一種用於自封閉型電磁耦合調速風電機組的低電壓穿越控制方法與流程
2024-03-25 00:55:05 1
本發明涉及風電領域，特別涉及一種自封閉型電磁耦合調速風電機組的控制方法。
背景技術：
當前主流的風力發電機組是雙饋型和全功率變換型風電機組，這兩種風電機組都能使風輪轉速隨風速的變化而改變，從而實現了最大限度捕獲風能的能力。然而隨著風電在電網中所佔比重的提高，風電機組參與支撐電網電壓和頻率的需求不斷提高，在這兩方面當前風力發電單元與常規發電單元相比存在不足。
在電網電壓支撐方面，雙饋型風電機組中發電機定子與電網直接相連，電網電壓發生跌落會造成定、轉子過流和直流母線過壓。由於雙饋型風電機組的變流器容量有限，因此變流器對雙饋發電機的控制能力不足，這就造成了雙饋型風電機組對電網電壓跌落等故障非常敏感。為了防止雙饋發電機轉子過壓、過流和變流器直流母線過壓，一種有效的方法是增加硬體Crowbar電路，但是一旦Crowbar投入，轉子側變流器將失去對轉子電流主動控制的能力，雙饋發電機相當於一臺鼠籠異步電機運行，變流器不再具有對風電機組輸出有功功率和無功功率獨立控制的能力。此時，風電機組不僅無法發出無功功率支撐電網電壓，反而由於發電機勵磁的需要從電網吸收一定無功功率。對於全功率變換型風電機組，背靠背變流器將發電機和電網隔離，因此該機組的低電壓穿越能力要優於雙饋型風電機組。當電網電壓發生跌落時，網側變流器向電網發出無功功率支撐電網電壓，投入直流母線卸荷電阻以消耗掉直流側積累的多餘能量，防止直流母線過壓。儘管如此，由於電力電子開關裝置對過電壓和過電流非常敏感，很短時間內過壓或過流都可能造成開關裝置的損壞，因此電力電子開關裝置與同步發電機相比其過載能力非常有限，這就造成了雙饋型和全功率變換型風電機組在電網電壓跌落時發出的無功功率難以支撐電網電壓。
造成上述問題的原因是當前雙饋型和全功率變換型風電機組與常規電廠中的同步發電機組相比在併網接口上的不同，從表面上看這兩種風電機組的併網接口不再是同步發電機，從本質上來說，這兩種風電機組是電流控制型電源而同步發電機組是電壓控制型電源。
技術實現要素：
為解決上述現有技術中的不足，本發明提出一種用於自封閉型電磁耦合調速風電機組的低電壓穿越控制方法，該機組併網接口為一臺電勵磁同步發電機，自封閉型電磁耦合調速裝置聯接齒輪箱高速軸和同步發電機轉子軸，並實現功率從齒輪箱側向同步發電機側的傳遞。
本發明的技術方案是這樣實現的：
一種用於自封閉型電磁耦合調速風電機組的低電壓穿越控制方法，採用自封閉型電磁耦合調速裝置聯接齒輪箱高速軸和電勵磁同步發電機轉子軸，使功率從齒輪箱側向電勵磁同步發電機側傳遞，併網接口為所述電勵磁同步發電機；
所述自封閉型電磁耦合調速裝置由電磁耦合器、變頻器以及永磁同步發電機組成，永磁同步發電機用於給變頻器供電；所述電磁耦合器有兩根轉軸，分別與齒輪箱和電勵磁同步發電機相聯並都轉動，變頻器控制電磁耦合器兩根轉軸的相對轉速和電磁轉矩；
所述齒輪箱的高速軸與所述電磁耦合器的一根軸相聯構成前軸系，所述電磁耦合器的另一根軸與所述電勵磁同步發電機的轉子軸相聯構成後軸系，前、後軸係為2個獨立的軸系，所述永磁同步發電機與前軸系同軸實現對所述變頻器供電；
首先進入啟動過程；啟動過程完成後，電勵磁同步發電機投入勵磁，風電機組轉入同期併網過程；機組併網後的最大限度捕獲風能以及停機過程；
電網電壓一旦發生跌落並超出正常範圍，自封閉型電磁耦合調速風電機組的控制就轉入低電壓穿越控制模式，由於變頻器是由與齒輪箱高速軸同軸的永磁同步發電機供電，電網電壓的跌落不會對變頻器的供電產生影響，為了保持機組輸出有功電流恆定，變頻器轉矩指令值Tcmd_LVRT的計算公式為：
Tcmd_LVRT＝kTcmd (1)
式中，k為電網電壓的標么值，Tcmd為自封閉型電磁耦合調速風電機組基本運行時由風輪最優機械特性曲線所求得的變頻器轉矩指令值，槳距角的求取與電網電壓正常時相同，根據風輪轉速目標值和實測值採用PI調節器求得；
