專利名稱：風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電機組的并網方法，尤其涉及一種風力發電機 組并網變流器低電壓穿越控制方法。
背景技術：
隨著風力發電機組裝機容量的不斷增加，風電在電力系統中的地位發 生了轉變。風電裝機容量較小時，風電場的運行對系統穩定性的影響可以
不予考慮；當風電裝機容量越來越大，在系統中所占比例逐年增加時，風 電場的運行對系統穩定性的影響變得不容忽視。世界各國電力系統對風電 場接入電網時的要求越來越嚴格，各國電網公司都相繼對風電場/風力發 電機組的并網提出了更嚴格的技術要求，包括低電壓穿越能力、無功控制 能力以及輸出功率控制能力等，其中低電壓穿越被認為是對風力發電機組 設計控制技術的最大挑戰。
風力發電機組的低電壓穿越能力是指其在端電壓降低到一定值的 情況下不脫離電網而繼續維持運行，甚至還可為系統提供一定無功支持以 幫助系統恢復電壓的能力。以德國E.ON公司為例，該公司要求當端電壓跌 至額定電壓的15髓寸，風力發電機組能夠維持運行625ms，當風力發電機組 端電壓在其額定電壓的90%及以上時風力發電機組能夠持續運行。
對于風力發電機組變流器來說，通常采用電機側變流器控制電機轉 速，網側變流器控制中間直流電壓的控制方案。當電網電壓突降時，電機 轉速由于慣性來不及調節，此時網側變流器即使以最大電流并網，由于網
4壓的下降也無法實現功率平衡，因此必然造成中間直流電壓的泵升，最終 導致變流器開關器件的損壞。目前常采用基于制動電阻的低電壓穿越技 術，將由電網電壓降低導致的剩余能量消耗在制動電阻上，實現系統的功 率平衡。該技術雖然簡單可靠，但一方面降低了系統效率，同時需要增加 元器件數目，系統的硬件成本、體積重量都相應增大。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種無需使用電阻等元件消耗剩余 能量，從而使風力發電機組效率進一步提高，并能簡化結構設計，降低裝 置的體積和成本的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法。
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，采用電 壓型并網變流器，包括以下步驟，
(1) 電機側變流器檢測中間直流電壓的大小，得到中間直流電壓反饋 值，與中間直流電壓指令值比較，其差值輸入電壓調節器，電壓調節器控 制中間直流電壓跟隨中間直流電壓指令值；
(2) 電壓調節器輸出風力發電機轉矩指令值，與實際轉矩反饋值比較， 其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值；
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，得到有功功率 指令值；
(4) 有功功率指令值與實際功率反饋值比較，差值輸入有功功率調節 器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令 值。
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，采用電 流型并網變流器，包括以下步驟，
(1)電機側變流器檢測中間直流電流的大小，得到中間直流電流反饋值，與中間直流電流指令值比較，其差值輸入電流調節器，電流調節器控 制中間直流電流跟隨中間直流電流指令值；
(2) 電流調節器輸出風力發電機轉矩指令值，與實際轉矩反饋值比較， 其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值；
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，得到有功功率 指令值；
(4) 有功功率指令值與實際功率反饋值比較，差值輸入有功功率調節 器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令 值。
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，所述并 網變流器在電網電壓跌落期間，根據電網調度給定的無功功率指令值，與 實際無功功率反饋比較，差值輸入無功功率調節器，無功功率調節器控制 網側變流器，使并網的無功功率跟隨無功功率指令值，實現對電網進行無 功補償，幫助電網電壓更快恢復正常。
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，有功功 率指令值和無功功率指令值可以以功率值或者有功功率電流值或無功功 率電流值形式給出。
