風力發電機組的變流器控制方法及裝置制造方法

風力發電機組的變流器控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種風力發電機組的變流器控制方法及裝置，方法包括：檢測電網側的實測三相電壓和實測三相電流、變流器側的實測直流母線電壓，并計算實測有功功率和實測無功功率；對并網點的運行狀態進行判斷，如果為高電壓運行狀態，則執行：根據實測三相電壓、實測三相電流、實測直流母線電壓、直流母線電壓給定值以及無功功率控制指令對變流器的逆變器進行控制；根據實測直流母線電壓和直流母線電壓給定值對直流Chopper電路進行控制；檢測儲能模塊充放電實測電流；根據實測直流母線電壓、直流母線電壓給定值以及儲能模塊充放電實測電流對直流儲能電路的充放電進行控制。本發明通過對風力發電機組的變流器的控制實現了風力發電機組的高電壓穿越功能。
【專利說明】風力發電機組的變流器控制方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及風力發電技術，尤其涉及一種風力發電機組的變流器控制方法及裝置。

【背景技術】
[0002]隨著風電并網規模以及風力發電容量的不斷擴大，風力發電機組與電網的相互影響已變得不容忽略，當電網出現擾動和故障的情況時，若風力發電機組不具備一定的電網故障抵御能力，一遇到電網擾動或故障就自動解列則會增加局部電網故障的恢復控制難度，惡化電網安全穩定性，甚至會加劇故障、引起連鎖反應并導致系統崩潰。
[0003]其中，從并網點處的電壓高低角度來看，并網點電壓在額定電壓的90%?110%之內視為并網點處于正常運行狀態，高于正常范圍視為并網點處于高電壓運行狀態，低于正常范圍視為并網點處于低電壓運行狀態。在并網點處于高電壓運行狀態下，風力發電機組仍然能夠保持正常并網工作的能力稱為高電壓穿越能力，相應地，在并網點處于低電壓運行狀態下，風力發電機組仍然能夠保持正常并網工作的能力稱為低電壓穿越能力。如果風力發電機組不具備低電壓穿越能力和高電壓穿越能力，將會導致脫網事故，嚴重影響整個電網的電力傳輸。目前的風力發電機組具備一定的低電壓穿越能力，但是仍缺少高電壓穿越的能力，當風力發電機組處于高電壓穿越狀態時，往往會造成脫網故障。
[0004]如以2011年在西北電網和華北電網發生的批量脫網事故為例說明，當時，主變壓器低壓側電纜頭的短路事故直接引起了電網側低電壓故障，不具備低電壓穿越能力的一批風力發電機組批量脫網，緊跟著，因為主變壓器的低壓側配套的固定投切電容器組等無功功率補償設備不具備自投切功能，低電壓故障結束后沒能及時退出運行，造成局部區域無功功率的過剩、電壓驟升，使部分風力發電機組因高電壓保護動作切除，即不具備一定高電壓穿越能力的第二批風力發電機組批量脫網。經當時的調查情況來看，第二批脫網的風力發電機組數量遠遠超過了第一批脫網的風力發電機組數量。
[0005]因此，為了維護電網的安全穩定運行，各國電網部門根據自身實際對風電場的電力接入提出了嚴格的技術要求，先后出臺了風電并網準則，概括起來主要涉及有功功率控制、無功功率控制、電壓控制、頻率控制、低電壓穿越等方面。雖然中國目前并沒有明確高電壓并網準則，但從上述例子可以看出，風力發電機組具備高電壓穿越能力是有必要的，可以減少風力發電機組批量脫網規模，避免連鎖反應和事故擴大，因此未來電網的發展必將對風力發電機組的高電壓穿越提出更為嚴格的要求。因此，如何實現風力發電機組高電壓穿越以及如何實現高電壓穿越控制、低電壓穿越控制和正常運行控制之間的平穩切換，已經成為風力發電【技術領域】急需要解決的問題。


【發明內容】

[0006]本發明的實施例提供一種風力發電機組的變流器控制方法及裝置，以實現對風力發電機組的高電壓穿越狀態的識別，并通過對風力發電機組的變流器的控制實現在高電壓穿越狀態下的連續并網運行。
[0007]為達到上述目的，本發明的實施例提供了一種風力發電機組的變流器控制方法，其中，在所述變流器的直流母線上并聯有直流儲能電路，該方法包括如下步驟:
[0008]第一檢測步驟:檢測電網側的實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iab。、變流器側的實測直流母線電壓Udc,并根據所述實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iabe計算電網側的實測有功功率Pfid和實測無功功率Qgm ;
[0009]根據所述實測三相電壓Uab。對并網點的運行狀態進行判斷，如果并網點處于高電壓運行狀態，則執行如下步驟:
[0010]逆變器控制步驟:根據實測三相電壓Uab。、實測三相電流Iab。、實測直流母線電壓ud。、直流母線電壓給定值Ud_f、實測無功功率QgHd以及無功功率控制指令Qm對所述變流器的逆變器進行控制；
[0011]直流Chopper電路控制步驟:根據實測直流母線電壓Udc和直流母線電壓給定值Udcref對直流Chopper電路進行控制；
[0012]第二檢測步驟:檢測儲能模塊充放電實測電流Is ；
[0013]直流儲能電路控制步驟:根據實測直流母線電壓Ud。、直流母線電壓給定值Ud_f以及儲能模塊充放電實測電流Is對直流儲能電路的充放電進行控制，
[0014]其中，所述無功功率控制指令QMf通過下式計算:
[0015]Qref = ^Sl-Plii
[0016]其中，Sn為風力發電機組視在功率。
[0017]本發明的實施例還提供了一種風力發電機組的變流器控制裝置，所述變流器包括并聯在直流母線上的直流儲能電路和直流Chopper電路，所述變流器控制裝置包括:
[0018]第一檢測模塊，用于檢測電網側的實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iab。、變流器側的實測直流母線電壓Udc,并根據所述實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iabe計算電網側的實測有功功率Pfid和實測無功功率Qgm ;