電網電壓恢復後，逐漸減小電勵磁同步發電機的勵磁電流，使風電機組發出的無功功率恢復至電網電壓跌落前發出的無功功率值。
可選地，所述啟動過程劃分為三個階段：
首先，在第一階段，通過變槳控制，使風輪轉速逐漸上升，當前軸系轉速足夠高時，永磁同步發電機的輸出電壓滿足變頻器供電電壓要求，此時啟動變頻器並設為轉速控制模式，通過變頻器控制電磁耦合器，使後軸系逐漸加速至前軸系轉速；
接下來，進入第二階段，通過變頻器控制使前、後軸系同步旋轉，直至接近設定的低於電勵磁同步發電機同步速的轉速值：
<![CDATA[ n I = n I I
式中：nI為前軸系的轉速；nII為後軸系的轉速；n1為電勵磁同步發電機的同步速；f為電網頻率；p為電勵磁同步發電機的極對數；
最後，進入第三階段，由變槳控制保持前軸系轉速不變，並通過變頻器控制電磁耦合器使後軸系繼續升速，直至高於電勵磁同步發電機同步速Δn；
nII＝nI+Δn (3)。
可選地，啟動階段完成後，電勵磁同步發電機投入勵磁，風電機組轉入同期併網過程，併網控制櫃根據測量得到的電勵磁發電機機端電壓與電網電壓之間的幅值差和相位差，動態調節勵磁電流和變頻器輸出的頻率，當這些幅值差和相位差減小到併網要求允許值時，併網開關自動合閘，這時，變頻器由轉速控制模式切換為轉矩控制模式。
可選地，風電機組併網後，需要將電勵磁同步發電機的輸出功率調節至與當前風況相適應的某一功率，在自封閉型電磁耦合調速風電機組中，功率調節是通過變頻器控制電磁耦合器的電磁轉矩完成的，為了減緩電勵磁同步發電機加卸載過程對電網的衝擊，需要在功率指令中設置斜坡函數進行過渡。
可選地，當風速低於額定風速時，風電機組運行在欠功率狀態，槳葉節距角θ保持在0度附近，風電機組採用不依賴於風速測量的最大功率點跟蹤策略；其中，電磁耦合器的電磁轉矩作為調節風輪轉速的控制變量；根據當前的風輪轉速，從預置的風輪最優機械特性曲線中通過查表獲得轉矩的指令值，交由變頻器控制電磁耦合器的電磁轉矩；
當風速高於額定風速時，風電機組運行在恆功率狀態；這時，電磁耦合器的電磁轉矩維持在額定轉矩值，由變槳控制保持風輪轉速在額定轉速附近；
當風電機組從電網正常解列時，首先逐步減小電磁耦合器的電磁轉矩，卸去電勵磁同步發電機的負載，達到空載狀態後，再斷開併網控制櫃中的併網開關；風電機組脫網後，變頻器由轉矩控制模式切換到轉速控制模式。
可選地，所述停機過程分為2個階段：
首先，由變槳控制使前軸系轉速保持在併網開關分閘時的轉速，並通過變頻器控制電磁耦合器實現電磁製動使後軸系減速至與前軸系轉速相等；然後，由變槳控制使風輪的轉速逐漸下降，當轉速足夠高使變頻器能夠正常供電時控制電磁耦合器前、後2個軸系同步旋轉，當轉速過低時變頻器停止工作，後軸系靠摩擦制動轉矩而前軸系靠順槳控制最終完成風電機組的停機。
本發明的有益效果是：
(1)採用自封閉型電磁耦合調速裝置聯接齒輪箱高速軸和電勵磁同步發電機轉子軸，並實現功率的傳遞，變頻器同與齒輪箱高速軸同軸的永磁同步發電機相連，實現了電網電壓跌落期間變頻器對電磁耦合器電磁轉矩的正常施加以及該機組的黑啟動，避免了風電機組因變頻器與電網相連對電網可能造成的汙染，實現了風電機組和常規電廠在併網接口上的統一，真正實現了風電機組「電網友好型」的目標，有利於促進風電這一清潔能源的進一步發展；
(2)齒輪箱和電勵磁同步發電機之間為非接觸式聯接，因此齒輪箱受到的來自於電勵磁同步發電機側的機械衝擊小，使用壽命得到了延長；
(3)通過變頻器控制電磁耦合器的轉速和轉矩，響應速度快；
