CN106130076B - 一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法 - Google Patents
一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，解决了当前双馈型和全功率变换型风电机组与常规电厂中的同步发电机组相比在并网接口上不同的问题。本发明提出了一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机。本发明的自封闭型电磁耦合调速风电机组及其控制方法，避免了风电机组因变频器与电网相连对电网可能造成的污染，实现了风电机组和常规电厂在并网接口上的统一，真正实现了风电机组“电网友好型”的目标，有利于促进风电这一清洁能源的进一步发展。
Description
技术领域
本发明涉及风电领域，特别涉及一种自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制方法。
背景技术
当前主流的风力发电机组是双馈型和全功率变换型风电机组，这两种风电机组都能使风轮转速随风速的变化而改变，从而实现了最大限度捕获风能的能力。然而随着风电在电网中所占比重的提高，风电机组参与支撑电网电压和频率的需求不断提高，在这两方面当前风力发电单元与常规发电单元相比存在不足。
在电网电压支撑方面，双馈型风电机组中发电机定子与电网直接相连，电网电压发生跌落会造成定、转子过流和直流母线过压。由于双馈型风电机组的变流器容量有限，因此变流器对双馈发电机的控制能力不足，这就造成了双馈型风电机组对电网电压跌落等故障非常敏感。为了防止双馈发电机转子过压、过流和变流器直流母线过压，一种有效的方法是增加硬件Crowbar电路，但是一旦Crowbar投入，转子侧变流器将失去对转子电流主动控制的能力，双馈发电机相当于一台鼠笼异步电机运行，变流器不再具有对风电机组输出有功功率和无功功率独立控制的能力。此时，风电机组不仅无法发出无功功率支撑电网电压，反而由于发电机励磁的需要从电网吸收一定无功功率。对于全功率变换型风电机组，背靠背变流器将发电机和电网隔离，因此该机组的低电压穿越能力要优于双馈型风电机组。当电网电压发生跌落时，网侧变流器向电网发出无功功率支撑电网电压，投入直流母线卸荷电阻以消耗掉直流侧积累的多余能量，防止直流母线过压。尽管如此，由于电力电子开关装置对过电压和过电流非常敏感，很短时间内过压或过流都可能造成开关装置的损坏，因此电力电子开关装置与同步发电机相比其过载能力非常有限，这就造成了双馈型和全功率变换型风电机组在电网电压跌落时发出的无功功率难以支撑电网电压。
造成上述问题的原因是当前双馈型和全功率变换型风电机组与常规电厂中的同步发电机组相比在并网接口上的不同，从表面上看这两种风电机组的并网接口不再是同步发电机，从本质上来说，这两种风电机组是电流控制型电源而同步发电机组是电压控制型电源。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，该机组并网接口为一台电励磁同步发电机，自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和同步发电机转子轴，并实现功率从齿轮箱侧向同步发电机侧的传递。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机；
所述自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器、变频器以及永磁同步发电机组成，永磁同步发电机用于给变频器供电；所述电磁耦合器有两根转轴，分别与齿轮箱和电励磁同步发电机相连并都转动，变频器控制电磁耦合器两根转轴的相对转速和电磁转矩；
所述齿轮箱的高速轴与所述电磁耦合器的一根轴相连构成前轴系，所述电磁耦合器的另一根轴与所述电励磁同步发电机的转子轴相连构成后轴系，前、后轴系为2个独立的轴系，所述永磁同步发电机与前轴系同轴实现对所述变频器供电；
首先进入启动过程；启动过程完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程；机组并网后的最大限度捕获风能以及停机过程；
