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CN105098830B - 永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置 - Google Patents

永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置 Download PDF

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CN105098830B CN201510369356.7A CN201510369356A CN105098830B CN 105098830 B CN105098830 B CN 105098830B CN 201510369356 A CN201510369356 A CN 201510369356A CN 105098830 B CN105098830 B CN 105098830B
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Abstract

本发明提供一种永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置。该方法包括：根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值；根据所述发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值；根据所述发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制。本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置，使得发电机的输出有功功率减小，消除了电网注入风力发电机组的逆向有功功率对直流侧电压的影响，使得直流侧电压稳定，在不改变硬件结构，不增加成本的情况下实现了风力发电机组高电压穿越功能，且避免了直流侧卸荷电阻的散热问题的加剧。

Description

永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置
技术领域
本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置。
背景技术
永磁直驱风力发电机组在正常运行过程中，主回路存在如下功率平衡关系：Pgen-Pgrid＝Pdc＝UdcIdc＝UdcCdc(dUdc/dt)。其中，Pgen为发电机的输出有功功率，Pgrid为风力发电机组注入电网的有功功率，Pdc为直流母线有功功率，Udc为直流侧电压，Idc为直流侧电流，Cdc为直流侧稳压电容容值。
当电网侧电压急剧升高时，电网将向风力发电机组注入一定的逆向功率即电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg，此时永磁直驱风力发电机组的主回路存在如下功率平衡关系：Pgen+Pneg-Pgrid-PR＝Pdc＝UdcIdc＝UdcCdc(dUdc/dt)。其中，PR为直流侧卸荷电阻损耗的有功功率。由于发电机的输出有功功率Pgen固定，直流侧卸荷电阻损耗的有功功率PR有限，电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg的存在使得直流侧电压Udc急剧上升。由于直流侧稳压电容所能存储的功率固定，即直流母线有功功率Pdc存在阈值，因此直流侧电压Udc存在阈值。当直流侧电压Udc超过阈值时，将导致直流侧稳压电容损坏，进而导致风力发电机组停机。因此需保证直流侧电压Udc处于阈值之下，并使风力发电机组能够承受规定时间内的电网侧高电压，即实现风力发电机组高电压穿越(High Voltage Ride Through，简称HVRT)功能。
现有技术中，一般通过直流侧能耗电路增容的方式来实现风力发电机组高电压穿越功能。但此种方式会加剧直流侧卸荷电阻的散热问题，且与直流侧卸荷电阻对应的基于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)的控制回路也需进行硬件升级，增加成本。
发明内容
本发明的实施例提供一种永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置，以使得直流侧电压稳定，在不改变硬件结构，不增加成本的情况下实现风力发电机组高电压穿越功能，且避免直流侧卸荷电阻的散热问题的加剧。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，本发明提供一种永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法，包括：
根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值；
根据所述发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值；
根据所述发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制。
另一方面，本发明提供一种永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置，包括：
惯性响应计算模块，用于根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值；
电磁转矩计算模块，用于根据所述发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值；
控制模块，用于根据所述发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制。
本发明实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置，根据发电机的输出有功功率差值计算得到发电机的电磁转矩的给定值，并根据发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制，使得发电机的输出有功功率减小，消除了电网注入风力发电机组的逆向有功功率对直流侧电压的影响，使得直流侧电压稳定，在不改变硬件结构，不增加成本的情况下实现了风力发电机组高电压穿越功能，且避免了直流侧卸荷电阻的散热问题的加剧。
