一種雙饋風機的低電壓穿越控制系統的製作方法

2023-12-12 06:40:22

本實用新型的實施例涉及新能源併網發電控制技術領域，尤其涉及一種雙饋風機的低電壓穿越控制系統。

背景技術：

風力發電系統是一種將風能轉換為電能的能量轉換系統。作為一種可再生能源，風能的開發利用近年來得到了極大的關注，大量的風力發電系統已經投入運行。風力發電系統按照風機轉速可分為恆頻/恆速和恆頻/變速兩種。其中恆頻/變速風力發電系統可以根據風速的狀況實時地調節發電機的轉速，使風機運行在最佳葉尖速比附近，優化風機的運行效率，同時通過控制系統可以保證發電機向電網輸出頻率恆定的電功率。

恆頻/變速風力發電系統中最為常見就是雙饋風力發電系統。雙饋風機的定子與電網直接相連，轉子通過變頻器連接到電網中，變頻器可以改變發電機轉子輸入電流的頻率，進而可以保證發電機定子輸出跟電網頻率同步，實現變速恆頻控制。隨著風力發電容量、風電場規模越來越大，風電併網標準要求雙饋風機必須具備低電壓穿越能力。常用的低電壓穿越控制策略是利用撬棒電路(Crowbar)在故障期間將風機轉子繞組短路以減小流入轉子側換流器的故障電流，從而避免風機退出運行。

然而，現有技術中，當出現遠端交流系統故障時，往往會帶來暫態功率擾動，影響交流系統的穩定性。

技術實現要素：

本實用新型的實施例提供一種雙饋風機的低電壓穿越控制系統，能夠提高交流系統的穩定性。

為了達成上述目的，本申請的實施例提供一種雙饋風機的低電壓穿越控制系統，包括：低電壓穿越控制器、網側換流器控制器、網側換流器以及雙饋風機；

所述低電壓穿越控制器，用於檢測雙饋風機的出口電壓有效值，當確定所述出口電壓有效值小於低電壓穿越啟動值時，向所述網側換流器控制器輸出切換使能信號；

所述網側換流器控制器接收到所述換使能信號後，控制網側換流器由穩態時的定無功電流控制切換到定暫態交流電壓控制；

定暫態交流電壓控制啟動後，所述網側換流器Q軸電流增大，所述雙饋風機增大輸出的無功功率。

本實用新型的實施例所提供的雙饋風機的低電壓穿越控制系統，在出現遠端交流系統故障時，若確定雙饋風機的出口電壓有效值小於低電壓穿越啟動值，則Q軸電流由定電流控制切換為暫態交流電壓控制，雙饋風機輸出一定的無功功率對交流系統電壓進行支撐，從而提高了交流系統的穩定性。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型的實施例所提供的雙饋風機的低電壓穿越控制系統結構示意圖；

圖2為風速、雙饋風機轉子轉速以及輸出有功功率之間對應關係的說明示意圖；

圖3本實用新型的實施例中對轉子側換流器控制器結構的說明示意圖；

圖4本實用新型的實施例中對網側換流器控制器結構的說明示意圖；

圖5本實用新型的實施例中對低電壓穿越恢復值、低電壓穿越啟動值以及低電壓穿越閉鎖值的說明示意圖；

圖6本實用新型的實施例中對低電壓穿越控制器的結構說明示意圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

實施例

本實用新型的實施例提供一種雙饋風機改進低電壓穿越控制系統。該控制系統在雙饋風機有功功率與無功功率解耦控制的基礎上，通過暫態交流電壓控制與Crowbar控制相結合的方式控制低電壓穿越，使雙饋風機在遠端故障期間輸出一定的無功功率支撐系統電壓，並進一步使雙饋風機在近端故障時迅速投入Crowbar控制並閉鎖轉子換流器迅速減小轉子電流。以下結合實施例做具體說明。

