繞線轉子風力發電機系統故障控制方法
2023-05-05 20:06:36 2
專利名稱：繞線轉子風力發電機系統故障控制方法
技術領域：
本發明涉及一種系統故障控制方法，特別是一種用於大功率風力發電系統 故障控制方法。
背景技術：
風力發電技術作為解決能源和環境問題、滿足可持續發展要求的有效手 段之一，成為全球增長最快的能源。併網型風力發電能夠藉助強大的電力網 絡在時間和空間上有效利用風電，是大規模利用風能和風力發電的主要手段。經過一段時期的發展，基於繞線轉子雙饋感應發電機(Doubly Fed Induction 'Generator)的變速恆頻風力發電系統被認為是發展風力發電最可行的選擇， 並已成為當今商業化風力發電的主流機型。繞線轉子雙饋感應發電機與普通感應發電機的區別在於其轉子繞組由線 圈繞組而成、並具有與外部電氣系統連接的接線端子，人們將包括電力電子 設備在內的電源裝置與該發電機的轉子連接，能夠為發電機提供勵磁，在發 電機中建立磁場，使得發電機不必需要從電網中吸收建立磁場的能量。同時， 這樣的發電機能夠變速運行而保持定子電壓頻率的恆定，既在變速運行中獲 得了最大的風能利用效率，又便於發電機併網。此外，轉子繞組上供電設備 的容量一般為發電量容量的三分之一，這比在定子繞組與電網之間串聯電力 電子變流裝置更加經濟和可靠。電網可能發生短路等故障，併網運行的風力發電機也將受到電網故障的 影響。在風力發電機附近發生故障時，發電機端電壓下降，這對發電機的運 行狀況十分不利、並將使電網運行狀況進一步惡化，儘管使發電機與電網斷開能夠保護髮電機的安全，但是大規模風力發電必須在電網故障時為電網恢 復提供支持，因此，必須有相應的控制裝置在這種情況下對發電機進行合適 的控制，以維持電網和風力發電機的安全穩定運行。發明內容本發明是針對現有風力發電裝機容量佔電網的比重不斷提高，在電網出 現故障狀況下，對發電機的運行狀況十分不利、並將使電網運行狀況進一步 惡化的問題而提出一種繞線轉子風力發電機系統故障控制方法，保證風力發 電機在電網故障狀況下的安全穩定性，以便更好、更多、更快地發展風力發 電。本發明的技術方案為 一種繞線轉子風力發電機系統故障控制方法，風 力發電機與電網連接，電網發生故障時，繞線轉子風力發電機系統故障控制 方法的步驟如下1)信號測量單元監測到系統故障，則系統轉入故障控制模 式，即由故障控制器控制；2)故障控制器將直流環節分解為兩個部分， 一部 分與發電機惻變流器相連，另一部分與電網側變流器相連，使發電機轉子在 故障狀態下不直接與電網進行能量交換；3)故障控制器根據測量到的電壓、 電流、相位和轉速等信息，計算出發電機轉子感應電動勢，以發電機轉子電 流不過載為原則，計算發電機側變流器所需電壓，並控制發電機側變流器產 生該電壓；4)故障控制器根據測量到的發電機埠電壓為依據，計算出維持 該點電壓符合系統允許值所需的無功功率補充容量，若該容量不超過電網側 變流器額定容量，則控制電網側變流器按照該容量進行補償；5)若檢測到系 統故障排除，則恢復正常控制模式，若系統喪失穩定性，則將機組解列。一種繞線轉子風力發電機系統故障控制系統，包括風力機、發電機、發電機側變流器、電網側變流器、直流環節、風電機組控制器、信號測量單元， 風力機通過發電機連在電網上，發電機和電網之間串聯接了發電機側變流器、 直流環節和電網側變流器，風力機、發電機、發電機側變流器、電網側變流 器、直流環節和電網分別有被測信號進入信號測量單元，信號測量單元將信 號輸入到風電機組控制器中，由風電機組控制器輸出控制信號到發電機側變 流器、電網側變流器，系統還包括故障控制器，故障時，風電機組控制器輸 出控制信號到故障控制器，故障控制器可輸出信號控制發電機側變流器、電 網側變流器和直流環節。所述故障控制器包括DSP內置PWM模塊、晶振、CPU中 央控制單元、電源管理模塊、多通道數據接口電路，電源管理模塊和晶振分別向CPU中央控制單元和多通道數據接口電路提供電源供應和時鐘信號，多通道數據接口電路能夠進行多路數據的雙向接收、緩衝、分配與傳輸，完成所述CPU中央控制單元跟風電機組控制器的數據傳輸，DSP內置Pmi模塊是脈衝發 送裝置，根據CPU中央控制單元的信號向變流器提供觸發脈衝信號和向直流環節的電力電子開關提供導通或關斷的信號。