直驱风力发电机组频率穿越方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种直驱风力发电机组频率穿越方法和装 置。
【背景技术】
[0002] 随着风电装机容量的增加，尤其是风电的大规模集中接入电网，极大改变了风电 在电力系统中的作用和地位。风电与电网的相互影响已变得不容忽略，在电网故障情况下 的风力发电设备的响应特性及其对电网的影响更是不可忽视。
[0003] 在实际电力系统运行实践中，电网故障会导致风电场并网点电压和频率发生变 化。其中，针对频率的变化的影响存在如下两种情况：
[0004] 在电力系统运行过程中，若某一个大电源突然退出运行，则会导致电网频率的急 剧下降;若某一个大负荷突然退出运行，则会导致电网频率的急剧上升。
[0005] 对于直驱风力发电机组(简称"风电机组"）而言，因变桨系统只在风速大于额定风 速时才开始工作（用于叶轮转速和输出功率的限制），因此直驱风电机组的变桨系统很难在 电网频率突然异常时向电网提供有力的有功功率支撑。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例提供一种风力发电机组频率穿越方法和装置，以实现在电网频率 出现异常时，控制风电机组向电网提供有力的有功功率支撑，完成风电机组的频率穿越过 程。
[0007] 为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种直驱风力发电机组频率穿越方法， 包括:实时检测电网的频率;若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制 设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整所述逆变器输出至电网的有功功率，使电 网的频率回归预定频率范围。
[0008] 本发明的实施例还提供了一种直驱风力发电机组频率穿越装置，包括:控制器和 设置在直流母线上的储能模块，所述控制器包括:频率检测模块，用于实时检测电网的频 率;频率调节模块，用于若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置 在直流母线上的储能模块进行充放电来调整所述逆变器输出至电网的有功功率，使电网的 频率回归预定频率范围。
[0009] 本发明实施例提供的直驱风力发电机组频率穿越方法和装置，通过在直流母线上 设置储能模块，根据实时检测电网的频率值调整储能模块进行充放电从而调整逆变器输出 至电网的有功功率，进而使电网的频率回归预定的正常频率范围。本方案不仅可以实现风 电机组的频率穿越过程，而且利用储能模块的充放电主动调整了风电机组输出至电网的有 功功率，对维护电网频率的正常稳定起到支撑作用。
【附图说明】
[0010] 图1为现有技术中直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意图；
[0011] 图2为图1中直驱风力发电机组主回路在频率穿越运行期间的功率平衡关系示意 图；
[0012] 图3为本发明提供的包含储能模块的直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意 图；
[0013] 图4为图3中直驱风力发电机组主回路在频率穿越运行期间的功率平衡关系示意 图；
[0014] 图5为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法一个实施例的方法流程图；
[0015] 图6为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法另一个实施例的方法流程 图；
[0016] 图7为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法又一个实施例的方法流程 图；
[0017] 图8为本发明采用的直驱风电机组频率穿越控制示意图；
[0018] 图9为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法再一个实施例的方法流程 图；
[0019] 图10为本发明提供的针对储能模块进行储能控制的方法流程图；
[0020] 图11为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越装置一个实施例的结构框图；
[0021] 图12为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越装置另一个实施例的结构框图； [0022]图13为本发明提供的充电调节单元的结构框图；
[0023]图14为本发明提供的放电调节单元的结构框图；