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，轉矩指 令值可以以轉矩值或者轉矩電流值形式給出。
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，在單位 功率因數并網時，無功功率指令設置為零。
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，通過電 機側變流器和網側變流器的協調控制實現剩余能量的轉移，無需外加電阻 等元件消耗剩余能量，保證風力發電機組在接入點電網電壓跌落期間不脫網運行。提高機組效率，減小能量損失，簡化系統結構，減小裝置體積、 增強結構緊湊型、降低裝置成本。
圖1是基于背靠背電壓型變流器的風力發電機組并網變流器的主電路
圖2是本發明風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法的電機側 變流器的控制原理圖3是本發明風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法的網側變 流器的控制原理圖4是基于背靠背電流型變流器的風力發電機組并網變流器的主電路
圖5是本發明風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法的電機側 變流器的控制原理圖。 具體實施方案 實施例1
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，在電網 電壓跌落時，并網變流器輸入功率來不及變化，而并網功率隨電網電壓降 低而減小，并網變流器輸入輸出功率不平衡而產生剩余能量累加在中間直 流環節電容上，造成中間直流電壓上升。
(1) 電機側變流器檢測到中間直流電壓上升，得到中間直流電壓反饋 值，與中間直流電壓指令值比較，其差值輸入電壓調節器，電壓調節器控 制中間直流電壓跟隨中間直流電壓指令值。
(2) 電壓調節器輸出風力發電機轉矩指令值下降，與實際轉矩反饋值 比較，其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值下降，根據電機轉矩平衡方程式，此時風力發電機轉速升高，即將剩余電 能轉移到風力發電機轉子中，作為動能儲存起來，避免中間直流電壓的上 升。
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，隨著風力發電 機轉速的上升，得到有功功率指令值增大。
(4) 有功功率指令值與實際功率反饋值比較，差值輸入有功功率調節 器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令 值增大，輸出有功功率增加。從而減小并網變流器輸入輸出功率不平衡而 產生剩余能量。
電網電壓恢復后，并網功率立即上升，造成中間直流電壓下降。
(1) 電機側變流器檢測到中間直流電壓下降，得到中間直流電壓反饋 值，與中間直流電壓指令值比較，其差值輸入電壓調節器，電壓調節器控 制中間直流電壓跟隨中間直流電壓指令值。
(2) 電壓調節器輸出風力發電機轉矩指令值上升，與實際轉矩反饋值 比較，其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值 上升，根據電機轉矩平衡方程式，此時風力發電機轉速降低，將儲存的動 能又轉變為電能回饋電網。
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，隨著風力發電 機轉速的降低，得到有功功率指令值減小。
(4) 有功功率指令值與實際有功功率反饋值比較，差值輸入有功功率 調節器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率 指令值減小，輸出有功功率減小。從而減小了并網變流器輸入輸出功率不 平衡而產生剩余能量。
至此，低電壓期間的一個調節過程結束。實施例2
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，所述并 網變流器在電網電壓跌落期間，根據電網調度給定的無功功率指令值，實 現對電網進行無功補償，幫助電網電壓更快恢復正常，
電網電壓跌落時，并網變流器輸入功率來不及變化，而并網功率隨電 網電壓降低而減小，并網變流器輸入輸出功率不平衡而產生剩余能量累加 在中間直流環節電容上，造成中間直流電壓上升。
(1) 電機側變流器檢測到中間直流電壓上升，得到中間直流電壓反饋 值，與中間直流電壓指令值比較，其差值輸入電壓調節器，電壓調節器控 制中間直流電壓跟隨中間直流電壓指令值。
