用于直驱式风力发电机低电压穿越的功率控制装置及方法

摘要

本发明公开了电力系统运行和控制技术领域中的一种用于直驱永磁同步风力发电机低电压穿越的功率控制装置及方法。其中，装置包括发电机转速测量模块、直流电压测量模块、机端电压测量模块、机端电流测量模块、网测电压测量模块、网测电流测量模块、最大功率追踪控制模块、网测功率测量模块、风速测量模块、浆距角测量模块和功率协调控制模块；同时还提出了功率控制的方法，可以协调控制机组暂稳态期间的有功功率和无功功率，使直驱风机在最大功率追踪区和功率限制区均能有效地实现低电压穿越，并能使机组在低压暂态期间向电网提供动态的无功支持。本发明能够充分合理的使用直驱风机自身的控制手段而且无需附加额外的卸荷硬件，易于实施，效果显著。

主权项

一种用于直驱式风力发电机低电压穿越的功率控制装置，其特征在于，所述装置包括发电机转速测量模块、直流电压测量模块、机端电压测量模块、机端电流测量模块、网侧电压测量模块、网侧电流测量模块、最大功率追踪控制模块、网侧功率测量模块、风速测量模块、浆距角测量模块和功率协调控制模块；其中，所述直流电压测量模块、机端电压测量模块、机端电流测量模块、网侧电压测量模块、网侧电流测量模块、最大功率追踪控制模块、网侧功率测量模块、风速测量模块和浆距角测量模块分别与所述功率协调控制模块连接；所述发电机转速测量模块分别与最大功率追踪控制模块和功率协调控制模块连接；所述功率协调控制模块用于接收所述直流电压测量模块采集到的直流母线电压、机端电压测量模块采集到的发电机机端电压、机端电流测量模块采集到的发电机机端电流、网侧电压测量模块采集到的网侧节点电压、网侧电流测量模块采集到的网侧变流器输出电流、最大功率追踪控制模块输出的网侧有功功率的参考值、网侧功率测量模块采集到的网侧有功功率和网侧无功功率、风速测量模块采集到的风速值和浆距角测量模块采集到的桨距角数值；所述功率协调控制模块包括机侧变流器控制模块、网侧变流器控制模块和桨距角控制模块；所述机侧变流器控制模块分别与直流电压测量模块、机端电压测量模块、机端电流测量模块和机侧变流器连接；所述网侧变流器控制模块分别与所述网侧电压测量模块、网侧电流测量模块、最大功率追踪控制模块、网侧功率测量模块和网侧变流器连接；所述桨距角控制模块分别与所述发电机转速测量模块、网侧电压测量模块、风速测量模块、浆距角测量模块和变浆系统连接；所述网侧变流器控制模块包括低电压判断模块；所述桨距角控制模块包括风速判断模块；所述机侧变流器控制模块采用双闭环结构，使用机侧变流器交流端电压定向，其控制方法的具体步骤包括：步骤1：机侧变流器控制模块外环用采集到的直流母线电压的幅值U_dc^*减去直流母线电压的参考值U_dcref^*；直流电压差值经过外环PI控制器给出机端有功电流的初始参考值I_sdref^*；同时用采集到的发电机机端电压的幅值U_s^*减去发电机机端电压的参考值U_sref^*；机端电压差值经过外环PI控制器给出机端无功电流的初始参考值I_sqref^*；步骤2：I_sdref^*和I_sqref^*经过有功优先的限流控制环节得出机端有功电流的参考值I_sdrefl^*和机端无功电流的参考值I_sqrefl^*；步骤3：机侧变流器控制模块内环用机端有功电流的参考值I_sdrefl^*减去采集到的机端有功电流I_sd^*；有功电流差值经过内环PI控制器给出机侧变流器调制系数的d轴分量C_msd；同时用机端无功电流的参考值I_sqrefl^*减去采集到的机端无功电流I_sq^*；无功电流差值经过内环PI控制器给出机侧变流器调制系数的q轴分量C_msq；步骤4：将机侧变流器调制系数的d轴分量C_msd和q轴分量C_msq送入机侧变流器，以实现对机侧变流器的调制控制；所述网侧变流器控制模块采用双闭环结构，使用网侧变流器交流端电压定向；其控制方法包括两种模式，机组正常运行时的稳态控制模式和电网低电压期间的低压暂态控制模式；通过低电压判断模块辨识网侧变流器交流端电压幅值U_it^*的大小实现网侧变流器控制模块的控制模式切换；其中，网侧变流器控制模块处于稳态控制模式时的具体控制过程为：步骤1)：网侧变流器控制模块外环用网侧变流器输出的有功功率P_t^*减去输出有功的参考值P_tref^*；有