CN104578146A - 风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和***，其中，控制方法包括：利用低压电源向风机低压配电***供电；启动风力发电机组运行，通过变桨操作，使叶轮开始吸收风能，并带动发电机转速不断上升；待发电机转速达到并网转速，启动机侧变流器，并将直流母线电压稳定在额定电压；待直流母线电压稳定后，启动网侧变流器，网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对网侧变流器输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，将所述输出功率反馈给主控制器；主控制器根据所述输出功率进行实时变桨使所述输出功率维持在目标功率。本发明风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和***能够在无电网条件下完成风力发电机组带电调试。

Description

风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和***

技术领域

本发明涉及孤岛运行的控制方法和装置，尤其涉及一种风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和***。

背景技术

如图1所示，其为现有技术的并网型风力发电机组运行***的结构示意图，该***包括叶轮、齿轮箱(直驱型无齿轮箱)、发电机、机侧变流器、直流母线、制动回路、网侧变流器、并网变压器、配电变压器、风机低压配电***和主控制器。风机低压配电***从网侧获得电能，维持机组风机低压配电***(变桨、偏航等)内部耗电需求。风力发电机机组叶轮吸收风能通过齿轮箱(直驱型无齿轮箱)将能量传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，机侧变流器将电机输出的三相交流电转换成直流电，网侧逆变器将直流电转化为符合并网要求的交流电溃入电网。一般情况下，由网侧变流器负责来稳定直流母线电压。因为大电网电压的钳位作用使得网侧变流器输出端口的交流电压几乎与负载特性无关，也就是网侧端口电压几乎是恒定不变的，网侧变流器处于直流电压环加电流环的控制模式；机侧变流器控制发电机发出主控制器设定的能量。叶轮通过变桨可调节叶片角度来调整吸收风能的大小。制动回路用来消耗异常工况下直流母线多余的能量。由上可知并网型风力发电机组的运行需要依赖于电网。

但是，由于电网建设滞后等一些原因，导致许多风电场建设完毕后需要闲置几个月甚至几年时间才能正常并网发电。在这段期间风力发电机组无法完成机组的带电调试，浪费了调试时间，且机组长时间闲置还会造成许多电气设备损坏或者性能下降。

发明内容

本发明的实施例的目的在于提供一种风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和***，其能够在无电网条件下完成风力发电机组的带电调试，节省上电后的调试时间。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种风力发电机组孤岛运行的控制方法，所述风力发电机组包括：叶轮、发电机、机侧变流器、直流母线、网侧变流器、主控制器、风机低压配电***、配电变压器以及低压电源，所述低压电源接入所述配电变压器低压侧，所述方法包括：利用所述低压电源向所述风机低压配电***供电；启动所述风力发电机组运行，通过变桨操作，使所述叶轮开始吸收风能，并带动所述发电机转速不断上升；待所述发电机转速达到并网转速，启动所述机侧变流器，并将所述直流母线电压稳定在额定电压；待所述直流母线电压稳定后，启动所述网侧变流器，所述网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对所述网侧变流器的输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给所述主控制器；所述主控制器根据所述网侧端口的输出功率进行实时变桨使所述网侧端口的输出功率维持在目标功率。

本发明的实施例还提供了一种风力发电机组孤岛运行的控制装置，所述风力发电机组包括：叶轮、发电机、机侧变流器、直流母线、网侧变流器、主控制器、风机低压配电***、配电变压器以及低压电源，所述低压电源接入所述配电变压器低压侧，所述控制装置包括第一低压电源控制模块、启动运行控制模块、机侧变流器控制模块、网侧变流器控制模块，其中，所述第一低压电源控制模块，用于控制所述低压电源向所述风机低压配电***供电；所述启动运行控制模块，用于启动所述风力发电机组运行，通过变桨操作，使所述叶轮开始吸收风能，并带动所述发电机转速不断上升；所述机侧变流器控制模块，用于待所述发电机转速达到并网转速，启动所述机侧变流器，并控制所述机侧变流器将所述直流母线电压稳定在额定电压；所述网侧变流器控制模块，用于待所述直流母线电压稳定后，启动所述网侧变流器，使所述网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对所述网侧变流器的输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给所述主控制器；所述主控制器根据所述网侧端口的输出功率进行实时变桨使所述网侧端口的输出功率维持在目标功率。

