风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法.pdf

本发明提供一种风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，基于背靠背电压或电流型并网变流器，电机侧变流器检测中间直流电压的大小，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值。通过电机侧变流器和网侧变流器的协调控制实现剩余能量的转移，无需外加电阻等元件消耗剩余能量，保证风力发电机组在接入点电网电压跌落期间不脱网运行。提高机组效率，减小能量损失，简化系统结构，减小装置体积、增强结构紧凑型、降低装置成本。

1、  风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，采用电压型并网变流器，其特征是，包括以下步骤，
(1)电机侧变流器检测中间直流电压的大小，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值，
(2)电压调节器输出风力发电机转矩指令值，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值，
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，得到有功功率指令值，
(4)有功功率指令值与实际功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值。

2、  风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，采用电流型并网变流器，其特征是，包括以下步骤，
(1)电机侧变流器检测中间直流电流的大小，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电流指令值，
(2)电流调节器输出风力发电机转矩指令值，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值，
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，得到有功功率指令值，
(4)有功功率指令值与实际功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值。

3、  根据权利要求1或2所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述并网变流器在电网电压跌落期间，根据电网调度给定的无功功率指令值，与实际无功功率反馈比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网的无功功率跟随无功功率指令值，实现对电网进行无功补偿，帮助电网电压更快恢复正常。

4、  根据权利要求3所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，有功功率指令值和无功功率指令值以功率值或者有功功率电流值或无功功率电流值形式给出。

5、  根据权利要求1或2所述的本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，转矩指令值以转矩值或者转矩电流值形式给出。

6、  根据权利要求1或2所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，单位功率因数并网，无功功率指令设置为零。