(4)電磁耦合器齒輪箱側的軸轉速始終低於電勵磁同步發電機側的軸轉速，流過變頻器的功率僅為風電機組輸出功率的一小部分並且單方向流動，因此只需要容量較小的單象限運行變頻器。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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發明的一些實施例，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為本發明一種自封閉型電磁耦合調速風電機組的結構示意圖；
圖2為本發明的自封閉型電磁耦合調速裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明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發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，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，都屬於本發明保護的範圍。
當前雙饋型和全功率變換型風電機組與常規電廠中的同步發電機組相比在併網接口上的不同，從表面上看這兩種風電機組的併網接口不再是同步發電機，從本質上來說，這兩種風電機組是電流控制型電源，而同步發電機組是電壓控制型電源。
本發明提出了一種自封閉型電磁耦合調速風電機組，該風電機組的併網接口為一臺電勵磁同步發電機，採用自封閉型電磁耦合調速裝置聯接齒輪箱高速軸和電勵磁同步發電機轉子軸，使功率從齒輪箱側向電勵磁同步發電機側傳遞，實現了風電機組與常規電廠在併網接口上的統一。
下面結合說明書附圖對本發明的自封閉型電磁耦合調速風電機組進行詳細說明。
如圖1和圖2所示，本發明的自封閉型電磁耦合調速風電機組，該風電機組採用自封閉型電磁耦合調速裝置聯接齒輪箱高速軸和電勵磁同步發電機轉子軸，並實現功率的傳遞。自封閉型電磁耦合調速裝置由電磁耦合器4、變頻器6以及永磁同步發電機3組成，永磁同步發電機3用於給變頻器6供電。電磁耦合器4本質上是一臺鼠籠異步機，與普通鼠籠機不同的是電磁耦合器有兩根轉軸，分別與齒輪箱2和電勵磁同步發電機5相聯並都轉動，變頻器6控制電磁耦合器4兩根軸的相對轉速和電磁轉矩。
齒輪箱2的高速軸與電磁耦合器4的一根軸相聯構成前軸系，電磁耦合器4的另一根軸與電勵磁同步發電機5的轉子軸相聯構成後軸系，前、後軸係為2個獨立的軸系，永磁同步發電機3與前軸系同軸實現對變頻器6供電。相比於從電網取電為變頻器6提供電能的供電方式，本發明的供電方式既實現了電網電壓跌落期間變頻器對電磁耦合器電磁轉矩的正常施加以及該機組的黑啟動，又避免了風電機組因變頻器與電網相連對電網可能造成的汙染。
齒輪箱2和電勵磁同步發電機5之間為非接觸式聯接，因此齒輪箱2受到的來自於電勵磁同步發電機5側的機械衝擊小，使用壽命得到了延長；通過變頻器6控制電磁耦合器4的轉速和轉矩，響應速度快；電磁耦合器齒輪箱側的軸轉速始終低於電勵磁同步發電機側的軸轉速，流過變頻器的功率僅為風電機組輸出功率的一小部分並且單方向流動，因此只需要容量較小的單象限運行變頻器。
本發明的自封閉型電磁耦合調速風電機組存在前、後2個獨立的軸系，如圖1和圖2所示，首先進入啟動過程；啟動過程完成後，電勵磁同步發電機投入勵磁，風電機組轉入同期併網過程；機組併網後的最大限度捕獲風能以及停機過程。
電網電壓一旦發生跌落並超出正常範圍，自封閉型電磁耦合調速風電機組的控制就轉入低電壓穿越控制模式，由於變頻器是由與齒輪箱高速軸同軸的永磁同步發電機供電，電網電壓的跌落不會對變頻器的供電產生影響，為了保持機組輸出有功電流恆定，變頻器轉矩指令值Tcmd_LVRT的計算公式為：
Tcmd_LVRT＝kTcmd (1)
式中，k為電網電壓的標么值，Tcmd為自封閉型電磁耦合調速風電機組基本運行時由風輪最優機械特性曲線所求得的變頻器轉矩指令值，槳距角的求取與電網電壓正常時相同，根據風輪轉速目標值和實測值採用PI調節器求得；
電網電壓恢復後，逐漸減小電勵磁同步發電機的勵磁電流，使風電機組發出的無功功率恢復至電網電壓跌落前發出的無功功率值。