[0019]運行狀態判定模塊，用于根據所述實測三相電壓Uabc對并網點的運行狀態進行判斷，確定所述并網點處于高電壓運行狀態、正常運行狀態或低電壓運行狀態，
[0020]逆變器控制模塊，用于根據實測三相電壓Uab。、實測三相電流Iab。、實測直流母線電壓Ud。、直流母線電壓給定值Udcref以及無功功率控制指令Qm對所述變流器的逆變器進行控制；
[0021]直流Chopper電路控制模塊，用于在所述并網點處于高電壓運行狀態或者低電壓運行狀態下，根據實測直流母線電壓Udc和直流母線電壓給定值Udcref對直流Chopper電路進行控制；
[0022]第二檢測模塊:用于在所述并網點處于高電壓運行狀態下，檢測儲能模塊充放電實測電流Is ;
[0023]直流儲能電路控制模塊:用于在所述并網點處于高電壓運行狀態下，根據實測直流母線電壓ud。、直流母線電壓給定值Udrarf以及儲能模塊充放電實測電流Is對直流儲能電路的充放電進行控制，
[0024]其中，在所述并網點處于高電壓運行狀態或者低電壓運行狀態下，所述無功功率控制指令QMf通過下式計算:
[0025]Qref =^s2n-P^ii
[0026]其中，Sn為風力發電機組視在功率；
[0027]在所述并網點處于正常運行狀態下，所述無功功率控制指令QMf為外部無功功率控制指令。
[0028]本發明實施例提供的風力發電機組的變流器控制方法及裝置，通過變流器中增設了直流儲能電路，并配合現有變流器中的直流Chopper電路,能夠在高電壓穿越狀態下進行合理的能量轉移或消耗，在控制策略上，首先對檢測到電網側的實測三相電壓Uab。進行判斷，識別出高電壓穿越狀態，然后對逆變器、直流儲能電路以及直流Chopper電路進行綜合控制，從而實現了風力發電機組在高電壓穿越狀態下的正常運轉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發明實施例一的基于直流儲能電路的風力發電系統主回路拓撲結構圖。
[0030]圖2為本發明實施例一的風力發電機組的變流器控制方法流程圖。
[0031]圖3為本發明實施例二的風力發電機組的變流器控制方法流程圖。
[0032]圖4為本發明實施例三的風力發電機組變流器控制裝置的結構示意圖之一。
[0033]圖5為本發明實施例三的逆變器控制模塊的結構示意圖。
[0034]圖6為本發明實施例三的變流器控制裝置的結構示意圖之二。
[0035]附圖標號說明:
[0036]1-永磁同步發電機；2_整流器；3_直流母線；4_直流Chopper電路；5_逆變器；6-濾波器；7_升壓變壓器；8_風電場電網；9_直流儲能電路；11_第一檢測模塊；12_運行狀態判定模塊；13_逆變器控制模塊；131-第一計算模塊；132-第二計算模塊；1321-無功電流給定值生成單元；1322-q軸電壓分量生成單元；1323-q軸目標調整電壓分量計算單元；133_第三計算模塊；1331_有功電流給定值生成單元；1332-d軸電壓分量生成單元；1333-d軸目標調整電壓分量計算單元；134-第四計算模塊；135-第一子控制模塊；14-直流Chopper電路控制模塊；141_滯環比較器；15_第二檢測模塊；16_直流儲能電路控制模塊；161_儲能模塊充放電電流給定值生成單元；162_儲能模塊目標調整電壓生成單元；163-第二子控制模塊。

【具體實施方式】
[0037]從理論上分析，實現直驅永磁風力發電機組單機的高電壓穿越能力主要有兩個技術改進方向:一是提高風力發電機組內部的所有電氣零部件的耐壓水平，硬抗電網側過電壓。顯然，這會導致現有的大多數電氣部件都需要頻繁更換，將會帶來非常昂貴的技術升級成本。尤其像基于IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)等電力電子器件的變流器產品，其更換成本巨大，而且更換下來的電氣設備無法進行二次利用。另外一個技術方向是通過對風力發電機組的硬件系統進行改進的同時優化控制策略，本發明的實施例就是基于該技術方向提出的。
[0038]如下式(I)所示，其為并網點處于高電壓運行狀態下，現有技術的永磁直驅風力發電機組主回路的功率平衡方程(變流器固有的功率損耗忽略不計)，同時參照圖1，各個部分的功率關系如下:
[0039]Pgen+Pmg -PgrhrPjc =UdJdc =UJfJc^.....................(I)
[0040]其中，Pgm為發電機輸出有功功率(從變流器的整流器注入到變流器直流環節(如直流母線、直流儲能電路等)的有功功率)，Pgrid為風力發電機組注入電網的有功功率，Pneg為從電網注入到風力發電機組的逆向能量的功率(當電網電壓超過某一值時，從風力發電機組輸出的潮流變向，能量會從電網反充到風力發電機組中)，Pd。為變流器直流母線的功率，Udc為直流母線電壓，Idc為直流母線電流，Cdc為直流母線電容。
[0041]從式(I)可知，Pdc能承載的功率是一定的，因為直流母線電容能儲存的功率是一定的。當電網側出現高電壓時，因為Pg,id的減少和逆向功率Pmg的存在，式⑴所示的平衡關系會被破壞。因此，為了始終保持式(I)所示的功率平衡關系，保證直流電壓始終處于可接受范圍之內，使永磁直驅風力發電機組能夠具備一定的高電壓穿越能力，理論上可使用以下三種方法:
[0042]I)減少Pgm，保證Ud。在可接受范圍之內，但因為變槳速度問題很難進行快速功率調節，無法保證式(I)所示的輸入輸出功率的平衡關系。另外，按照永磁直驅風力發電機組的設計理念，為了實現電網故障對風力發電機組傳動系統的零暫態沖擊，也不易使用快速變槳技術。
[0043]2)減少Pneg或增加PgHd，保證Ud。在可接受范圍之內，但是因為電網側過電壓是由電網的暫態行為引起，Pneg無法避免，Pgrid也很難增加，因此，該方法也不可行。
[0044]3)把Pd。快速轉移出去或消耗掉，保證Ud。始終處在可接受范圍之內。該方法的本質是通過加裝額外設備消耗/轉移直流環節的多余能量，使Pd。始終處在正常直流電壓所對應的功率范圍之內。