功功率差值经过外环PI控制器给出网侧有功电流的初始参考值I_gdref^*；同时用网侧变流器输出的无功功率Q_t^*减去输出无功的参考值Q_tref^*；无功功率差值经过外环PI控制器给出网侧无功电流的初始参考值I_gqref^*；步骤2)：I_gdref^*和I_gqref^*经过有功优先的限流控制环节得出网侧有功电流的参考值I_{gdrefl_P}^*和网侧无功电流的参考值I_{gqrefl_P}^*；I_{gdrefl_P}^*经过惯性环节输入到有功内环的控制器中；步骤3)：网侧变流器控制模块内环用经过惯性环节的有功电流参考值减去测量到的网侧有功电流I_gd^*；有功电流差值经过内环PI控制器给出网侧变流器调制系数的d轴分量C_mgd；同时用I_{gqrefl_P}^*减去测量到的网侧无功电流I_gq^*；无功电流差值经过内环PI控制器给出网侧变流器调制系数的q轴分量C_mgq；步骤4)：将C_mgd和C_mgq送入网侧变流器，以实现对网侧变流器的调制控制；所述网侧变流器控制模块处于低压暂态控制模式时的具体控制过程为：网侧变流器控制模块低压暂态控制模式的结构以及控制策略的实施步骤与稳态控制模式不同的是，无功外环的被控量为U_it^*；限流控制环节采用无功优先策略；所述桨距角控制模块由PI控制环节和伺服控制环节串联组成，包括两种模式：最大功率追踪区控制模式和功率限制区控制模式；通过风速判断模块辨识风速的大小实现桨距角控制模块的控制模式切换；所述桨距角控制模块的最大功率追踪区控制模式的具体控制过程为：步骤(1)：桨距角控制模块用网侧电压下限值U_itlow^*减去U_it^*；电压差值经过PI控制器给出桨距角的参考值β_ref；步骤(2)：用桨距角的参考值β_ref减去桨距角的实际值β；差值经过伺服控制环节得出桨距角的输出控制信号；步骤(3)：将桨距角的输出控制信号送入到变桨系统中，以实现对桨距角大小的调节；所述桨距角控制模块的功率限制区控制模式的具体控制过程为：桨距角控制模块功率限制区控制模式的结构以及控制策略的实施步骤与最大功率追踪区控制模式所不同的是，PI控制根据发电机转速ω_m^*和额定转速ω_mref^*的差值给出β_ref；所述步骤2中，I_sdref^*和I_sqref^*经过有功优先的限流控制环节得出I_sdrefl^*和I_sqrefl^*的具体过程为：首先，根据式利用有功外环PI控制器输出的I_sdref^*求出I_sdrefl^*；其中，I_max^*表示变流器的电流上限；然后再根据式利用无功外环PI控制器输出的I_sqref^*和已求出的I_sdrefl^*计算出I_sqrefl^*；所述通过低电压判断模块辨识网侧变流器交流端电压幅值U_it^*的大小实现网侧变流器控制模块的控制模式切换的过程为：当U_it^*大于或等于0.9p.u.时，低电压判断模块输出稳态控制信号，网侧变流器控制模块进入稳态控制模式；当U_it^*小于0.9p.u.时，低电压判断模块输出暂态控制信号，网侧变流器控制模块进入低压暂态控制模式；所述步骤2)中，I_gdref^*和I_gqref^*经过有功优先的限流控制环节得出I_{gdrefl_P}^*和I_{gqrefl_P}^*的具体过程为：首先，根据式利用有功外环PI控制器输出的I_gdref^*求出I_{gdrefl_P}^*；然后再根据式利用无功外环PI控制器输出的I_gqref^*和已求出的I_{gdrefl_P}^*计算出I_{gqrefl_P}^*；所述网侧变流器控制模块低压暂态控制模式中，无功优先限流控制的具体过程为：首先，根据式利用无功外环PI控制器输出的无功电流初始参考值I_gqref^*求出I_{gqrefl_Q}^*；然后，再根据式利用有功外环PI控制器输出的有功电流初始参考值I_gdref^*和已求出的I_{gqrefl_Q}^*计算出I_{gdrefl_Q}^*；所述通过风速判断模块辨识风速的大小实现桨距角控制模块的控制模式切换的过程为：当风速值小于额定风速v_rated时，风速判断模块输出最大功率追踪控制信号，桨距角控制模块进入最大功率追踪区控制模式；当风速值大于或等于v_rated时，风速判断模块输出功率限制控制信号，桨距角控制模块进入功率限制区控制模式。