CN213367645U - 带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统，配置有全功率变流器和风机高电压穿越控制系统，风机高电压穿越控制系统包括信号采集模块、电网电压正负序分离模块、电网电压锁相模块、直流母线电压给定单元、无功电流给定模块、直流母线电压控制单元、直流母线电压保护单元和网侧电流控制单元；通过采集到的直流母线电压、电网三相电压和网侧电抗器电流信号进行滤波处理，然后经过相应的处理，最终得到控制网侧变流器的功率开关PWM信号，并可监测直流母线电压，当超过安全门限制，则开通直流母线斩波电路；可实现在电网有高电压故障情况下将发电机发出的电能全部馈入电网，实现风力发电机组的高电压故障穿越。

Description

带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电变流控制技术领域，具体的是带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统。

背景技术

风能是一种清洁的可再生能源，近年来风力发电技术飞速发展，机组容量不断增大，风电装机容量迅速攀升。由于大规模风电并网，风电在电网的渗透率不断提高，为了保证电力系统的稳定可靠运行，国家相关部门和行业协会相继出台一系列风电接入电网的行业标准，要求风力发电机组具备较强的故障穿越能力。其中，风电机组的高电压穿越能力是风机故障穿越能力中的一项重要内容。

当电网发生故障导致风电机组并网点出现过电压时，风电机组通过变流器向电网馈入有功功率的能力将减弱。当电网电压过压不严重时，机组有可能直接穿越故障。但是在过电压较为严重时，由于风机惯性较大，如果不采用针对性的控制策略，机组极有可能因变流器过压或过流而脱网。在极端情况下，机组可能会出现超速，带来传动链的超负荷运行，全功率变流器甚至可能出现损坏。因此，全功率变流器需要针对电网高电压故障设计专门的控制策略，提升机组的高电压故障穿越能力。

现在的风电变流器一般选用高耐压大电流IGBT或IGCT等半导体器件作为功率开关，为了让变流器高效率、安全可靠地实现电能变换，变流器正常工作时选用的直流母线电压一般会留有比较大的安全余量。当电网电压正常时，直流母线电压满足变流器向电网并网发电的需求。但是当电网发生高电压故障时，由于直流母线电压不够高，网侧变流器将受最大调制比的限制无法全部将发电机发出的电能馈入电网。也有很多研发人员提出了很多解决办法，其中很多采用开通斩波电路来泄能，也有很多采用针对性的控制策略，但是这些控制策略控制过程较为复杂，并且会带来直流母线电压被动提升甚至失控等不利影响。

实用新型内容

为了实现常规风电机组高电压故障穿越，本实用新型提出了带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统，该系统可以实现在电网有高电压故障情况下将发电机发出的电能全部馈入电网，实现风力发电机组的高电压故障穿越。

本实用新型的技术方案如下：

带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统，其特征在于：设置有全功率变流器和与全功率变流器匹配的风机高电压穿越控制系统，所述全功率变流器至少包括斩波电路、网侧变流器、直流母线；所述风机高电压穿越控制系统包括信号采集模块、电网电压正负序分离模块、电网电压锁相模块、直流母线电压给定单元、无功电流给定模块、直流母线电压控制模块、直流母线电压控制单元和网侧电流控制单元；所述信号采集模块的输入端连接全功率变流器，信号采集模块的输出端分三路，其中：第一路输出的电网三相电压连接至电网电压正负序分离模块的输入端，第二路输出的网侧电抗器电流信号接入网侧电流控制单元，第三路输出的直流母线电压接入直流母线保护控制单元；

所述电网电压正负序分离模块输出端分三路，第一路输出的正负序电压连接至无功电流给定模块的输入端，第二路输出的正序电压连接至电网电压锁相模块的输入端，第三路输出的正序电压连接至直流母线电压给定单元；所述无功电流给定模块输出的无功电流给定值连接至网侧电流控制单元，所述电网电压锁相模块的输出端连接至网侧电流控制单元，所述直流母线电压给定单元的输出和直流母线电压相连接输出母线电压偏差，母线电压偏差接入直流母线电压控制模块的输入端，直流母线电压控制模块输出的有功电流给定值接入网侧电流控制单元；

所述直流母线保护控制单元控制斩波电路工作，所述网侧电流控制单元控制网侧变流器工作。

根据所述风机高电压穿越控制系统，其中：

所述信号采集模块，用于采集直流母线电压、电网三相电压和网侧变流器电抗电流信号并进行信号滤波处理；

所述电网电压正负序分离模块，用于将所述电网三相电压进行正负序分离，计算得到电网的正序电压和负序电压。

所述电网电压锁相模块，采用电网正序电压对电网电压进行锁相，得到电网电压相位角和电网电压矢量旋转速度。

所述直流母线电压给定单元，根据电网电压正负序分离模块得到的正序电压判断电网是否发生过电压故障。

所述直流母线电压给定单元判断电网是否发生过电压故障的具体方式为：当电网没有发生过电压故障时，设定直流母线电压为正常直流母线电压给定值；当电网发生过高电压故障时，根据电网正序电压幅值提升直流母线电压给定值。