[0045]本發明的實施例就是基于上述第3)的技術思路而提出的，在硬件上的改進點為:在變流器上增設直流儲能電路，該直流儲能電路并聯在直流母線上，用來轉移直流母線上的多余能量，使Ud。始終處在可接受范圍之內。在增加了直流儲能電路后，并網點在高電壓運行狀態下的功率平衡方程變為下式(2):
[0046]Pgen+PmS-Pgnd-Psto=^c =ljJdi =UdPdf^....................................( 2 ^
[0047]其中，Pst。為直流儲能電路轉移的功率。此外，現有技術的永磁直驅風力發電機組的變流器中，一般還設置有直流Chopper電路，主要用于實現低電壓穿越，再把直流Chopper電路考慮進來，則并網點在高電壓運行狀態下的功率平衡方程為下式(3):
[0048]Pgc?+Pmg-Pgn<l-Pm-PR =Pdc =uJdc =U,lf,k^；........................( 3 )
at
[0049]其中，Pk為直流Chopper電路上承載的功率。
[0050]從圖1和式(3)可以看出，現有的永磁直驅風力發電機組變流器的直流回路中，實際上已經有了基于卸荷電阻及其前置IGBT模塊的能量消耗型電路，即直流Chopper電路。但是，基于目前的技術，該電路只是用來實現風力發電機組的低電壓穿越性能。
[0051]下面再介紹一下現有的永磁直驅風力發電機組變流器(假設不包含具有直流Chopper電路)在并網點處于低電壓運行模式下的功率平衡方程，在低電壓模式下，不存在從電網反向注入到風力發電機組的逆向能量的功率Pmg，因此，功率平衡方程如下式(4)所示(變流器固有功率損耗忽略不計):
[0052]=狀冷....................................⑷
[0053]從式(4)可知，為了保證永磁直驅風力發電機組能夠具備一定的低電壓穿越能力，可使用以下三種方法:
[0054]I)減少Pgm，保證Ud。在可接受范圍之內，但因為變槳速度問題很難進行快速功率調節，無法保證式(4)所示的輸入輸出功率的平衡關系。另外，按照永磁直驅風力發電機組設計理念，為了實現電網故障對風力發電機組傳動系統的零暫態沖擊，不易使用快速變槳技術。
[0055]2)增加PgHd，保證Ud。在可接受范圍之內，但是因為電網側低電壓一般是由電網的短路故障引起，而逆變器的IGBT模塊最高可承受的電流大小有限，因此，無法增加到滿足式(3)所示功率關系式的水平，該方法也不可行。
[0056]3)把Pd。的不平衡量快速轉移出去或消耗掉，保證Ud。始終處在可接受范圍之內。該方法實際上就是指通過加裝額外設備消耗/轉移DC環節的多余能量，使Pd。始終處在正常直流電壓所對應的功率范圍之內。在現有技術中，通過增加直流Chopper電路來實現低電壓穿越能力。
[0057]綜上所述，從式⑴到式(4)的相關分析可得出如下結論:
[0058]I)永磁直驅風力發電機組為了實現風力發電機組低電壓穿越性能而使用的直流Chopper電路，而由于電網的高電壓故障和低電壓故障不可能同時出現，因此，該直流Chopper電路也可用于轉移風力發電機組高電壓穿越運行時的直流集聚能量。
[0059]2)永磁直驅風力發電機組在高電壓穿越狀態下，由于Pmg的存在，需要消耗/轉移的直流母線上集聚能量是始終比在低電壓穿越運行狀態時需要消耗/轉移的直流母線集聚能量大，因此，光靠直流Chopper電路是不夠，需要增加消耗/轉移的直流母線集聚能量的設備。
[0060]基于上述分析，本發明實施例對永磁直驅風力發電機組變流器的硬件結構以及具體控制方式進行了改進，在現有的具有直流Chopper電路的永磁直驅風力發電機組的變流器中增加直流儲能電路并對變流器的控制策略進行了優化，從而以低成本實現了風力發電機組的高電壓穿越能力。
[0061]從整體上來說，在正常運行模式下，變流器的逆變器的有功電流的控制目標是使直流母線電壓恒定，無功電流的控制目標是使得風力發電機組的無功功率符合風電場電壓管理系統或者電網調度機構下達的外部無功功率控制指令Qref。此時，直流Chopper電路和直流儲能電路的控制指令為零，即直流Chopper電路和直流儲能電路不工作。
[0062]在故障運行模式下(即并網點處的電網側電壓在額定電壓的90%以下或在額定電壓的110%以上時)，控制系統首先對故障運行模式進行辨別。如果并網點處的電網側電壓在額定電壓的90%以下則風力發電機組將會進入低電壓穿越運行狀態，如果并網點處的電網側電壓在額定電壓的110%以上則會進入高電壓穿越運行狀態。
[0063]在低電壓穿越運行狀態下，根據并網點處的電網側電壓跌落程度和故障類型(對稱跌落或非對稱跌落)，對變流器逆變器的無功電流進行控制，同時，根據直流母線電壓的變化情況和并網點處的電壓的跌落程度控制變流器的逆變器的有功電流，并觸發直流側Chopper電路，以消耗因電網側電壓跌落而無法注入到電網側的能量。此時，直流側儲能模塊不工作，因為永磁直驅風力發電機組現有的直流側Chopper電路能夠滿足現行標準規定下的低電壓穿越技術要求所對應的能耗需求。
[0064]在高電壓穿越運行模式下，根據電網側電壓的驟升程度和故障類型(對稱或非對稱)優先對變流器逆變器的無功電流進行控制，第一時間試圖拉低電網側電壓，同時，根據直流母線電壓的變化情況對變流器的逆變器的有功電流、直流側Chopper電路的能耗容量和直流側儲能模塊的儲能容量進行優化分配和控制，以此保證直流電壓在可承受的范圍之內，并支持電網電壓的快速恢復，最終實現風力發電機組的高電壓故障穿越過程。
[0065]以上對本發明實施例的技術原理進行了介紹，下面將通過幾個實施例來詳細介紹本發明實施例的變流器控制方法及裝置的具體步驟和結構。需要說明的是，本發明實施例所提出的技術方案適用于各種安裝有全功率變流器的風力發電機組。
[0066]實施例一