本发明的实施例还提供了一种风力发电机组孤岛运行***，包括：风力发电机组以及如上所述的控制装置。

本发明实施例提供的风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和***，通过利用低压电源向风机低压配电***供电，使风机启动运行，并通过对变桨部分和变流器部分的控制，使风力发电机组实现孤岛运行，从而能够在无电网条件下完成风力发电机组的带电调试，节省上电后的调试时间。

附图说明

图1为现有技术的并网型风力发电机组运行***的结构示意图；

图2为本发明实施例一的风力发电机组孤岛运行的控制方法的流程示意图；

图3为本发明实施例一的网侧变流器和等效负载的模型示意图；

图4为本发明实施例二的风力发电机组孤岛运行的控制装置的结构示意图；

图5为本发明实施例三的风力发电机组孤岛运行***的结构示意图；

图6为本发明实施例三的低压电源为不间断电源时风力发电机组孤岛运行***的结构示意图；

图7为本发明实施例三的低压电源为发电机时风力发电机组孤岛运行***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例风力发电机组孤岛运行的控制方法、装置和***进行详细描述。

实施例一

图2为本发明实施例一的风力发电机组孤岛运行的控制方法的流程示意图，图5示出本发明实施例三的风力发电机组孤岛运行***的结构示意图，其包括：风力发电机组以及风力发电机组孤岛运行的控制装置，可在该风力发电机组孤岛运行***中的风力发电机组孤岛运行的控制装置上运行该方法，参照图2和图5，风力发电机组包括：叶轮、发电机、机侧变流器、直流母线、网侧变流器、主控制器、风机低压配电***、配电变压器以及低压电源，低压电源接入配电变压器低压侧，该方法包括：

步骤11：利用低压电源向风机低压配电***供电。具体的，孤岛运行就意味着风力发电机组脱离电网，一旦失去由大电网提供的稳定性，就有可能出现局部电网中突然的剧烈电压和/或频率变化，这就需要低压电源提供额外的电能来给风机低压配电***供电，因此低压电源可包括，但不限于，不间断电源或发电机。

步骤12：启动风力发电机组运行，通过变桨操作，使叶轮开始吸收风能，并带动发电机转速不断上升。具体的，在步骤11低压电源向风机低压配电***供电之后，叶轮就可以通过变桨来吸收风能，从而带动发电机转速不断上升。例如，风力较大时，使桨叶迎角减小；风力小时，使桨叶迎角增大。

步骤13：待发电机转速达到并网转速，启动机侧变流器，并将直流母线电压稳定在额定电压。具体的，当发电机转速不断上升达到并网转速，此时启动机侧变流器，由于没有电网连接，网侧变流器无法通过网侧吸收能量来稳定直流侧电压的恒定，因此就需要机侧变流器来完成稳定直流母线电压的任务。

进一步地，为了将直流母线电压稳定在额定电压，可以包括：实时检测直流母线电压。当直流母线电压低于额定电压时，机侧变流器控制电能从风力发电机流向直流母线，使直流母线电压升高；当直流母线电压高于额定电压时，机侧变流器控制电能从直流母线流向风力发电机，使直流母线电压降低。通过上述控制电能是从发电机流向直流母线还是从直流母线流向发电机，经多次调节最终将直流母线电压稳定在额定电压附近。

步骤14：待直流母线电压稳定后，启动网侧变流器，网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对网侧变流器的输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给主控制器。

进一步地，由于电网未连接，网侧变流器运行后的网侧端口电压与负载特性有很大关系，这里的负载可以为风机低压配电***和低压电源等构成的等效负载，或者也可以在并网变压器低压侧增加额外的其它等效负载。图3为本发明实施例一的网侧变流器和等效负载的模型示意图。参照图3，风机低压配电***、低压电源以及额外的其它等效负载可等效为一个并联的RLC负载，RLC负载形成一个等效阻抗Z，网侧变流器能控制流向等效负载的电流I的大小，电流经过RLC负载等效阻抗Z将在PLC阻抗两端形成电压U＝I*Z。

