CN105449725A - 直驱风力发电机组频率穿越方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种直驱风力发电机组频率穿越方法和装置，方法包括：实时检测电网的频率；若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整所述逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围。本发明的技术方案可实现在电网频率出现异常时，控制风电机组向电网提供有力的有功功率支撑，完成风电机组的频率穿越过程。

Description

直驱风力发电机组频率穿越方法和装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种直驱风力发电机组频率穿越方法和装置。

背景技术

随着风电装机容量的增加，尤其是风电的大规模集中接入电网，极大改变了风电在电力***中的作用和地位。风电与电网的相互影响已变得不容忽略，在电网故障情况下的风力发电设备的响应特性及其对电网的影响更是不可忽视。

在实际电力***运行实践中，电网故障会导致风电场并网点电压和频率发生变化。其中,针对频率的变化的影响存在如下两种情况：

在电力***运行过程中，若某一个大电源突然退出运行，则会导致电网频率的急剧下降；若某一个大负荷突然退出运行，则会导致电网频率的急剧上升。

对于直驱风力发电机组(简称“风电机组”)而言，因变桨***只在风速大于额定风速时才开始工作(用于叶轮转速和输出功率的限制)，因此直驱风电机组的变桨***很难在电网频率突然异常时向电网提供有力的有功功率支撑。

发明内容

本发明的实施例提供一种风力发电机组频率穿越方法和装置，以实现在电网频率出现异常时，控制风电机组向电网提供有力的有功功率支撑，完成风电机组的频率穿越过程。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种直驱风力发电机组频率穿越方法，包括：实时检测电网的频率；若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整所述逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围。

本发明的实施例还提供了一种直驱风力发电机组频率穿越装置，包括：控制器和设置在直流母线上的储能模块，所述控制器包括：频率检测模块，用于实时检测电网的频率；频率调节模块，用于若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整所述逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围。

本发明实施例提供的直驱风力发电机组频率穿越方法和装置，通过在直流母线上设置储能模块，根据实时检测电网的频率值调整储能模块进行充放电从而调整逆变器输出至电网的有功功率，进而使电网的频率回归预定的正常频率范围。本方案不仅可以实现风电机组的频率穿越过程，而且利用储能模块的充放电主动调整了风电机组输出至电网的有功功率，对维护电网频率的正常稳定起到支撑作用。

附图说明

图1为现有技术中直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意图；

图2为图1中直驱风力发电机组主回路在频率穿越运行期间的功率平衡关系示意图；

图3为本发明提供的包含储能模块的直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意图；

图4为图3中直驱风力发电机组主回路在频率穿越运行期间的功率平衡关系示意图；

图5为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法一个实施例的方法流程图；

图6为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法另一个实施例的方法流程图；

图7为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法又一个实施例的方法流程图；

图8为本发明采用的直驱风电机组频率穿越控制示意图；

图9为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法再一个实施例的方法流程图；

图10为本发明提供的针对储能模块进行储能控制的方法流程图；

图11为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越装置一个实施例的结构框图；

图12为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越装置另一个实施例的结构框图；

图13为本发明提供的充电调节单元的结构框图；

图14为本发明提供的放电调节单元的结构框图；

图15为本发明提供的储能调控装置实施例的结构框图。

附图标号说明

11-叶轮、12-永磁同步发电机、13-整流器、14-直流侧稳压与能耗电路、15-直流侧母线电容、16-直流侧卸荷电阻、17-卸荷电阻前置IGBT模块、18-逆变器、19-滤波电感、20-电网、21-辅助电源、22-储能元件、23-IGBT控制开关、31-控制器、32-储能模块、311-频率检测模块、312-频率调节模块、33-储能电量监测模块，34-储能电量控制模块、41-充电调节单元、42-放电调节单元、51-第一实测功率子单元、52-第一直流电压给定子单元、53-充电电流给定子单元、54-充电控制脉冲信号子单元、55-充电控制子单元、61-第二实测功率子单元、62-第二直流电压给定子单元、63-放电电流给定子单元、64-放电控制脉冲信号子单元、65-放电控制子单元。