[0067]圖1為本發明實施例提供的基于直流儲能電路的風力發電系統主回路拓撲結構圖。如圖1所示，該結構圖包括永磁同步發電機1、整流器2、直流母線3、直流Chopper電路4、逆變器5、濾波器6、升壓變壓器7、風電場電網8以及直流儲能電路9。其中風力發電機組的變流器包括并聯在直流母線上的直流儲能電路9和直流Chopper電路4。在上述拓撲結構圖，直流Chopper電路4是一種用來消耗多余能量的子系統。永磁直驅風力發電機組現有的直流Chopper電路是用來實現風力發電機組低電壓穿越性能的專門設備,但是在風力發電機組高電壓穿越運行過程中也能發揮一定的重要作用。增設的直流儲能電路9不會改變風力發電機組電控系統已有的結構形式，是一種結構簡單、易于接入的外接式硬件系統。在風力發電機組高電壓穿越過程中，直流儲能電路會跟直流Chopper電路4協同工作，并根據電網側逆變器控制系統的指令將直流Chopper電路4沒能消耗的系統多余能量轉移到儲能單元，實現系統的功率平衡，當電網故障消失后再根據控制系統的指令將所儲的能量饋入電網。它是實現風力發電機組高電壓穿越性能的專設硬件，該設備的合理應用還能增強風力發電機組低電壓穿越運行能力，避免風力發電機組高電壓穿越狀態時的風能浪費，也有助于高電壓穿越狀態結束后功率的快速恢復和平滑控制。另外，在風力發電機組正常的穩態運行工況下，如果風電場控制系統或電網調度部門下達了有功功率限制指令，則風力發電機組控制系統通過直流儲能電路的合理應用，不僅能夠實現輸出有功功率的平滑控制，而且也能避免一定的發電量損失。直流儲能電路9有很多種形式，可以采用基于充放電時間比較迅速的超級電容等儲能設備，也可以采用充放電時間比較慢的鋰電池等儲能設備，但是，本發明不限于此，本領域技術人員可以根據風力發電機組系統重點要解決的問題類型進行相應選擇。
[0068]圖2是本發明實施例一的風力發電機組的變流器控制方法流程圖。本實施例著重描述了風力發電機組在高電壓穿越狀態下的變流器控制機制，如圖2所示，基于上述圖1的拓撲結構，本實施例提供的風力發電機組的變流器控制方法流程圖具體包括如下步驟:
[0069]第一檢測步驟100:檢測電網側的實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iab。、變流器側的實測直流母線電壓Udc,并根據所述實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iabe計算電網側的實測有功功率Pfid和實測無功功率Qgm。
[0070]根據實測三相電壓Uabc對并網點的運行狀態進行判斷，如果并網點處于高電壓運行狀態(即風力發電機組需要運行在高電壓穿越狀態)，則執行步驟110?130(圖2中未示出該判斷步驟)。其中，在本實施例中，并網點處于高電壓運行狀態可以為實測三相電壓Uab。大于110%額定電壓，但是，本發明不限于此，按照中國國標GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統技術規定》之規定，風力發電機組在額定電壓的90% -110%之間時應能正常運行；當風電場并網點電壓超過額定電壓的110%時，風電場的運行狀態由風力發電機組的性能確定，即進入高電壓穿越狀態的閾值也可以根據具體風力發電機組的性能而靈活設定，同理對于進入低電壓穿越狀態的閾值同樣如此。
[0071]逆變器控制步驟110:根據實測三相電壓Uab。、實測三相電流Iab。、實測直流母線電壓ud。、直流母線電壓給定值Udrarf、實測無功功率QgHd以及無功功率控制指令Qm對變流器的逆變器進行控制。其中，直流母線電壓給定值Udcref和無功功率控制指令QMf是在并網點處于高電壓運行狀態時，根據電網及風力發電機組可以正常穩定運行所需要的條件確定的。
[0072]具體的，逆變器控制步驟可以包括:
[0073]第一計算步驟:根據實測三相電壓Uab。和實測三相電流Iab。，計算兩相旋轉坐標系下的電網側的d軸實測電流分量id和電網側的q軸實測電流分量i,以及電網側的d軸實測電壓分量Usd和電網側的q軸實測電壓分量11<在本步驟中，主要通過坐標變換把三相電壓的三相靜止坐標系變換為兩相旋轉坐標系，從而可以實現無功電流和有功電流的解耦控制。
[0074]第二計算步驟:根據d軸實測電流分量id、q軸實測電流分量i,以及實測無功功率Qmd與無功功率控制指令Q?f之間的偏差生成變流器的q軸目標調整電壓分量U,。具體地，首先根據實測無功功率Qmd與無功功率控制指令Qref之間的偏差生成無功電流給定值I_f，然后根據無功電流給定值與q軸實測電流分量的偏差生成逆變器側交流感抗的q軸電壓分量ulq，最后通過下式(5)計算q軸目標調整電壓分量Uq:
[0075]Uq = Ulq-NsLsid+usq................................................(5)
[0076]其中，在上述無功功率QgHd與無功功率控制指令Qraf之間的偏差控制和無功電流給定值與q軸實測電流分量i,的偏差控制是通過Pi (比例積分)控制相關算法實現；在上式中Ls為逆變器交流側感抗的電感分量，Ns為電網電壓的電磁轉速。在上式中，電網側的q軸實測電壓分量Usq —般為零。
[0077]第三計算步驟:根據d軸實測電流分量id、q軸實測電流分量i,以及實測直流母線電壓Udc與直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差生成變流器的d軸目標調整電壓分量Ud ；具體地，首先根據實測直流母線電壓Udc與直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差生成有功電流給定值Itof，然后根據有功電流給定值Itof與d軸實測電流分量id之間的偏差生成逆變器側交流感抗的d軸電壓分量Uld，最后通過下式(6)計算d軸目標調整電壓分量ud:
[0078]ud = Uld-NsLsiq+usd.......................................(6)