电网电压一旦发生跌落并超出正常范围，自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制就转入低电压穿越控制模式，由于变频器是由与齿轮箱高速轴同轴的永磁同步发电机供电，电网电压的跌落不会对变频器的供电产生影响，为了保持机组输出有功电流恒定，变频器转矩指令值Tcmd_LVRT的计算公式为：
Tcmd_LVRT＝kTcmd (1)
式中，k为电网电压的标幺值，Tcmd为自封闭型电磁耦合调速风电机组基本运行时由风轮最优机械特性曲线所求得的变频器转矩指令值，桨距角的求取与电网电压正常时相同，根据风轮转速目标值和实测值采用PI调节器求得；
电网电压恢复后，逐渐减小电励磁同步发电机的励磁电流，使风电机组发出的无功功率恢复至电网电压跌落前发出的无功功率值。
可选地，所述启动过程划分为三个阶段：
首先，在第一阶段，通过变桨控制，使风轮转速逐渐上升，当前轴系转速足够高时，永磁同步发电机的输出电压满足变频器供电电压要求，此时启动变频器并设为转速控制模式，通过变频器控制电磁耦合器，使后轴系逐渐加速至前轴系转速；
接下来，进入第二阶段，通过变频器控制使前、后轴系同步旋转，直至接近设定的低于电励磁同步发电机同步速的转速值：
式中：nI为前轴系的转速；nII为后轴系的转速；n1为电励磁同步发电机的同步速；f为电网频率；p为电励磁同步发电机的极对数；
最后，进入第三阶段，由变桨控制保持前轴系转速不变，并通过变频器控制电磁耦合器使后轴系继续升速，直至高于电励磁同步发电机同步速Δn；
nII＝n1(1+Δn) (3)。
可选地，启动阶段完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程，并网控制柜根据测量得到的电励磁发电机机端电压与电网电压之间的幅值差和相位差，动态调节励磁电流和变频器输出的频率，当这些幅值差和相位差减小到并网要求允许值时，并网开关自动合闸，这时，变频器由转速控制模式切换为转矩控制模式。
可选地，风电机组并网后，需要将电励磁同步发电机的输出功率调节至与当前风况相适应的某一功率，在自封闭型电磁耦合调速风电机组中，功率调节是通过变频器控制电磁耦合器的电磁转矩完成的，为了减缓电励磁同步发电机加卸载过程对电网的冲击，需要在功率指令中设置斜坡函数进行过渡。
可选地，当风速低于额定风速时，风电机组运行在欠功率状态，桨叶节距角θ保持在0度附近，风电机组采用不依赖于风速测量的最大功率点跟踪策略；其中，电磁耦合器的电磁转矩作为调节风轮转速的控制变量；根据当前的风轮转速，从预置的风轮最优机械特性曲线中通过查表获得转矩的指令值，交由变频器控制电磁耦合器的电磁转矩；
当风速高于额定风速时，风电机组运行在恒功率状态；这时，电磁耦合器的电磁转矩维持在额定转矩值，由变桨控制保持风轮转速在额定转速附近；
当风电机组从电网正常解列时，首先逐步减小电磁耦合器的电磁转矩，卸去电励磁同步发电机的负载，达到空载状态后，再断开并网控制柜中的并网开关；风电机组脱网后，变频器由转矩控制模式切换到转速控制模式。
可选地，所述停机过程分为2个阶段：
首先，由变桨控制使前轴系转速保持在并网开关分闸时的转速，并通过变频器控制电磁耦合器实现电磁制动使后轴系减速至与前轴系转速相等；然后，由变桨控制使风轮的转速逐渐下降，当转速足够高使变频器能够正常供电时控制电磁耦合器前、后2个轴系同步旋转，当转速过低时变频器停止工作，后轴系靠摩擦制动转矩而前轴系靠顺桨控制最终完成风电机组的停机。
本发明的有益效果是：
(1)采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，并实现功率的传递，变频器同与齿轮箱高速轴同轴的永磁同步发电机相连，实现了电网电压跌落期间变频器对电磁耦合器电磁转矩的正常施加以及该机组的黑启动，避免了风电机组因变频器与电网相连对电网可能造成的污染，实现了风电机组和常规电厂在并网接口上的统一，真正实现了风电机组“电网友好型”的目标，有利于促进风电这一清洁能源的进一步发展；
(2)齿轮箱和电励磁同步发电机之间为非接触式联接，因此齿轮箱受到的来自于电励磁同步发电机侧的机械冲击小，使用寿命得到了延长；
(3)通过变频器控制电磁耦合器的转速和转矩，响应速度快；