具体实施方式

在电力***中，频率的变化取决于电源输出有功和负荷消耗有功的平衡度。从电源角度而言，当电网频率降低时需要增加电源的输出功率；当电网频率增加时需要降低电源输出功率。反之，从负荷角度而言，当电网频率降低时需要减少负荷；当电网频率增加时需要增加负荷。这样才可以保证电力***以额定频率正常连续运行。

图1为现有技术中直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意图。如图1所示，叶轮11直接驱动永磁同步发电机12运行；永磁同步发电机12输出端连接发电机侧的整流器13，整流器13、直流侧稳压与能耗电路14(包括直流侧母线电容15、直流侧卸荷电阻16和卸荷电阻前置IGBT模块17)、电网侧逆变器18组成了全功率变流器，逆变器18输出端与滤波电感19相连，滤波电感19输出端并入电网20；图1中还包括连接在电网侧的辅助电源21。

基于图1的风电机组主回路结构，图2中示出了直驱风力发电机组主回路在频率穿越运行期间的功率平衡关系示意图。如图2所示，按照有功功率的流向有：发电机的输出有功功率P_gen＝直流母线有功功率P_dc＝逆变器输出至电网的有功功率P_grid，最终使得：P_gen＝P_grid(在忽略变流器损耗的条件下)。

本发明的最终目的是：使风电机组能够在异常的电网频率下保持连续联网运行，且参与电网频率的紧急调节，实现风电机组的频率穿越功能。

基于该目的，如图3所示，本方案实施例在图1所示拓扑结构的基础上，在逆变器的直流侧增设了可进行充放电的储能模块。该储能装置包括储能元件22(如超级电容)和两个IGBT控制开关23。IGBT控制开关23通过接收外部的控制脉冲信号控制储能元件22进行充放电。如图4所示，为本方案实施例在图3所示拓扑结构的基础上，示出的直驱风力发电机组主回路在频率穿越运行期间的功率平衡关系示意图。相应的，在储能元件22进行充电时，汲取直流母线上的电量从而减少了逆变器18输出至电网的有功功率；在储能元件22进行放电时，向直流母线上释放电量从而增加了逆变器18输出至电网的有功功率。储能元件22在充放电过程中对应的功率为P_sto。按照有功功率的流向有：发电机的输出有功功率P_gen+功率P_sto＝逆变器输出至电网的有功功率P_grid，最终使得：P_gen+P_sto＝P_grid。具体地，当储能元件22进行充电过程时P_sto取负值，当储能元件22进行放电过程时P_sto取正值。

本发明的基本思路是：当电网频率突变时，充分发挥以直流方式接入的储能装置22，通过如超级电容的快速充放电特性，在不依赖风况的条件下快速调节风电机组中逆变器输出至电网的有功功率，进而实现风电机组的频率穿越功能，且提供对电网频率紧急调节的支撑作用。

以下将结合附图对本方案中的直驱风力发电机组频率穿越方法和装置进行详细说明。

实施例一

图5为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法一个实施例的方法流程图。

S510，实时检测电网的频率。

S520，若电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整所述逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围。

根据表1中，国标GB/T19963-2011关于风电运行频率适应性的技术要求所示：在电力***频率处于49.5Hz～50.2Hz，风电机组为正常连续运行，而当小于49.5Hz或大于50.2Hz时要求风电机组具有运行固定时间段的能力。该固定时间段即为频率穿越持续时间。

表1国标GB/T19963-2011关于风电运行频率适应性的技术要求

本方案中，将50.2Hz作为频率控制死区的上限阈值，将49.5Hz作为频率控制死区的下限阈值，但不以此为限。当电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则表征当前接入电网的风电机组需要进行频率穿越。

为改善风电机组从原有被动适应电网的异常频率，到主动支撑改善电网的异常频率恢复正常。本实施例中，通过灵活控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整逆变器输出至电网的有功功率，使风电机组输出至电网的有功功率与当前电网上的负载所需的有功功率保持一致，从而使电网的频率回归预定频率范围。该预定频率范围即风电机组的稳态下的额定频率，如表1中所示风电机组正常运行时的频率范围：49.5Hz～50.2Hz。

