CN103475034B - 基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风力发电技术领域的控制***及控制方法，具体涉及一种基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***及控制方法。该***包括永磁风力发电机、二极管整流器、电流源型直流变换器和电流源型逆变器；每个风机单位通过直流变换器并联在同一条直流母线线路，所收集的直流功率通过电流源型逆变器逆变上网。DC-Chopper控制***并联安装在直流变换器的输入侧。该协调控制方法联合桨距控制、风机最大功率控制、直流侧电压控制和DC-Chopper控制。风电场通过协调控制方法实现自我调节来应对电网对风电场的功率需求。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域的控制***及控制方法，具体涉及一种基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***及控制方法。
背景技术
一般来说，风电场风力发电机常常运行在最优功率曲线来实现最大功率追踪。随着控制技术的发展，电网对风电场的发电特性提出来更高的要求，其希望风电场的发电特性更接近于传统的火电厂。风力发电机中叶片中储存的旋转动能只能短时间支持发电控制.。由于风速和功率系数的影响，风力发电机所能提供的最大输出功率是有限的。因此当风电场与电网连接点出的频率下降时，风电场不能够长期提供频率控制。
相反，当电网功率需求减少时，电源需要减少功率输出来保持功率平衡来维持电网的频率。随着电力电子变换器和风力发电机桨距角控制***发展，风电场可以迅速的控制其输出功率。虽然风力发电机的功率调整范围有限，但是对于大规模的风电场来说，可控的输出功率是非常巨大的。因此可以通过风电场的风力发电机之间协调控制方法来减少风电场的输出功率，并保持风力发电机的在线运行和电网的功率平衡。
发明内容
为了有效地降低风电场输出功率，保持与电网功率需求平衡，本发明的目的是提供一种基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***，另一目的是提供一种基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制方法，该协调控制方法联合桨距角控制、风力发电机最大功率控制、直流侧电压控制和直流变换器（DC-Chopper）控制；风电场通过协调控制方法实现自我调节来应对电网对风电场的功率需求。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***，其改进之处在于，所述***包括星型风电***，所述风电***包括至少一个风力发电机、至少一个二极管整流器、至少一个直流变换器和电流源型逆变器；在每个直流变换器的输入侧并联安装有直流变换器控制单元；
每个风力发电机通过二极管整流器与直流变换器并联在直流母线上，直流母线收集的直流功率通过电流源型逆变器接入电网。
优选的，所述风力发电机为永磁风力发电机；所述直流变换器为电流源型直流变换器。
较优选的，所述直流变换器控制单元由串联的可控开关的电力电子器件和电阻组成；
所述可控开关的电力电子器件采用IGBT模块；所述电阻为散热电阻，由电阻丝和二极管并联组成。
优选的，所述***中直流侧母线电压、电流源型直流变换器输入电压、输入电流和永磁风力发电机的转速通过传感器进行测量；
所述协调控制***通过测量值与预设值比较，进行控制功能的切换。
本发明基于另一目的提供的一种基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制方法，其改进之处在于，所述方法采用的***为协调控制***；所述方法包括下述步骤：
步骤1：测量直流侧母线电压，并判断直流侧母线电压是否大于预设值；
步骤2：风力发电机运行在直流电压控制模式下；
步骤3：测量风力发电机在直流电压控制模式下的转速，并判断转速是否大于桨距角控制预设值；
步骤4：风力发电机运行在桨距角控制模式下；
步骤5：测量直流变换器的输入电压，判断输入电压是否大于直流变换器电压的预设值；
步骤6：风力发电机运行在直流变换器控制模式下。
步骤7：直流变换器控制稳定之后，桨距角控制继续运行，当风力发电机转速达到预设转速值时，直流变换器控制退出运行；风力发电机的转速由桨距角控制。
优选的，所述步骤1中，当直流电压大于预设值时，转入步骤2；否则风力发电机运行在最大功率控制模式。
