一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制方法和系統的製作方法

2023-12-04 15:40:16 2

專利名稱：一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電技術領域，特別涉及一種全功率風機變流器低電壓穿越的協 同控制方法和系統。
背景技術：
隨著風力發電規模的不斷擴大，風力發電系統對電網的影響已經越來越顯著。在 全功率風電系統中，發電機定子繞組通過全功率變流器接入電網，對電網波動的適應性好， 並能實現併網有功功率和無功功率的獨立控制，因此發電效率高，結構較為簡單，運行穩定 性好。參見圖1，該圖為目前典型的全功率風力發電系統的結構圖。該發電系統採用全功率雙PWM變流器(包括機側變流器100和網側變流器300)連 接發電機M和電網。其中，發電機M將發出的電能傳送給機側變流器100，機側變流器100 將發電機M發出的交流電進行整流，整流為直流電，然後直流電經過撬棒電路200後傳送給 網側變流器300。網側變流器300再將直流電逆變為與電網的頻率和幅值相匹配的交流電 後饋送給電網，從而實現風力發電的併網運行。其中，撬棒電路200的主要功能是當直流母線電壓上升時，消耗多餘能量。在風力發電系統中，電網電壓跌落是電網最常見的故障。電網電壓跌落主要是由 於輸電線路故障造成的，其故障類型有以下幾種單相接地故障，兩相接地故障，兩相相間 短路故障以及三相短路故障。其中根據電網相電壓幅值在跌落過程中的變化情況，又可以 將電網電壓跌落簡單地歸結為三相不平衡跌落和三相平衡跌落兩大類。電網電壓跌落的深 度也不相同，最低可以跌落到零，持續時間從0.5個電網電壓周期到數秒的時間不等。當電網電壓跌落時，為了保證系統運行的穩定性和安全性，全功率風機變流器的 網側變流器需要具有低電壓穿越(LVRT，Low-Voltage Ride Through)功能。低電壓穿越， 是指在風機併網點電壓跌落的時候，風機能夠保持併網，甚至向電網提供一定的無功功率， 支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而「穿越」這個低電壓時間(區域)。低電壓穿越技術 是風力發電系統中的一個非常關鍵的技術，關係著風電的大規模應用。在全功率風力發電系統中，電網電壓的瞬間跌落將導致網側變流器輸出功率減 小，而此刻如果機側變流器仍然實時響應總控轉矩信號，能量的不匹配將導致直流母線電 壓的上升。這樣將威脅到網側變流器和機側變流器的功率開關管器件的壽命。因此，在電 網電壓跌落時需要解決網側變流器和機側變流器的能量匹配問題。目前，當電網電壓跌落時，解決能量匹配問題主要有三種途徑，分別是第一，從變流器設計入手，選擇耐壓和過流值較高的電力電子器件，並提高直流支 撐電容的額定電壓，但是耐壓大和過流值高的器件的成本較高；第二，減小發電機的電磁轉矩設定值，從而允許轉矩的暫時上升來存儲風機部分 輸入能量，減小發電機的輸出功率，有利於電壓跌落時的功率平衡。但是，將會導致發電機 的電磁轉矩出現較大的波動，使風機和傳動鏈的機械應力增大，影響風機壽命。第三，利用撬棒電路消耗多餘能量。但是由於電網電壓跌落引起的電網直流母線電壓的上升是暫態過程，需要確保撬棒電路在正確的時刻動作和脫離，否則系統故障前後 的投切和穩定運行將會受到影響。綜上所述，目前全功率風機變流器低電壓穿越的控制方法均存在一定問題。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制 方法和系統，能夠在不改變變流器器件，不改變發電機的電磁轉矩的前提下，解決電網電壓 跌落引起的能量不匹配問題。本發明提供一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制方法，包括以下步驟步驟A 由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網發生三相平衡跌落或三 相不平衡跌落時，對網側變流器中的功率開關管器件的驅動信號進行短暫強制封鎖；步驟B 由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網跌落達到穩定時，解除 對網側變流器中的功率開關管器件的驅動信號的封鎖；步驟C:由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網由跌落開始恢復時，對 網側變流器中的功率開關管器件的驅動信號進行短暫封鎖；步驟D 由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網恢復到正常穩定時，解 除對網側變流器中的功率開關管器件的驅動信號的封鎖；在步驟A、B、C和D中，通過比較直流母線電壓與預定電壓值來控制撬棒電路是否工作。優選地，所述撬棒電路不工作的判據為直流母線電壓小於設定直流電壓最小值； 所述撬棒電路工作的判據為直流母線電壓大於設定直流電壓最大值。優選地，所述當前電網電壓的正序分量和負序分量由雙同步坐標系軟體鎖相環根 據電壓傳感器採集的網側三相電壓計算得到。