为了保证网侧端口电压稳定在标称电压附近，网侧变流器可采用网侧电压外环电流内环的控制模式对网侧变流器的输出电流进行控制，可以包括：

网侧变流器实时检测网侧端口电压，即RLC等效负载两端的电压；当检测到网侧端口电压小于标称电压时，网侧变流器增大输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等；当检测到网侧端口电压大于标称电压时，网侧变流器将减小输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等。

这里，需要说明的是输出电流设定值的增大或是减小都会使得在等效阻抗Z两端形成电压U增大或是减小，因此，经过上述多次的调节最终使得网侧端口电压稳定在标称电压附近。

进一步地，为了检测网侧端口的输出功率，可以包括：实时采集网侧端口电压和电流，根据网侧端口电压和电流计算出网侧端口功率。

这里需要说明的是，由于网侧变流器输出功率与负载有关系，因此，网侧变流器必须不断检测网侧端口的输出功率，并将检测到的实际功率值反馈给主控制器，为后续步骤的处理提供了数据基础。

步骤15：主控制器根据网侧端口的输出功率进行实时变桨使网侧端口的输出功率维持在目标功率。具体的，在步骤14将检测到的网侧端口的输出功率反馈给主控制器之后，主控制器就可以根据网侧端口功率来实时调整叶片角度，从而使得网侧端口的输出功率维持在目标功率。

本发明的风力发电机组孤岛运行的控制方法，通过利用低压电源向风机低压配电***供电，使风机启动运行，并通过对变桨部分和变流器部分的控制，使风力发电组实现孤岛运行，从而能够在无电网条件下完成风力发电机组的带电调试，节省上电后的调试时间。

进一步地，风力发电机组还包括制动回路，当叶轮吸收的能量大于网侧端口的输出功率时，会造成直流电压升高，从而影响风力发电组的正常运行，为了使得直流母线电压回落达到能量重新平衡，该方法还可以包括：

当叶轮吸收的风能大于网侧端口的输出功率时，启动制动回路来吸收多余的能量。

进一步地，为了在出现叶轮吸收的能量小于网侧端口的输出功率情况下，短时补充风力发电机组各部分的功率损耗，该方法还可以包括：

当叶轮吸收的风能小于网侧端口的输出功率时，使用低压电源补充风力发电机组的功率损耗，维持机组的正常运行。

实施例二

如图4所示，其为本发明实施例二的风力发电机组孤岛运行的控制装置的结构示意图，其包括：第一低压电源控制模块21，用于控制低压电源向风机低压配电***供电；启动运行控制模块22，用于启动风力发电机组运行，通过变桨操作，使叶轮开始吸收风能，并带动发电机转速不断上升；机侧变流器控制模块23，用于待发电机转速达到并网转速，启动机侧变流器，并控制机侧变流器将直流母线电压稳定在额定电压；网侧变流器控制模块24，用于待直流母线电压稳定后，启动网侧变流器，使网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对网侧变流器的输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给主控制器；主控制器根据网侧端口的输出功率进行实时变桨使网侧端口的输出功率维持在目标功率。

本发明的风力发电机组孤岛运行的控制装置，通过利用低压电源向风机低压配电***供电，使风机启动运行，并通过对变桨部分和变流器部分的控制，使风力发电组实现孤岛运行，从而能够在无电网条件下完成风力发电机组的带电调试，节省上电后的调试时间。

进一步地，当叶轮带动发电机转动起来后，发电机就相当于三相交流电源，可以通过控制电能的流向，即是从发电机流向直流母线还是从直流母线流向发电机，经多次调节最终使得直流母线电压稳定在额定电压附近，机侧变流器控制模块23可以包括：

机侧变流器启动单元231，用于待发电机转速达到并网转速，启动机侧变流器；

直流母线电压检测单元232，用于实时检测直流母线电压；

电能流向控制单元233，用于当直流母线电压低于额定电压时，机侧变流器控制电能从风力发电机流向直流母线，使直流母线电压升高；当直流母线电压高于额定电压时，机侧变流器控制电能从直流母线流向风力发电机，使直流母线电压降低。

进一步地，网侧变流器控制模块24可以包括：

网侧变流器启动单元241，用于待直流母线电压稳定后，启动网侧变流器待发电机转速达到并网转速，启动机侧变流器；

网侧端口电压检测单元242，用于实时检测网侧端口电压；

输出电流控制单元243，用于当检测到网侧端口电压小于标称电压时，所述网侧变流器增大输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，所述网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，所述网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等；当检测到网侧端口电压大于标称电压时，所述网侧变流器将减小输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，所述网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，所述网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等；