[0079]其中，在上式中，Ls為逆變器交流側感抗的電感分量，Ns為電網電壓的電磁轉速。此外，根據實測直流母線電壓Udc與直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差生成有功電流給定值Itof可以通過PI (比例積分)控制器來完成，在實際應用中，還需要合理確定PI (比例積分)控制器相關參數，從而能夠合理地控制實測直流母線電壓ud。與直流母線電壓給定值Udrarf之間的偏差與有功電流給定值Idref之間的對應關系。具體的參數確定方式可以采用理論計算整定法和工程整定法等，該部分屬于現有技術范疇，再次不再贅述。
[0080]第四計算步驟:根據d軸目標調整電壓分量Ud和q軸目標調整電壓分量Uq計算逆變器的目標調整三相電壓。
[0081]第一子控制步驟:根據目標調整三相電壓生成PWM信號，對逆變器進行控制。在這一步驟中，PWM信號對逆變器進行控制主要是通過控制逆變器中的IGBT模塊開通和關閉來實現對逆變器的有功電流和無功電流進行控制。在高電壓穿越狀態時，優先對逆變器的無功電流進行控制，拉低電網側電壓，同時根據直流母線電壓Udc的變化情況執行逆變器的有功電流控制、直流Chopper電路控制以及直流儲能電路控制，直流Chopper電路控制和直流儲能電路控制將在下面的步驟中執行。
[0082]直流Chopper電路控制步驟120:根據實測直流母線電壓Udc和直流母線電壓給定值Udraef對直流Chopper電路進行控制。具體地，直流Chopper電路控制步驟包括:根據實測直流母線電壓Udc和直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差，生成PWM信號(該步驟也可以通過PI控制器來完成)，對直流Chopper電路4進行控制。直流Chopper電路包括IGBT模塊和卸荷電阻，PWM信號對直流Chopper電路4進行控制是通過控制直流Chopper電路中的IGBT模塊的開通和閉合來控制直流Chopper電路吸收高電壓穿越時系統多余的能量。
[0083]第二檢測步驟130:檢測儲能模塊充放電實測電流Is。
[0084]直流儲能電路控制步驟140:根據實測直流母線電壓Ud。、直流母線電壓給定值Udcref以及儲能模塊充放電實測電流Is對直流儲能電路的充放電進行控制。具體地，直流儲能電路控制步驟可以包括:首先根據實測直流母線電壓Udc、直流母線電壓給定值Udcref生成儲能模塊充放電電流給定值Isref (該步驟也可以通過PI控制器來完成)，然后根據儲能模塊充放電電流給定值Isref與儲能模塊充放電實測電流Is之間的偏差，生成PWM信號(該步驟也可以通過PI控制器來完成)，從而對直流儲能電路的充放電進行控制。
[0085]其中，無功功率控制指令QMf可以通過下式(7)計算:
[0086]Qref = -\j^N ' ^grid.,............................……............(7)
[0087]其中，Sn為風力發電機組視在功率。
[0088]本領域技術人員可以理解的是，上述步驟110?步驟130并不必然按照一定順序執行，也就是說，本發明實施例對上述步驟110?步驟130的執行順序沒有嚴格限制，在實際應用中，步驟110、步驟120以及步驟140作為三個控制分支是并行執行的。
[0089]本發明實施例提供的一種風力發電機組的變流器控制方法，在現有的風力發電機組的變流器內增設了直流儲能電路的基礎上，根據檢測到的并網點處的電壓，判定出并網點處于高電壓運行狀態進而通過對逆變器、直流儲能電路和直流Chopper電路的綜合控制，使得直流儲能電路和直流Chopper電路能夠對直流母線上多余能量進行轉移/消耗，從而將直流母線電壓控制在合理范圍內，并且將并網點處的電壓拉低，使風力發電機組能夠實現高電壓穿越。另外，由于本發明實施例利用了直流儲能電路進行儲能，也避免了風力發電機組故障運行時的能量損失，實現了故障后有功功率輸出的平滑控制。
[0090]實施例二
[0091]圖3是本發明實施例二的風力發電機組的變流器控制方法流程圖。在本實施例中，根據實測三相電壓Uab。對并網點的運行狀態進行判斷，確定出并網點處于高電壓運行狀態、正常運行狀態以及低電壓運行狀態中的哪種狀態，進而進行相應的變流器控制。
[0092]如圖3所示，本實施例的風力發電機組的變流器控制方法包括如下步驟:
[0093]步驟100:執行第一檢測步驟，檢測電網側的實測三相電壓Uab。和實測三相電流Iabc、變流器側的實測直流母線電壓Udc,并根據所述實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iabc計算電網側的實測有功功率Pfid和實測無功功率Qgm。
[0094]步驟100:根據實測三相電壓Uab。對并網點的運行狀態進行判斷，該判斷將會出現二種結果:
[0095]如果并網點處于正常運行狀態，則執行步驟110，只不過與實施例的高電壓穿越時不同之處在于，無功功率控制指令Qref直接采用外部無功功率控制指令，而不需要通過式
(7)計算；
[0096]如果并網點處于低電壓運行狀態，則執行步驟110和步驟120，并且無功功率控制指令Qm采用式(7)計算；
[0097]如果并網點處于高電壓運行狀態，則同實施例一樣，執行步驟110至步驟140，且無功功率控制指令Qm采用式(7)計算。
[0098]本發明實施例提供的一種風力發電機組的變流器控制方法及裝置，通過根據檢測到的并網點處的電壓，對并網點所處的狀態進行了判斷，進而實施不同的變流器的控制策略，能夠有效地應對并網點電壓的各種變化情況。
[0099]實施例三
[0100]圖4是為本發明實施例三的風力發電機組變流器控制裝置的結構示意圖之一，圖5為本發明實施例三的逆變器控制模塊的結構示意圖，圖6為本發明實施例三的變流器控制裝置的結構示意圖之二，其中，圖6中以數學控制模型的形式對本實施例的控制裝置進行了更加詳細的描述，對應部分以相同的標號表示。如圖4至圖6所示，其中，變流器包括并聯在直流母線上的直流儲能電路和直流Chopper電路，變流器控制裝置包括:
