全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法

2023-12-04 15:36:46

專利名稱：全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法
技術領域：
本發明涉及風力發設備的運行控制技術，具體是一種全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法。
背景技術：
風能作為一種可再生能源，能有效解決化石能源枯竭等問題，因而近得到越來越廣泛的應用。目前風電在整個電力系統供電中所佔比例越來越大，各國相繼出臺了法規要求風機在電網故障下具備一定的穿越能力(低電壓穿越)。帶全功率變頻器的高速永磁風機由於其優越的低電壓穿越性能在風電機組中有著廣泛運用。在電網故障情況下，電機側變流器採用直接轉矩控制策略時通常直接降低參考給定轉矩指令，達到減少發電機輸出功率即可實現機組的低電壓穿越。但是，風機運行工況惡劣考慮到風機疲勞磨損，如果風機在電網故障下一直採用降低參考轉矩給定的方式這對於機組機械載荷衝擊很大，不利於風機在設計壽命周期安全運行。通過在系統直流側增加撬棒電路，吸收電網故障下多餘的能量，也能夠幫助系統實現低電壓穿越。例如專利文獻《一種提高風電系統不對稱故障穿越能力的控制方法》(申請號:2011 10181264.8)，《直驅風電變流器直流卸荷電路》(申請號=201120439682.8)等提出的技術方案，但上述技術方案只是簡單的將風機多餘的能量直接消耗掉，沒有考慮機組載荷的影響與直流側撬棒電路組合的優化控制。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠在電網故障時減小風電機組載荷、機組運行安全穩定、能夠吸收和存儲利用電網故障下的多餘的能量的全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法。本發明的全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法是:在風電系統的電機側通過減小機側變流器直接轉矩控制中參考給定轉矩指令Te*來降低電網故障下對機組的機械載荷衝擊；同時，在直流側設置帶儲能環節的撬棒電路對電網故障下多餘的能量進行吸收和存儲，以實現風機的低電壓穿越。所述帶儲能環節的撬棒電路並聯在風電系統的直流母線上，它包括功率單元IGBTl、功率單元IGBT2、濾波電感L、直流穩壓電容C1及電容等效電阻R1、超級電容組C2 ;母線正極接功率單元IGBTl的C極，功率單元IGBTl的E極接功率單元IGBT2的C極，功率單元IGBT2的E極接母線負極；濾波電感L 一端接功率單元IGBTl的E極，另一端經串接的電容等效電阻R1和直流穩壓電容C1接母線負極；超級電容組C2 —端接在濾波電感L和電容等效電阻R1之間，另一端接母線負極；上述帶儲能環節的撬棒 電路工作過程中，首先通過測量電網電壓uab。判斷電網是否正常運行；如果電網正常則撬棒電路無需投入，如果電網出現故障，則將該部分電路需要消耗的功率與負載電壓U相除得到參考電流Γ ;該參考電流與負載電流i作差再進行比例積分PI調節，再進行PWM調製即可得到控制功率單元IGBTl的脈衝信號gl，將該信號取反得到控制功率單元IGBT2的信號g2 ;從而實現風機的低電壓穿越。本發明通過在直接轉矩控制中適當減小參考轉矩給定值來減小機組載荷，同時通過在直流側增加帶儲能環節的撬棒電路能夠有效的吸收電網故障下多餘的能量，有利於機組安全可靠穩定運行。當風機在正常情況下，機組撬棒電路不接入系統中。當風機在電網故障情況下，能夠在規定的時間內存儲相應的電能並實現風機的低電壓穿越。當電網出現用電高峰時，能夠釋放所存儲的能量實現能量的循環利用。


