CN104242346A - 一种风电机组低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电机组低电压穿越控制方法，属于风力发电技术领域。本发明在低电压穿越期间，判断发电机转速和发电机功率是否都达到其相应的设定值，如果达到，则采用给定的桨距角对风电机组进行强制变桨控制，并在低电压状态结束时，通过控制发电机转矩给定值，使发电机功率按照规定爬坡率运行，进行有功恢复。本发明所采用的控制方法简化了以往低电压穿越过程中使用的转子短路装置，降低了成本，控制手段直接，有主控直接控制变桨***，进而降低风轮转速，保证风机安全可靠运行，控制性能良好，由风电机组主控***直接控制发电机转矩实现低电压穿越过程中有功功率的稳定恢复。

Description

一种风电机组低电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组低电压穿越控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

低电压穿越Low voltage ride through(LVRT)，指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

随着风力发电在电力能源中所占比例越来越大，风力发电***对电网的影响已经不能忽略。特别对于我国风电大规模集中接入的方式，当电网发生故障造成并网点电压跌落时，一旦风电机组自动脱网可能造成电网电压和频率的崩溃，严重影响电网的安全稳定运行，使风力发电这种清洁能源的应用受到限制。因此，大规模并网运行的风电机组必须具有低电压穿越能力(Low Voltage RideThrough，LVRT)。

低电压穿越是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。电网电压跌落时，会引起风力发电机定子端电压下降，同时定子过电流，从而引起导致转子侧过电流和过电压，若电压跌落比较严重时，还可能导致变流器电力电子器件的损坏。转子侧完成低电压穿越可以用转子回路的旁路(释能电阻)保护装置达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行。所以实现低电压策略采用硬件Crowbar电路装置。但是Crowbar电路装置控制电路结构复杂、电路元件繁多，如果电路设计不理想，容易引起开关器件损坏。在使用过程中的一些缺点例如Crowbar电阻太大使直流母线电压过高影响安全，阻值太小不能抵制故障电流；如果电机运行速度快，电压跌落深度越深，故障电流越大，Crowbar保护效果就越差等被逐步暴露。

公开号为102412599A的专利公开了一种双馈风力发电***低电压穿越用Crowbar装置包括三相桥式不控整流桥UR、续流二极管D、大功率泄放电阻R1、RCD吸收保护电路和绝缘栅双极型晶体管IGBT。该硬件电路结构复杂、电路元件繁多，而且采用功率开关器件使控制电路更加复杂，如果电路设计不理想，容易引起开关器件损坏，此种解决方案会导致风电场在短时间内失去控制能力。而如何设计一种控制灵活、高效的方法来实现低电压穿越成为当下急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电机组低电压穿越控制方法，以解决目前低电压穿越采用的控制电路复杂、可靠性差以及效率低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种风电机组低电压穿越控制方法，该控制方法包括以下步骤：

1)在风电机组处于低电压穿越期间，采集发电机转速和发电机功率，并判断是否都达到其相应的设定值；

2)如果达到，采用给定的桨距角对风电机组进行强制变桨控制，直至低电压穿越结束；

3)判断是否从变流器接收到低电压状态的结束信号，如果是，从变流器采集当前的发电机转矩Torque_Ref_t2；

4)以当前的发电机转矩Torque_Ref_t2为起点，按照设定的爬坡率增加，直至发电机转矩达到转矩控制器的给定值。

所述步骤2)中给定的桨距角为当前桨距角加上变化值，所述变化值由收桨速度和收桨时间确定。

所述步骤4)中设定的爬坡率为：

其中ramp_Tor_renew为低电压恢复爬坡率，由控制参数列表给出，其默认值为10％。

所述发电机转矩Torque_Ref_t2等于Torque_Ref_t1*(UT/Unom)，其中UT表示跌落期间电网线电压有效值，Unom表示电网线电压额定值，Torque_Ref_t1＝Torque_Ref_t0，Torque_Ref_t0为变流器接收到低电压信号时采集到的发电机转矩。

所述采集到的发电机转矩Torque_Ref_t0不是从变流器采集到的真实的发电机转矩，而是经过一阶低通滤波后的发电机转矩给定值。

所述步骤2)中强制变桨控制中的桨距角给定值由LVRT桨距控制器给出，LVRT桨距控制器触发时，记录当前的桨距角值，在此基础上，强制变桨按照给定的变桨速度和变桨时间变桨。