控制系統如圖1所示，包括雙饋風機101、網側換流器102、轉子側換流器103，還可以進一步包括轉子側Crowbar電路104。以上各部分均包括各自的控制器(圖1中未畫出)，具體為低電壓穿越控制器、網側換流器控制器以及轉子側換流器控制器。

低電壓穿越控制器，用於檢測雙饋風機101的出口電壓有效值，當確定出口電壓有效值小於低電壓穿越啟動值時，向網側換流器控制器輸出切換使能信號。

網側換流器控制器接收到換使能信號後，控制網側換流器102由穩態時的定無功電流控制切換到定暫態交流電壓控制。

定暫態交流電壓控制啟動後，為提高風機出口母線電壓，網側換流器102Q軸電流增大，雙饋風機101輸出的無功功率也隨之增大。

可選的，低電壓穿越控制系統還包括：轉子側換流器控制器、轉子側換流器103、Crowbar電路控制器以及轉子側Crowbar電路104。

參見圖2所示，在特定風速下，雙饋風機101轉子轉速和輸出有功功率最大值存在一一對應的關係。

在一種具體的實施方式中，通過實時測量風速確定轉子轉速值，再通過轉子轉速PI控制得到轉子側換流器103Q軸電流參考值。轉子側換流器控制器，用於檢測雙饋風機101的轉子電流有效值；當轉子側換流器控制器確定轉子電流有效值大於Crowbar控制啟動值，且當低電壓穿越控制器確定出口電壓有效值小於低電壓穿越閉鎖值時，Crowbar電路控制器控制轉子側Crowbar電路104投入運行，轉子側換流器控制器閉鎖轉子側換流器103；網側換流器102保持定無功電流控制。

可選的，結合圖3所示，轉子側換流器控制器包括：無功功率減法器31、轉子轉速減法器32、無功功率PI控制器33、轉速PI控制器34、定子電壓鎖相環35、相角減法器36和DQ軸坐標變換器37。本實施例中雙饋風機101轉子側換流器103採用有功功率與無功功率解耦控制，並選取轉子磁鏈方向為參考方向。

圖3中，usabc為網側三相電壓，θs為網側電壓相角，θr為發電機轉子相角，θerr為θs與θr的相角差，Qref為無功功率參考值，Qw為雙饋風機101輸出的無功功率值，wref為轉子轉速參考值，Ird_ref、Irq_ref為轉子側換流器103DQ軸電流參考值，Ira_ref、Irb_ref、Irc_ref為ABC三相電流參考值，用於生成轉子側換流器103的觸發脈衝。

無功功率減法器31的輸入信號為無功功率參考值Qref以及雙饋風機101輸出無功功率值Qw，無功功率減法器31的輸出信號作為無功功率PI控制器33的輸入信號，無功功率PI控制器33輸出轉子側換流器103DQ軸電流參考值Ird_ref；

轉子轉速減法器32的輸入信號為轉子轉速參考值wref以及轉子轉速測量值w，轉子轉速減法器32的輸出信號作為轉速PI控制器34的輸入信號，轉速PI控制器34輸出轉子側換流器103DQ軸電流參考值Irq_ref；

定子電壓鎖相環35的輸入信號為網側三相電壓usabc，定子電壓鎖相環35的輸出信號網側電壓相角θs作為相角減法器36的輸入信號，相角減法器36的輸入信號還包括發電機轉子相角θr，相角減法器36的輸出信號θerr為θs與θr的相角差；

DQ軸坐標變換器37的輸入信號為Ird_ref、Irq_ref以及θerr，通過DQ坐標繫到ABC三相坐標系的變換得到Ira_ref、Irb_ref、Irc_ref用來生成觸發脈衝。