输出功率检测单元244，用于检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给所述主控制器。

具体的，网侧变流器控制模块24通过将网侧变流器运行于网侧电压外环电流内环的控制模式对网侧变流器的输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，同时将检测到的网侧端口的输出功率反馈给主控制器，以便于主控制器可根据网侧端口的输出功率进行实时变桨使网侧端口的输出功率维持在目标功率，从而完成风力发电机组的带电调试。

进一步地，输出功率检测单元244可以包括：

端口电压、电流采集子单元2441，用于实时采集网侧端口电压和电流；

网侧端口功率计算子单元2442，用于根据所述网侧端口电压和电流计算网侧端口功率。

进一步地，风力发电机组还包括制动回路，该控制装置还可以包括：

制动回路控制模块，用于当所述叶轮吸收的风能大于所述网侧端口的输出功率时，启动所述制动回路来吸收多余的能量。

具体的，当叶轮吸收的能量大于网侧端口的输出功率时，会造成直流电压升高，从而影响风力发电组的正常运行，此时制动回路控制模块将启动制动回路来吸收短时出现的过剩能量。待能量重新平衡时，直流母线电压回落后，制动回路控制模块将控制制动回路停止运行。

进一步地，为了在出现叶轮吸收的能量小于网侧端口的输出功率情况下，短时补充风力发电机组各部分的功率损耗，该控制装置还可以包括：

第二低压电源控制模块，用于当所述叶轮吸收的风能小于所述网侧端口的输出功率时，控制所述低压电源补充风力发电机组的功率损耗，维持机组的正常运行。

进一步地，为了在无电网条件下，能够提供额外的电能来给风力发电机组内部的偏航、变桨、主控、变流、机舱等电气设备供电，低压电源可以包括不间断电源或发电机。

实施例三

如图5所示，其为本发明实施例三的风力发电机组孤岛运行***的结构示意图，其包括：风力发电机组以及如实施例二所述的风力发电机组孤岛运行的控制装置，其中，风力发电机组包括：叶轮、发电机、机侧变流器、直流母线、网侧变流器、主控制器、风机低压配电***、配电变压器以及低压电源，叶轮、发电机、机侧变流器、直流母线、网侧变流器、配电变压器、风机低压配电***依次相连接，低压电源接入配电变压器低压侧，主控制器的两端分别与叶轮和网侧变流器相连接。

图6示出了本发明实施例三的低压电源为不间断电源时风力发电机组孤岛运行***的结构示意图，图7示出了本发明实施例三的低压电源为发电机时风力发电机组孤岛运行***的结构示意图，参照图6，提供额外电能的设备可以是不间断电源，将不间断电源连接在配电变压器低压侧，另外参照图7，提供额外电能的设备还可以是发电机，采用发电机提供额外电能时就需要将配电变压器低压侧开关断开。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种风力发电机组孤岛运行的控制方法，其特征在于，所述风力发电机组包括：叶轮、发电机、机侧变流器、直流母线、网侧变流器、主控制器、风机低压配电***、配电变压器以及低压电源，所述低压电源接入所述配电变压器低压侧，所述方法包括：

利用所述低压电源向所述风机低压配电***供电；

启动所述风力发电机组运行，通过变桨操作，使所述叶轮开始吸收风能，并带动所述发电机转速不断上升；

待所述发电机转速达到并网转速，启动所述机侧变流器，并将所述直流母线电压稳定在额定电压；

待所述直流母线电压稳定后，启动所述网侧变流器，所述网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对所述网侧变流器的输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给所述主控制器；

所述主控制器根据所述网侧端口的输出功率进行实时变桨以使所述网侧端口的输出功率维持在目标功率。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述将所述直流母线电压稳定在额定电压的处理包括：

实时检测直流母线电压；

当直流母线电压低于额定电压时，所述机侧变流器控制电能从风力发电机流向直流母线，使直流母线电压升高；当直流母线电压高于额定电压时，所述机侧变流器控制电能从直流母线流向风力发电机，使直流母线电压降低。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对网侧变流器的输出电流进行控制的处理包括：