[0101]第一檢測模塊11，用于檢測電網側的實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iab。、變流器側的實測直流母線電壓Udc。
[0102]運行狀態判定模塊12，用于根據實測三相電壓Uab。對并網點的運行狀態進行判斷，確定并網點處于高點壓運行狀態、正常運行狀態或者低電壓運行狀態，進一步地，運行狀態的判斷可以采用如下規則:如果實測三相電壓Uab。處于額定電壓的90%?110%的范圍內，則確定并網點處于正常運行狀態；如果實測三相電壓Uab。小于額定電壓的90%，則確定并網點處于低電壓運行狀態；如果實測三相電壓Uab。大于額定電壓的110%，則確定并網點處于高電壓運行狀態。在實際應用中，運行狀態判定模塊12可以通過輸出運行狀態標示位的方式來控制以下的各個控制模塊的切換，以及無功功率控制指令Qref的確定方式。
[0103]逆變器控制模塊13，用于根據實測三相電壓Uabc'實測三相電流Iab。、實測直流母線電壓Ud。、直流母線電壓給定值Ud_f、實測無功功率Q#id以及無功功率控制指令QMf對變流器的逆變器5進行控制。
[0104]直流Chopper電路控制模塊14，用于在風力發電機組處于高電壓穿越狀態或者低電壓穿越狀態下，根據實測直流母線電壓Udc和直流母線電壓給定值Udcref對直流Chopper電路4進行控制。其中，根據實測直流母線電壓Ud。和直流母線電壓給定值Ud_f對直流Chopper電路4進行控制可以包括:根據實測直流母線電壓Ud。和直流母線電壓給定值Udrarf之間的偏差，生成PWM信號，對直流Chopper電路4進行控制。其中，如圖6所示，生成PWM信號的操作可以通過滯環比較器141來實現。
[0105]第二檢測模塊15:用于在風力發電機組處于高電壓穿越狀態下，檢測儲能模塊充放電實測電流Is。
[0106]直流儲能電路控制模塊16:用于在風力發電機組處于高電壓穿越狀態下，根據實測直流母線電壓ud。、直流母線電壓給定值Udcref以及儲能模塊充放電實測電流Is對直流儲能電路9的充放電進行控制。其中，直流儲能電路控制模塊16可以進一步包括:儲能模塊充放電電流給定值生成單元161，用于根據實測直流母線電壓Ud。、直流母線電壓給定值Udcref生成儲能模塊充放電電流給定值U如圖6所示，可以通過PI控制器來實現)；儲能模塊目標調整電壓生成單元162，用于根據儲能模塊充放電電流給定值Isref與儲能模塊充放電實測電流Is之間的偏差，生成儲能模塊目標調整電壓Uds (如圖6所示，可以通過PI控制器來實現)；第二子控制模塊163，用于根據儲能模塊目標調整電壓Uds生成PWM信號對直流儲能電路9的充放電進行控制。需要說明的是，在實際應用中，直流儲能電路可以具體包括:儲能模塊和IGBT控制單元，其中，儲能模塊優選可以采用超級電容或者大容量儲能電池等。
[0107]其中，在并網點處于高電壓運行狀態或者低電壓運行狀態下(對應于圖6的故障模式)，無功功率控制指令Qref通過上述式(7)計算，而在并網點處于正常運行狀態下(對應于圖6的正常模式)無功功率控制指令(^f為外部無功功率控制指令。
[0108]進一步地，如圖5所示，逆變器控制模塊13可以進一步包括:
[0109]第一計算模塊131:用于根據實測三相電壓Uab。和實測三相電流Iab。，計算兩相旋轉坐標系下的電網側的d軸實測電流分量id和電網側的q軸實測電流分量i,以及電網側的d軸實測電壓分量Usd和電網側的，軸實測電壓分量usq。具體地，如圖6所示，第一檢測模塊檢測到的各個物理量通過圖6中逆變器控制模塊13右上角的坐標變換模塊從三相坐標轉換到兩相旋轉坐標，其中，圖6中的Seta為通過鎖相環電路測得的電網的交流電的相位角。在正常運行狀態下，進行坐標變換后，因為d軸定向于電網電壓矢量，因此，q軸實測電壓分量Usq為零。圖6下面的功率計算模塊可以計算出實測無功功率QgHd和實測有功功率 Pgrid。
[0110]第二計算模塊132:用于根據d軸實測電流分量id、q軸實測電流分量i,以及實測無功功率Qmd與無功功率控制指令QMf之間的偏差生成變流器的q軸目標調整電壓分量Uq0進一步地，第二計算模塊132可以進一步包括:無功電流給定值生成單元1321，用于根據實測無功功率Q#id與無功功率控制指令Qref之間的偏差生成無功電流給定值Iqref;逆變器側交流感抗的q軸電壓分量生成單元1322，用于根據無功電流給定值Ivrf與q軸實測電流分量i,的偏差生成逆變器側交流感抗的q軸電壓分量Ulq ;q軸目標調整電壓分量計算單元1323，用于通過上述式(5)計算q軸目標調整電壓分量U,。具體地，如圖6所示，在實際應用中，無功電流給定值生成單元1321和q軸電壓分量生成單元1322可以通過PI控制器來實現(圖6中在相應的PI控制器上標注了相應標號)。
[0111]第三計算模塊133:用于根據d軸實測電流分量id、q軸實測電流分量i,以及實測直流母線電壓Ud。與直流母線電壓給定值ud_f之間的偏差生成變流器的d軸目標調整電壓分量Ud。進一步地，第三計算模塊133可以進一步包括:有功電流給定值生成單元1331，用于根據實測直流母線電壓Udc與直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差生成有功電流給定值Idref ;逆變器側交流感抗的d軸電壓分量生成單元1332，用于根據有功電流給定值Itof與d軸實測電流分量id之間的偏差生成逆變器側交流感抗的d軸電壓分量uld ;d軸目標調整電壓分量計算單元1333，用于通過上述式(6)計算d軸目標調整電壓分量ud。具體地，如圖6所示，在實際應用中，有功電流給定值生成單元1331和d軸電壓分量生成單元1332可以通過PI控制器來實現(圖6中在相應的PI控制器上標注了相應標號)。
[0112]第四計算模塊134:用于根據d軸目標調整電壓分量叫和q軸目標調整電壓分量Uq計算逆變器的目標調整三相電壓。