附图说明
图1为永磁直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意图；
图2为图1所示的永磁直驱风力发电机组主回路在高电压穿越HVRT运行期间的功率平衡关系示意图；
图3为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法一个实施例的逻辑示意图；
图4为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法又一个实施例的逻辑示意图；
图5为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置一个实施例的结构示意图；
图6为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置又一个实施例的结构示意图；
其中：51-惯性响应计算模块；52-电磁转矩计算模块；53-控制模块；61-输出有功功率差值计算模块；62-第一计算子模块；63-第二计算子模块；64-第三计算子模块；65-电磁转矩实际值计算子模块；66-电磁转矩给定值计算子模块。
具体实施方式
在对本发明的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置进行描述之前，先来介绍一下永磁直驱风力发电机组主回路的拓扑结构以及在高电压穿越HVRT运行期间的功率平衡关系。
图1为永磁直驱风力发电机组主回路的拓扑结构示意图。如图1所示，叶轮11直接驱动永磁直驱风力发电机12运行，永磁直驱风力发电机12输出端连接发电机侧三相整流器13，发电机侧三相整流器13、直流侧稳压与能耗电路14(包括直流侧稳压电容15、直流侧卸荷电阻16和卸荷电阻前置IGBT模块17)、电网侧三相逆变器18组成了全功率变流器，电网侧三相逆变器18输出端与滤波电感19相连，滤波电感19输出端并入电网20。
图2为图1所示的永磁直驱风力发电机组主回路在高电压穿越HVRT运行期间的功率平衡关系示意图。如图2所示，图1所示的永磁直驱风力发电机组主回路在高电压穿越HVRT运行时的功率平衡关系如下：发电机的输出有功功率Pgen+电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg-风力发电机组注入电网的有功功率Pgrid-直流侧卸荷电阻损耗的有功功率PR＝直流母线有功功率Pdc。
下面结合附图对本发明实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法及装置进行详细描述。
实施例一
图3为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法一个实施例的逻辑示意图。如图3所示，本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法，具体可以包括：
S301，根据发电机的输出有功功率差值△Pgen、预设的高电压穿越持续时间△t和发电机的机械角速度ωm计算得到发电机的电磁转矩差值△T。
具体的，发电机的输出有功功率差值△Pgen等于电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg，以消除电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg对直流侧电压Udc的影响。预设的高电压穿越持续时间△t为并网规程要求的风力发电机组运行在高电压穿越状态下的持续时间。例如，国家电网公司企业标准Q/GDW 1878-2013《风电场无功配置及电压控制技术标准》明确对风力发电机组的高电压穿越能力提出了要求：若电网侧电压超过1.2个标幺值(per unit，简称p.u)，则风力发电机组退出运行；若电网侧电压在1.15p.u～1.2p.u之间，则风力发电机组需具备每次运行200毫秒(ms)能力；若电网侧电压在1.1p.u～1.15p.u之间，则风力发电机组需具备每次运行2秒(s)能力。发电机的机械角速度ωm可通过采集得到。
S302，根据发电机的电磁转矩差值△T和发电机的电角速度ωe计算得到发电机的电磁转矩的给定值Tref。
其中，发电机的电磁转矩差值△T已通过上述步骤S301计算得到，发电机的电角速度ωe可通过采集得到。
S303，根据发电机的电磁转矩的给定值Tref对发电机进行转矩控制。
本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法，根据发电机的输出有功功率差值计算得到发电机的电磁转矩的给定值，并根据发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制，使得发电机的输出有功功率减小，消除了电网注入风力发电机组的逆向有功功率对直流侧电压的影响，使得直流侧电压稳定，在不改变硬件结构，不增加成本的情况下实现了风力发电机组高电压穿越功能，且避免了直流侧卸荷电阻的散热问题的加剧。
实施例二
图4为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法又一个实施例的逻辑示意图。如图4所示，本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法给出了图3所示实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法的一种具体实现方式，本实施例的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法具体可以包括：
S401，根据发电机的直流母线有功功率Pdc、风力发电机组注入电网的有功功率Pgrid、直流侧卸荷电阻损耗的有功功率PR和发电机的输出有功功率Pgen计算得到发电机的输出有功功率差值△Pgen。
具体的，风力发电机组的主回路存在如下功率平衡关系：
其中，Pneg为电网注入风力发电机组的逆向有功功率，Udc为直流侧电压(采集得到)，Idc为直流侧电流(采集得到)，Cdc为直流侧稳压电容容值(已知参数)。发电机的输出有功功率Pgen可根据采集的发电机的端电压和相电流计算得到。风力发电机组注入电网的有功功率Pgrid为已知参数。直流侧卸荷电阻损耗的有功功率PR可根据采集的直流侧卸荷电阻的电压和电流计算得到。