例如，若电网的频率大于频率控制死区的上限阈值，则表征当前风电机组输出至电网的有功功率大于电网侧负载所需的有功功率，此时，控制储能模块进行充电，由于充电过程汲取了直流母线上的部分电能，因此降低了逆变器输出至电网的有功功率，从而使风电机组输出至电网的有功功率与电网侧负载所需的有功功率保值一致，电网的频率回归预定频率范围。

又例如，若电网的频率小于频率控制死区的下限阈值，则表征当前风电机组输出至电网的有功功率小于电网侧负载所需的有功功率，此时，控制储能模块进行放电，由于放电过程为向直流母线上输送额外电能，因此提高了逆变器输出至电网的有功功率，从而使风电机组输出至电网的有功功率与电网侧负载所需的有功功率保值一致，电网的频率回归预定频率范围。

本发明实施例提供的直驱风力发电机组频率穿越方法，在风电机组处于频率穿越运行过程中，根据电网侧采集的电网频率骤升/下陷，借助直流侧储能模块的快速充放电特性，最终使风电机组注入电网的有功功率随电网频率的异常变化而变化，实现了风电机组的频率穿越。

实施例二

在直驱风力发电机组***中，***所带的同步发电机和整机的电网侧在频率和电压参量上通过变流器直流回路实现了完全解耦，因此在本发明指定的直驱风电机组频率穿越运行过程中，发电机侧整流器的控制方式、风机变桨***的控制方式等环节跟电网频率正常时的控制方式相同。风电机组的频率穿越状态不会对风电机组的传动***带来额外的机械冲击和载荷。因此，本发明所提供的直驱风力发电机组频率穿越方法使风电机组具备了一种比较平滑的、安全的频率故障抵御能力，并保证了风电机组不脱网连续运行，是一种能够实现直驱风电机组(针对电网异常频率故障)软故障抵御能力方案。

结合现有技术中应用于风电机组的矢量控制算法，本实施例给出控制储能模块进行充放电来调整逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围的具体方案的算法构思。

假设电网侧三相电压平衡、主电路开关器件为理想开关，则在两相同步旋转坐标系中的逆变器模型如下(d轴定向于电网电压矢量)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=R_s{i}_d+L_s\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}-N_s{L}_s{i}_q+u_{sd}\\ u_q=R_s{i}_q+L_s\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}-N_s{L}_s{i}_d+u_{sq}\end{array}\right.\mathrm{...}\left(3\right)$

上式(3)中，u_d、u_q为逆变器输出电压的dq轴分量，L_s和R_s分别为逆变器交流侧感抗的电感和电阻分量，N_s为电网电压的电磁转速，i_d、i_q为逆变器输出电流的dq轴分量，u_sd为电网电压矢量(因为d轴定向于电网电压矢量，因此u_sq为零)。

同理，风电机组变流器侧输出功率如下：

$\{\begin{array}{c}{P}_{grid}=u_{sd}{i}_d\\ Q_{grid}=u_{sd}{i}_q\end{array}\mathrm{...}\left(4\right)$

上式(4)中，P_grid和Q_grid分别为注入到电网侧的有功功率和无功功率的实际值。

通过式(3)和(4)可见，通过控制电网电流的dq轴分量可实现有功功率和无功功率的独立解耦控制。

根据逆变器数学模型(上式(3)和(4))，结合直驱风电机组在正常运行模式和故障运行模式(频率穿越运行模式)下的工作特性，如图6和图7所示，本发明提供了直驱风力发电机组频率穿越方法另外两种实施例的方法流程图，均可视为图5所示实施例的具体实现方式。其中，图6为针对控制储能模块进行充电来调整逆变器输出至电网的有功功率的方法实施例，图7为针对控制储能模块进行放电来调整逆变器输出至电网的有功功率的方法实施例。