優選地，步驟A中當判斷出當前電網電壓的正序分量小於前一個周期的電網電壓 的第一預定電壓值時，判斷電網發生三相平衡跌落；當判斷當前電網電壓的正序分量小於前一個周期的電網電壓的第二預定電壓值， 且當前電網電壓的負序分量與前一個周期的電網電壓的負序分量相差預定幅值時，判斷電 網發生三相不平衡跌落。本發明還提供一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制系統，包括以下單 元計算單元，用於由當前電網的三相電壓實時計算獲得電網電壓的正序分量和負序 分量；跌落判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序分量 判斷電網是否發生三相平衡跌落或三相不平衡跌落；跌落穩定判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序 分量判斷電網是否跌落達到穩定；跌落恢復判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序 分量判斷電網是否由跌落開始恢復；恢復正常判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網是否恢復到正常穩定；驅動信號封鎖單元，用於當電網發生三相平衡跌落或三相不平衡跌落時，封鎖網 側變流器的功率開關管的驅動信號；還用於當電網由跌落開始恢復時，封鎖網側變流器的 功率開關管的驅動信號；驅動信號解除單元，用於當電網跌落穩定時，解除對網側變流器的功率開關管器 件的驅動信號的封鎖；還用於當電網恢復到正常穩定時，解除對網側變流器的功率開關管 器件的驅動信號的封鎖；撬棒電路控制單元，用於將直流母線電壓與預定電壓值比較控制撬棒電路的工 作。優選地，所述撬棒電路控制單元，當直流母線電壓小於設定直流電壓最小值，用於 控制撬棒電路不工作；當直流母線電壓大於設定直流電壓最大值，用於控制撬棒電路工作。優選地，還包括網側三相電壓傳感器，用於採集網側的三相電壓，將採集的網側的 三相電壓發送給所述計算單元。優選地，所述跌落判斷單元包括三相平衡跌落判斷子單元和三相不平衡跌落判斷 子單元；所述三相平衡跌落判斷子單元，用於比較當前電網電壓的正序分量小於前一個周 期的電網電壓的第一預定電壓值時，判斷電網發生三相平衡跌落；所述三相不平衡跌落判斷子單元，用於比較當前電網電壓正序分量小於前一個周 期的電網電壓的第二預定電壓值，且當前電網電壓的負序分量與前一個周期的電網電壓的 負序分量相差預定幅值時，判斷電網發生三相不平衡跌落。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明實施例提供的全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制方法對電網電壓 的跌落和恢復穩定的判斷，當電網電壓處於跌落的暫態或者上升的暫態時，對網側變流器 的功率開關管器件的驅動信號進行暫時的強制封鎖；當電網電壓處於跌落穩定或者恢復正 常穩定時，解除對網側變流器的功率開關管器件的驅動信號的封鎖。同時，配合撬棒電路的 工作實現網側變流器的低電壓穿越。本發明通過電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網 電壓的不同狀態進行不同的控制，並且僅是對網側變流器進行控制，機側變流器可以一直 正常運行，減小了發電機電磁轉矩脈動帶來的風力機和傳動鏈的機械應力。


圖1是現有技術中典型的直驅風力發電系統的結構圖；圖2是本發明DDSRF-SPLL的原理圖；圖3是本發明提供的協同控制方法實施例一流程圖；圖4是本發明提供的協同控制方法原理框圖；圖5是本發明提供的協同控制方法實施例二流程圖；圖6是本發明提供的電網電壓單相跌落時網側變流器響應波形圖；圖7是本發明提供的電網電壓兩相跌落時網側變流器響應波形圖；圖8是本發明提供的電網電壓三相平衡跌落時網側變流器響應波形圖；圖9是本發明提供電網電壓三相平衡跌落時機側響應波形圖10是本發明提供的協同控制系統實施例一結構圖；圖11是本發明提供的協同控制系統實施例二結構圖。
具體實施例方式為了本領域技術人員更好地理解和實施本發明的技術方案，下面首先介紹雙同步 坐標系軟體鎖相環(DDSRF-SPLL, Decoupled Double Synchronous Reference Frame Soft Phase-locked Loop)。DDSRF-SPLL的基本原理參見圖2所示，該圖為DDSRF-SPLL的原理圖。DDSRF包括兩個旋轉坐標系，其中正序dq+1同步旋轉坐標系以ω角速度逆時針旋 轉，其角度設為《；而負序Ckf1同步旋轉坐標系是以_ω的角速度順時針旋轉，其角度設為 C' ω為SPLL計算出的角速度。ua、ub、U。為電壓傳感器檢測的電網的三相電壓。abc/dqm 表示三相靜止坐標繫到正序dq+1同步旋轉坐標系的變換，abc/dqn表示三相靜止坐標繫到 負序dcf1同步旋轉坐標系的變換。<、<分別為正序dq+i同步旋轉坐標系中的d軸和q 軸的電網電壓分量，<、< 分別為負序dcf1同步旋轉坐標系中的d軸和q軸的電網電壓分 量。可、<、巧、和<的計算採用了解耦網絡。圖2中採用一個簡單的一階低通濾波器， 其傳遞函數為
權利要求