本发明的有益效果是:本发明在低电压穿越期间，判断发电机转速和发电机功率是否都达到其相应的设定值，如果达到，则采用给定的桨距角对风电机组进行强制变桨控制，并在低电压状态结束时，通过控制发电机转矩给定值，使发电机功率按照规定爬坡率运行，进行有功恢复。本发明所采用的控制方法简化了以往低电压穿越过程中使用的转子短路装置，降低了成本，控制手段直接，有主控直接控制变桨***，进而降低风轮转速，保证风机安全可靠运行，控制性能良好，由风电机组主控***直接控制发电机转矩实现低电压穿越过程中有功功率的稳定恢复。

附图说明

图1是本发明风电机组低电压穿越控制过程的变桨控制流程图；

图2是本发明风电机组低电压穿越控制过程的转矩控制图；

图3是本发明风电机组低电压穿越过程的状态转换图。

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说明。

本发明在风电机组处于低电压穿越期间，采集发电机转速和发电机功率，并判断是否都达到其相应的设定值；如果达到，采用给定的桨距角对风电机组进行强制变桨控制，直至低电压穿越结束；判断是否从变流器接收到低电压状态的结束信号，如果是，从变流器采集当前的发电机转矩Torque_Ref_t2；以当前的发电机转矩Torque_Ref_t2为起点，按照设定的爬坡率增加，直至发电机转矩达到转矩控制器的给定值，从而完成整个低电压的穿越。本发明在上述控制过程中所采用的低电压穿越控制策略包括低电压穿越变桨控制算法和低电压穿越发电机转矩控制算法。

其中所采用的低电压穿越变桨控制算法控制流程如图1所示，在非低电压穿越状态时，控制程序使用桨距控制器，输出桨距角给定值，然后将此值再传递给变桨位置控制器，最终输出变桨速度给定值，此值直接下发给变桨驱动器。当***监测到低电压穿越变桨控制信号为TRUE，即程序需要启动提前变桨时，则使用LVRT桨距控制器给出的桨距角给定值，代替Hub桨距控制器的值，如图2所示。当低电压穿越过程即将完成，不再需要进行变桨控制时，低电压穿越控制信号为FALSE，变桨控制恢复使用原来的控制器。

用于变桨控制的桨距控制器说明：Hub桨距控制器的设计思路是，根据不同的发电机转速和发电机功率，使用PI控制，然后给出变桨角度值，而LVRT桨距控制器采用强制变桨的方式进行变桨，只要低电压穿越变桨控制信号为TRUE，程序将不考虑发电机的转速和转矩，强制收桨。LVRT桨距控制器给出的桨距角给定值按照线性的规律增加，变桨速度和变桨时间这两个参数列表给出。在LVRT桨距控制器触发时，程序记录当前的桨距角值，在此基础上，强制变桨按照给定的变桨速度和变桨时间变桨。变桨速度为最大收桨速度(8度/s)；收桨时间：检测发电机加速度，依据发电机加速度得到收桨时间，最长时间为1S，由收桨速度和收桨时间，可以的到桨距角的变化值，在低穿信号发生后，以8度/s的收桨速度收桨1s，则收桨角度的变化值为8度。在当前桨距角的基础上加上变化值，即为桨距角给定值。

不是所有的低电压穿越过程中都需要变桨控制，某些情况下，不需要进行变桨控制。低电压穿越时，程序通过检查发电机的转速、转矩等参数，进行判断是否需要进行变桨控制，即是否触发LVRT桨距控制器。

触发LVRT桨距控制器，控制程序要求满足以下两个条件。

1)发电机转速需要大于或者等于gpr_feedForGenRpm，即如果触发低电压穿越时，发电机转速并没有超过此值，则程序认为风轮转速并不高，不需要进行提前变桨控制，异常正常的桨距角控制器控制即可。