优选的，所述步骤3中，风力发电机运行在直流电压控制模式下，风力发电机的转速增加；当转速测量值大于桨距角控制预设值时，桨距角控制被触发，转入步骤4，风力发电机的转速将通过变桨***伺服控制机构（变桨***伺服控制机构包括伺服电动机，伺服驱动器、控制***等）改变桨距角来限制其转速；否则返回步骤2。
优选的，所述步骤5中，当直流变换器的输入电压大于直流变换器控制的预设值，直流变换器控制被触发，转入步骤6，直流变换器控制与桨距角控制共同限制风力发电机的转速；否则返回步骤4。
较优选的，所述直流变换器控制响应速度大于桨距角控制，风力发电机转速限制在预设输入电压值的转速。
较优选的，所述桨距角控制和直流变化器控制均用于限制风力发电机的转速；所述直流变换器的参考信号高于桨距角控制的参考信号；所述直流变换器的参考信号即为直流变换器的输入电压；所述桨距角控制的参考信号即为风力发电机的转速。
步骤1-步骤7所述的预设值均是根据实际工况来进行设定的，与电压等级、容量等有关。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的控制***及其控制方法联合桨距角控制、风力发电机最大功率控制、直流侧电压控制和DC-Chopper控制。风电场通过协调控制方法实现自我调节来应对电网对风电场的功率需求。
2、本发明提供的控制***及其控制方法具有智能化特点，可根据直流侧电压自动调节各个风力发电机的输出功率。
3、本发明提供的控制***及其控制方法具有稳定性特点，通过改变风力发电机的运行状态来改变减少风力发电机的输出功率，并保持风力发电机的在线运行，避免停机。
4、本发明提供的控制***及其控制方法具有调节快速的特点，通过DC-Chopper控制，快速限制风力发电机转速。
5、本发明提供的控制***及其控制方法具有节能的特点，通过桨距角和DC-Chopper的协调控制，最终DC-Chopper控制退出运行，避免了DC-Chopper控制中电阻功率的消耗。
附图说明
图1是本发明提供的基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***的结构图；
图2是本发明提供的基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
当直流侧母线电压测量值高于其预设值时，所有风力发电机完成从最大功率控制模式与直流电压控制模式之间的切换。直流侧电压控制相较于最大功率控制多一个反馈环节。该反馈环节的输入量为直流侧电压的预设值和测量值的误差，通过比例积分控制器生成一负电流值减少直流变换器输入电流的参考值来限制风力发电机的输出功率，进而保持直流侧电压的稳定。风力发电机将从最大功率输出点运行到风力发电机功率曲线的右侧，风力发电机转速增加。
桨距角控制和DC-Chopper控制都是用来限制风力发电机的转速。但是两者的参考信号不同。桨距角控制的参考信号为风力发电机的转速，而DC-Chopper控制的参考信号为直流变换器的输入电压。考虑到桨距角控制采用伺服控制***，其控制响应时间较长，不能在较短的时间内控制风力发电机转速，而且转速也有一个较大的过冲现象，因此需要DC-Chopper控制的配合。DC-Chopper控制***中采用散热的电阻器和可开关的电力电子器件作为开关，通过吸收风力发电机多余的能量，来控制风力发电机的转速。其响应速度较快，但是电阻需要额外功率进行散热，不宜长时间运行。DC-Chopper的参考信号（直流变换器的输入电压）需要略高于桨距角控制参考信号（风力发电机转速）对应的直流变换器的输入电压，因此DC-Chopper控制达到稳定之后，桨距角控制将继续运行。当风力发电机的转速达到控制目标之后，DC-Chopper控制退出运行。DC-Chopper控制主要是快速响应风力发电机的转速，为桨距角控制争取一定的反应时间。
本发明提供的基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***的结构图如图1所示，包括星型的风电***，所述风电***包括多个永磁风力发电机、多个二极管整流器、多个电流源型直流变换器和电流源型逆变器；每个风力发电机通过二极管整流器与直流变换器并联在同一条直流母线线路上，所收集的直流功率通过电流源型逆变器逆变接入电网。直流变换器DC-Chopper控制单元采用散热电阻器和可开关的电力电子开关器件，其并联安装在直流变换器的输入侧。散热电阻器，由电阻丝和二极管并联组成。
所述协调控制***中直流侧母线电压、直流变换器输入电压、输入电流和风力发电机的转速通过传感器进行测量。协调控制***通过测量值与预设值比较，来进行控制功能的切换。
