專利名稱：一種電勵磁風力發電系統低電壓穿越控制方法
技術領域：
本發明ー種電勵磁風カ發電系統的結構與并網方法，特別涉及ー種電勵磁風カ發電系統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増加，風カ發電系統對電網的影響已經不能忽略。風電裝機容量較小時，風電場的運行對電カ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，風電場的運行對電カ系統穩定性的影響變得不容忽視。世界各國電カ系統對風電場接入電網時的要求越來越嚴格，各國電網公司相繼對風電場/風カ發電機組的并網提出了更嚴格的技術要求，包括低(零)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カ發電系統設計控 制技術的最大挑戰。風カ發電系統的低電壓穿越能力是指在接入點電網電壓降低到一定值的情況下不脫離電網而繼續維持運行，甚至還可以為電カ系統提供一定無功支持以幫助系統恢復電壓的能力。歐洲等發達國家已相繼制定了風カ發電系統具備電網故障運行能力的強制性標準,且不同國家有不同的要求,德國要求電網電壓跌至15%時持續300ms，澳大利亞要求電網電壓跌至0%時持續175ms，而且德國和西班牙明確要求風カ發電系統在低電壓穿越吋，要實現對電網的無功支持，且無功電流最大為100%的額定電流。對于傳統永磁風カ發電系統來說，通常采用電機側變換器控制發電機的轉速以實現最大風能跟蹤控制，網側變換器控制中間直流母線電壓的控制方案。當電網電壓瞬間跌落時，發電機轉速由于慣性來不及調節，此時網側變換器即使以最大電流并網，由于電網電壓的下降無法實現功率平衡，如果直流側不采取措施，必然造成中間直流母線電壓的泵升，最終損壞變換器的開關器件。常用的解決方法有兩種，一種是調節風カ機的槳距角，以減少前級捕獲的功率，但響應和調節速度較慢，一般為秒級；另一種是在直流側增加卸荷電路，通過控制功率器件投入和切出卸荷電路，調節直流側電壓；一般情況下是結合以上兩種方法，該方案里然能實現前后的功率平衡，但會造成直流側電壓有較大的波動，影響直流側電容的壽命，而且電網故障對機側變換器、網側變換器的控制方法和發電機的運行均產生了影響，不利于系統在電網電壓故障消除后快速恢復至正常運行，降低了系統的運行效率，同時需要増加制動電阻，系統的硬件成本和體積都相應増大。基于以上分析，本發明人對現有的低電壓穿越技術進行研究改進，本案由此產生。
發明內容
本發明的目的，在于提供ー種電勵磁風カ發電系統低電壓穿越控制方法，其在低電壓穿越期間無需改變機側變換器控制方法和發電機的運行狀態，使網側變換器一直工作于最大風能跟蹤模式，同時無需使用電阻等元件消耗剰余能量，從而使系統在電網電壓故障消除后能夠快速恢復至正常運行，使風カ發電系統的效率進ー步提高，降低系統體積和成本。為了達成上述目的，本發明的解決方案是ー種電勵磁風カ發電系統低電壓穿越控制方法，所述電勵磁風カ發電系統包括風力機、電勵磁發電機、不控整流橋和并網變換器，所述風カ機直接或通過齒輪箱驅動電勵磁發電機旋轉發電，而不控整流橋將電勵磁發電機輸出的交流電壓轉換為直流電壓，整流后直流母線與并網變換器的輸入相連，通過并網變換器將電能送入電網；所述控制方法包括如下步驟(I)根據實時檢測的風速Vw得到該風速下機組的最佳運行轉速，將%與反 饋的轉速《比較得到的差值A CO通過第一PI調節器得到并網變換器有功電流給定值id%并網變換器一直工作于最大風能跟蹤控制模式；(2)當電網電壓瞬間跌落時，將檢測到的電網電壓Us與電網電壓參考值比較，得到的差值A u通過第二 PI調節器得到網側變換器無功電流給定值i/，依據約束關系