风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组的并网方法，尤其涉及一种风力发电机组并网变流器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增加，风电在电力系统中的地位发生了转变。风电装机容量较小时，风电场的运行对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，风电场的运行对系统稳定性的影响变得不容忽视。世界各国电力系统对风电场接入电网时的要求越来越严格，各国电网公司都相继对风电场/风力发电机组的并网提出了更严格的技术要求，包括低电压穿越能力、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力发电机组设计控制技术的最大挑战。
风力发电机组的低电压穿越能力是指其在端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可为系统提供一定无功支持以帮助系统恢复电压的能力。以德国E.ON公司为例，该公司要求当端电压跌至额定电压的15％时，风力发电机组能够维持运行625ms，当风力发电机组端电压在其额定电压的90％及以上时风力发电机组能够持续运行。
对于风力发电机组变流器来说，通常采用电机侧变流器控制电机转速，网侧变流器控制中间直流电压的控制方案。当电网电压突降时，电机转速由于惯性来不及调节，此时网侧变流器即使以最大电流并网，由于网压的下降也无法实现功率平衡，因此必然造成中间直流电压的泵升，最终导致变流器开关器件的损坏。目前常采用基于制动电阻的低电压穿越技术，将由电网电压降低导致的剩余能量消耗在制动电阻上，实现系统的功率平衡。该技术虽然简单可靠，但一方面降低了系统效率，同时需要增加元器件数目，系统的硬件成本、体积重量都相应增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无需使用电阻等元件消耗剩余能量，从而使风力发电机组效率进一步提高，并能简化结构设计，降低装置的体积和成本的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法。
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，采用电压型并网变流器，包括以下步骤，
(1)电机侧变流器检测中间直流电压的大小，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值；
(2)电压调节器输出风力发电机转矩指令值，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值；
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，得到有功功率指令值；
(4)有功功率指令值与实际功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值。
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，采用电流型并网变流器，包括以下步骤，
(1)电机侧变流器检测中间直流电流的大小，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电流指令值；
(2)电流调节器输出风力发电机转矩指令值，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值；
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，得到有功功率指令值；
(4)有功功率指令值与实际功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值。
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，所述并网变流器在电网电压跌落期间，根据电网调度给定的无功功率指令值，与实际无功功率反馈比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网的无功功率跟随无功功率指令值，实现对电网进行无功补偿，帮助电网电压更快恢复正常。
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，有功功率指令值和无功功率指令值可以以功率值或者有功功率电流值或无功功率电流值形式给出。
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，转矩指令值可以以转矩值或者转矩电流值形式给出。
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，在单位功率因数并网时，无功功率指令设置为零。
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，通过电机侧变流器和网侧变流器的协调控制实现剩余能量的转移，无需外加电阻等元件消耗剩余能量，保证风力发电机组在接入点电网电压跌落期间不脱网运行。提高机组效率，减小能量损失，简化系统结构，减小装置体积、增强结构紧凑型、降低装置成本。
附图说明
图1是基于背靠背电压型变流器的风力发电机组并网变流器的主电路图；
图2是本发明风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法的电机侧变流器的控制原理图；
图3是本发明风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法的网侧变流器的控制原理图；
图4是基于背靠背电流型变流器的风力发电机组并网变流器的主电路图；
图5是本发明风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法的电机侧变流器的控制原理图。
具体实施方案
实施例1
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，在电网电压跌落时，并网变流器输入功率来不及变化，而并网功率随电网电压降低而减小，并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量累加在中间直流环节电容上，造成中间直流电压上升。
(1)电机侧变流器检测到中间直流电压上升，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值。
(2)电压调节器输出风力发电机转矩指令值下降，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值下降，根据电机转矩平衡方程式，此时风力发电机转速升高，即将剩余电能转移到风力发电机转子中，作为动能储存起来，避免中间直流电压的上升。
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，随着风力发电机转速的上升，得到有功功率指令值增大。
(4)有功功率指令值与实际功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值增大，输出有功功率增加。从而减小并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量。
电网电压恢复后，并网功率立即上升，造成中间直流电压下降。
(1)电机侧变流器检测到中间直流电压下降，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值。
(2)电压调节器输出风力发电机转矩指令值上升，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值上升，根据电机转矩平衡方程式，此时风力发电机转速降低，将储存的动能又转变为电能回馈电网。
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，随着风力发电机转速的降低，得到有功功率指令值减小。
(4)有功功率指令值与实际有功功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值减小，输出有功功率减小。从而减小了并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量。
至此，低电压期间的一个调节过程结束。
实施例2
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，所述并网变流器在电网电压跌落期间，根据电网调度给定的无功功率指令值，实现对电网进行无功补偿，帮助电网电压更快恢复正常，
电网电压跌落时，并网变流器输入功率来不及变化，而并网功率随电网电压降低而减小，并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量累加在中间直流环节电容上，造成中间直流电压上升。
(1)电机侧变流器检测到中间直流电压上升，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值。
(2)电压调节器输出风力发电机转矩指令值下降，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值下降，根据电机转矩平衡方程式，此时风力发电机转速升高，即将剩余电能转移到风力发电机转子中，作为动能储存起来，避免中间直流电压的上升。
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，随着风力发电机转速的上升，得到有功功率指令值增大。
(4)有功功率指令值与实际有功功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值增大，输出有功功率增加。从而减小了并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量。
(5)根据电网调度给定的无功功率指令值，与实际无功功率反馈值比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网无功功率跟随无功功率指令值，发出一定的无功功率，对电网进行无功功率补偿。从而帮助电网更快恢复正常。
电网电压恢复后，并网功率立即上升，造成中间直流电压下降。
(1)电机侧变流器检测到中间直流电压下降，得到中间直流电压反馈值，与中间直流电压指令值比较，其差值输入电压调节器，电压调节器控制中间直流电压跟随中间直流电压指令值。
(2)电压调节器输出风力发电机转矩指令值上升，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值上升，根据电机转矩平衡方程式，此时风力发电机转速降低，将储存的动能又转变为电能回馈电网。
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，随着风力发电机转速的降低，得到有功功率指令值减小。
(4)有功功率指令值与实际功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值减小，输出有功功率减小。从而减小了并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量。
(5)根据电网调度给定的无功功率指令值，与实际无功功率反馈值比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网无功功率跟随无功功率指令值，发出一定的无功功率，对电网进行无功功率补偿。当无功功率指令值为0时，并网无功功率跟随无功功率指令值也为0，从而实现单位功率因数并网。
至此，低电压期间的一个调节过程结束。
实施例3
本发明所述的风力发电机组并网变流器低电压穿越控制方法，所述并网变流器在电网电压跌落期间，根据电网调度给定的无功功率指令值，实现对电网进行无功补偿，帮助电网电压更快恢复正常。
电网电压跌落时，并网变流器输入功率来不及变化，而并网功率随电网电压降低而减小，并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量累加在中间直流环节电感上，造成中间直流电流上升。
(1)电机侧变流器检测到中间直流电流上升，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电流指令值。
(2)电流调节器输出风力发电机转矩指令值下降，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值下降，根据电机转矩平衡方程式，此时风力发电机转速升高，即将剩余电能转移到风力发电机转子中，作为动能储存起来，避免中间直流电流的上升。
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，随着风力发电机转速的上升，得到有功功率指令值增大。
(4)有功功率指令值与实际有功功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值增大，输出有功功率增加。从而减小了并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量。
(5)根据电网调度给定的无功功率指令值，与实际无功功率反馈值比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网无功功率跟随无功功率指令值，发出一定的无功功率，对电网进行无功功率补偿。从而帮助电网更快恢复正常。
电网电压恢复后，并网功率立即上升，造成中间直流电流下降。
(1)电机侧变流器检测到中间直流电流下降，得到中间直流电流反馈值，与中间直流电流指令值比较，其差值输入电流调节器，电流调节器控制中间直流电流跟随中间直流电流指令值。
(2)电流调节器输出风力发电机转矩指令值上升，与实际转矩反馈值比较，其差值输入转矩调节器，转矩调节器控制实际转矩跟随转矩指令值上升，根据电机转矩平衡方程式，此时风力发电机转速降低，将储存的动能又转变为电能回馈电网。
(3)根据风力发电机的转速和风能最大功率跟踪原理，随着风力发电机转速的降低，得到有功功率指令值减小。
(4)有功功率指令值与实际功率反馈值比较，差值输入有功功率调节器，有功功率调节器控制网侧变流器，使并网有功功率跟随有功功率指令值减小，输出有功功率减小。从而减小了并网变流器输入输出功率不平衡而产生剩余能量。
(5)根据电网调度给定的无功功率指令值，与实际无功功率反馈值比较，差值输入无功功率调节器，无功功率调节器控制网侧变流器，使并网无功功率跟随无功功率指令值，发出一定的无功功率，对电网进行无功功率补偿。当无功功率指令值为0时，并网无功功率跟随无功功率指令值也为0，从而实现单位功率因数并网。
至此，低电压期间的一个调节过程结束。