圖1是採用本發明控制方法的系統控制原理框圖；圖2是採用本發明控制方法的系統風機定子磁鏈模型結構框圖；圖3是採用本發明控制方法的電機轉矩模型結構框圖；圖4是本發明實施例中直流側帶儲能環節的撬棒電路圖。
具體實施例方式全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法涉及控制主要包括兩大部分:第一部分為電機側變頻器的直接轉矩控制方法(見圖1)，第二部分為直流側帶儲能環節撬棒電路控制方法(見圖3)。其中:第一部分電機側變頻器的直接轉矩控制方法。所述直接轉矩控制是在兩相靜止坐標系(α β坐標)上進行的。α β坐標系下的 電機矩陣方程式為:
rs* + 1.p oo Irijo
1V = 0 ^+ Μ* O ^mP ist urtcLmp wLm Rr + LrP oily ire
J I Icoim LmP\ω τ Rr 十 L7p [ir5式中，usa, us0, ura, Ur0分別為定/轉子電壓在α β坐標系上的分量；isa、is0、iM、ir0分別為定/轉子電流在α β坐標系上的分量；Rs、Rr, Ls、Lm、Lp P、ω分別為定/轉子繞組等效電阻、定子電感、互感、轉子電感、磁極對數、轉子角速度；(pm、(psp、φ 、穴〃分別為定/轉子磁鏈在α β坐標系上的分量；電機定子電壓在α β坐標系上的表達式為:
%a = RJsa +kPha + LmPKa = KL + ΡΨ,α
uSP = ΚΚβ + LsPhp + LmPKp = RJsp + ΡΨ,β對上式整理後得:
9sa=kum-Risu)dtφ β =Kusp-RsKP)dt再將上式中定子磁鏈在α β坐標系上的分量進行極坐標變換(Κ/P變換)，即可獲得定子磁鏈死如圖2所示。電機的電磁轉矩表達式為:Te = npLffl(is0ira-1sairfi),即可獲得圖3所示的控制框圖。在該部分中，首先通過測量電網電壓Uab。判斷電網是否正常運行。如果電網正常，參考給定轉矩指令Te*即按照正常情況設置。當電網出現故障時，考慮到機組所能承受的機械載荷參考給定轉矩指令Te* = kAP/ω。其中，參數k為(0_1)範圍內變化的參數,該參數由風機風速、電網跌落程度、風機載荷等工況決定，ΛΡ為電網故障前時機組發出的功率。第二部分直流側帶儲能環節的撬棒電路控制方法。該電路主要包括兩個功率單元IGBT1、IGBT2，濾波電感L、直流穩壓電容C1及電容等效電阻R1、超級電容組C2。首先通過測量電網電壓Uab。判斷電網是否正常運行。如果電網正常則電路無需Crowbar電路。當電網出現故障時，通過結合第一部分內容可知，該部分電路需要消耗(Ι-k) ΛΡ的功率。該部分功率與負載電壓U相除即可得到參考電流i'該電流與負載電流i作差再進行比例積分PI調節，再在進行PWM調製即可得到控制IGBTl的脈衝信號gl。將該信號取反即可得到IGBT2的信 號g2。通過該部分動作，即可實現風機的低電壓穿越。
權利要求
1.一種全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法，其特徵是:在風電系統的電機側通過減小機側變流器直接轉矩控制中參考給定轉矩指令Te*來降低電網故障下對機組的機械載荷衝擊；同時，在直流側設置帶儲能環節的撬棒電路對電網故障下多餘的能量進行吸收和存儲，以實現風機的低電壓穿越。
2.根據權利要求1所述的全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法，其特徵是:所述帶儲能環節的撬棒電路並聯在風電系統的直流母線上，它包括功率單元IGBT1、功率單元IGBT2、濾波電感L、直流穩壓電容C1及電容等效電阻R1、超級電容組C2;母線正極接功率單元IGBTl的C極，功率單元IGBTl的E極接功率單元IGBT2的C極，功率單元IGBT2的E極接母線負極；濾波電感L 一端接功率單元IGBTl的E極，另一端經串接的電容等效電阻R1和直流穩壓電容C1接母線負極；超級電容組C2 —端接在濾波電感L和電容等效電阻R1之間，另一端接母線負極； 所述帶儲能環節的撬棒電路工作過程中，首先通過測量電網電壓uab。判斷電網是否正常運行；如果電網正常則撬棒電路無需投入，如果電網出現故障，則將該部分電路需要消耗的功率與負載電壓U相除得到參考電流Γ ;該參考電流與負載電流i作差再進行比例積分PI調節，再進行PWM調製即可得到控制功率單元IGBTl的脈衝信號gl，將該信號取反得到控制功率單元IGBT2的信號g2 ;從而實現風機的低電壓穿越。
全文摘要
本發明涉及風力發設備的運行控制技術，具體是一種全功率高速永磁同步風機的低電壓穿越控制方法。該方法是在風電系統的電機側通過減小機側變流器直接轉矩控制中參考給定轉矩指令Te*來降低電網故障下對機組的機械載荷衝擊；同時，在直流側設置帶儲能環節的撬棒電路對電網故障下多餘的能量進行吸收和存儲，以實現風機的低電壓穿越。本發明能夠在電網故障時減小風電機組載荷、機組運行安全穩定、能夠吸收和存儲利用電網故障下的多餘的能量。
文檔編號H02J3/28GK103094917SQ20121049245
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者陳毅東 申請人:哈電通用風能(江蘇)有限公司