进一步的，直流母线电压给定单元输出的给定电压与直流母线电压之间的偏差，为母线电压偏差。

所述直流母线电压控制模块根据母线电压偏差进行PID计算，PID计算结果经过限幅后得到有功电流给定值。

所述无功电流给定单元根据电网正序电压过压情况和相关国家标准计算得到无功电流给定值。其中，所述国家标准为GB/T36995-2018风力发电机组故障电压穿越能力测试规程。

所述网侧电流控制单元的输入信号包括直流母线电压控制模块输出的有功电流给定值、无功电流给定模块输出的无功电流给定值、电网电压锁相模块输出的电网电压相位角、电网电压锁相模块输出的电网电压矢量旋转速度，以及网侧电抗器电流，通过闭环运算（即自控控制闭环运算，采用的控制器可以使比例、比例积分、比例积分微分或其他类型的控制器），最终得到控制网侧变流器的功率开关的PWM信号。

所述直流母线保护控制单元，用于实时监测直流母线电压，当直流母线电压超过安全门限值时，控制直流母线斩波电路开通，防止直流母线电压过高导致变流器损坏，甚至影响风电机组的安全运行。

所述直流母线电压给定单元根据所述正序电压确定得到最终的直流母线电压给定值。

具体的，所述直流母线电压给定单元还设置有直流母线电压发生器和直流母线电压给定斜率限制模块；输入的电网的正序电压，经过直流母线电压给定值发生器，确定得到直流母线电压给定初始值，直流母线电压给定初始值经过直流母线电压给定斜率限制后，得到最终的直流母线电压给定值。

所述全功率变流器按照电流方向依次包括机侧变流器、斩波电路、直流母线、网侧变流器。

所述全功率风力发电机组系统，还包括风风轮、风力发电机、变压器和电网，风机的风能输出端位于风力发电机前端，风力发电机的输出端的直流电接入全功率变流器，全功率变流器的输出端的交流电通过变压器接入电网。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型可实现在电网有高电压故障情况下将发电机发出的电能全部馈入电网，实现了风力发电机组的高电压故障穿越的效果；可有效避免高电压故障下风电变流器发生故障或损坏，提升变流器的可靠性和可用性。

附图说明

图1是本实用新型中全功率风力发电机组系统的原理图。

图2是本实用新型中风机高电压穿越控制系统的系统结构原理图。

图3是本实用新型的的风机高电压穿越控制系统结构原理图。

图4是本实用新型中直流母线电压给定模块的结构原理图。

图5是本实用新型中直流母线电压给定值发生器的非线性环节示意图。

其中，附图标记为：1-风轮，2-风力发电机，3-机侧变流器，4-斩波电路，5-直流母线，6-网侧变流器，7-信号采集模块，8-电网电压正负序分离模块，9-电网电压锁相模块，10-直流母线电压给定单元，11-无功电流给定模块，12-直流母线电压控制模块，13-直流母线保护控制单元，14-网侧电流控制单元，15-直流母线电压发生器，16-直流母线电压给定斜率限制模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，全功率风力发电机组系统：风轮1通过吸收风能旋转推动风力发电机2发电运行，全功率风电变流器的机侧变流器3将发电机发出频率电压变化的交流电变换成直流电，全功率风电变流器的网侧变流器6将直流电变换成交流电馈入电网。当电网电压发生过压故障时，机侧变流器控制系统和网侧变流器控制系统控制机侧变流器3、网侧面变流器穿越高电压故障，当直流母线电压大于直流母线电压门限时，斩波电路4控制系统控制全功率风电变流器的斩波电路4工作，防止因直流母线电压过高导致变流器损坏。

如图2所示，所述全功率风电变流器主要由机侧变流器3、斩波电路4、直流母线5和网侧变流器6构成，全功率风电变流器控制系统包括信号检测单元、直流母线电压控制单元、网侧电流控制单元14、斩波电路4控制单元和机侧控制单元。其中：

信号检测单元，负责采集变流器的信号并对信号进行滤波处理，信号包括发电机三相电压和三相电流、网侧电抗器三相电流、直流电网电压和直流母线电压。

机侧控制单元，用于对机侧变流器3的直接控制。

直流母线电压控制单元，根据信号检测单元采集的直流电网电压确定直流母线电压给定值，并通过PID控制器计算得到网侧电流有功给定值。

网侧电流控制单元14，根据并网电流给定值进行闭环控制预算，最终计算得到网侧变流器PWM控制信号并完成对网侧变流器6的直接控制。

斩波电路控制单元，用于对斩波电路4的直接控制。

如图3所示，基于直流母线电压调节的风机高电压穿越控制系统，包括信号采集模块7、电网电压正负序分离模块8、电网电压锁相模块9、直流母线电压给定单元10、无功电流给定模块11、直流母线电压控制模块12、直流母线电压控制单元和网侧电流控制单元14。其中：