本實施例中，雙饋風機101轉子側換流器103首先根據實時風速與功率-轉速曲線確定wref，wref與w相減再通過PI控制器得到Irq_ref；接著，Qref與Qw相減並通過PI控制器得到Ird_ref；最後，通過DQ坐標繫到ABC三相坐標系的變換得到Ira_ref、Irb_ref、Irc_ref用來生成觸發脈衝。其中，坐標變換的角度θerr等於θs與θr的差值，θs由usabc通過鎖相環獲得。

可選的，結合圖4所示，網側換流器控制器包括：包括直流電壓減法器41、直流電壓PI控制器42、交流電壓減法器43、交流電壓PI控制器44、低電壓穿越判斷環節45、兩個DQ軸電流參考值限幅環節分別用圖標46和47表示、網側電壓鎖相環48、兩個DQ軸電流減法器分別用圖標49和410表示、兩個DQ軸電流PI控制器分別用圖標411和412表示和兩個DQ軸坐標變換器分別用圖標413和414表示。

圖4中，Udc_ref為直流電壓參考值，Udc為直流電壓測量值，Idref_max、Idref_min、Iqref_max、Iqref_min為D軸參考電流限幅值。

其中，

Id_ref、Iq_ref為DQ軸電流參考值，Id、Iq為DQ軸電流測量值，Ud_ref、Uq_ref為DQ軸電壓參考值，Ua_ref、Ub_ref、Uc_ref為三相電壓參考值用來生成觸發脈衝，ia、ib、ic為三相電流測量值，Uac_ref為交流電壓參考值，Urms_ac為交流電壓測量值有效值，LVRT_EN為低電壓穿越使能信號。

直流電壓減法器41的輸入信號為直流電壓參考值Udc_ref以及直流電壓測量值Udc，直流電壓減法器41的輸出信號作為直流電壓PI控制器42的輸入信號，直流電壓PI控制器42的輸出信號經過一個DQ軸電流參考值限幅環節46後輸出DQ軸電流參考值Id_ref，Id_ref與DQ軸電流測量值Id作為一個DQ軸電流減法器49的輸入信號，一個DQ軸電流減法器49的輸出信號作為一個DQ軸電流PI控制器411的輸入信號，一個DQ軸電流PI控制器411輸出DQ軸電壓參考值Ud_ref；

交流電壓減法器43的輸入信號為交流電壓參考值Uac_ref以及交流電壓測量值有效值Urms_ac，交流電壓減法器43的輸出信號作為交流電壓PI控制器44的輸入信號；

低電壓穿越判斷環節45的輸入信號包括DQ軸電流參考值Iq_ref，交流電壓PI控制器44的輸出信號經過另一個DQ軸電流參考值限幅環節47後的輸出信號、從低電壓穿越控制器接收到的低電壓穿越使能信號LVRT_EN，低電壓穿越判斷環節45的輸出信號與DQ軸電流測量值Iq作為另一個DQ軸電流減法器410的輸入信號，另一個DQ軸電流減法器410的輸出信號作為另一個DQ軸電流PI控制器412的輸入信號，另一個DQ軸電流PI控制器412輸出DQ軸電壓參考值Uq_ref；

網側電壓鎖相環48的輸入信號為網側三相電壓usabc，輸出信號為網側電壓相角θs；Ud_ref、Uq_ref以及θs作為一個DQ軸坐標變換器413的輸入信號，一個DQ軸坐標變換器413輸出三相電壓參考值Ua_ref、Ub_ref、Uc_ref用來生成觸發脈衝；

Id和Iq為另一個DQ軸坐標變換器414的輸出信號，另一個DQ軸坐標變換器414的輸入信號為三相電流測量值ia、ib、ic以及θs。

本實施例中，網側換流器102首先將Udc_ref與Udc相減並經過PI控制和限幅環節得到Id_ref，同時穩態條件下直接設定Iq_ref，LVRT_EN為1時則進入暫態交流電壓控制，將Uac_ref與Urms_ac相減並經過PI控制和限幅環節得到Iq_ref；Id_ref與Iq_ref經過內環PI控制得到Ud_ref與Uq_ref為DQ軸電壓參考值，Ua_ref、Ub_ref、Uc_ref為三相電壓參考值用來生成；最後通過DQ坐標繫到ABC坐標系的變換得到Ua_ref、Ub_ref、Uc_ref用來生成觸發脈衝。

