CN103904639A - 用于柔性直流输电***的双馈型风电机组变流器控制方法 - Google Patents

用于柔性直流输电***的双馈型风电机组变流器控制方法 Download PDF

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本发明涉及一种用于柔性直流输电***的双馈型风电机组变流器控制方法，属于风力发电技术领域。该方法采用包括定子侧变流器、机侧变流器、网侧DC-DC变换器的变流器拓扑结构实现对双馈型风电机组控制；首先控制所述网侧DC-DC变换器使其工作于直流降压状态，将直流电网电压降至合适水平并使之恒定；其次控制所述机侧变流器实现三相逆变；风机启动后控制所述机侧变流器使其输出频率按固定比例跟踪发电机转速变化；控制所述定子侧变流器整流升压，实现最大功率点跟踪和功率因数校正；控制所述网侧DC-DC变换器使其工作于直流升压状态，实现风电机组柔性直流输电并网发电。本发明尤其有益于双馈型风电机组在柔性直流输电***中推广使用。

Description

用于柔性直流输电***的双馈型风电机组变流器控制方法
技术领域
  本发明涉及一种控制方法，尤其是一种用于柔性直流输电***的双馈型风力发电机组变流器使用的控制方法，属于风力发电技术领域。
背景技术
目前大型风电场并网技术方案主要为传统的交流并网。
近年来柔性直流输电技术因其具有运行可靠、控制简单、成本低等诸多优势而深受关注，在风力发电***应用越来越广泛，出现了基于柔性直流输电的大型风电场并网技术方案，一般有三种：①基于柔性直流输电的发电机集中控制并网，②基于柔性直流输电的发电机分散控制并网，③基于柔性直流输电的分散直流母线并网。
前两种方案①和②与传统的交流并网技术方案一样，其共同特点是：兆瓦级风力发电机组均需通过交直交变流器输出690V50Hz交流电，然后通过升压变压器升压。其不足之处是：需要升压变压器、箱式变电站，占地面积大，损耗高，尤其制约着海上风电的发展。
第③种基于柔性直流输电的分散直流母线并网技术方案是：风电机组输出的交流电经过整流、直流升压，然后汇至直流母线。它虽然无需升压变压器，但所述风电机组均为永磁直驱型，而使用更广泛的双馈型风电机组因其控制复杂性均未发现国内外有关报导其在柔性直流输电***中的应用，严重制约了柔性直流输电技术在使用双馈型风电机组的风电场中的使用和推广。 
双馈型风电机组的控制复杂性表现在：传统的变速恒频双馈风力发电机变流器，必须确保定子输出的交流电为恒压恒频，即690V50Hz；而为此目的，因风速变化必然导致发电机工作于亚同步、同步和超同步等三种不同运行状态，跨越同步点是难免的，而这三种不同运行状态的动态转换是传统的变速恒频双馈风力发电机励磁控制所必需的一项关键技术。为了避免反复跨越同步点和在同步速附近小转差区的控制难度，总是把稳定运行工作点选在避开同步速附近小转差区以外的区间，所以转差率s不能太小，这意味着机侧变流器功率不可能做的很小。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，根据柔性直流输电***的特点，突破传统的双馈型风电机组变流器控制方式，提出一种控制更为简单灵活、使双馈型风电机组始终工作于一种运行状态而无需跨越同步点的双馈型风电机组控制方法，从而便于柔性直流输电技术在双馈型风力发电场中的使用和推广。
为了达到以上目的，本发明用于柔性直流输电***的双馈型风电机组变流器控制方法，其特征在于：采用包括定子侧变流器、机侧变流器、网侧DC-DC变换器的双馈型风电机组变流器拓扑结构实现对双馈型风电机组的控制，包括以下步骤。
步骤1，在风机启动并网前，首先控制所述网侧DC-DC变换器使其工作于直流降压状态，将直流电网电压降至合适水平并使之恒定，为所述机侧变流器提供逆变电源；其次控制所述机侧变流器经过逆变给双馈型风力发电机的转子提供三相交流励磁电流，风电机组启动。
步骤2，在风电机组启动后，首先采用发电机转速跟踪方法，控制所述机侧变流器使其输出频率按一定比例跟踪发电机转速的变化，使发电机始终工作于一种状态（如超同步运行状态），因而无需考虑在同步点上下跨越的控制问题；其次控制所述定子侧变流器将发电机定子发出的频率和幅值均可变化的交流电进行整流、升压，并实现最大功率点跟踪和功率因数校正；同时控制所述网侧DC-DC变换器使其输入端（即所述定子侧变流器的输出端）的电压保持恒定，并使其工作于直流升压状态，将双馈型风力发电机发出的功率传递给高压直流电网。
所述步骤2中的发电机转速跟踪方法如下。
根据发电机转速与定转子旋转磁场的转速有如下关系：
n±n 2 =n 1                                                                 （1）
式中，n为发电机转速（即转子的机械转速），n 1 为定子的同步转速，n 2 为转子磁场转速。
设n/n 1 =C，则由式(1)有：
Figure 76184DEST_PATH_IMAGE001
                         （2）
则有
Figure 936606DEST_PATH_IMAGE002
                                     （3）
式中，f 2 为转子励磁电流频率，p为发电机的极对数，C为常数。
由此，只要控制机侧变流器使f 2 按式(3)跟踪n的变化，且若使C>1，则可使发电机始终处于超同步运行；若使C<1，则可使发电机始终处于亚同步运行；若使C=1，则可使发电机始终处于同步运行。这样，只要确定常数C，即可使双馈型风力发电机始终处于三种运行状态中的任一种状态运行，这样就克服了双馈型风电机组变流器在同步点上下跨越的问题，使机侧变流器的控制更为灵活，大大简化了控制策略。
同时，根据转差率s的定义，有：
 