信号采集模块7主要采集网侧电抗器三相电流、电网三相电压和直流母线电压，经过滤波处理后将信号输出。

电网电压正负序分离模块8将信号采集模块7采集到的电网三相电压进行正负序分离，得到电网正序电压和负序电压。

直流母线电压给定单元10根据得到的电网正序电压通过直流母线电压给定值发生器计算出直流母线电压给定值，直流母线电压给定值减去直流母线电压得到直流母线电压偏差，直流母线电压控制模块12根据直流母线电压偏差经过PID运算得到有功电流给定值。

电网电压锁相模块9根据电网正序电压计算得到电网电压相位角θ和电网电压向量转速ω。

无功给定模块根据电网正序电压和电网负序电压，结合相关国家标准要求计算得到无功电流给定值。其中，所述国家标准为GB/T36995-2018风力发电机组故障电压穿越能力测试规程，计算公式根据该规程的5.2 b）中的2）记载内容，可得到无功电流给定值。

网侧电流控制单元14的输入信号包括直流母线电压控制模块12输出的有功电流给定值、无功电流给定模块11输出的无功电流给定值、电网电压锁相模块9输出的相位角θ和电网电压向量转速ω，经过闭环控制计算得到控制网侧变流器6的PWM信号。直流母线保护控制单元13在直流母线电压大于直流电压门限值时控制斩波电路4开通，通过斩波电路4中的泄能电阻耗能防止直流母线电压继续上升进而损坏变流器。

如图4所示，所述直流母线电压给定值发生器设置有直流母线电压发生器15，输入的电网正序电压经过直流母线电压给定值发生器确定后输出直流母线电压给定初始值；所述直流母线电压给定初始值经过直流母线电压给定斜率限制模块16限制后，得到最终的直流母线电压给定值。

所述直流母线电压给定值发生器是一个非线性环节计算器。如图5所示，横轴是电网电压，纵坐标是直流母线电压给定值，直流母线电压给定值发生器的非线性环节主要包括以下几种形式，从总体趋势上来看，当电网电压不超过额定电网电压时，直流母线电压给定值为额定直流母线电压值，当电网电压超过电网额定电压时，直流母线电压给定值增大。

当电网发生高电压故障时，本实用新型通过直流母线电压给定值发生器提升直流母线电压给定值，通过直流母线电压控制模块12和网侧电流控制单元14最终实现直流母线电压提升。直流母线电压提升后，网侧变流器6通过调制得到的交流电压提高，从而实现在电网有高电压故障情况下将发电机发出的电能全部馈入电网，实现风力发电机组的高电压故障穿越。

Claims (4)

1.带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统，其特征在于：设置有全功率变流器和与全功率变流器匹配的风机高电压穿越控制系统，所述全功率变流器至少包括斩波电路（4）、网侧变流器（6）、直流母线（5）；所述风机高电压穿越控制系统包括信号采集模块（7）、电网电压正负序分离模块（8）、电网电压锁相模块（9）、直流母线电压给定单元（10）、无功电流给定模块（11）、直流母线电压控制单元、用于控制斩波电路（4）的直流母线电压保护单元和用于控制网侧变流器（6）的网侧电流控制单元（14）；所述信号采集模块（7）的输入端连接全功率变流器，信号采集模块（7）的输出端分三路，其中：第一路输出的电网三相电压连接至电网电压正负序分离模块（8）的输入端，第二路输出的网侧电抗器电流信号接入网侧电流控制单元（14），第三路输出的直流母线电压接入直流母线保护控制单元（13）；

所述电网电压正负序分离模块（8）输出端分三路，第一路输出的正负序电压连接至无功电流给定模块（11）的输入端，第二路输出的正序电压连接至电网电压锁相模块（9）的输入端，第三路输出的正序电压连接至直流母线电压给定单元（10）；所述无功电流给定模块（11）输出的无功电流给定值连接至网侧电流控制单元（14），所述电网电压锁相模块（9）的输出端连接至网侧电流控制单元（14），所述直流母线电压给定单元（10）的输出和直流母线电压相连接输出母线电压偏差，母线电压偏差接入直流母线电压控制模块（12）的输入端，直流母线电压控制模块（12）输出的有功电流给定值接入网侧电流控制单元（14）。

2.根据权利要求1所述的带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统，其特征在于：所述直流母线电压给定单元（10）还设置有直流母线电压发生器（15）和直流母线电压给定斜率限制模块（16）。

3.根据权利要求1所述的带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统，其特征在于：所述全功率变流器按照电流方向依次包括机侧变流器（3）、斩波电路（4）、直流母线（5）、网侧变流器（6）。

4.根据权利要求2所述的带有风机高电压穿越控制系统的全功率风力发电机组系统，其特征在于：还包括风轮（1）、风力发电机（2）、变压器和电网，风轮（1）的风能输出端位于风力发电机（2）前端，风力发电机（2）的输出端的直流电接入全功率变流器，全功率变流器的输出端的交流电通过变压器接入电网。

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