CN112104274B - 一种基于转速控制的风机保护控制方法及*** - Google Patents

一种基于转速控制的风机保护控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于转速控制的风机保护控制方法及***，当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；根据转速外环控制的输出结果以及直流交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号；本公开在风速不变的情况下风力发电机的风能利用系数减小，输入到发电机中的机械功率降低，从而导致其输出功率也随之减少，既减轻了卸荷电阻的散热问题，还避免了风力发电机发生停机再启的状况，加快了***的故障恢复。

Description

一种基于转速控制的风机保护控制方法及***
技术领域
本公开涉及风电故障保护技术领域，特别涉及一种基于转速控制的风机保护控制方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
随着新能源技术特别是风力发电技术的飞速发展，陆上及海上风电场装机容量越来越大。特别是海上风力发电，目前正朝着远距离大容量发展，因此故障情况下，风机的保护和控制是十分重要的一环。
当风电***中发生端口短路故障时，会引起本端口以及相邻端口发生变换器的闭锁，风机发出的能量无法向外传输，整流变换器输出侧电容电压将会飞快升高，威胁风场安全。目前采取的办法一般发生故障的端口直接停机，对于非故障端口目前有以下几种处理方法，这些方法大致分为三类，一类是通过风机自身来进行能量的消纳，一类是外加耗能或储能设备，还有一类是从整体的拓扑增加***的冗余度来进行解决。
本公开发明人发现，有研究人员针对串联型风电场中某个风机发生故障切除后，引起同一串上的非故障风机承受机端过电压的现象，提出了一种基于直流断路器及隔离开关的矩阵式的拓扑，这种拓扑灵活性，但是成本也因为使用较多直流断路器而有所增加；有研究人员提出了超级电容这一储能设备在故障时期对多余的能量进行存储，故障处理后再将所储存的能量进行释放，这种方法的独到之处是可以使获得的风能的不会被浪费，缺点是需要额外增加储能设备，增加了成本；有研究人员介绍了带卸荷电阻的斩波电路在故障时期进行多余能量的消耗，这种电路结构简单，技术较为成熟，是目前最常用的解决办法，但是需要额外解决卸荷电阻的散热较大这一弊端；也有研究人员提出利用发电机进行储能的策略，提高发电机的转速来进行储能，其优点是十分明显的，不需额外增添设备且不用考虑散热问题，但是由于发电机转速不能无限制上升，因此其缺点就是无法储存过多的能量。
上述方案针对风场故障问题提出了不同解决方案，但均具有一定的局限性。使故障时期能量得到充分利用的策略均需要额外增添设备，对能量进行消耗的策略需要额外考虑增加散热设备，都增加了成本。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于转速控制的风机保护控制方法及***，在风速不变的情况下风力发电机的风能利用系数减小，输入到发电机中的机械功率降低，从而导致其输出功率也随之减少，既减轻了卸荷电阻的散热问题，还避免了风力发电机发生停机再启的状况，加快了***的故障恢复。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种基于转速控制的风机保护控制方法。
一种基于转速控制的风机保护控制方法，包括以下步骤：
当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
根据转速外环控制的输出结果以及直流交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
本公开第二方面提供了一种基于转速控制的风机保护控制***。
一种基于转速控制的风机保护控制******，包括：
卸荷电阻计算模块，被配置为：当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
转速外环控制模块，被配置为：根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
开关管驱动模块，被配置为：根据转速外环控制的输出结果以及直流交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于转速控制的风机保护控制方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于转速控制的风机保护控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的方法、***、介质及电子设备，针对永磁风力发电***，在配有卸荷电阻的风场基础上，在故障发生时控制风力机的转速，升高定子电流，使发电机工作在重载状态，转速下降，进而使得风机叶片的旋转速度降低，实现了低速不停机运行。
2、本公开所述的方法、***、介质及电子设备，在风速不变的情况下风力机的风能利用系数减小，输入到发电机中的机械功率降低，从而导致其输出功率也随之减少，既减轻了卸荷电阻的散热问题，还避免了风力发电机发生停机再启的状况，加快了***的故障恢复。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的基于转速控制的风机保护控制方法的流程示意图。
图2为本公开实施例1提供的Cp(λ,β)的曲线。
图3为本公开实施例1提供的Cp(λ，0°)的曲线。
图4为本公开实施例1提供的最大风能曲线(其中v1<v2<v3<v4)。
图5为本公开实施例1提供的基于转速控制的风机保护控制方法的控制框图。
