CN101950973A - 双馈风力发电机组控制***及稳定控制方法 - Google Patents

双馈风力发电机组控制***及稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双馈风力发电机组控制***及稳定控制方法，在双馈电机背靠背变流器直流侧加储能电池，直流侧储能电池通过双向DC/DC电池侧变流器连接到直流母线电容器，通过第三控制电路控制电池变流器实现储能电池的充放电。使电池既可以发送有功功率，又可以在必要条件下吸收有功功率，故障时可以把多余的能量储存在储能电池中。为风电发电低电压穿越提供保障，提高双馈风力发电机变流器直流侧电压的安全稳定性。进一步促进了风力发电更好的发展。

Description

双馈风力发电机组控制***及稳定控制方法
技术领域
本发明涉及一种动力发电控制技术，特别涉及一种双馈风力发电机组控制***及稳定控制方法。
背景技术
近年来风力发电占供电比重增长迅速，双馈感应发电机(doubly fed induction generator，DFIG)具有有功、无功功率独立调节的能力及励磁变频器所需容量小等优点，在风力发电***中得到了广泛应用。随着风力机组容量的不断增大,风力机组与电网之间的相互影响便显得十分重要了，一旦电网发生故障,风力发电机组脱网，风电机在故障期间不能维持电网的电压和频率,这对***的稳定性很不利，电网安全运行准则要求风力发电机组具有一定的低电压运行能力。
DFIG在电网电压瞬间跌落的情况下,定子磁链不能跟随电压突变,会产生直流分量。由于积分量的减小,电子磁链几乎不发生变化,而转子继续旋转,产生较大的滑差,这样便会引起转子回路的过压、过流。过压会损坏发电机的转子绕组，而过流会损害变流器；此时，网侧变流器输出受到限制，能量在直流侧积累会造成直流侧电压升高会导致直流侧电压升高、机侧变流器的电流以及有功、无功都会产生振荡，很可能会烧毁直流电容。为了保护直流侧电容、转子侧的变流器以及稳定机端电压、有功、无功采用过压、过流保护措施势在必行。
发明内容
本发明是针对电网发生故障,风力发电机组脱网，风力发电机组在低电压运行时***不稳定的问题，提出了一种双馈风力发电机组控制***及稳定控制方法，保护风力发电机在电网故障状况下的直流侧电容，提高双馈风力发电机变流器直流侧电压的安全稳定性，保护了网侧变流器。
本发明的技术方案为：一种双馈风力发电机组控制***，电网通过第二变压器，一路直接进发电机，一路依次通过第一变压器、网侧变流器、转子侧变流器到发电机，发电机输出到齿轮箱驱动风力机，网侧变流器与转子侧变流器之间并联直流母线电容器，Crowbar保护电路串联第一控制电路接转子侧变流器，第二控制电路接网侧变流器，直流侧储能电池通过双向DC/DC电池侧变流器连接到直流母线电容器，通过第三控制电路控制电池变流器实现储能电池的充放电。
所述第三控制电路包括直流电压控制器、电流控制器和PWM控制器，直流电压控制器采集外部电压信号输出作为参考电压输入电流控制器，电池电流信号同时输入电流控制器，两信号在电流控制器内部比较处理后输出，在经PWM控制器后产生电池侧变流器的脉冲控制信号。
一种双馈风力发电机组稳定控制方法，包括双馈风力发电机组控制***，稳定控制方法具体包括如下步骤：
1）、检测双馈电机转子侧电流Irabc及直流侧电压Vdc；
2）、当双馈电机端电压Vgabc跌落时，检测单元检测到电机转子电流Irabc过流，一般设定过流限值为1.5Irabc，则投入crowbar保护电路，双馈电机以鼠笼式电机方式运行。
3）、检测到直流侧电压Vdc，一般设定过压限值为1.2Vdc，过电压时，则储能电池充电。
4）、当检测到转子电流Irabc回落到过流限值1.5Irabc以下时，退出crowbar保护电路。
5）、当检测到负荷需求大于风电有功输出时，一般设定大于1.05Pout，储能电池放电。
本发明的有益效果在于：本发明双馈风力发电机组控制***及稳定控制方法，可以在电网发生故障时,风力发电机组不脱网运行，保护风力发电机直流侧电容，提高双馈风力发电机变流器直流侧电压的安全稳定性，为风电发电低电压穿越提供保障，进一步促进风力发电更好的发展。
附图说明
图1为本发明双馈风力发电机组控制结构框图；
图2为本发明双馈风力发电机组变流器直流环节储能元件的控制原理图。
具体实施方式
带有crowbar保护控制电路、直流侧储能电池及控制电路的双馈风力发电机组结构框图如图1所示，电网通过第二变压器4，一路直接进发电机3，一路依次通过第一变压器7、网侧变流器6、转子侧变流器5到发电机3，发电机3输出到齿轮箱2驱动风力机1，网侧变流器6与转子侧变流器5之间并联直流母线电容器14，Crowbar保护电路13串联第一控制电路12接转子侧变流器5，第二控制电路8接网侧变流器6，直流侧储能电池9通过双向DC/DC电池侧变流器11连接到直流母线电容器14，通过控制变流器11可实现储能电池9的充放电。
在双馈电机背靠背变流器直流侧加储能电池9及双向DC/DC电池侧变流器11的硬件电路下，提出储能电池9的控制方法，使电池既可以发送有功功率，又可以在必要条件下吸收有功功率，故障时可以把多余的能量储存在储能电池9中。
电池侧变流器11的数学模型：储能电池9双向DC/DC变流器11连接在储能电池9和直流电容14之间，用来支撑直流侧电压Vdc，根据基尔霍夫电压和节点电流方程可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，,
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
分别是流入转子侧变流器5和电网侧变流器6中的电流， 是电池侧变流器11的占空比，和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别是连接到电池侧的电阻和电感。
在稳定状态，由于直流母线电压Vdc控制在预定的参考值，转子侧、网侧和电池侧变流器之间的功率流动可以是平衡的。因此，流过直流电容器电流为零。一旦发生扰动，这种平衡将被破坏，使直流电压产生波动。这种波动可以通过电池充电或放电来抑制。
储能电池9的数学模型：电池9的输出电压及电流与电池的充电状态（soc）有关，可以看做是一个非线性电压源，电池的充电状态是电流和时间的非线性函数，其数学表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
这里
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是电池的内阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是开路电压（V），k是极化电压（V），Q是电池容量（Ah），A是指数电压（V），B是指数容量（Ah）。如果
Figure DEST_PATH_IMAGE022
是正的，该电池工作在放电状态，如果是负的则电池工作在充电状态。
电池侧变流器11的控制方法：电池侧变流器11的控制原理图如图2所示,电池侧变流器11的目的是维持直流母线电压的稳定，假设忽略变流器的功率损耗和开关动作引起的损耗，可以得到下边的关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
方程表示，直流电压Vdc和电池电流ib的传递函数是一个一阶线性***。因此，可以用级联控制策略控制电池侧变流器11。外部调节回路由直流电压控制器V组成，用来维持故障条件下直流电压稳定。直流电压控制器的输出作为内部电流控制器I的参考电流
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。内部电流调节器I的作用是使电池电流ib跟随外部电压控制器V所产生的参考电流
Figure DEST_PATH_IMAGE028
,调节器I输出PWM脉冲用以控制电池侧变流器11，从而可以控制储能电池9的充放电。当***发生短路故障时，网侧变流器输出受到限制，能量在直流侧积累会造成直流侧电压升高导致直流侧电压升高，当直流侧电压Vdc大于
Figure DEST_PATH_IMAGE030
（本发明设定过压限值为1.2Vdc）时，直流电压控制器V产生大于ib的参考电流
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，经过内部电流控制器I控制后的信号再经PWM控制后可产生电池侧变流器的脉冲控制信号，此时ib为负值，电池充电，电池储存的能量可降低直流电容处的电压；电池充电直到Vdc值回落到
Figure DEST_PATH_IMAGE034
值以下，此时
Figure 163444DEST_PATH_IMAGE032
值小于ib值，经过内部电流控制器I控制及PWM脉冲控制后，电池放电，直到电池放电完毕，此时ib为正值；当负荷需求大于风电有功输出时（大于1.05Pout），直流电压Vdc小于
Figure 943181DEST_PATH_IMAGE030
，亦可实现此电池放电过程。
用于电网故障后稳定控制的控制方法总结为：
1、检测双馈电机转子侧电流Irabc及直流侧电压Vdc；
2、当双馈电机端电压Vgabc跌落时，检测单元检测到电机转子电流Irabc过流，一般设定过流限值为1.5Irabc，则投入crowbar保护电路13，双馈电机以鼠笼式电机方式运行。
3、检测到直流侧电压Vdc，一般设定过压限值为1.2Vdc，过电压时，则储能电池9充电。
4、当检测到转子电流Irabc回落到过流限值1.5Irabc以下时，退出crowbar保护电路13。
5、当检测到负荷需求大于风电有功输出时，一般设定大于1.05Pout，储能电池9放电。