所述直流環節至少包括兩組可分 開運行的電容器，與所述故障控制器之間具備控制和反饋接口 。本發明的有益效果通過設置轉子側的專用故障控制器，能夠在與發電機連接的電網發生故障時，減小電網故障對轉子的影響、維持發電機定子和 轉子電流在可承受的水平，從而保護髮電機的安全。同時通過控制方法的設 計，發揮發電機組的控制潛力，將其某些裝置用於定子和電網控制，可以提 高電網的穩定性，加快電網恢復，使發電機儘快投入正常運行，更好地利用 風力發電。
圖1是本發明帶故障控制的繞線轉子風力發電機系統結構框圖；圖2是本發明故障控制器的結構框圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方法對本發明作進一步詳細的描述如圖1所示繞線轉子風力發電機系統結構框圖，風力機1通過發電機2連在電網3上，發電機2和電網3之間串聯接了發電機側變流器4、直流環節 5和電網側變流器6，風力機l、發電機2、發電機側變流器4、電網側變流器 6、直流環節5和電網3分別有被測信號進入信號測量單元9，信號測量單元 9將信號輸入到風電機組控制器8中，由風電機組控制器8輸出控制信號到發 電機側變流器4、電網側變流器6和故障控制器7，故障控制器7可輸出信號 控制發電機側變流器4、電網側變流器6和直流環節5。其中繞線轉子雙饋發電機轉子連接的故障控制器7，結構如圖2所示，包 括核心器件CPU中央控制單元7C採用TI公司生產的DSP晶片TMS320F2812， 多通道數據接口電路7E、 DSP內置P麗模塊7A、電源管理模塊7D和晶振7B， 多通道數據接口電路7E採用Altera公司生產的EP1K100Q204 — 10型FPGA芯 片，它能夠進行多路數據的雙向接收、緩衝、分配與傳輸，實現故障控制器7 中CPU中央控制單元7C與風力發電機組控制器8的數據交換，電源管理模塊 7D和晶振7B分別向CPU中央控制單元7C和多通道數據接口電路7E提供電源 供應和時鐘信號，DSP內置P觀模塊7A是脈衝發送裝置，它向變流器4、 6提 供觸發脈衝信號和向直流環節5的電力電子開關提供導通或關斷的信號。在 功能和各組成部分邏輯關係不發生本質改變的情況下，故障控制器7各組成 部分可採取其他類似的器件。故障控制器7可以是一個新的實物裝置，在風電機組控制器8的硬體功能允許的情況下，也可以將風電機組控制器8作為 實物載體。正常運行條件下，故障控制器7以外的元件進行工作。當電網中發生故 障時，故障信號被信號測量單元9測量到，由風電機組控制器8根據預設控 制策略判斷，當需要進入故障控制模式時，系統交由故障控制器7控制。故 障控制器7首先必須將直流環節5分解為兩部分，兩部分至少各包含一組電 容器，兩組電容器用電子電子器件作為開關，其餘與普通繞線轉子雙饋發電 機組相同，但與故障控制器7之間要具備控制和反饋接口，兩組電容器分別 與發電機側變流器4和電網側變流器6相連，並作為發電機側變流器4和電 網側變流器6的直流電壓支持元件。這樣做的目的是將發電機轉子與電網直 接連接的迴路斷開，避免大量的能量交換使得發電機轉子電流超過限定值。根據信號測量單元9測得的發電機定子電壓、電流信號，故障控制器7 可以計算出發電機磁勢，並根據轉子轉速、位置等信號計算出轉子電動勢A， 以產生轉子不過載的最大感性勵磁電流/ 為目的，計算發電機側變流器4應 該具有的電壓&2，即&2=&+/ 72，其中Z,為發電機轉子迴路阻抗。故障控 制器7根據&2控制發電機側變流器4的輸出電壓，從而達到在不過載條件下 為發電機提供勵磁的目的。故障控制器7根據測量到的發電機端電壓為依據，計算出維持該點電壓 符合系統允許值所需的無功功率補充容量，若該容量不超過電網側變流器6 額定容量，則控制電網側變流器6按照該容量進行補償，否則按額定容量進 行補償。對上述系統提出了應對電網故障的穩定控制方法。