如图6所示，该直驱风力发电机组频率穿越方法包括：

S610，采集逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据电压、电流值计算逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid。

具体地，在电网侧采集三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c。将采集的电压电流值进行坐标系转换，得到两相同步旋转坐标系下的dq轴分量，即u_sd、u_sq和i_d、i_q(d轴定向于电网电压矢量，因此u_sq为零)。

然后通过上述公式(4)，可计算得到逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid。

S620，选取预设的频率控制死区的上限阈值对应的第一有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将有功功率给定值P_{grid_ref}与有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}。

如图8所示，为本方案采用的风电机组频率控制示意图，图中示出了不同电网频率下风电机组向电网侧输出的有功功率要求值。当电网频率低于fmin(对应有功功率为Pmax)或高于fmax(对应有功功率为Pmin)时，风电机组直接跳闸；当频率在f2(如上述的49.5Hz)～f3(如上述的50.2Hz)时(额定频率为50Hz)，风电机组正常运行，根据风况自由发电，对风电机组有功功率不做控制；如果电网频率小于f1或大于f4则会启动频率穿越控制，有功控制的斜率和完成时间由并网规程或电力调度部门确定(频率小于f1时，对应于实时风况的有功功率Pavailable小于Pmax，这时需要借助储能模块的放电来使实时出力接近Pmax；当频率大于f4时，通过充电或停机等措施，使有功功率按照如图所示的斜率降低)；当频率在f1～f2或在f3～f4时，风电机组按照并网规程要求，在一定的时间间隔之内保持联网运行，必要时参与风电场的稳态有功调节。

本实施例基于图8所示的风电机组频率控制示意图，选取预设的频率控制死区的上限阈值(如上述的50.2Hz)对应的第一有功功率要求值(如P1)作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将有功功率给定值P_{grid_ref}与有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}。该直流电压给定值U_{dc_ref}的初始值可在直流额定电压附近任意选取。

S630，采集逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将直流电压实测值U_dc与直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到储能模块的充电电流给定值I_{s_ref}。

S640，采集当前储能模块的充电电流实测值I_s，并将充电电流实测值I_s与充电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制储能模块进行充电的控制脉冲信号。

在实际操作过程中，如果当前储能模块正在进行充电过程，则相应充电电流实测值I_s为正值，相反，如果当前储能模块正在进行放电过程，则相应充电电流实测值I_s为负值。

S650，通过充电的控制脉冲信号控制储能模块进行充电来降低逆变器输出至电网的有功功率。

上述充电的控制脉冲信号中的占空比是指对储能模块充电的占空比。通过合适的占空比设置可对储能模块进行合理电量的充电，从而降低逆变器输出至电网的有功功率。

图6所示方法实施例通过对储能模块进行合理充电，减少逆变器输出值电网的有功功率，使风电机组输出至电网的有功功率与电网侧负载所需的有功功率相一致，从而降低电网频率至正常范围。

如图7所示，另一种直驱风力发电机组频率穿越方法包括：

S710，采集逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据电压电流值计算所述逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid。

S720，选取预设的频率控制死区的下限阈值对应的第二有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将有功功率给定值P_{grid_ref}与有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}；

S730，采集逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将直流电压实测值U_dc与直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到储能模块的放电电流给定值I_{s_ref}。

上述S710、S720和S730的步骤内容与前述S610、S620和S630的内容对应相同，在此不做赘述。

S740，采集当前储能模块的放电电流实测值I_s，并将放电电流实测值I_s与放电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制储能模块进行放电的控制脉冲信号；

在实际操作过程中，如果当前储能模块正在进行放电过程，则相应放电电流实测值I_s为正值，相反，如果当前储能模块正在进行充电过程，则相应放电电流实测值I_s为负值。

S750，通过放电的控制脉冲信号控制该储能模块进行放电来提高逆变器输出至电网的有功功率。

上述放电的控制脉冲信号中的占空比是指对储能模块放电的占空比。通过合适的占空比设置可对储能模块进行合理电量的放电，从而增加逆变器输出至电网的有功功率。

图7所示方法实施例通过对储能模块进行合理放电，提高逆变器输出值电网的有功功率，使风电机组输出至电网的有功功率与电网侧负载所需的有功功率相一致，从而提高电网频率至正常范围。