实时检测网侧端口电压；

当检测到网侧端口电压小于标称电压时，所述网侧变流器增大输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，所述网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，所述网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等；当检测到网侧端口电压大于标称电压时，所述网侧变流器将减小输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，所述网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，所述网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述检测网侧端口的输出功率的处理包括：

实时采集网侧端口电压和电流；

根据所述网侧端口电压和电流计算网侧端口功率。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述风力发电机组还包括制动回路，所述方法还包括：

当所述叶轮吸收的风能大于所述网侧端口的输出功率时，启动所述制动回路来吸收多余的能量。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述叶轮吸收的风能小于所述网侧端口的输出功率时，使用所述低压电源补充风力发电机组的功率损耗，维持机组的正常运行。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述低压电源包括不间断电源或发电机。

8.一种风力发电机组孤岛运行的控制装置，其特征在于，所述风力发电机组包括：叶轮、发电机、机侧变流器、直流母线、网侧变流器、主控制器、风机低压配电***、配电变压器以及低压电源，所述低压电源接入所述配电变压器低压侧，所述控制装置包括第一低压电源控制模块、启动运行控制模块、机侧变流器控制模块、网侧变流器控制模块，其中，

所述第一低压电源控制模块，用于控制所述低压电源向所述风机低压配电***供电；

所述启动运行控制模块，用于启动所述风力发电机组运行，通过变桨操作，使所述叶轮开始吸收风能，并带动所述发电机转速不断上升；

所述机侧变流器控制模块，用于待所述发电机转速达到并网转速，启动所述机侧变流器，并控制所述机侧变流器将所述直流母线电压稳定在额定电压；

所述网侧变流器控制模块，用于待所述直流母线电压稳定后，启动所述网侧变流器，使所述网侧变流器采用网侧电压外环电流内环的控制模式对所述网侧变流器的输出电流进行控制，并检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给所述主控制器；

所述主控制器根据所述网侧端口的输出功率进行实时变桨以使所述网侧端口的输出功率维持在目标功率。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述机侧变流器控制模块包括：

机侧变流器启动单元，用于待所述发电机转速达到并网转速，启动所述机侧变流器；

直流母线电压检测单元，用于实时检测直流母线电压；

电能流向控制单元，用于当直流母线电压低于额定电压时，所述机侧变流器控制电能从风力发电机流向直流母线，使直流母线电压升高；当直流母线电压高于额定电压时，所述机侧变流器控制电能从直流母线流向风力发电机，使直流母线电压降低。

10.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述网侧变流器控制模块包括：

网侧变流器启动单元，用于待所述直流母线电压稳定后，启动所述网侧变流器；

网侧端口电压检测单元，用于实时检测网侧端口电压；

输出电流控制单元，用于当检测到网侧端口电压小于标称电压时，所述网侧变流器增大输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，所述网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，所述网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等；当检测到网侧端口电压大于标称电压时，所述网侧变流器将减小输出电流设定值，并检测实际输出电流，如果实际输出电流小于输出电流设定值，所述网侧变流器将增大电流输出，如果实际输出电流大于输出电流设定值，所述网侧变流器将减小电流输出，最终使得实际输出电流与输出电流设定值相等；

输出功率检测单元，用于检测网侧端口的输出功率，将检测到的网侧端口的输出功率反馈给所述主控制器。

11.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述输出功率检测单元包括：

端口电压、电流采集子单元，用于实时采集网侧端口电压和电流；

网侧端口功率计算子单元，用于根据所述网侧端口电压和电流计算网侧端口功率。

12.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述风力发电机组还包括制动回路，所述控制装置还包括：

制动回路控制模块，用于当所述叶轮吸收的风能大于所述网侧端口的输出功率时，启动所述制动回路来吸收多余的能量。

13.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：

第二低压电源控制模块，用于当所述叶轮吸收的风能小于所述网侧端口的输出功率时，控制所述低压电源补充风力发电机组的功率损耗，维持机组的正常运行。

14.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述低压电源包括不间断电源或发电机。

15.一种风力发电机组的孤岛运行***，其特征在于，所述***包括：风力发电机组以及权利要求8-14任一项所述的控制装置。