[0113]第一子控制模塊135:用于根據目標調整三相電壓生成PWM信號，對逆變器進行控制。在實際應用中，可以采用SVPWM(空間矢量脈寬調制)調整的方式生成PWM信號。
[0114]本發明實施例提供的一種風力發電機組的變流器控制裝置，在現有的風力發電機組的變流器內增設了直流儲能電路的基礎上，根據檢測到的并網點處的電壓，對并網點的運行狀態進行判斷，針對三種不同的運行狀態，實施不同的變流器的控制策略，能夠有效地應對并網點電壓的各種變化情況。尤其是在并網點處于高電壓運行狀態下，通過對逆變器、直流儲能電路和直流Chopper電路的綜合控制，使得直流儲能電路和直流Chopper電路能夠對直流母線上多余能量進行轉移/消耗，從而將直流母線電壓控制在合理范圍內，并且將并網點處的電壓拉低，使風力發電機組能夠實現高電壓穿越。另外，由于本發明實施例利用了直流儲能電路進行儲能，也避免了風力發電機組故障運行時的能量損失，實現了故障后有功功率輸出的平滑控制。
[0115]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種風力發電機組的變流器控制方法，其特征在于，在所述變流器的直流母線上并聯有直流儲能電路，該方法包括如下步驟: 第一檢測步驟:檢測電網側的實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iab。、變流器側的實測直流母線電壓Udc,并根據所述實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iabe計算電網側的實測有功功率Pfid和實測無功功率Qgm ; 根據所述實測三相電壓Uab。對并網點的運行狀態進行判斷，如果并網點處于高電壓運行狀態，則執行如下步驟: 逆變器控制步驟:根據實測三相電壓Uab。、實測三相電流Iab。、實測直流母線電壓Ud。、直流母線電壓給定值Uttorf、實測無功功率QgHd以及無功功率控制指令Qm對所述變流器的逆變器進行控制； 直流Chopper電路控制步驟:根據實測直流母線電壓Udc和直流母線電壓給定值Udcref對直流Chopper電路進行控制； 第二檢測步驟:檢測儲能模塊充放電實測電流Is ； 直流儲能電路控制步驟:根據實測直流母線電SUd。、直流母線電壓給定值Ud_f以及儲能模塊充放電實測電流Is對直流儲能電路的充放電進行控制， 其中，所述無功功率控制指令Qref通過下式計算:
Qref = _ ^rid 其中，Sn為風力發電機組視在功率。
2.根據權利要求1所述的變流器控制方法，其特征在于，如果并網點處于低電壓運行狀態，則執行所述逆變器控制步驟、所述直流Chopper電路控制步驟，其中，所述無功功率控制指令QMf通過下式計算:
Qref = _ -^rid ■O
3.根據權利要求1所述的變流器控制方法，其特征在于，如果并網點處于正常運行狀態，則執行所述逆變器控制步驟，其中，所述無功功率控制指令Qref為外部無功功率控制指令。
4.根據權利要求1至3任一所述的變流器控制方法，其特征在于，所述逆變器控制步驟包括: 第一計算步驟:根據所述實測三相電壓Uabe和實測三相電流Iab。，計算兩相旋轉坐標系下的電網側的d軸實測電流分量id和電網側的q軸實測電流分量i,以及電網側的d軸實測電壓分量Usd和電網側的q軸實測電壓分量Usq ； 第二計算步驟:根據所述d軸實測電流分量id、所述q軸實測電流分量i,以及所述實測無功功率Qmd與無所述功功率控制指令QMf之間的偏差生成變流器的q軸目標調整電壓分量Uq ； 第三計算步驟:根據所述d軸實測電流分量id、所述q軸實測電流分量i,以及所述實測直流母線電壓Udc與所述直流母線電壓給定值Ud_f之間的偏差生成變流器的d軸目標調整電壓分量Ud ； 第四計算步驟:根據所述d軸目標調整電壓分量Ud和所述q軸目標調整電壓分量Uq計算逆變器的目標調整三相電壓； 第一子控制步驟:根據所述目標調整三相電壓生成PWM信號，對所述逆變器進行控制。
5.根據權利要求4所述的變流器控制方法，其特征在于，所述第二計算步驟包括: 根據所述實測無功功率Q#id與所述無功功率控制指令Qref之間的偏差生成無功電流給定值Iqrrf ； 根據所述無功電流給定值I_f與所述q軸實測電流分量i,的偏差生成逆變器側交流感抗的q軸電壓分量Ulq ； 通過下式計算所述q軸目標調整電壓分量Uq: uq = ulq-NsLsid+usq 其中，所述Ls為逆變器交流側感抗的電感分量，所述Ns為電網電壓的電磁轉速。
6.根據權利要求4所述的變流器控制方法，其特征在于，所述第三計算步驟包括: 根據所述實測直流母線電壓Udc與所述直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差生成有功電流給定值Idref; 根據所述有功電流給定值Itof與所述d軸實測電流分量id之間的偏差生成逆變器側交流感抗的d軸電壓分量Uld ； 通過下式計算所述d軸目標調整電壓分量Ud: ud = uld-NsLsiq+usd 其中，所述Ls為逆變器交流側感抗的電感分量，所述Ns為電網電壓的電磁轉速。
7.根據權利要求1或2所述的變流器控制方法，其特征在于，所述直流Chopper電路控制步驟包括: 根據所述實測直流母線電壓Udc和所述直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差，生成PWM信號，對直流Chopper電路進行控制。
8.根據權利要求1所述的變流器控制方法，其特征在于，所述直流儲能電路控制步驟包括: 根據所述實測直流母線電壓Ud。、所述直流母線電壓給定值Udcref生成儲能模塊充放電電流給定值Isref; 根據所述儲能模塊充放電電流給定值iSMf與所述儲能模塊充放電實測電流Is之間的偏差，生成PWM信號對直流儲能電路的充放電進行控制。
