CN105162168A - 风力发电系统并网控制方法 - Google Patents

Abstract

风力发电系统并网控制方法,涉及风力发电系统并网控制技术。解决了现有的变速恒频发电机的并网控制装置和方法对电网的冲击力大，稳定性差的问题。本发明中当风力机的风力小于发电机的启动风力时，逆变器通过调节器和变换器利用带电流内环的电压瞬时值反馈双闭环控制方法对电网的电压幅值、相位和频率信号进行跟踪；减小发电机启动时对电网的冲击；当发电机启动后，发电向电网负载供电，当发电机输出电压大于电网的输出电压时，调节器向变换器输出调节信号，调节发电机转子的励磁电流频率使发电机定子电流频率保持恒定不变，使发电机定子的频率与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频控制。本发明适用于风力发电系统并网控制使用。

Description

风力发电系统并网控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统并网控制技术。

背景技术

发电机顺利安全并网是风力发电系统正常运行的“起点”，其主要要求是限制发电机在并网时的瞬变电流，避免对电网造成过大的冲击。当电网容量比发电机容量大得多时(大于25倍)，发电机并网时的冲击电流可以不予考虑。但随着风力发电技术的发展，系统单机容量不断增大，目前己经发展到兆瓦级水平，机组并网对电网的冲击已不能忽视。较大的并网冲击电流不但会引起电网电压的大幅下降，而且还会对发电机组各部件造成损坏。更为严重的是，长时间的并网冲击甚至还会造成电力系统的解列，威胁其他发电机组的正常运行。因此，必须通过合理的并网控制策略来抑制发电机并网冲击电流，并网控制已成为风力发电技术中的一个不可忽视的环节。各种并网方式对转速控制的要求有细微差别，有的需要控制机组的转速为同步速(同步发电机)，有的需要控制机组的转速接近同步速(异步发电机)。因此，现有的并网技术大多是适用于恒速恒频风力发电机组。变速恒频风力发电技术是今后发展的方向，变速恒频发电机组的运行特征和控制特性为发电机的并网控制提供了实现条件，研究变速恒频风力发电机的并网技术具有重要的现实意义。普通并网方式由于未与本地负载协调，因此可能增大配电网部分线路的损耗，在风速变化较大时会增大电网末端电压波动。为了克服普通并网方式的不足，研究在并网后不对电网输出多余功率的运行方式是很有意义的。

发明内容

本发明是为了解决现有的变速恒频发电机的并网控制装置和方法对电网的冲击力大，稳定性差的问题，提出了一种风力发电系统并网控制方法。

本发明所述的风力发电系统并网控制方法，该方法基于风力发电系统并网控制装置实现，风力发电系统并网控制装置，它包括风力机、发电机、整流器、直流调压负载、逆变器、滤波器、变换器和调节器；风力机将风能转化为机械能，发电机将风力机获得的机械能转化为电能，发电机的定子通过功率绕组接入电网，发电机的转子通过绕组连接整流器的交流信号输输出端，整流器的直流信号输入输出端连接直流调压负载信号输入输出端，直流调压负载信号输入输出端连接逆变器的直流信号输入输出端，逆变器的交流信号输输入输出端连接滤波器的信号输入输出端，滤波器的信号输入输出端连接变换器的一个信号输入输出端，变换器的另一个信号输入端连接调节器的调节信号输入输出端，变换器的信号输入输出端连接电网的另一个电压信号输入输出端，电网为电网负载供电；风力发电系统并网控制方法的具体过程为：

当风力机的风力小于发电机的启动风力时，逆变器通过调节器和变换器利用带电流内环的电压瞬时值反馈双闭环控制方法对电网的电压幅值、相位和频率信号进行跟踪；减小发电机启动时对电网的冲击；

当发电机启动后，发电机向电网负载供电，当发电机输出电压大于电网的输出电压时，调节器向变换器输出调节信号，变换器向逆变器输出占空比调节信号，调节逆变器的输出电流，调节发电机转子的励磁电流频率使发电机定子电流频率保持恒定不变，使发电机定子的频率与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频控制；

当发电机输出电压小于电网的输出电压时，发电机的转子转速低于发电机定子旋转磁场转速，发电机处于亚同步运行状态，变换器改变供电方向，电网向发电机转子供电；发电机转子转速高于发电机定子旋转磁场转速，电机处于超同步运行状态；当励磁电流频率为零时，发电机同步速运行，发电机的转子进行直流励磁，实现对风力发电系统并网的控制。

