CN110401225A - 考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，双馈风电机组遇到***高压时，主控将对风电机组功率的控制权让出给变流器，变流器开展控制，同时投入并联在直流母线上的直流卸荷Chopper电路开展高穿控制；在高电压结束后主控恢复对风电机组功率的控制权。本发明解决了暂态过程中因为出现过压导致直流母线电压波动、网侧电流畸变等问题，保证了故障穿越期间风电***的安全运行。

Description

考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及新能源发电单元并网技术领域，特别是一种考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法。
背景技术
与电压跌落类似，电压骤升也会在风电机组定子侧、转子侧激起一系列电磁暂态变化。双馈风电机组定子侧与电网直接连接，电网电压骤升会引起双馈电机定子和转子磁链的变化，由于磁链守恒不能突变，定子和转子绕组中会出现暂态直流分量。因感应电机的转子高速旋转，直流暂态分量将会导致定转子电路中感应电压和电流的升高，严重时会超过电力电子器件和电机的安全限定值，造成设备的损坏；同时暂态过程会造成双馈风电机组电磁转矩的波动，这将给齿轮箱造成机械冲击，影响风电***的寿命。当电网电压骤升时，因变流器功率限制，网侧变流器的输出电流会减小，功率不平衡造成电网多余的能量通过网侧对直流母线电容充电，引起直流母线电压的上升。
双馈电机的定子电压和磁链方程分别为：
式中，Us、Ur分别为定、转子电压矢量；Is、Ir分别为定、转子电流矢量；ψs、ψr分别为定子、转子磁链矢量；Ls、Lr分别为定子、转子绕组自感；Lm为定转子绕组互感；Rs、Rr分别为定子、转子绕组电阻。
令电网电压在时间t＝t0时发生骤升，双馈风电机组的定子电压矢量方程为：
式中，Use为正常运行时定子电压幅值；p＝(Us-Use)/Use为电网电压升高比例；ωs为同步转速率。
根据磁链守恒定律，虽然定子电压幅值发生骤升，但是定子磁链幅值并不会发生突变。为了便于分析，先假设双馈风电机组转子开路，即转子侧变流器不能提供励磁电压，则由式(2)和式(3)可得定子磁链的变化率为：
根据式(2)的电压骤升前后的条件，对式(4)进行求解，得电网电压骤升情况下定子磁链方程为：
从式(2)中可看出，电网电压骤升后，定子磁链由强制分量和自由分量组成。强制分量即交流分量以同步速度旋转，其幅值与电网电压骤升后的幅值成正比；自由分量即直流分量则以定子时间常数逐渐衰减至零。
忽略定子电流，在t＞t0时，可得到电网电压骤升瞬间双馈风电机组转子上的感应电压为：
式中，s为双馈风电机组转子转差率。
由上述分析可知，双馈风电机组定子侧直接与电网相连，对电网故障非常敏感，当电网电压骤升时，转子绕组产生冲击电流，该冲击电流由定子磁链中的直流分量感应而出。若不采取及时的保护，将造成转子侧变流器损坏，甚至导致电容器被击穿。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，解决了暂态过程中因为出现过压导致直流母线电压波动、网侧电流畸变等问题，保证了故障穿越期间风电***的安全运行。
本发明采用以下方案实现：一种考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，具体包括以下步骤：
双馈风电机组遇到***高压时，主控将对风电机组功率的控制权让出给变流器，变流器开展控制，同时投入并联在直流母线上的直流卸荷Chopper电路开展高穿控制；
在高电压结束后主控恢复对风电机组功率的控制权。
进一步地，所述变流器开展控制具体为：网侧变流器切换至母线电压控制模式，转子侧变流器则切换至无功支持模式。
进一步地，在***高压时，提高网侧变流器开关器件及母线电容器的耐压等级同时利用网侧变流器进线电抗进行分压，即令网侧变流器输出一定的感性无功电流Igq，即Igq＝(K-1.0)*IgN，其中K为母线电压过电压系数，IgN为网侧变流器额定电流。
进一步地，所述直流卸荷Chopper电路开展高穿控制具体为：当检测到母线电压高于预设的电压上限时，触发直流卸荷Chopper电路开始工作，当母线电压低于预设的电压上限时，直流卸荷Chopper电路退出工作状态。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明当检测到高压，主控让出功率控制权给变流器，网侧变流器瞬即切换至母线电压控制模式，而转子侧变流器则切换至无功支持模式，直流母线上并联直流卸荷Chopper电路投入，高电压结束后主控恢复对风电机组功率的控制权，解决了暂态过程中因为出现过压导致直流母线电压波动、网侧电流畸变等问题，保证了故障穿越期间风电***的安全运行。