9.一種風力發電機組的變流器控制裝置，其特征在于，所述變流器包括并聯在直流母線上的直流儲能電路和直流Chopper電路，所述變流器控制裝置包括: 第一檢測模塊，用于檢測電網側的實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iab。、變流器側的實測直流母線電壓Udc,并根據所述實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iabe計算電網側的實測有功功率P#id和實測無功功率Qmd ; 運行狀態判定模塊，用于根據所述實測三相電壓Uabc對并網點的運行狀態進行判斷，確定所述并網點處于高電壓運行狀態、正常運行狀態或低電壓運行狀態； 逆變器控制模塊，用于根據實測三相電壓Uab。、實測三相電流Iab。、實測直流母線電壓ud。、直流母線電壓給定值Ud_f、實測無功功率QgHd以及無功功率控制指令Qm對所述變流器的逆變器進行控制； 直流Chopper電路控制模塊，用于在所述并網點處于高電壓運行狀態或者低電壓運行狀態下，根據實測直流母線電壓ud。和直流母線電壓給定值Udrarf對直流Chopper電路進行控制； 第二檢測模塊:用于在所述并網點處于高電壓運行狀態下，檢測儲能模塊充放電實測電流Is ; 直流儲能電路控制模塊:用于在所述并網點處于高電壓運行狀態下，根據實測直流母線電壓ud。、直流母線電壓給定值Udcref以及儲能模塊充放電實測電流Is對直流儲能電路的充放電進行控制， 其中，在所述并網點處于高電壓運行狀態或者低電壓運行狀態下，所述無功功率控制指令QMf通過下式計算: Qref =拉-匕 其中，Sn為風力發電機組視在功率； 在所述并網點處于正常運行狀態下，所述無功功率控制指令QMf為外部無功功率控制指令。
10.根據權利要求9所述的變流器控制裝置，其特征在于，所述逆變器控制模塊包括: 第一計算模塊:用于根據所述實測三相電壓Uabc和實測三相電流Iab。，計算兩相旋轉坐標系下的電網側的d軸實測電流分量id和電網側的q軸實測電流分量i,以及電網側的d軸實測電壓分量Usd和電網側的q軸實測電壓分量Usq ； 第二計算模塊:用于根據所述d軸實測電流分量id、所述q軸實測電流分量i,以及所述實測無功功率Qmd與所述無功功率控制指令Q?f之間的偏差生成變流器的q軸目標調整電壓分量Uq ； 第三計算模塊:用于根據所述d軸實測電流分量id、所述q軸實測電流分量i,以及所述實測直流母線電壓Udc與所述直流母線電壓給定值Uttorf之間的偏差生成變流器的d軸目標調整電壓分量ud; 第四計算模塊:用于根據所述d軸目標調整電壓分量Ud和所述q軸目標調整電壓分量Uq計算逆變器的目標調整三相電壓； 第一子控制模塊:用于根據所述目標調整三相電壓生成PWM信號，對所述逆變器進行控制。
11.根據權利要求10所述的變流器控制裝置，其特征在于，所述第二計算模塊包括: 無功電流給定值生成單元，用于根據所述實測無功功率Q#id與所述無功功率控制指令Qraf之間的偏差生成無功電流給定值Itffeif ； 逆變器側交流感抗的q軸電壓分量生成單元，用于根據所述無功電流給定值Iqref與所述q軸實測電流分量i,的偏差生成逆變器側交流感抗的q軸電壓分量Ulq ； q軸目標調整電壓分量計算單元，用于通過下式計算所述q軸目標調整電壓分量Uq: uq = ulq-NsLsid+usq 其中，所述Ls為逆變器交流側感抗的電感分量，所述Ns為電網電壓的電磁轉速。
12.根據權利要求10所述的變流器控制裝置，其特征在于，所述第三計算模塊包括: 有功電流給定值生成單元，用于根據所述實測直流母線電壓Udc與所述直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差生成有功電流給定值Itof ； 逆變器側交流感抗的d軸電壓分量生成單元，用于根據所述有功電流給定值Idref與所述d軸實測電流分量id之間的偏差生成逆變器側交流感抗的d軸電壓分量Uld ； d軸目標調整電壓分量計算單元，用于通過下式計算所述d軸目標調整電壓分量Ud:
Ud = uld-NsLsiq+usd 其中，所述Ls為逆變器交流側感抗的電感分量，所述Ns為電網電壓的電磁轉速。
13.根據權利要求9所述的變流器控制裝置，其特征在于，在所述直流Chopper電路控制模塊中，所述根據實測直流母線電壓Udc和所述直流母線電壓給定值Udcref對直流Chopper電路進行控制包括: 根據所述實測直流母線電壓Udc和所述直流母線電壓給定值Udcref之間的偏差，生成PWM信號，對直流Chopper電路進行控制。
14.根據權利要求9所述的變流器控制裝置，其特征在于，所述直流儲能電路控制模塊包括: 儲能模塊充放電電流給定值生成單元，用于根據所述實測直流母線電壓Ud。、所述直流母線電壓給定值Udcref生成儲能模塊充放電電流給定值ISMf ； 儲能模塊目標調整電壓生成單元，用于根據所述儲能模塊充放電電流給定值Isref與所述儲能模塊充放電實測電流Is之間的偏差，生成儲能模塊目標調整電壓Uds ； 第二子控制模塊，用于根據所述儲能模塊目標調整電壓Uds生成PWM信號，對直流儲能電路的充放電進行控制。
15.根據權利要求9所述的變流器控制裝置，其特征在于，在所述運行狀態判定模塊中，所述根據所述實測三相電壓Uabc對所述并網點運行狀態進行判斷，確定所述并網點處于高電壓運行狀態、低電壓運行狀態或者正常運行狀態包括: 如果所述實測三相電壓Uabc處于額定電壓的90 %?110 %的范圍內，則確定為并網點處于正常運行狀態； 如果所述實測三相電壓Uabc小于所述額定電壓的90%，則確定為所述并網點處于低電壓運行狀態； 如果所述實測三相電壓Uab。大于所述額定電壓的110%，則確定為所述并網點處于高電壓運行狀態。
【文檔編號】H02J3/38GK104300574SQ201410439334
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月31日 優先權日:2014年8月31日
【發明者】艾斯卡爾, 王海龍, 喬元, 黃遠彥, 劉漢民, 馬力, 王銀明, 牛虎, 何紅光, 任巍曦 申請人:新疆金風科技股份有限公司, 國家電網公司, 國網新源張家口風光儲示范電站有限公司