繞線轉子風力發電機系統在電網故障後故障控制方法步驟為1、 信號測量單元監測到系統故障，則系統轉入故障控制模式，即由故障控 制器控制；2、 故障控制器將直流環節分解為兩個部分， 一部分與發電機側變流器4相 連，另一部分與電網側變流器6相連，使發電機轉子在故障狀態下不直 接與電網進行能量交換；3、 故障控制器根據測量到的電壓、電流、相位和轉速等信息，計算出發電機轉子感應電動勢，以發電機轉子電流不過載為原則，計算發電機側變流器4所需電壓，並控制發電機側變流器4產生該電壓；4、 故障控制器根據測量到發電機埠電壓為依據，計算出維持該點電壓符 合系統允許值所需的無功功率補充容量，若該容量不超過電網側變流器 6額定容量，則控制電網側變流器6按照該容量進行補償；5、 若檢測到系統故障排除，則恢復正常控制模式，若系統喪失穩定性，則 將機組解列。
權利要求
1、一種繞線轉子風力發電機系統故障控制方法，風力發電機與電網連接，電網發生故障時，繞線轉子風力發電機系統故障控制方法的步驟如下(1)信號測量單元監測到系統故障，則系統轉入故障控制模式，即由故障控制器控制；(2)故障控制器將直流環節分解為兩個部分，一部分與發電機側變流器相連，另一部分與電網側變流器相連，使發電機轉子在故障狀態下不直接與電網進行能量交換；(3)故障控制器根據測量到的電壓、電流、相位和轉速等信息，計算出發電機轉子感應電動勢，以發電機轉子電流不過載為原則，計算發電機側變流器所需電壓，並控制發電機側變流器產生該電壓；(4)故障控制器根據測量到發電機埠電壓為依據，計算出維持該點電壓符合系統允許值所需的無功功率補充容量，若該容量不超過電網側變流器額定容量，則控制電網側變流器按照該容量進行補償；(5)若檢測到系統故障排除，則恢復正常控制模式，若系統喪失穩定性，則將機組解列。
2、 一種繞線轉子風力發電機系統故障控制系統，包括風力機、發電機、發電 機側變流器、電網側變流器、直流環節、風電機組控制器、信號測量單元， 風力機通過發電機連在電網上，發電機和電網之間串聯接了發電機側變流器、 直流環節和電網側變流器，風力機、發電機、發電機側變流器、電網側變流 器、直流環節和電網分別有被測信號進入信號測量單元，信號測量單元將信 號輸入到風電機組控制器中，由風電機組控制器輸出控制信號到發電機側變流器、電網側變流器，其特徵在於系統還包括故障控制器，故障時，風電機 組控制器輸出控制信號到故障控制器，故障控制器可輸出信號控制發電機側 變流器、電網側變流器和直流環節。
3、 根據權利要求2所述一種繞線轉子風力發電機系統故障控制系統，其特徵在於所述故障控制器包括DSP內置P麗模塊、晶振、CPU中央控制單元、電源管 理模塊、多通道數據接口電路，電源管理模塊和晶振分別向CPU中央控制單元 和多通道數據接口電路提供電源供應和時鐘信號，多通道數據接口電路能夠 進行多路數據的雙向接收、緩衝、分配與傳輸，完成所述CPU中央控制單元跟 風電機組控制器的數據傳輸，DSP內置P簡模塊是脈衝發送裝置，根據CPU中央 控制單元的信號向變流器提供觸發脈衝信號和向直流環節的電力電子開關提 供導通或關斷的信號。
4、 根據權利要求2所述一種繞線轉子風力發電機系統故障控制系統，其特徵 在於所述直流環節至少包括兩組可分開運行的電容器，與所述故障控制器之 間具備控制和反饋接口。
全文摘要
本發明涉及一種繞線轉子風力發電機系統故障控制方法，風力發電機與電網連接，電網發生故障時，由故障控制器控制系統，使發電機轉子在故障狀態下不直接與電網進行能量交換，減小電網故障對轉子的影響、維持發電機定子和轉子電流在可承受的水平，從而保護髮電機的安全。同時通過控制方法的設計，發揮發電機組的控制潛力，將其某些裝置用於定子和電網控制，可以提高電網的穩定性，加快電網恢復，使發電機儘快投入正常運行，更好地利用風力發電。
文檔編號H02H7/06GK101237142SQ20071017202
公開日2008年8月6日 申請日期2007年12月11日 優先權日2007年12月11日
發明者李東東 申請人:上海電力學院