2)发电机功率大于额定功率的gpr_feedForGenPowPu倍。

gpr_feedForGenPowPu为大于0小于1的值。

gpr_feedForGenRpm和gpr_feedForGenPowPu为两个控制参数，由控制参数列表给出。

低电压穿越发电机转矩控制算法。低电压状态转矩控制流程如图2所示，主控程序从变流器接收到低电压信号后，首先需要采集此时的发电机状态量，包括发电机转速、转矩，并根据发电机的转速和转矩，计算出发电机功率。这些量只采集一次。并将作为一个参考量保持下来，不随着低电压状态的变化而变化。低电压穿越过后的有功恢复及转矩控制都将依据此参考量执行，直到低电压穿越完成，风机恢复正常运行。需要说明的是，采集到的发电机转矩为经过一阶低通滤波之后的发电机转矩给定值，而不是从变流器采集到的真实的发电机转矩，其原因是，受到低电压的影响，变流器给出的真实转矩值可能不是低电压穿越之前的发电机转矩。采集到的发电机转速，则是从编码器采集到的经过一阶低通滤波之后的发电机转速。

使用一阶低通滤波器的一个重要原因是，发生低电压穿越时，电磁场变化剧烈，很可能对各种电气设备造成干扰，低通滤波器一方面可以滤除高频的噪音信号，另一方面可以使采集到的信号不会因测量设备受到电磁干扰产生跳变值而受到很大干扰。此时采集到的发电机转矩参考值记录在变量Torque_Ref_t0中，经过计算，得出的发电机功率参考值记录在变量Power_Ref_t0中。

低电压状态结束后转矩恢复控制算法。主控程序从变流器接收到低电压状态结束的信号后，开始有功恢复控制，此时主要控制发电机转矩给定值，从而使发电机功率按照规定的爬坡率运行。

在主控程序从变流器接收到低电压状态结束的信号后，主控程序从变流器采集当前的发电机转矩Torque_Ref_t2。

Torque_Ref_t2＝Torque_Ref_t1*(UT/Unom)，其中UT表示跌落期间电网线电压有效值，Torque_Ref_t1＝Torque_Ref_t0，Unom表示电网线电压额定值。根据当前发电机转速和转矩值，可以计算出发电机当前的功率Power_Ref_t2。

例如：当电网电压对称从690V跌落到138V(20％跌落)，则Torque_Ref_t2＝Torque_Ref_t1*(138/690)＝0.2*Torque_Ref_t1。

有功恢复时，主控程序转矩给定算法为：以Torque_Ref_t2为起点，按照一定的爬坡率增加，直到发电机转矩达到转矩控制器TorquePIController给定值。此爬坡率为：

需要说明的是ramp_Tor_renew为低电压恢复爬坡率，由控制参数列表给出，其默认值为10％。

Claims (6)

1.一种风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：该控制方法包括以下步骤：

1)在风电机组处于低电压穿越期间，采集发电机转速和发电机功率，并判断是否都达到其相应的设定值；

2)如果达到，采用给定的桨距角对风电机组进行强制变桨控制，直至低电压穿越结束；

3)判断是否从变流器接收到低电压状态的结束信号，如果是，从变流器采集当前的发电机转矩Torque_Ref_t2；

4)以当前的发电机转矩Torque_Ref_t2为起点，按照设定的爬坡率增加，直至发电机转矩达到转矩控制器的给定值。

2.根据权利要求1所述的风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤2)中给定的桨距角为当前桨距角加上变化值，所述变化值由收桨速度和收桨时间确定。

3.根据权利要求1所述的风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤4)中设定的爬坡率为：

其中ramp_Tor_renew为低电压恢复爬坡率，由控制参数列表给出，其默认值为10％。

4.根据权利要求3所述的风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述发电机转矩Torque_Ref_t2等于Torque_Ref_t1*(UT/Unom)，其中UT表示跌落期间电网线电压有效值，Unom表示电网线电压额定值，Torque_Ref_t1＝Torque_Ref_t0，Torque_Ref_t0为变流器接收到低电压信号时采集到的发电机转矩。

5.根据权利要求4所述的风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述采集到的发电机转矩Torque_Ref_t0不是从变流器采集到的真实的发电机转矩，而是经过一阶低通滤波后的发电机转矩给定值。

6.根据权利要求1所述的风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤2)中强制变桨控制中的桨距角给定值由LVRT桨距控制器给出，LVRT桨距控制器触发时，记录当前的桨距角值，在此基础上，强制变桨按照给定的变桨速度和变桨时间变桨。