參見圖5所示，ULVRT_RS為低電壓穿越恢復值，ULVRT為低電壓穿越啟動值，ULVRT_OFF為低電壓穿越閉鎖值。當ULVRT<Urms_ac<1時，網側換流器102Q軸電流採用定電流控制；當ULVRT_OFF<Urms_ac<ULVRT時，Q軸電流切換為暫態交流電壓控制，此時由於雙饋風機101輸出的無功功率很難將系統電壓恢復到額定值因此Iq_ref將達到最大限幅值Iqref_max，直至ULVRT_RS<Urms_ac時才恢復定電流控制；當Urms_ac<ULVRT_OFF時，Q軸電流依然採用定電流控制，若此時轉子換流器電流大於Crowbar電流啟動值，則投入轉子側Crowbar電路104。定電流控制下，Iq_ref通常取0。

可選的，結合圖6所示，低電壓穿越控制器包括：兩個交流電壓有效值比較器分別用圖標61和62表示、低電壓穿越啟動判斷環節63、低電壓穿越終止判斷環節64、取反邏輯65與低穿啟動乘法器66。

圖6中，SLVRT為低電壓穿越啟動標誌；SLVRT_RS為低電壓穿越恢復標誌；Fault_start為低穿開始信號；Fault_end為低穿結束信號。

交流電壓測量值有效值Urms_ac通過一個交流電壓有效值比較器61低電壓穿越啟動值ULVRT比較，輸出信號作為低電壓穿越啟動判斷環節63的輸入信號，低電壓穿越啟動判斷環節63輸出低穿開始信號Fault_start。

交流電壓測量值有效值Urms_ac通過另一個交流電壓有效值比較器62與低電壓穿越恢復值ULVRT_RS比較，輸出信號作為低電壓穿越終止判斷環節64的輸入信號，低電壓穿越終止判斷環節64輸出低穿結束信號Fault_end，Fault_end經過取反邏輯65後，與Fault_start信號一同輸入低穿啟動乘法器66，低穿啟動乘法器66輸出低電壓穿越使能信號LVRT_EN。

本實施例中，當遠端交流系統故障且ULVRT_OFF<Urms_ac<ULVRT時，SLVRT為1，則Fault_start為1，由於Fault_end為0，所以Fault_end取反後再乘以Fault_start得到的LVRT_EN為1，即低電壓穿越控制使能；當故障恢復且ULVRT_RS<Urms_ac時，SLVRT_RS為1，則Fault_end為1，經過取反並乘以Fault_start後等於0，也就是LVRT_EN為0，低電壓穿越結束。

本實用新型的實施例所提供的雙饋風機的低電壓穿越控制系統，在出現遠端交流系統故障時，若確定雙饋風機的出口電壓有效值小於低電壓穿越啟動值，則Q軸電流由定電流控制切換為暫態交流電壓控制，雙饋風機輸出一定的無功功率對交流系統電壓進行支撐。故障恢復時，若確定出口電壓有效值大於低電壓穿越恢復值時，控制網側換流器由定暫態交流電壓控制切換回定無功電流控制，雙饋風機輸出的無功功率恢復到穩態值，雙饋風機穩態時輸出無功功率為0。進一步地，當近端交流系統故障時，若雙饋風機出口電壓有效值低於低電壓穿越閉鎖值，則Q軸電流保持定電流控制，此時若轉子電流有效值大於Crowbar控制啟動值，則投入轉子側Crowbar電路並閉鎖轉子換流器，以防止轉子換流器過流，從而提高了交流系統的穩定性。

以上，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。