1.一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟A 由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網發生三相平衡跌落或三相不平衡跌落時，對網側變流器中的功率開關管器件的驅動信號進行短暫強制封鎖；步驟B:由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網跌落達到穩定時，解除對網 側變流器中的功率開關管器件的驅動信號的封鎖；步驟C:由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網由跌落開始恢復時，對網側 變流器中的功率開關管器件的驅動信號進行短暫封鎖；步驟D 由當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網恢復到正常穩定時，解除對 網側變流器中的功率開關管器件的驅動信號的封鎖；在步驟A、B、C和D中，通過比較直流母線電壓與預定電壓值來控制撬棒電路是否工作。
2.根據權利要求1所述的協同控制方法，其特徵在於，所述撬棒電路不工作的判據為 直流母線電壓小於設定直流電壓最小值；所述撬棒電路工作的判據為直流母線電壓大於 設定直流電壓最大值。
3.根據權利要求1所述的協同控制方法，其特徵在於，所述當前電網電壓的正序分量 和負序分量由雙同步坐標系軟體鎖相環根據電壓傳感器採集的網側三相電壓計算得到。
4.根據權利要求1所述的協同控制方法，其特徵在於，步驟A中當判斷出當前電網電 壓的正序分量小於前一個周期的電網電壓的第一預定電壓值時，判斷電網發生三相平衡跌 落；當判斷當前電網電壓的正序分量小於前一個周期的電網電壓的第二預定電壓值，且當 前電網電壓的負序分量與前一個周期的電網電壓的負序分量相差預定幅值時，判斷電網發 生三相不平衡跌落。
5.一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制系統，其特徵在於，包括以下單元 計算單元，用於由當前電網的三相電壓實時計算獲得電網電壓的正序分量和負序分量；跌落判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序分量判斷 電網是否發生三相平衡跌落或三相不平衡跌落；跌落穩定判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序分量 判斷電網是否跌落達到穩定；跌落恢復判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序分量 判斷電網是否由跌落開始恢復；恢復正常判斷單元，用於由計算單元實時獲得的當前電網電壓的正序分量和負序分量 判斷電網是否恢復到正常穩定；驅動信號封鎖單元，用於當電網發生三相平衡跌落或三相不平衡跌落時，封鎖網側變 流器的功率開關管的驅動信號；還用於當電網由跌落開始恢復時，封鎖網側變流器的功率 開關管的驅動信號；驅動信號解除單元，用於當電網跌落穩定時，解除對網側變流器的功率開關管器件的 驅動信號的封鎖；還用於當電網恢復到正常穩定時，解除對網側變流器的功率開關管器件 的驅動信號的封鎖；撬棒電路控制單元，用於將直流母線電壓與預定電壓值比較控制撬棒電路的工作。
6.根據權利要求5所述的協同控制系統，其特徵在於，所述撬棒電路控制單元，當直流 母線電壓小於設定直流電壓最小值，用於控制撬棒電路不工作；當直流母線電壓大於設定 直流電壓最大值，用於控制撬棒電路工作。
7.根據權利要求5所述的協同控制系統，其特徵在於，還包括網側三相電壓傳感器，用 於採集網側的三相電壓，將採集的網側的三相電壓發送給所述計算單元。
8.根據權利要求5所述的協同控制系統，其特徵在於，所述跌落判斷單元包括三相平 衡跌落判斷子單元和三相不平衡跌落判斷子單元；所述三相平衡跌落判斷子單元，用於比較當前電網電壓的正序分量小於前一個周期的 電網電壓的第一預定電壓值時，判斷電網發生三相平衡跌落；所述三相不平衡跌落判斷子單元，用於比較當前電網電壓正序分量小於前一個周期的 電網電壓的第二預定電壓值，且當前電網電壓的負序分量與前一個周期的電網電壓的負序 分量相差預定幅值時，判斷電網發生三相不平衡跌落。
全文摘要
本發明提供一種全功率風機變流器低電壓穿越的協同控制方法和系統，通過對電網電壓的跌落和恢復穩定進行判斷，當電網電壓處於跌落的暫態或者上升的暫態時，對網側變流器的功率開關管器件的驅動信號進行暫時的強制封鎖；當電網電壓處於跌落穩定或者恢復正常穩定時，解除對網側變流器的功率開關管器件的驅動信號的封鎖。同時，配合撬棒電路的工作實現網側變流器的低電壓穿越。本發明通過電網電壓的正序分量和負序分量判斷電網電壓的不同狀態進行不同的控制，並且僅是對網側變流器進行控制，機側變流器可以一直正常運行，減小了發電機電磁轉矩脈動帶來的風力機和傳動鏈的機械應力。
文檔編號H02J3/38GK102088191SQ20101060112
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者屠運武, 曹仁賢, 楊春源, 汪令祥, 王成悅 申請人:陽光電源股份有限公司