C=Vw2-V ,計算并網變換器無功電流的最大補償量值i</，為并網變換器最大允許電流；然后比較i/和的大小，選擇較小者作為并網變換器無功電流的給定值，向電網注入無功功率。上述控制方法中，電勵磁發電機在勵磁變換器的控制下，使電勵磁發電機的直流母線電壓保持恒定；所述控制方法是將直流母線電壓Udc與直流母線電壓給定值Ud:比較得到差值A U，將A U作為第三PI調節器的輸入，得到發電機勵磁電流給定值i/，將i/與實際勵磁電流if經過滯環控制，得到勵磁變換器PWM控制信號，控制勵磁功率電路中功率開關管的占空比，實現寬風速范圍內恒壓輸出。采用上述方案后，本發明不僅適用于電勵磁風カ發電系統，還適用于混合勵磁風カ發電系統，與傳統永磁風カ發電系統相比，本發明所提出的方案具有如下優點(I)發電機后接ニ極管不控整流器，可靠性高、成本低，可有效降低機組的制造成本和后期維護投入；(2)通過控制電勵磁發電機的勵磁電流，實現直流母線電壓恒定，省去了傳統永磁系統中間ー級DC/DC環節，且在電網電壓瞬間跌落情況下，機側勵磁變換器可以一直工作于調壓模式，避免由于控制策略的切換導致發電機的轉矩大幅震蕩；(3)并網變換器有功電流給定i/始終來源于轉速差A Co，即當風速沒有變化吋，并網變換器注入電網的有功功率始終恒定，與電網電壓是否跌落無關，即發電機的運行狀態(最大風能跟蹤模式)始終不變；(4)并網變換器可以根據電網電壓跌落的程度，在容量允許的范圍內，發出相應的無功電流，幫助電網電壓恢復；(5)由于采用機側勵磁變換器穩定直流母線電壓，并網變換器實現最大風能跟蹤控制，在電網電壓跌落期間，通過機側勵磁變換器和并網變換器的協調控制，實現電網電壓瞬間跌落的情況下剩余能量的轉移，不存在由于能量不匹配導致直流母線電壓快速泵升的情況，即無需增加傳統的撬棒電路即可實現低電壓穿越。
圖I是本發明中電勵磁風カ發電系統的組成示意圖2是本發明中最佳風速轉速匹配曲線圖；圖3是本發明中勵磁變換器的控制框圖；圖4是本發明中電勵磁風カ發電系統的結構與總體控制流程圖。附圖符號說明
權利要求
1.一種電勵磁風力發電系統低電壓穿越控制方法，其特征在于所述電勵磁風力發電系統包括風力機、電勵磁發電機、不控整流橋和并網變換器，所述風力機直接或通過齒輪箱驅動電勵磁發電機旋轉發電，而不控整流橋將電勵磁發電機輸出的交流電壓轉換為直流電壓，整流后直流母線與并網變換器的輸入相連，通過并網變換器將電能送入電網；所述控制方法包括如下步驟 (1)根據實時檢測的風速Vw得到該風速下機組的最佳運行轉速，將《_與反饋的轉速《比較得到的差值A CO通過第一 PI調節器得到并網變換器有功電流給定值id%并網變換器一直工作于最大風能跟蹤控制模式； (2)當電網電壓瞬間跌落時，將檢測到的電網電壓Us與電網電壓參考值Um/比較，得到的差值A U通過第二 PI調節器得到網側變換器無功電流給定值i/，依據約束關系,計算并網變換器無功電流的最大補償量值i</，為并網變換器最大允許電流；然后比較i/和的大小，選擇較小者作為并網變換器無功電流的給定值，向電網注入無功功率。
2.如權利要求I所述的一種電勵磁風力發電系統低電壓穿越控制方法，其特征在于所述控制方法中，電勵磁發電機在勵磁變換器的控制下，使電勵磁發電機的直流母線電壓保持恒定；所述控制方法是將直流母線電壓Udc與直流母線電壓給定值Ud:比較得到差值A U，將A u作為第三PI調節器的輸入，得到發電機勵磁電流給定值i/，將i/與實際勵磁電流if經過滯環控制，得到勵磁變換器PWM控制信號，控制勵磁功率電路中功率開關管的占空比，實現寬風速范圍內恒壓輸出。
全文摘要
本發明公開一種電勵磁風力發電系統低電壓穿越控制方法，步驟為將機組的最佳運行轉速與反饋的轉速的差值通過PI調節器得到并網變換器有功電流給定值；當電網電壓瞬間跌落時，將電網電壓與參考值比較，差值通過PI調節器得到網側變換器無功電流給定值，計算并網變換器無功電流的最大補償量值，與網側變換器無功電流給定值比較，選擇較小者作為并網變換器無功電流的給定值，向電網注入無功功率。此種控制方法在低電壓穿越期間無需改變機側變換器控制方法和發電機的運行狀態，使網側變換器一直工作于最大風能跟蹤模式，同時使系統在電網電壓故障消除后能夠快速恢復至正常運行，使風力發電系統的效率進一步提高，降低系統體積和成本。
文檔編號H02J3/38GK102801183SQ20121030664
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者許恩利, 周波, 郭鴻浩, 劉穎 申請人:南京航空航天大學