图9为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越方法再一个实施例的方法流程图。该方法实施例以控制流程图的形式展示了通过对储能模块进行充放电来调整逆变器输出至电网的有功功率。如图9所示，该直驱风力发电机组频率穿越方法为：

首先，采集逆变器输出至电网的电压和电流值U_a、U_b、U_c、I_a、I_b、I_c。将采集的电压电流值进行坐标系转换，得到两相同步旋转坐标系下的dq轴分量，即u_sd、u_sq和i_d、i_q(d轴定向于电网电压矢量，因此u_sq为零)。该过程需要通过如锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)进行锁相，得到电网侧电压矢量的相位角θ。根据电压电流值利用公式(4)计算逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid。

然后，选取预设的频率控制死区的上、下限阈值对应的有功功率要求值(即并网规程技术要求的功率值)作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将有功功率给定值P_{grid_ref}与有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}。

接下来，采集逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将直流电压实测值U_dc与直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到储能模块的充放电电流给定值I_{s_ref}。将充放电电流实测值I_s与充放电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制储能模块进行充放电的控制脉冲信号D。

最后，通过充放电的控制脉冲信号控制储能模块进行充放电来降低或提高逆变器输出至电网的有功功率，实现稳定电网频率至正常频率范围的目的。

进一步地，在实际对储能模块进行充放电的过程中，储能模块中的储能元件必须实时具备充电或者放电的能力，即储能元件具备一定的放电所需的电量，同时还有空余容量用于充电。为了确保风电机组频率穿越过程中，储能模块能自如进行充放电来维持风电机组输出至电网的有功功率。本实施例在上述方法实施例的基础上还可执行如图10所示的针对储能模块进行储能控制的方法步骤。如图10所示，该方法包括：

S101，实时监测储能模块的储能电量。

针对储能模块中储能元件所储存的电量，可在每次充电或放电时通过储能元件两端电压随时间的变化率计算得到。本方案对监测储能模块的储能电量的方法不作限定。

S102，若储能电量低于第一预设值，则控制通过直流母线向储能模块进行充电；并且，若储能电量高于第二预设值，则控制通过直流母线承载该储能模块进行放电。

例如，在风电机组发电机产生的有功功率较大时，不必通过卸荷电阻消耗有功，而是可直接充给储能模块进行能量存储。在风电机组发电机产生的有功功率较小时，也可将储能模块的能量适当释放给变流器直流侧，从而输送至逆变器完成放电。如此，通过对储能模块进行储能电量的合理控制，可确保风电机组频率穿越过程中，储能模块能自如进行充放电来维持风电机组输出至电网的有功功率。

本实施例提供的直驱风力发电机组频率穿越方法，在图5所示实施例的基础上，结合风电机组的矢量控制算法，给出了控制储能模块充放电的具体实现方式。同时，针对储能模块中储能元件所储存的电量进行控制调整确保风电机组频率穿越过程中，储能模块能自如进行充放电来维持风电机组输出至电网的有功功率。

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。

实施例三

图11为本发明提供的直驱风力发电机组频率穿越装置一个实施例的结构示意图，可用于执行图5所示实施例的方法步骤，如图11所示，该直驱风力发电机组频率穿越装置包括：控制器31和设置在直流母线上的储能模块32，控制器31包括：

频率检测模块311，用于实时检测电网的频率；频率调节模块312，用于若电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围。

进一步地，如图12所示，上述直驱风力发电机组频率穿越装置中，频率调节模块312包括：

充电调节单元41，用于若电网的频率大于频率控制死区的上限阈值，则控制储能模块32进行充电来降低逆变器输出至电网的有功功率；放电调节单元42，用于若电网的频率小于频率控制死区的下限阈值，则控制储能模块32进行放电来提高所述逆变器输出至电网的有功功率。

