包括W 下步骤的方法： (1) 构建无刷双馈风力发电并网系统： 将风力机通过齿轮箱连接到无刷双馈发电机转子，无刷双馈发电机定子绕组中的功率 绕组通过变压器连接到电网，定子绕组中的控制绕组连接到矩阵变频器输出端，矩阵变频 器输入端通过变压器与电网相连，控制器与矩阵变频器及风力机相连，由此而构建无刷双 馈风力发电并网系统； (2) 利用步骤（1)建立的无刷双馈风力发电并网系统，负荷连接在电网和风力发电场 之间，并靠近风力发电场； (3) 利用步骤（1)建立的无刷双馈风力发电并网系统，通过传感器采集到并网处的电 压、电流、频率信号、风速、风轮转速和风向数据信号、负荷处电压信号，将该些信号送入控 制器，控制器通过信号处理发出控制指令，对矩阵变频器及其他执行机构进行控制，从而控 制无刷双馈风力发电机转速和输出功率，从而稳定负荷的电压及电网电压，实现电网、负荷 和风力发电系统之间的供用电平衡，实现均衡控制。
3. 根据权利要求2所述的无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其特征是采用无刷双 馈发电机，它有两套定子绕组和一套转子绕组，其中一套定子绕组称为功率绕组，另一套定 子绕组称为控制绕组。
4. 根据权利要求2所述的无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其特征是采用矩阵变 频器对无刷双馈发电机控制绕组进行励磁控制。
5. 根据权利要求2所述的无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，其特征是采用均衡控 制技术，根据风力的变化和负荷大小，调节无刷双馈风力发电系统发出的无功功率的大小， 从而稳定负荷的电压及电网电压，实现电网、负荷和风力发电系统之间的供用电平衡，实现 均衡控制。
6. 权利要求1至5中任一权利要求所述无刷双馈风力发电并网均衡控制方法的用途， 其特征是：在无刷双馈风力发电并网中的应用。
【专利摘要】本发明公开了一种无刷双馈风力发电并网均衡控制方法，该方法采用均衡控制技术对风力发电系统、电网和负荷三方进行均衡，具体是：根据风力的变化和负荷大小，调节无刷双馈风力发电系统发出的无功功率的大小，从而稳定负荷的电压及电网电压，实现电网、负荷和风力发电系统之间的供用电平衡，实现均衡控制。本发明能稳定风力发电系统附近变化负荷电压，使风电场发出的电能及时消纳。
【IPC分类】H02J3-38, H02P9-14
【公开号】CN104600745
【申请号】CN201510010092
【发明人】肖义平, 王雪帆, 席自强, 方娜, 李新华, 蔡华锋, 陈俊, 钟丹
【申请人】湖北工业大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月9日