本发明提供的基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制方法的流程图如图2所示，包括下述步骤：
步骤1：测量直流侧母线电压，并判断直流侧母线电压是否大于预设值：测量直流侧母线电压，当直流电压大于预设值时，风机运行在直流电压控制模式，否则依然运行在最大功率控制模式。
步骤2：风力发电机运行在直流电压控制模式下；
步骤3：测量风力发电机在直流电压控制模式下的转速，并判断转速是否大于桨距角控制预设值：
风力发电机运行在直流电压控制模式下，风力发电机的转速增加；当转速测量值大于桨距角控制预设值时，桨距角控制被触发，转入步骤4，风力发电机的转速将通过变桨***伺服控制机构（变桨***伺服控制机构包括伺服电动机，伺服驱动器、控制***等）改变桨距角来限制其转速；否则返回步骤2。
步骤4：风力发电机运行在桨距角控制模式下；
步骤5：测量直流变换器的输入电压，判断输入电压是否大于直流变换器电压的预设值：当直流变换器的输入电压大于直流变换器控制的预设值，直流变换器控制被触发，转入步骤6，直流变换器控制与桨距角控制共同限制风力发电机的转速；否则返回步骤4。由于DC-Chopper控制响应速度较快，风机转速将迅速限制在预设输入电压值对应的转速附近。
步骤6：风力发电机运行在直流变换器控制模式下。
步骤7：直流变换器控制稳定之后，桨距角控制继续运行，当风力发电机转速达到预设转速值时，直流变换器控制退出运行；风力发电机的转速由桨距角控制。
步骤1-步骤7所述的预设值均是根据实际工况来进行设定的，与电压等级、容量等有关。
本发明提供的基于电流源型多端直流风电场卸负荷的协调控制***及其方法联合桨距控制、风机最大功率控制、直流侧电压控制和DC-Chopper控制。风电场通过协调控制方法实现自我调节来应对电网对风电场的功率需求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制方法，所述方法用的***为基于电流源型多端直流风场卸负荷的协调控制***，所述***包括星型风电***，所述风电***包括至少一个风力发电机、至少一个二极管整流器、至少一个直流变换器和电流源型逆变器；在每个直流变换器的输入侧并联安装有直流变换器控制单元；
每个风力发电机通过二极管整流器与直流变换器并联在直流母线上，直流母线收集的直流功率通过电流源型逆变器接入电网；
所述风力发电机为永磁风力发电机；所述直流变换器为电流源型直流变换器；
所述直流变换器控制单元由串联的可控开关的电力电子器件和电阻组成；
所述可控开关的电力电子器件采用IGBT模块；所述电阻为散热电阻，由电阻丝和二极管并联组成；
所述***中直流侧母线电压、电流源型直流变换器输入电压、输入电流和永磁风力发电机的转速通过传感器进行测量；
所述协调控制***通过测量值与预设值比较，进行控制功能的切换；
其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤1：测量直流侧母线电压，并判断直流侧母线电压是否大于预设值；
步骤2：风力发电机运行在直流电压控制模式下；
步骤3：测量风力发电机在直流电压控制模式下的转速，并判断转速是否大于桨距角控制预设值；
步骤4：风力发电机运行在桨距角控制模式下；
步骤5：测量直流变换器的输入电压，判断输入电压是否大于直流变换器电压的预设值；
步骤6：风力发电机运行在直流变换器控制模式下；
步骤7：直流变换器控制稳定之后，桨距角控制继续运行，当风力发电机转速达到预设转速值时，直流变换器控制退出运行；风力发电机的转速由桨距角控制；
所述步骤1中，当直流电压大于预设值时，转入步骤2；否则风力发电机运行在最大功率控制模式；
所述步骤3中，风力发电机运行在直流电压控制模式下，风力发电机的转速增加；当转速测量值大于桨距角控制预设值时，桨距角控制被触发，转入步骤4，风力发电机的转速将通过变桨***伺服控制机构改变桨距角来限制其转速；否则返回步骤2；
所述步骤5中，当直流变换器的输入电压大于直流变换器控制的预设值，直流变换器控制被触发，转入步骤6，直流变换器控制与桨距角控制共同限制风力发电机的转速；否则返回步骤4；
所述直流变换器控制响应速度大于桨距角控制，风力发电机转速限制在预设输入电压值的转速；
所述桨距角控制和直流变化器控制均用于限制风力发电机的转速；所述直流变换器的参考信号高于桨距角控制的参考信号；所述直流变换器的参考信号即为直流变换器的输入电压；所述桨距角控制的参考信号即为风力发电机的转速。
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