电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg的存在使得直流侧电压Udc急剧上升，为消除电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg对直流侧电压Udc的影响，需减小发电机的输出有功功率Pgen，且减小量正好抵消电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg，即发电机的输出有功功率差值△Pgen等于电网注入风力发电机组的逆向有功功率Pneg，因此发电机的输出有功功率差值△Pgen可采用如下公式计算得到：
△Pgen＝Pdc+Pgrid+PR-Pgen
图3所示实施例中的步骤S301具体可以包括以下步骤S402～S404：
S402，根据发电机的输出有功功率差值△Pgen和预设的高电压穿越持续时间△t计算得到发电机的传动链惯性能量△E。
具体的，发电机的输出有功功率差值△Pgen已通过上述步骤S401计算得到，预设的高电压穿越持续时间△t即并网规程要求的风力发电机组运行在高电压穿越状态下的时间已知，因此发电机的传动链惯性能量△E可采用以下公式计算得到：
△E＝△Pgen*△t
S403，根据发电机的传动链惯性能量△E和发电机的机械角速度ωm计算得到发电机的机械角速度差值△ωm。
具体的，发电机的传动链惯性能量△E已通过上述步骤S402计算得到，发电机的机械角速度ωm即惯性响应控制前发电机的机械角速度ωm0可通过采集得到，因此发电机的机械角速度差值△ωm可采用以下公式计算得到：
其中，J为传动链转动惯量(已知参数)，ωm1为惯性响应控制后发电机的机械角速度。
S404，根据发电机的输出有功功率差值△Pgen和发电机的机械角速度差值△ωm计算得到发电机的电磁转矩差值△T。
具体的，发电机的输出有功功率差值△Pgen已通过上述步骤S401计算得到，发电机的机械角速度差值△ωm已通过上述步骤S403计算得到，因此发电机的电磁转矩差值△T可采用以下公式计算得到：
△T＝△Pgen/△ωm
优选的，可对发电机的电磁转矩差值△T信号进行滤波处理。
图3所示实施例中的步骤S302具体可以包括以下步骤S405～S406：
S405，根据发电机的电角速度ωe计算得到发电机的电磁转矩的实际值T。
具体的，发电机的电角速度ωe可通过采集得到，因此发电机的电磁转矩的实际值T可采用如下公式计算得到：
其中，id、iq分别为发电机的直轴电流、交轴电流(采集得到)，Ld、Lq分别为发电机的直轴电感、交轴电感(已知参数)，ud、uq分别为发电机的直轴电压、交轴电压(采集得到)，RS为发电机定子绕组的电阻值(已知参数)，为发电机的磁链值(已知参数)，np为发电机的极对数(已知参数)。
S406，根据发电机的电磁转矩的实际值T和发电机的电磁转矩差值△T计算得到发电机的电磁转矩的给定值Tref。
具体的，发电机的电磁转矩的实际值T已通过上述步骤S405计算得到，发电机的电磁转矩差值△T已通过上述步骤S404计算得到，因此发电机的电磁转矩的给定值Tref可采用如下公式计算得到：
Tref＝T-△T
S407，根据发电机的电磁转矩的给定值Tref对发电机进行转矩控制。
具体的，本步骤S407与图3所示实施例中的步骤S303相同，此处不再赘述。
本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法，根据发电机的输出有功功率差值计算得到发电机的电磁转矩的给定值，并根据发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制，使得发电机的输出有功功率减小，消除了电网注入风力发电机组的逆向有功功率对直流侧电压的影响，使得直流侧电压稳定，在不改变硬件结构，不增加成本的情况下实现了风力发电机组高电压穿越功能，且避免了直流侧卸荷电阻的散热问题的加剧。
此处需要说明的是，图1和图2所示实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法，可在风力发电机组整机控制的不同环节执行，例如：在低风速阶段的最大功率点跟踪(Max Power Point Tracing，简称MPPT)控制期间、在额定风速以下阶段的恒转速控制(Constant Speed Control，简称CSC)期间、或在额定风速及以上阶段的恒功率控制(Constant Power Control，简称CPC)期间。
实施例三
图5为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置一个实施例的结构示意图。如图5所示，本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置可以执行上述图3所示实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法。具体的，本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置可以包括：惯性响应计算模块51、电磁转矩计算模块52和控制模块53。其中：
惯性响应计算模块51，用于根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值。
电磁转矩计算模块52，用于根据发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值。
控制模块53，用于根据发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制。
具体的，本实施例的控制装置中各模块实现其功能的具体过程可以参见上述图3所示方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。
本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置，根据发电机的输出有功功率差值计算得到发电机的电磁转矩的给定值，并根据发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制，使得发电机的输出有功功率减小，消除了电网注入风力发电机组的逆向有功功率对直流侧电压的影响，使得直流侧电压稳定，在不改变硬件结构，不增加成本的情况下实现了风力发电机组高电压穿越功能，且避免了直流侧卸荷电阻的散热问题的加剧。
实施例四