在電網電壓跌落期間通過電勵磁同步發電機勵磁電流的調節使自封閉型電磁耦合調速風電機組發出相應的無功功率以實現對電網電壓的支撐，特別是當電網電壓嚴重跌落時，由於電勵磁同步發電機具有很強的過載能力，通過電勵磁同步發電機強勵的操作使機組發出足夠大的無功功率對電網電壓進行有效支撐。電網電壓恢復後，逐漸減小電勵磁同步發電機的勵磁電流，使風電機組發出的無功功率恢復至電網電壓跌落前風電機組發出的無功功率值。
本發明的自封閉型電磁耦合調速風電機組的啟動過程與其他風電機組都有所不同，可劃分為3個階段：
首先，在第一階段，通過變槳控制，使風輪1的轉速逐漸上升，當前軸系轉速足夠高時永磁同步發電機的輸出電壓才能滿足變頻器供電電壓要求，此時啟動變頻器並設為轉速控制模式，通過變頻器控制電磁耦合器，使後軸系逐漸加速至前軸系轉速；
接下來，進入第二階段，通過變頻器控制使前、後2個軸系如同單一剛性軸系一樣同步旋轉，直至接近設定的低於電勵磁同步發電機同步速的轉速值：
<![CDATA[ n I = n I I
式中：nI為前軸系轉速；nII為後軸系轉速；n1為電勵磁同步發電機的同步速；f為電網頻率；p為電勵磁同步發電機的極對數。
最後，由變槳控制保持前軸系轉速不變，並通過變頻器控制電磁耦合器使後軸系繼續升速，直至高於電勵磁同步發電機同步速Δn(0<Δn<5％)。
nII＝nI+Δn (3)
啟動階段完成後，電勵磁同步發電機投入勵磁，風電機組轉入同期併網過程。併網控制櫃根據測量得到的電勵磁同步發電機機端電壓與電網電壓之間的幅值差和相位差，動態調節勵磁電流和變頻器輸出的頻率，當這些幅值差和相位差減小到併網要求允許值時，併網開關自動合閘。這時，變頻器由轉速控制模式切換為轉矩控制模式。
風電機組併網後，需要將電勵磁同步發電機的輸出功率調節至與當前風況相適應的某一功率。在自封閉型電磁耦合調速風電機組中，功率調節是通過變頻器控制電磁耦合器的電磁轉矩完成的。為了減緩電勵磁同步發電機加卸載過程對電網的衝擊，需要在功率指令中設置合理的斜坡函數進行過渡。
當風速低於額定風速時，風電機組運行在欠功率狀態，槳葉節距角θ保持在0度附近。為了儘可能多地吸收風能，風電機組採用不依賴於風速測量的最大功率點跟蹤策略。其中，電磁耦合器的電磁轉矩作為調節風輪轉速的控制變量。根據當前的風輪轉速，從預置的風輪最優機械特性曲線中通過查表獲得轉矩的指令值，交由變頻器控制電磁耦合器的電磁轉矩。
當風速高於額定風速時，風電機組運行在恆功率狀態。這時，電磁耦合器的電磁轉矩維持在額定轉矩值。由變槳控制保持風輪轉速在額定轉速附近。
當風電機組從電網正常解列時，首先逐步減小電磁耦合器的電磁轉矩，卸去電勵磁同步發電機的負載，達到空載狀態後，再斷開併網控制櫃中的併網開關。風電機組脫網後，變頻器由轉矩控制模式切換到轉速控制模式。
停機過程分為2個階段。首先，由變槳控制使前軸系轉速保持在併網開關分閘時的轉速，並通過變頻器控制電磁耦合器實現電磁製動使後軸系減速至與前軸系轉速相等；然後，由變槳控制使風輪的轉速逐漸下降，當轉速足夠高使變頻器能夠正常供電時控制電磁耦合器前、後2個軸系同步旋轉，當轉速過低時變頻器停止工作，後軸系靠摩擦制動轉矩而前軸系靠順槳控制最終完成風電機組的停機。
本發明的自封閉型電磁耦合調速風電機組，採用自封閉型電磁耦合調速裝置聯接齒輪箱高速軸和電勵磁同步發電機轉子軸，並實現功率的傳遞，變頻器同與齒輪箱高速軸同軸的永磁同步發電機相聯，實現了電網電壓跌落期間變頻器對電磁耦合器電磁轉矩的正常施加以及該機組的黑啟動，避免了風電機組因變頻器與電網相連對電網可能造成的汙染，實現了風電機組和常規電廠在併網接口上的統一，真正實現了風電機組「電網友好型」的目標，有利於促進風電這一清潔能源的進一步發展。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。