本发明所述的风力发电系统并网控制方法，当发电机转速发生变化时，调节转子的励磁电流频率可使定子电流频率保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频控制。当转子转速低于定子旋转磁场转速，电机处于亚同步运行状态，功率变换器向转子供电。转子转速高于定子旋转磁场转速，电机处于超同步运行状态，定子和转子同时向电网供电。当励磁电流频率为零时，发电机同步速运行，转子进行直流励磁。发电机在并网前进行空载并网控制，在并网后实行最大风能追踪控制。双馈风力发电系统并网前根据电网运行参数，调节转子励磁电流，控制发电机定子电压输出，以满足并网条件。并网后，电网电压作为定子电压的输入，调节转子励磁电流，以实现最大风能捕获，完成由并网控制到运行控制的过渡过程。减小了发电机并网时对电网的冲击力大，提高了运行控制的稳定性。且实现了负载功率跟踪，避免发电机功率输出被浪费。

附图说明

图1为本发明所述的风力发电系统并网控制装置的结构示意图；

图2为本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的风力发电系统并网控制方法，该方法基于风力发电系统并网控制装置实现，风力发电系统并网控制装置，它包括风力机1、发电机2、整流器5、直流调压负载6、逆变器7、滤波器8、变换器9和调节器10；风力机1将风能转化为机械能，发电机2将风力机1获得的机械能转化为电能，发电机2的定子通过功率绕组接入电网3，发电机2的转子通过绕组连接整流器5的交流信号输输出端，整流器5的直流信号输入输出端连接直流调压负载6信号输入输出端，直流调压负载6信号输入输出端连接逆变器7的直流信号输入输出端，逆变器7的交流信号输输入输出端连接滤波器8的信号输入输出端，滤波器8的信号输入输出端连接变换器9的一个信号输入输出端，变换器9的另一个信号输入端连接调节器10的调节信号输入输出端，变换器9的信号输入输出端连接电网3的另一个电压信号输入输出端，电网3为电网负载4供电；风力发电系统并网控制方法的具体过程为：

当风力机的风力小于发电机2的启动风力时，逆变器7通过调节器10和变换器9利用带电流内环的电压瞬时值反馈双闭环控制方法对电网3的电压幅值、相位和频率信号进行跟踪；减小发电机2启动时对电网的冲击；

当发电机2启动后，发电机2向电网负载4供电，当发电机2输出电压大于电网3的输出电压时，调节器10向变换器9输出调节信号，变换器9向逆变器7输出占空比调节信号，调节逆变器7的输出电流，调节发电机2转子的励磁电流频率使发电机2定子电流频率保持恒定不变，使发电机2定子的频率与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频控制；

当发电机2输出电压小于电网3的输出电压时，发电机2的转子转速低于发电机2定子旋转磁场转速，发电机2处于亚同步运行状态，变换器9改变供电方向，电网3向发电机2转子供电；发电机2转子转速高于发电机2定子旋转磁场转速，电机处于超同步运行状态；当励磁电流频率为零时，发电机2同步速运行，发电机2的转子进行直流励磁，实现对风力发电系统并网的控制。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的风力发电系统并网控制方法的进一步说明，发电机3为双馈风力发电机。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的风力发电系统并网控制方法的进一步说明，整流器5为桥式整流器。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的风力发电系统并网控制方法的进一步说明，变换器9为双向功率变换器。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的风力发电系统并网控制方法的进一步说明，调节器10为比例积分式调节器。

本发明的风力机将风能转化为机械能；风力机出厂时，会提供一条最大功率-风速曲线，预先在控制器内存中保存该曲线，根据风速传感器测得的风速，在曲线上查找对应的最大功率Pmax。发电机输出最大功率时，不计损耗，则将变换器中流经电流的平均值作为电流控制的参考值，在此基础上实现对风力机的最大功率跟踪。发电机与负载进行协调，减小了电路损耗。

发电机将风力机转动的机械能转化为电能。发电机为双馈风力发电机。控制双馈发电机定子输出电压和电网电压在幅值、频率及相位上保持一致。根据电网信息及发电机转速信号，调节转子励磁，进而控制发电机定子电压满足并网条件，因而可在变速条件下实现平稳并网，并网瞬间定无冲击电流。