(2) 電壓調節器輸出風力發電機轉矩指令值下降，與實際轉矩反饋值 比較，其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值 下降，根據電機轉矩平衡方程式，此時風力發電機轉速升高，即將剩余電 能轉移到風力發電機轉子中，作為動能儲存起來，避免中間直流電壓的上 升。
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，隨著風力發電 機轉速的上升，得到有功功率指令值增大。
(4) 有功功率指令值與實際有功功率反饋值比較，差值輸入有功功率 調節器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率 指令值增大，輸出有功功率增加。從而減小了并網變流器輸入輸出功率不 平衡而產生剩余能量。
(5) 根據電網調度給定的無功功率指令值，與實際無功功率反饋值比 較，差值輸入無功功率調節器，無功功率調節器控制網側變流器，使并網 無功功率跟隨無功功率指令值，發出一定的無功功率，對電網進行無功功率補償。從而幫助電網更快恢復正常。
電網電壓恢復后，并網功率立即上升，造成中間直流電壓下降。
(1) 電機側變流器檢測到中間直流電壓下降，得到中間直流電壓反饋 值，與中間直流電壓指令值比較，其差值輸入電壓調節器，電壓調節器控 制中間直流電壓跟隨中間直流電壓指令值。
(2) 電壓調節器輸出風力發電機轉矩指令值上升，與實際轉矩反饋值 比較，其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值 上升，根據電機轉矩平衡方程式，此時風力發電機轉速降低，將儲存的動 能又轉變為電能回饋電網。
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，隨著風力發電 機轉速的降低，得到有功功率指令值減小。
(4) 有功功率指令值與實際功率反饋值比較，差值輸入有功功率調節 器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令 值減小，輸出有功功率減小。從而減小了并網變流器輸入輸出功率不平衡 而產生剩余能量。
(5) 根據電網調度給定的無功功率指令值，與實際無功功率反饋值比 較，差值輸入無功功率調節器，無功功率調節器控制網側變流器，使并網 無功功率跟隨無功功率指令值，發出一定的無功功率，對電網進行無功功 率補償。當無功功率指令值為0時，并網無功功率跟隨無功功率指令值也 為0，從而實現單位功率因數并網。
至此，低電壓期間的一個調節過程結束。 實施例3
本發明所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，所述并 網變流器在電網電壓跌落期間，根據電網調度給定的無功功率指令值，實現對電網進行無功補償，幫助電網電壓更快恢復正常。
電網電壓跌落時，并網變流器輸入功率來不及變化，而并網功率隨電 網電壓降低而減小，并網變流器輸入輸出功率不平衡而產生剩余能量累加 在中間直流環節電感上，造成中間直流電流上升。
(1) 電機側變流器檢測到中間直流電流上升，得到中間直流電流反饋 值，與中間直流電流指令值比較，其差值輸入電流調節器，電流調節器控 制中間直流電流跟隨中間直流電流指令值。
(2) 電流調節器輸出風力發電機轉矩指令值下降，與實際轉矩反饋值 比較，其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值 下降，根據電機轉矩平衡方程式，此時風力發電機轉速升高，即將剩余電 能轉移到風力發電機轉子中，作為動能儲存起來，避免中間直流電流的上 升。
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，隨著風力發電 機轉速的上升，得到有功功率指令值增大。
(4) 有功功率指令值與實際有功功率反饋值比較，差值輸入有功功率
調節器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率 指令值增大，輸出有功功率增加。從而減小了并網變流器輸入輸出功率不 平衡而產生剩余能量。
(5) 根據電網調度給定的無功功率指令值，與實際無功功率反饋值比 較，差值輸入無功功率調節器，無功功率調節器控制網側變流器，使并網 無功功率跟隨無功功率指令值，發出一定的無功功率，對電網進行無功功 率補償。從而幫助電網更快恢復正常。
電網電壓恢復后，并網功率立即上升，造成中間直流電流下降。 (1)電機側變流器檢測到中間直流電流下降，得到中間直流電流反饋值，與中間直流電流指令值比較，其差值輸入電流調節器，電流調節器控 制中間直流電流跟隨中間直流電流指令值。
(2) 電流調節器輸出風力發電機轉矩指令值上升，與實際轉矩反饋值 比較，其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值 上升，根據電機轉矩平衡方程式，此時風力發電機轉速降低，將儲存的動 能又轉變為電能回饋電網。