附图说明
图1为本发明实施例考虑变流器功率约束后双馈风电机组的高电压穿越控制框图。
图2为本发明实施例的具体控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供了一种考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，具体包括以下步骤：
双馈风电机组遇到***高压时，主控将对风电机组功率的控制权让出给变流器，变流器开展控制，同时投入并联在直流母线上的直流卸荷Chopper电路开展高穿控制；
在高电压结束后主控恢复对风电机组功率的控制权。
在本实施例中，所述变流器开展控制具体为：网侧变流器切换至母线电压控制模式，转子侧变流器则切换至无功支持模式。
在本实施例中，在***高压时，提高网侧变流器开关器件及母线电容器的耐压等级同时利用网侧变流器进线电抗进行分压，即令网侧变流器输出一定的感性无功电流Igq，即Igq＝(K-1.0)*IgN，其中K为母线电压过电压系数，IgN为网侧变流器额定电流。
在本实施例中，所述直流卸荷Chopper电路开展高穿控制具体为：当检测到母线电压高于预设的电压上限时，触发直流卸荷Chopper电路开始工作，当母线电压低于预设的电压上限时，直流卸荷Chopper电路退出工作状态。
如图2所示，较佳的，风电机组实现故障穿越需主控***与变流器的协同配合，***正常运行时，网侧变流器工作在单位功率因数控制模式(通常功率因素设定为1)，转子侧变流器工作在最大功率追踪模式。当检测到高压，主控***在收到变流器给出的电网电压升高故障信号后，主控***需屏蔽部分与高电压穿越相关的故障(如：电网电压高、变流器输出功率偏离指令值等保护信号)，让出主控***功率控制权，并设置合理的电网高电压穿越保护曲线。该保护曲线，通常由相关并网技术标准给出。
较佳的，为保证电网电压骤升期间网侧变流器的正常工作和母线电压的稳定控制，需要提高变流器开关器件及母线电容器的耐压等级同时利用网侧变流器进线电抗进行分压，即令网侧变流器输出一定的感性无功电流。提出的这种优化控制策略不仅经济实用，还能对故障电网提供一定的动态无功支撑能力。
其中，变流器正常工作时无功电流最小值与电网相电压峰值及有功电流间的关系为：
式中，Lg表示网侧变流器进线电感，Igd表示网侧变流器输出电流的d轴分量；上式表明，电网电压骤升期间网侧变流器输出感性无功电流值一方面取决于电网相电压Ug的大小，另一方面还受其输出有功电流的约束。而电网电压骤升期间网侧变流器无功输出能力主要取决于电压骤升幅度，而几乎不受变流器输出有功电流的影响。
图1为考虑变流器功率约束后双馈风电机组的高电压穿越控制框图。具体的控制策略为：当检测到双馈电机的定子电压Us(即网侧电压)大于正常定子电压的1.1倍时，网侧变流器瞬即切换至母线电压控制模式，而转子侧变流器则切换至无功支持模式；一旦检测到电网电压Udc骤升至需要启动高电压穿越控制限定值Udcmax时，同时为抑制电压骤变瞬间可能出现的母线电压泵升，直流母线上并联直流卸荷Chopper电路，可在母线电压高于其最大可连续操作电压，即电压上限Udcmax时触发导通，从而确保直流环节的安全。
在本实施例中，高电压结束后，主控恢复对风电机组功率的控制权。收到变流器给出的电网电压恢复信号后，主控***恢复之前屏蔽的故障或告警信号，恢复对风电机组功率的控制权，风电机组正常运行发电。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
双馈风电机组遇到***高压时，主控将对风电机组功率的控制权让出给变流器，变流器开展控制，同时投入并联在直流母线上的直流卸荷Chopper电路开展高穿控制；
在高电压结束后主控恢复对风电机组功率的控制权。
2.根据权利要求1所述的考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，其特征在于，所述变流器开展控制具体为：网侧变流器切换至母线电压控制模式，转子侧变流器则切换至无功支持模式。
3.根据权利要求1所述的考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，其特征在于，在***高压时，提高网侧变流器开关器件及母线电容器的耐压等级同时利用网侧变流器进线电抗进行分压，即令网侧变流器输出一定的感性无功电流。
4.根据权利要求1所述的考虑变流器功率约束后双馈风机的高电压穿越控制方法，其特征在于，所述直流卸荷Chopper电路开展高穿控制具体为：当检测到母线电压高于预设的电压上限时，触发直流卸荷Chopper电路开始工作，当母线电压低于预设的电压上限时，直流卸荷Chopper电路退出工作状态。
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