图6为本公开实施例2提供的基于转速控制的风机保护控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本公开实施例1提供了一种基于卸荷电阻的风场故障情况的控制方法，其中风机单元有永磁直驱风力发电机以及相互连接的前级AC/DC变换器和后级变换器组成，所述故障情况为某个端口发生相间短路故障等故障情况，如图1所示，包括以下步骤：
当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
根据转速外环控制的输出结果以及直流交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
详细的，包括以下内容：
首先确定卸荷电阻的阻值，故障发生时，风机脱离母线，假设故障期间风速保持不变，整流变换器输出侧的电容C1上可承受的最大电压为Vdc1_max，设定子所能发出的最低功率为Ps_min，卸荷电阻阻值为R’，能够维持发电机工作的最低直流电压为Vdc1_min，此外，其额定电压为Vsrated，启动电压Vstart至少为其额定值的75％，否则发电机难以启动，则有：
Figure BDA0002636388430000061
根据此种情况下的风机所发出的功率Ps_min便可计算得到所采用卸荷电阻大小，其数学表达为：
Figure BDA0002636388430000062
忽略损耗，则可获得相应的机械功率
Figure BDA0002636388430000063
其中，PV为输入到风力发电机中的气动功率，PV＝0.5ρSwν3，Sw为风力发电机的迎风面积，ρ为标准条件下的空气密度，取1.225kg/m3。风力发电机机向发电机输出的机械功率为：Pwo＝CP×PV＝0.5ρSWν3CP＝0.125πρDW 2ν3CP
进一步的，设定参考转速ωr *，结合风能利用系数Cp的表达式：
Figure BDA0002636388430000064
其中，
Figure BDA0002636388430000065
ωr为为叶片旋转角速度，c1＝0.5，c2＝116/λi，c3＝0.4，c4＝0，c5＝5，c6＝21/λi，x＝1.5，
Figure BDA0002636388430000066
Dw为风轮的直径，r为叶片半径，ν为风速。
Cp(λ，β)可表示为如图2所示的一簇曲线。当固定β保持不变(以0°时为例) 时，Cp值的大小就仅与λ值的大小有关，在这种情况下，Cp曲线可表示为如图3 所示一条曲线。
可以看出，λ是一与风速v及风力机转速ωw相关的变量，因此在某个恒定的风速v下，随着风力机桨叶转速ωw的改变，Cp值的大小也会做出对应改变，因此导致风力机输出的机械功率Po发生变化。可得到在桨距角为0°的情况下，不同风速所对应的风机功率-转速曲线，如图4所示。
根据得到的风能利用系数，得到低转速控制下的转速参考值为：
Figure BDA0002636388430000071
进一步的，采集发电机转速ωr，先基于转速外环反馈，后基于电流内环反馈采用上述ωr、ωr *和所述直流交轴分量usq、isq得到调制信号，该调制信号用于生成AC/DC变换器的开关管驱动信号，上述过程用于实现对发电机转速的控制，即提高定子电流使发电机工作于重载状态的过程。
具体的控制框图如图5所示，图5中的1部分的椭圆虚线框内为AC-DC变换器；2部分的椭圆虚线框内为风机侧设备，包括永磁同步发电机；3部分的椭圆虚线框内为控制回路中故障情况下的控制。
具体的控制策略为：故障情况下，根据是公式(1)和公式(2)确定***所需卸荷电阻的阻值，并进行投入。同时由正常控制策略切换至图1故障情况下控制策略，图5中2部分测得采集发电机转速ωr，送入控制***，即图5中3部分，构成转速外环控制。
图5中的3部分的中ωr *由公式(5)计算得到，此值与转速值做差送入PI控制器形成转速外环控制，保证风机在低速下运行，不停机，度过故障时期。内环电流控制的指令值由外环转速环决定，内环控制与正常模式相同，这里不再赘述。
当***故障排除，恢复正常后，切换回正常控制模式，切掉卸荷电阻。
当交流电网发生电压跌落时，风场与直流输电网络是完好的，之所以会受到交流网络的影响是由于交流网故障时所能消纳的功率减少，与风场之间会存在不平衡功率，而这不平衡功率则会使直流电容两端的电压升高，超过其最大值。因此在电压下降较严重的情况，也可以使用上述方法。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种基于卸荷电阻的风场故障情况的控制方法，当电压跌落不算严重时，可以通过升高转速，将风场的电能转化为转子的动能进行储能，度过故障时期。
下面对转速升高的控制方法进行详细介绍。
假设电网故障期间风速保持不变，因此在故障时刻风机传入电网的功率Pg可以基本保持不变，然而并网侧由于故障的存在，输出功率Pw与之前相比则会降低，由此在故障期间会累积多余的能量，其值W1为：
Figure BDA0002636388430000081
其中pg、pw与poj分别为故障发生时刻电网侧、风场侧以及风场串功率的瞬时值。累积能量W1通过升高风机的转速存储在转子中，该种方式所能储存的能量由发电机的转动惯量J1决定。
利用风机转速进行储能时需要得知风机所能储存的最大能量W2，其值为：
Figure BDA0002636388430000082
其中，ωlim为风机所能达到的最大转速，ω2为风机故障发生时的转速，单位为rad/s。此时便可以通过比较W1与W2的大小来判定其工作状态，若W1>W2，则说明能量无法由风机全部存储，需要采用别的方式进行能量的消耗或存储。若W1<W2，则说明风机可以完全承担此部分能量，因此可以无需投入其他设备。由此得到新的稳态下转速ωr’值大小为：
Figure BDA0002636388430000091
理论上将此时的ωr’的值即可作为转子转速的参考值。但由于能量需要对功率进行时间上的积分，发生故障时无法得知故障将会持续的时间，因此可以转而以电网所能消耗的功率作为风机发出功率的基准，得到此时的ωr的参考值：
Figure BDA0002636388430000092