(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，隨著風力發電 機轉速的降低，得到有功功率指令值減小。
(4) 有功功率指令值與實際功率反饋值比較，差值輸入有功功率調節 器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令 值減小，輸出有功功率減小。從而減小了并網變流器輸入輸出功率不平衡 而產生剩余能量。
(5) 根據電網調度給定的無功功率指令值，與實際無功功率反饋值比 較，差值輸入無功功率調節器，無功功率調節器控制網側變流器，使并網 無功功率跟隨無功功率指令值，發出一定的無功功率，對電網進行無功功 率補償。當無功功率指令值為0時，并網無功功率跟隨無功功率指令值也 為O,從而實現單位功率因數并網。
至此，低電壓期間的一個調節過程結束。
1權利要求
1、風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，采用電壓型并網變流器，其特征是，包括以下步驟，(1)電機側變流器檢測中間直流電壓的大小，得到中間直流電壓反饋值，與中間直流電壓指令值比較，其差值輸入電壓調節器，電壓調節器控制中間直流電壓跟隨中間直流電壓指令值，(2)電壓調節器輸出風力發電機轉矩指令值，與實際轉矩反饋值比較，其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值，(3)根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，得到有功功率指令值，(4)有功功率指令值與實際功率反饋值比較，差值輸入有功功率調節器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令值。
2、 風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，采用電流型并網變 流器，其特征是，包括以下步驟，(1) 電機側變流器檢測中間直流電流的大小，得到中間直流電流反饋 值，與中間直流電流指令值比較，其差值輸入電流調節器，電流調節器控 制中間直流電流跟隨中間直流電流指令值，(2) 電流調節器輸出風力發電機轉矩指令值，與實際轉矩反饋值比較， 其差值輸入轉矩調節器，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值，(3) 根據風力發電機的轉速和風能最大功率跟蹤原理，得到有功功率指令值，(4)有功功率指令值與實際功率反饋值比較，差值輸入有功功率調節 器，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令值。
3、 根據權利要求1或2所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控 制方法，其特征在于，所述并網變流器在電網電壓跌落期間，根據電網調 度給定的無功功率指令值，與實際無功功率反饋比較，差值輸入無功功率 調節器，無功功率調節器控制網側變流器，使并網的無功功率跟隨無功功 率指令值，實現對電網進行無功補償，幫助電網電壓更快恢復正常。
4、 根據權利要求3所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方 法，其特征在于，有功功率指令值和無功功率指令值以功率值或者有功功 率電流值或無功功率電流值形式給出。
5、 根據權利要求1或2所述的本發明所述的風力發電機組并網變流器 低電壓穿越控制方法，其特征在于，轉矩指令值以轉矩值或者轉矩電流值 形式給出。
6、 根據權利要求1或2所述的風力發電機組并網變流器低電壓穿越控 制方法，其特征在于，單位功率因數并網，無功功率指令設置為零。
全文摘要
本發明提供一種風力發電機組并網變流器低電壓穿越控制方法，基于背靠背電壓或電流型并網變流器，電機側變流器檢測中間直流電壓的大小，電壓調節器控制中間直流電壓跟隨中間直流電壓指令值，轉矩調節器控制實際轉矩跟隨轉矩指令值，有功功率調節器控制網側變流器，使并網有功功率跟隨有功功率指令值。通過電機側變流器和網側變流器的協調控制實現剩余能量的轉移，無需外加電阻等元件消耗剩余能量，保證風力發電機組在接入點電網電壓跌落期間不脫網運行。提高機組效率，減小能量損失，簡化系統結構，減小裝置體積、增強結構緊湊型、降低裝置成本。
文檔編號G05F1/70GK101499664SQ20081005755
公開日2009年8月5日 申請日期2008年2月3日 優先權日2008年2月3日
發明者挺 唐, 姜久春, 瑤 陳 申請人:北京能高自動化技術有限公司