进一步地，如图13所示，充电调节单元41包括：第一实测功率子单元51，用于采集逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据电压电流值计算该逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid；第一直流电压给定子单元52，用于选取预设的频率控制死区的上限阈值对应的第一有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将有功功率给定值P_{grid_ref}与有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}；充电电流给定子单元53，用于采集逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将直流电压实测值U_dc与直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到储能模块32的充电电流给定值I_{s_ref}；充电控制脉冲信号子单元54，用于采集当前储能模块32的充电电流实测值I_s，并将充电电流实测值I_s与充电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制储能模块32进行充电的控制脉冲信号；充电控制子单元55，用于通过充电的控制脉冲信号控制储能模块32进行充电来降低逆变器输出至电网的有功功率。

进一步地，如图14所示，上述放电调节单元42包括：第二实测功率子单元61，用于采集逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据电压电流值计算逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid；第二直流电压给定子单元62，用于选取预设的频率控制死区的下限阈值对应的第二有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将有功功率给定值P_{grid_ref}与有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}；放电电流给定子单元63，用于采集逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将直流电压实测值U_dc与直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到储能模块32的放电电流给定值I_{s_ref}；放电控制脉冲信号子单元64，用于采集当前储能模块32的放电电流实测值I_s，并将该放电电流实测值I_s与放电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制储能模块32进行放电的控制脉冲信号；放电控制子单元65，用于通过放电的控制脉冲信号控制储能模块32进行放电来提高逆变器输出至电网的有功功率。

进一步地，如图15所示，上述直驱风力发电机组频率穿越装置中还可包括储能调控装置：包括储能电量监测模块33和储能电量控制模块34；

储能电量监测模块33，用于实时监测储能模块的储能电量；储能电量控制模块34，用于若储能电量低于第一预设值，则控制通过直流母线向储能模块进行充电；并且，若储能电量高于第二预设值，则控制通过直流母线承载储能模块进行放电。

上述图6、图7、图9所示实施例的方法步骤可通过图12～图15所示实施例的结构执行完成，在此对步骤原理不做赘述。

本发明实施例提供的直驱风力发电机组频率穿越装置，在风电机组处于频率穿越运行过程中，根据电网侧采集的电网频率骤升/下陷，借助直流侧储能模块的快速充放电特性，最终使风电机组注入电网的有功功率随电网频率的异常变化而变化，实现了风电机组的频率穿越。

进一步的，本方案结合风电机组的矢量控制算法，给出了控制储能模块充放电的具体实现方式。同时，针对储能模块中储能元件所储存的电量进行控制调整确保风电机组频率穿越过程中，储能模块能自如进行充放电来维持风电机组输出至电网的有功功率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种直驱风力发电机组频率穿越方法，其特征在于，包括：

实时检测电网的频率；

若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整逆变器输出至电网的有功功率，包括：

若所述电网的频率大于频率控制死区的上限阈值，则控制所述储能模块进行充电来降低所述逆变器输出至电网的有功功率；

若所述电网的频率小于频率控制死区的下限阈值，则控制所述储能模块进行放电来提高所述逆变器输出至电网的有功功率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若所述电网的频率大于频率控制死区的上限阈值，则控制所述储能模块进行充电来降低所述逆变器输出至电网的有功功率包括：

采集所述逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据所述电压、电流值计算所述逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid；

选取预设的所述频率控制死区的上限阈值对应的第一有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将所述有功功率给定值P_{grid_ref}与所述有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}；

采集所述逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将所述直流电压实测值U_dc与所述直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到所述储能模块的充电电流给定值I_{s_ref}；

采集当前所述储能模块的充电电流实测值I_s，并将所述充电电流实测值I_s与所述充电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制所述储能模块进行充电的控制脉冲信号；

通过所述充电的控制脉冲信号控制所述储能模块进行充电来降低所述逆变器输出至电网的有功功率。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若所述电网的频率小于频率控制死区的下限阈值，则控制所述储能模块进行放电来提高所述逆变器输出至电网的有功功率包括：