对于两种控制的切换，考虑到能量计算上的困难，因此考虑到最严重的不脱网情况，根据风场低电压穿越要求，按其最严重的情况，可以计算得到此时的ω’r_max为：
Figure BDA0002636388430000093
通常情况下ω’r_max会超过1.2ωN，使电机失稳，因此以1.2ωN为界限来做控制的切换。
综上，给出如图6所示的控制逻辑顺序流程图。当发生串联端口短路故障时，变换器会发生闭锁造成风机脱网，而由交流故障引起的直流电压升高则不会引起变换器闭锁，为不脱网的故障。因此逻辑图中首先判定故障类型，是否为脱网故障，若是则按实施例1中的公式(5)给定转速参考值，若不是，则再对其转速进行判断，若交流侧电压跌落程度不深，即转速不会超过1.2ωN，此时按实施例1中的公式(5)给定其参考值，反之，则仍按本实施例公式(9)进行给定。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种基于转速控制的风机保护控制***，包括：
卸荷电阻计算模块，被配置为：当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
转速外环控制模块，被配置为：根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
开关管驱动模块，被配置为：根据转速外环控制的输出结果以及直流交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
所述***的工作方法与实施例1或实施例2提供的基于转速控制的风机保护控制方法相同，这里不再赘述。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的基于转速控制的风机保护控制方法中的步骤，所述步骤为：
当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
根据转速外环控制的输出结果以及直流交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
详细步骤与实施例1或实施例2提供的基于转速控制的风机保护控制方法相同，这里不再赘述。
实施例5：
本公开实施例5提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的基于转速控制的风机保护控制方法中的步骤，所述步骤为：
当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
根据转速外环控制的输出结果以及直流交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
详细步骤与实施例1或实施例2提供的基于转速控制的风机保护控制方法相同，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、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。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory， ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于转速控制的风机保护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
所述卸荷电阻的阻值为维持发电机工作的最低直流电压值的平方与故障情况下的风机发出的功率的比值；
根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
转速参考值具体为风机的叶尖速比、风速和风能利用系数三者的乘积与卸荷电阻的比值；
根据转速外环控制的输出结果以及交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
2.如权利要求1所述的基于转速控制的风机保护控制方法，其特征在于，风机的叶尖速比为叶片旋转角速度与叶片半径的乘积与风速的比值。
3.如权利要求1所述的基于转速控制的风机保护控制方法，其特征在于，风能利用系数具体为：定子所能发出的最低功率与第一变量的比值，第一变量为风轮的直径的平方、风速的三次方、空气密度以及0.125π的乘积。
4.如权利要求1所述的基于转速控制的风机保护控制方法，其特征在于，风能利用系数为关于叶尖速比和桨距角的函数。
5.如权利要求1所述的基于转速控制的风机保护控制方法，其特征在于，维持发电机工作的最低直流电压为发电机启动电压与第一系数的乘积；
所述第一系数为6开平方后与3的乘积除以π。
6.如权利要求5所述的基于转速控制的风机保护控制方法，其特征在于，所述启动电压为至少为发电机额定电压的75％。
7.一种基于转速控制的风机保护控制***，其特征在于，包括：
卸荷电阻计算模块，被配置为：当风机单元的至少一个端口故障时，根据维持发电机工作的最低直流电压和故障情况下的风机发出的功率，得到卸荷电阻的阻值；
所述卸荷电阻的阻值为维持发电机工作的最低直流电压值的平方与故障情况下的风机发出的功率的比值；
转速外环控制模块，被配置为：根据得到阻值投入卸荷电阻，结合风能利用系数，得到转速参考值后与发电机的当前转速做差后输入到PI控制器中进行转速外环控制；
转速参考值具体为风机的叶尖速比、风速和风能利用系数三者的乘积与卸荷电阻的比值；
开关管驱动模块，被配置为：根据转速外环控制的输出结果以及交轴分量得到调制信号，生成风机前级连接的变换器的开关管驱动信号。
8.一种介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的基于转速控制的风机保护控制方法中的步骤。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述的基于转速控制的风机保护控制方法中的步骤。
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