图6为本发明提供的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置又一个实施例的结构示意图。如图6所示，本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置可以执行上述图4所示实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法。具体的，本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置在图5所示实施例的基础上还可以包括：输出有功功率差值计算模块61。
输出有功功率差值计算模块61，用于根据发电机的直流母线有功功率、风力发电机组注入电网的有功功率、直流侧卸荷电阻损耗的有功功率和发电机的输出有功功率计算得到发电机的输出有功功率差值。
进一步的，图5所示实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置中的惯性响应计算模块51具体可以包括：第一计算子模块62、第二计算子模块63和第三计算子模块64。
第一计算子模块62，用于根据发电机的输出有功功率差值和预设的高电压穿越持续时间计算得到发电机的传动链惯性能量。
第一计算子模块63，用于根据发电机的传动链惯性能量和发电机的机械角速度计算得到发电机的机械角速度差值。
第三计算子模块64，用于根据发电机的输出有功功率差值和发电机的机械角速度差值计算得到发电机的电磁转矩差值。
进一步的，图5所示实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置中的电磁转矩计算模块52具体可以包括：电磁转矩实际值计算子模块65和电磁转矩给定值计算子模块66。
电磁转矩实际值计算子模块65，用于根据所述发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的实际值。
电磁转矩给定值计算子模块66，用于根据所述发电机的电磁转矩的实际值和所述发电机的电磁转矩差值计算得到所述发电机的电磁转矩的给定值。
优选的，本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置还可以包括滤波模块，用于对电磁转矩差值信号进行滤波处理。滤波模块具体可以为现有的各种具有滤波功能的滤波器，例如带通滤波器等。
具体的，本实施例的控制装置中各模块实现其功能的具体过程可以参见上述图4所示方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。
本实施例的永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置，根据发电机的输出有功功率差值计算得到发电机的电磁转矩的给定值，并根据发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制，使得发电机的输出有功功率减小，消除了电网注入风力发电机组的逆向有功功率对直流侧电压的影响，使得直流侧电压稳定，在不改变硬件结构，不增加成本的情况下实现了风力发电机组高电压穿越功能，且避免了直流侧卸荷电阻的散热问题的加剧。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制方法，其特征在于，包括：
根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值；
根据所述发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值；
根据所述发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制；
其中，所述根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值包括：
根据所述发电机的输出有功功率差值和所述预设的高电压穿越持续时间计算得到发电机的传动链惯性能量；
根据所述发电机的传动链惯性能量和所述发电机的机械角速度计算得到发电机的机械角速度差值；
根据所述发电机的输出有功功率差值和所述发电机的机械角速度差值计算得到所述发电机的电磁转矩差值；
所述根据所述发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值包括：
根据所述发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的实际值；
根据所述发电机的电磁转矩的实际值和所述发电机的电磁转矩差值计算得到所述发电机的电磁转矩的给定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据发电机的直流母线有功功率、风力发电机组注入电网的有功功率、直流侧卸荷电阻损耗的有功功率和发电机的输出有功功率计算得到所述发电机的输出有功功率差值。
3.一种永磁直驱风力发电机组高电压穿越控制装置，其特征在于，包括：
惯性响应计算模块，用于根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值；
电磁转矩计算模块，用于根据所述发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值；
控制模块，用于根据所述发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制；
其中，所述惯性响应计算模块包括：
第一计算子模块，用于根据所述发电机的输出有功功率差值和所述预设的高电压穿越持续时间计算得到发电机的传动链惯性能量；
第一计算子模块，用于根据所述发电机的传动链惯性能量和所述发电机的机械角速度计算得到发电机的机械角速度差值；
第三计算子模块，用于根据所述发电机的输出有功功率差值和所述发电机的机械角速度差值计算得到所述发电机的电磁转矩差值；
所述电磁转矩计算模块包括：
电磁转矩实际值计算子模块，用于根据所述发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的实际值；
电磁转矩给定值计算子模块，用于根据所述发电机的电磁转矩的实际值和所述发电机的电磁转矩差值计算得到所述发电机的电磁转矩的给定值。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
输出有功功率差值计算模块，用于根据发电机的直流母线有功功率、风力发电机组注入电网的有功功率、直流侧卸荷电阻损耗的有功功率和发电机的输出有功功率计算得到所述发电机的输出有功功率差值。
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