Claims (3)

1.一种双馈风力发电机组控制***，电网通过第二变压器（4），一路直接进发电机（3），一路依次通过第一变压器（7）、网侧变流器（6）、转子侧变流器（5）到发电机（3），发电机（3）输出到齿轮箱（2）驱动风力机（1），网侧变流器（6）与转子侧变流器（5）之间并联直流母线电容器（14），Crowbar保护电路（13）串联第一控制电路（12）接转子侧变流器（5），第二控制电路（8）接网侧变流器（6），其特征在于，直流侧储能电池（9）通过双向DC/DC电池侧变流器（11）连接到直流母线电容器(14)，通过第三控制电路（10）控制电池变流器(11)实现储能电池（9）的充放电。
2.根据权利要求1所述双馈风力发电机组控制***，其特征在于，所述第三控制电路（10）包括直流电压控制器、电流控制器和PWM控制器，直流电压控制器采集外部电压信号输出作为参考电压输入电流控制器，电池电流信号同时输入电流控制器，两信号在电流控制器内部比较处理后输出，在经PWM控制器后产生电池侧变流器（11）的脉冲控制信号。
3.一种双馈风力发电机组稳定控制方法，包括双馈风力发电机组控制***，其特征在于，稳定控制方法具体包括如下步骤：
1）、检测双馈电机转子侧电流Irabc及直流侧电压Vdc；
2）、当双馈电机端电压Vgabc跌落时，检测单元检测到电机转子电流Irabc过流，一般设定过流限值为1.5Irabc，则投入crowbar保护电路（13），双馈电机以鼠笼式电机方式运行；
3）、检测到直流侧电压Vdc，一般设定过压限值为1.2Vdc，过电压时，则储能电池（9）充电；
4）、当检测到转子电流Irabc回落到过流限值1.5Irabc以下时，退出crowbar保护电路（13）；
5）、当检测到负荷需求大于风电有功输出时，一般设定大于1.05Pout，储能电池（9）放电。
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