发电机的定子和转子都接入电网，定子通过功率绕组接入电网，转子通过控制绕组接入电网。变换器为双向功率变换器，发电机转子通过变换器接入电网。由于定子与电网相连，所以定子电流频率与电网频率相同。

整流器为桥式整流器，整流器将发电机输出的交流电转化为直流电并传输至逆变器，逆变器将输入的直流电转化为交流电输出至变换器，电压经过变换器转化后接入电网。

逆变器在并网前实施电压控制，逆变器输出电压跟踪电网电压的幅值、相位和频率，采用带电流内环的电压瞬时值反馈双闭环控制方法。调节器为比例积分式调节器。此时电压环是外环，经比例积分调节器，输出滤波电感电流的给定值。电流环为内环，经比例积分调节器，产生控制逆变器的PWM信号。在电流环引入输出滤波电感电流的瞬时值反馈，可以提高系统稳定性，简化电压外环的设计，同时起到限流保护的作用。

逆变器在并网后采用电流跟踪控制，电流大小跟随负载电流而变化。其中，电压外环根据逆变器直流侧电压与其额定值之差，决定电流放大系数Ki≤1，当风力机捕获的功率小于本地负载功率时，限制输出电流以维持逆变器直流侧电压不低额定值。在电流内环，将本地负载电流放大后作为逆变器输出电流的控制参考值，以满足不向电网注入功率的要求。

上述说明所记载的内容并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.风力发电系统并网控制方法，该方法基于风力发电系统并网控制装置实现，风力发电系统并网控制装置，它包括风力机(1)、发电机(2)、整流器(5)、直流调压负载(6)、逆变器(7)、滤波器(8)、变换器(9)和调节器(10)；风力机(1)将风能转化为机械能，发电机(2)将风力机(1)获得的机械能转化为电能，发电机(2)的定子通过功率绕组接入电网(3)，发电机(2)的转子通过绕组连接整流器(5)的交流信号输输出端，整流器(5)的直流信号输入输出端连接直流调压负载(6)信号输入输出端，直流调压负载(6)信号输入输出端连接逆变器(7)的直流信号输入输出端，逆变器(7)的交流信号输输入输出端连接滤波器(8)的信号输入输出端，滤波器(8)的信号输入输出端连接变换器(9)的一个信号输入输出端，变换器(9)的另一个信号输入端连接调节器(10)的调节信号输入输出端，变换器(9)的信号输入输出端连接电网(3)的另一个电压信号输入输出端，电网(3)为电网负载(4)供电；其特征在于，风力发电系统并网控制方法的具体过程为：

当风力机的风力小于发电机(2)的启动风力时，逆变器(7)通过调节器(10)和变换器(9)利用带电流内环的电压瞬时值反馈双闭环控制方法对电网(3)的电压幅值、相位和频率信号进行跟踪；减小发电机(2)启动时对电网的冲击；

当发电机(2)启动后，发电机(2)向电网负载(4)供电，当发电机(2)输出电压大于电网(3)的输出电压时，调节器(10)向变换器(9)输出调节信号，变换器(9)向逆变器(7)输出占空比调节信号，调节逆变器(7)的输出电流，调节发电机(2)转子的励磁电流频率使发电机(2)定子电流频率保持恒定不变，使发电机(2)定子的频率与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频控制；

当发电机(2)输出电压小于电网(3)的输出电压时，发电机(2)的转子转速低于发电机(2)定子旋转磁场转速，发电机(2)处于亚同步运行状态，变换器(9)改变供电方向，电网(3)向发电机(2)转子供电；发电机(2)转子转速高于发电机(2)定子旋转磁场转速，电机处于超同步运行状态；当励磁电流频率为零时，发电机(2)同步速运行，发电机(2)的转子进行直流励磁，实现对风力发电系统并网的控制。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统并网控制方法，其特征在于，发电机(3)为双馈风力发电机。

3.根据权利要求1所述的风力发电系统并网控制方法，其特征在于，整流器(5)为桥式整流器。

4.根据权利要求1或2所述的风力发电系统并网控制方法，其特征在于，变换器(9)为双向功率变换器。

5.根据权利要求1或2所述的风力发电系统并网控制方法，其特征在于，调节器(9)为比例积分式调节器。