[0024]图15为本发明提供的储能调控装置实施例的结构框图。
[0025] 附图标号说明
[0026] 11-叶轮、12-永磁同步发电机、13-整流器、14-直流侧稳压与能耗电路、15-直流侧 母线电容、16-直流侧卸荷电阻、17-卸荷电阻前置IGBT模块、18-逆变器、19-滤波电感、20-电网、21-辅助电源、22-储能元件、23-IGBT控制开关、31-控制器、32-储能模块、311-频率检 测模块、312-频率调节模块、33-储能电量监测模块，34-储能电量控制模块、41-充电调节单 元、42-放电调节单元、51-第一实测功率子单元、52-第一直流电压给定子单元、53-充电电 流给定子单元、54-充电控制脉冲信号子单元、55-充电控制子单元、61-第二实测功率子单 元、62-第二直流电压给定子单元、63-放电电流给定子单元、64-放电控制脉冲信号子单元、 65-放电控制子单元。
【具体实施方式】
[0027] 在电力系统中，频率的变化取决于电源输出有功和负荷消耗有功的平衡度。从电 源角度而言，当电网频率降低时需要增加电源的输出功率；当电网频率增加时需要降低电 源输出功率。反之，从负荷角度而言，当电网频率降低时需要减少负荷；当电网频率增加时 需要增加负荷。这样才可以保证电力系统以额定频率正常连续运行。
[0028] 图1为现有技术中直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意图。如图1所示，叶轮 11直接驱动永磁同步发电机12运行;永磁同步发电机12输出端连接发电机侧的整流器13， 整流器13、直流侧稳压与能耗电路14(包括直流侧母线电容15、直流侧卸荷电阻16和卸荷电 阻前置IGBT模块17)、电网侧逆变器18组成了全功率变流器，逆变器18输出端与滤波电感19 相连，滤波电感19输出端并入电网20;图1中还包括连接在电网侧的辅助电源21。
[0029]基于图1的风电机组主回路结构，图2中示出了直驱风力发电机组主回路在频率穿 越运行期间的功率平衡关系示意图。如图2所示，按照有功功率的流向有:发电机的输出有 功功率Pgen =直流母线有功功率Pdc =逆变器输出至电网的有功功率?#^，最终使得:Pgen = Pgrid(在忽略变流器损耗的条件下）。
[0030]本发明的最终目的是:使风电机组能够在异常的电网频率下保持连续联网运行， 且参与电网频率的紧急调节，实现风电机组的频率穿越功能。
[0031]基于该目的，如图3所示，本方案实施例在图1所示拓扑结构的基础上，在逆变器的 直流侧增设了可进行充放电的储能模块。该储能装置包括储能元件22(如超级电容)和两个 IGBT控制开关23。IGBT控制开关23通过接收外部的控制脉冲信号控制储能元件22进行充放 电。如图4所示，为本方案实施例在图3所示拓扑结构的基础上，示出的直驱风力发电机组主 回路在频率穿越运行期间的功率平衡关系示意图。相应的，在储能元件22进行充电时，汲取 直流母线上的电量从而减少了逆变器18输出至电网的有功功率;在储能元件22进行放电 时，向直流母线上释放电量从而增加了逆变器18输出至电网的有功功率。储能元件22在充 放电过程中对应的功率为Pst。。按照有功功率的流向有:发电机的输出有功功率Pgen+功率 Pst。=逆变器输出至电网的有功功率Pgrid，最终使得:Pgen+Pst。=Pgrid。具体地，当储能元件22 进行充电过程时Pst。取负值，当储能元件22进行放电过程时Pst。取正值。
[0032]本发明的基本思路是：当电网频率突变时，充分发挥以直流方式接入的储能装置 22,通过如超级电容的快速充放电特性，在不依赖风况的条件下快速调节风电机组中逆变 器输出至电网的有功功率，进而实现风电机组的频率穿越功能，且提供对电网频率紧急调 节的支撑作用。
[0033]以下将结合附图对本方案中的直驱风力发电机组频率穿越方法和装置进行详细 说明。
[0034]实施例一
[0035]图5为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法一个实施例的方法流程图。[0036] S510,实时检测电网的频率。
[0037] S520,若电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上 的储能模块进行充放电来调整所述逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定 频率范围。
[0038]根据表1中，国标GB/T19963-2011关于风电运行频率适应性的技术要求所示:在 电力系统频率处于49.5Hz~50.2Hz，风电机组为正常连续运行，而当小于49.5Hz或大于 50.2Hz时要求风电机组具有运行固定时间段的能力。该固定时间段即为