采集所述逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据所述电压电流值计算所述逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid；

选取预设的所述频率控制死区的下限阈值对应的第二有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将所述有功功率给定值P_{grid_ref}与所述有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}；

采集所述逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将所述直流电压实测值U_dc与所述直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到所述储能模块的放电电流给定值I_{s_ref}；

采集当前所述储能模块的放电电流实测值I_s，并将所述放电电流实测值I_s与所述放电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制所述储能模块进行放电的控制脉冲信号；

通过所述放电的控制脉冲信号控制所述储能模块进行放电来提高所述逆变器输出至电网的有功功率。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

实时监测所述储能模块的储能电量；

若所述储能电量低于第一预设值，则控制通过直流母线向所述储能模块进行充电；并且，若所述储能电量高于第二预设值，则控制通过直流母线承载所述储能模块进行放电。

6.一种直驱风力发电机组频率穿越装置，其特征在于，包括：控制器和设置在直流母线上的储能模块，所述控制器包括：

频率检测模块，用于实时检测电网的频率；

频率调节模块，用于若所述电网的频率超出频率控制死区的上、下限阈值，则控制设置在直流母线上的储能模块进行充放电来调整逆变器输出至电网的有功功率，使电网的频率回归预定频率范围。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述频率调节模块包括：

充电调节单元，用于若所述电网的频率大于频率控制死区的上限阈值，则控制所述储能模块进行充电来降低所述逆变器输出至电网的有功功率；

放电调节单元，用于若所述电网的频率小于频率控制死区的下限阈值，则控制所述储能模块进行放电来提高所述逆变器输出至电网的有功功率。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述充电调节单元包括：

第一实测功率子单元，用于采集所述逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据所述电压电流值计算所述逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid；

第一直流电压给定子单元，用于选取预设的所述频率控制死区的上限阈值对应的第一有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将所述有功功率给定值P_{grid_ref}与所述有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}；

充电电流给定子单元，用于采集所述逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将所述直流电压实测值U_dc与所述直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到所述储能模块的充电电流给定值I_{s_ref}；

充电控制脉冲信号子单元，用于采集当前所述储能模块的充电电流实测值I_s，并将所述充电电流实测值I_s与所述充电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制所述储能模块进行充电的控制脉冲信号；

充电控制子单元，用于通过所述充电的控制脉冲信号控制所述储能模块进行充电来降低所述逆变器输出至电网的有功功率。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述放电调节单元包括：

第二实测功率子单元，用于采集所述逆变器输出至电网的电压、电流值，并根据所述电压电流值计算所述逆变器输出至电网的有功功率实测值P_grid；

第二直流电压给定子单元，用于选取预设的所述频率控制死区的下限阀对应的第二有功功率要求值作为有功功率给定值P_{grid_ref}，并将所述有功功率给定值P_{grid_ref}与所述有功功率实测值P_grid通过PI调节器进行调节计算得到直流电压给定值U_{dc_ref}；

放电电流给定子单元，用于采集所述逆变器直流侧的直流电压实测值U_dc，并将所述直流电压实测值U_dc与所述直流电压给定值U_{dc_ref}通过PI调节器进行调节计算得到所述储能模块的放电电流给定值I_{s_ref}；

放电控制脉冲信号子单元，用于采集当前所述储能模块的放电电流实测值I_s，并将所述放电电流实测值I_s与所述放电电流给定值I_{s_ref}通过PI调节器进行调节计算得到当前用于控制所述储能模块进行放电的控制脉冲信号；

放电控制子单元，用于通过所述放电的控制脉冲信号控制所述储能模块进行放电来提高所述逆变器输出至电网的有功功率。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

储能电量监测模块，用于实时监测所述储能模块的储能电量；

储能电量控制模块，用于若所述储能电量低于第一预设值，则控制通过直流母线向所述储能模块进行充电；并且，若所述储能电量高于第二预设值，则控制通过直流母线承载所述储能模块进行放电。