一种实现低电压穿越的永磁直驱同步风力发电机组及其协调控制策略的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风能发电技术领域，尤其是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略。
【背景技术】
[0002]风力发电作为一种重要的新能源发电方式，在中国快速发展。2014年，全国(除台湾地区外)新增装机容量23196MW，同比增长44.2%。随着风力发电在电网供电中所占比例的提升，由于电网故障或扰动引起电网电压跌落而造成的风力机脱网事故频繁发生。因此，研究风电机组的低电压穿越能力具有非常重要的现实意义。
[0003]典型的永磁直驱风机系统主要由风力机、永磁发电机、电机侧变流器、直流电容、电网侧变流器、变压器及控制系统等构成。大量的永磁直驱机组接入电网后，如果不具备低电压穿越能力，当电网发生故障时，机组将大面积脱网，从而对电网的稳定性造成巨大影响。风力机用来捕获风能，它决定整个风力发电系统装置功率的输出。正常情况下，风力机捕获的风能和变流器向电网输送的电能相等，即1与i g相等。此时，电容的充放电流i d。为0，电容端电压的变化率为0，这时电容端电压为一固定值。电网发生故障时，变流器向电网输送功率的能力大幅减少，但由于电机侧变流器控制的独立性，电机侧变流器输入功率Ps仍将保持相对固定，这样电机侧变流器多余的输入能量将滞留在机组内部并对直流电容充电，导致电容端电压激增。因此，有必要采用适当的控制策略，减少机组在电网故障时承受的不平衡能量，以提高PMSG的低电压穿越能力。
[0004]经对现有技术文献的检索发现，AdvancedFault Ride-Through Technique forPMSGffind Turbine Systems Using Line-Side Converter as STATCOM(Nguyen T H, LeeD.，‘‘AAdvanced Fault Ride-Through Technique for PMSG Wind Turbine Systems UsingLine-Side Converter as STATC0M，，，Industrial Electronics, IEEE Transact1nson 2012, 60 (7): 2842-2850)通过在永磁直驱机组中加入卸荷电阻或储能元件来保证机组实现低电压穿越，但外加硬件设备会增加系统成本和维护难度。:Coordinatedcontrol for active and reactive power ofPMSG-based wind turbine to enhancethe LVRT capability(Dong S, Wang Y, Li H.，“Coordinated control for active andreactive power ofPMSG-based wind turbine to enhance the LVRT capability，，，Electrical Machines and Systems(ICEMS),2012 15th Internat1nal Conferenceon, Sapporo, 2012.1EEE.)通过在电网故障时限制直驱电机的电磁功率来限制输入至直流侧电容和电网侧变流器的功率，该方案改进了传统PMSG变流器的控制策略，避免了增加多余的硬件保护装置，但其并未限制风机在电网故障期间捕获风能的能力，因而不能有效地减轻机组低电压穿越负担。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略，充分使用永磁直驱风机自身可用的控制手段，能够有效提高永磁直驱风机在全风域范围内的低电压穿越能力。
[0006]本发明的目的通过如下技术方案实现:
[0007]一种实现低电压穿越的永磁直驱同步风力发电机组，其特征在于，永磁直驱同步风力发电机组包括风力机、永磁发电机、电机侧变流器、直流电容、电网侧变流器、变压器及控制系统，所述风力机与所述永磁直驱同步发电机的转子相连，所述永磁直驱同步发电机的定子依次经过所述电机侧变流器、直流电容以及电网侧变流器连接到所述变压器，所述变压器并入电网。
[0008]所述控制系统包括桨距角控制系统、电机侧变流器控制系统以及电网侧变流器控制系统，所述桨距角控制系统作用于风力机，所述电机侧变流器控制系统作用于电机侧变流器，所述电网侧变流器控制系统作用于电网侧变流器。
[0009]一种实现低电压穿越的永磁直驱同步风力发电机组的协调控制策略，其特征在于，所述控制策略包括以下步骤:
[0010]步骤S1，检测当前电网电压幅值，若电压幅值跌落至90%以下时即判定电网处于故障状态；
[0011]步骤S2，根据步骤1判定的电网状态，桨距角控制系统选择工作模式；
[0012]步骤S3，根据步骤1判定的电网状态，电机侧变流器控制系统选择工作模式；
[0013]步骤S4，根据步骤1判定的电网状态，电网侧变流器控制系统选择工作模式。
[0014]所述步骤S2包括:
[0015]步骤S21，当电网正常时，桨距角控制系统以发电机转速为输入信号，当发电机转速超过给定转速最大值ω 时，桨距角控制系统工作通过增大桨距角β，以减少风力机出力；
[0016]步骤S22，当电网故障时，桨距角的参考值改由电网容许下限参考值Ugraf控制，当检测到电网电压幅值跌落至90%以下时，桨距角控制系统开始工作，桨距角迅速增大。
[0017]所述步骤S3包括:
[0018]步骤S31，电网正常时，发电机转子速度参考值由风能最大功率跟踪算法得至IJ，通过与实际发电机转速比较，得到的转速差经过比例积分控制器得到有功电流参考值isqraf，进而控制发电机的输出功率；
[0019]步骤S32，电网故障时，直流电容端电压改由电机侧变流器控制；检测直流电容端电压Udc，若其高于额定值UdCTrf时，控制系统动作，避免直流电容过电压。
[0020]所述步骤S4包括:
[0021]步骤S41，电网正常时，电网侧变流器采用电压外环、电流内环的控制结构，电压外环保持直流电容端电压稳定，电流内环实现控制系统高性能的稳态运行和快速动态响应；
[0022]步骤S42，电网故障时，控制系统动作，使电网侧变流器发出一定的无功功率以帮助电网电压的恢复。
[0023]本发明有益效果:本发明提供的控制策略不用附加任何硬件，充分使用永磁直驱风机自身可用的控制手段，能够有效提高永磁直驱风机在全风域范围内的低电压穿越能力。
【附图说明】
[0024]图1是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略的永磁直驱风机结构图；
[0025]图2是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略的桨距角控制系统结构图。
[0026]图3是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略的电机侧变流器的控制结构图。
[0027]图4是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略的电网侧变流器的控制结构图。
[0028]图5是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略在电网电压发生跌落故障时的发电机转速图。
[0029]图6是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略在电网电压发生跌落故障时的直流电容母线电压图。
[0030]图7是一种实现永磁直驱同步风力发电机组低电压穿越的协调控制策略在电网电压发生跌落故障时的电网侧电流图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式