Figure 70915DEST_PATH_IMAGE003
                            （4）
由式(4)可知，转差率s也保持不变。若令C为接近于1的常数，则理论上s可以非常小，从而机侧变流器的功率sP可以更小（P为双馈型风电机组的额定功率）。
本发明的有益效果是：不要求双馈型风力发电机定子输出的交流电为恒压恒频交流电（如690V50Hz），因而使得机侧变流器控制更为简单和灵活，其输出频率只需按一定比例跟踪发电机转速的变化，即可实现发电机始终处于三种运行状态中的任一种状态运行，而无需考虑在同步点上下跨越的控制问题，同时可使发电机的转差率保持不变，由此也可使机侧变流器的额定功率更小，进一步降低了成本，尤其有益于双馈型风电机组在柔性直流输电***中的推广使用，特别是可使海上风电成本进一步降低。
附图说明
附图为本发明控制方法***构成图。
其中，1-机侧变流器；2-定子侧变流器；3-网侧DC-DC变换器；4-双馈型风力发电机定子；5-双馈型风力发电机转子；6-高压直流电网。
具体实施方式
 下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如附图所示，本发明用于柔性直流输电***的双馈型风电机组变流器控制方法，采用一种双馈型风电机组变流器拓扑结构实现对双馈型风力发电机的控制；所述双馈型风电机组变流器拓扑结构包括机侧变流器1、定子侧变流器2、网侧DC-DC变换器3；定子侧变流器2一端与风力发电机的定子4连接，另一端分别与机侧变流器1、网侧DC-DC变换器3连接；机侧变流器1另一端与风力发电机的转子5连接；网侧DC-DC变换器3的另一端通过高压直流电缆与高压直流母线6连接。
具体包括以下步骤。
步骤1，在风机启动并网前，首先控制网侧DC-DC变换器3使其工作于直流降压状态，将直流电网电压降至合适水平并使之恒定，为机侧变流器1提供逆变电源；其次控制机侧变流器1经过逆变给转子5提供三相交流励磁电流，风电机组启动。
步骤2，在风电机组启动后，首先采用发电机转速跟踪方法，控制机侧变流器1使其输出频率f 2 按
Figure 825245DEST_PATH_IMAGE002
跟踪发电机转速n的变化，并确定常数C的大小，使发电机始终工作于一种状态（如：C>1，则处于超同步运行状态；C<1，则处于亚同步运行；C=1，则处于同步运行），因而无需考虑在同步点上下跨越的控制问题，同时，如使常数C接近于1，则机侧变流器的额定功率可以更小；其次控制定子侧变流器2将发电机定子发出的频率和幅值均可变化的交流电进行整流、升压，并实现最大功率点跟踪和功率因数校正；同时控制网侧DC-DC变换器3使其输入端（附图中的A点，即定子侧变流器2的输出端）的电压保持恒定，并使其工作于直流升压状态，将双馈型风力发电机发出的功率传递给高压直流电网。

Claims (4)

1.一种用于柔性直流输电***的双馈型风电机组控制方法，其特征在于：采用包括定子侧变流器、机侧变流器、网侧DC-DC变换器的双馈型风力发电机组变流器拓扑结构实现对双馈型风电机组的控制，包括以下步骤：步骤1，在风机启动并网前，首先控制所述网侧DC-DC变换器使其工作于直流降压状态，将直流电网电压降至合适水平并使之恒定，为所述机侧变流器提供逆变电源；其次控制所述机侧变流器经过逆变给双馈型风力发电机的转子提供三相交流励磁电流，风电机组启动。
2.步骤在风电机组启动后，首先采用发电机转速跟踪方法，控制所述机侧变流器，使其输出频率按一定比例跟踪发电机转速的变化，实现发电机始终工作于一种状态（如超同步运行状态），因而无需考虑在同步点上下跨越的控制问题；其次控制所述定子侧变流器将发电机定子发出的频率和幅值均可变化的交流电进行整流、升压，并实现最大功率点跟踪和功率因数校正，然后控制所述网侧DC-DC变换器使其输入端（即所述定子侧变流器的输出端）电压保持恒定，并使其工作于直流升压状态，将双馈型风力发电机发出的功率传递给高压直流电网。
3.根据权利要求1所述用于柔性直流输电***的双馈型风电机组控制方法，其特征在于：所述步骤2中的发电机转速跟踪方法为：控制所述机侧变流器使其输出频率f 2 按                                               
Figure 2014101444809100001DEST_PATH_IMAGE002
跟踪发电机转速n的变化，并确定常数C的大小，使发电机始终工作于一种状态，因而无需考虑在同步点上下跨越的控制问题。
4.根据权利要求1所述用于柔性直流输电***的双馈型风电机组控制方法，其特征在于：在所述步骤2中使常数C接近于1，则可使机侧变流器的额定功率更小。
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