(4)电磁耦合器齿轮箱侧的轴转速始终低于电励磁同步发电机侧的轴转速，流过变频器的功率仅为风电机组输出功率的一小部分并且单方向流动，因此只需要容量较小的单象限运行变频器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种自封闭型电磁耦合调速风电机组的结构示意图；
图2为本发明的自封闭型电磁耦合调速装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当前双馈型和全功率变换型风电机组与常规电厂中的同步发电机组相比在并网接口上的不同，从表面上看这两种风电机组的并网接口不再是同步发电机，从本质上来说，这两种风电机组是电流控制型电源，而同步发电机组是电压控制型电源。
本发明提出了一种自封闭型电磁耦合调速风电机组，该风电机组的并网接口为一台电励磁同步发电机，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，实现了风电机组与常规电厂在并网接口上的统一。
下面结合说明书附图对本发明的自封闭型电磁耦合调速风电机组进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明的自封闭型电磁耦合调速风电机组，该风电机组采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，并实现功率的传递。自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器4、变频器6以及永磁同步发电机3组成，永磁同步发电机3用于给变频器6供电。电磁耦合器4本质上是一台鼠笼异步机，与普通鼠笼机不同的是电磁耦合器有两根转轴，分别与齿轮箱2和电励磁同步发电机5相连并都转动，变频器6控制电磁耦合器4两根轴的相对转速和电磁转矩。
齿轮箱2的高速轴与电磁耦合器4的一根轴相连构成前轴系，电磁耦合器4的另一根轴与电励磁同步发电机5的转子轴相连构成后轴系，前、后轴系为2个独立的轴系，永磁同步发电机3与前轴系同轴实现对变频器6供电。相比于从电网取电为变频器6提供电能的供电方式，本发明的供电方式既实现了电网电压跌落期间变频器对电磁耦合器电磁转矩的正常施加以及该机组的黑启动，又避免了风电机组因变频器与电网相连对电网可能造成的污染。
齿轮箱2和电励磁同步发电机5之间为非接触式联接，因此齿轮箱2受到的来自于电励磁同步发电机5侧的机械冲击小，使用寿命得到了延长；通过变频器6控制电磁耦合器4的转速和转矩，响应速度快；电磁耦合器齿轮箱侧的轴转速始终低于电励磁同步发电机侧的轴转速，流过变频器的功率仅为风电机组输出功率的一小部分并且单方向流动，因此只需要容量较小的单象限运行变频器。
本发明的自封闭型电磁耦合调速风电机组存在前、后2个独立的轴系，如图1和图2所示，首先进入启动过程；启动过程完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程；机组并网后的最大限度捕获风能以及停机过程。
电网电压一旦发生跌落并超出正常范围，自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制就转入低电压穿越控制模式，由于变频器是由与齿轮箱高速轴同轴的永磁同步发电机供电，电网电压的跌落不会对变频器的供电产生影响，为了保持机组输出有功电流恒定，变频器转矩指令值Tcmd_LVRT的计算公式为：
Tcmd_LVRT＝kTcmd (1)
式中，k为电网电压的标幺值，Tcmd为自封闭型电磁耦合调速风电机组基本运行时由风轮最优机械特性曲线所求得的变频器转矩指令值，桨距角的求取与电网电压正常时相同，根据风轮转速目标值和实测值采用PI调节器求得；
电网电压恢复后，逐渐减小电励磁同步发电机的励磁电流，使风电机组发出的无功功率恢复至电网电压跌落前发出的无功功率值。
在电网电压跌落期间通过电励磁同步发电机励磁电流的调节使自封闭型电磁耦合调速风电机组发出相应的无功功率以实现对电网电压的支撑，特别是当电网电压严重跌落时，由于电励磁同步发电机具有很强的过载能力，通过电励磁同步发电机强励的操作使机组发出足够大的无功功率对电网电压进行有效支撑。电网电压恢复后，逐渐减小电励磁同步发电机的励磁电流，使风电机组发出的无功功率恢复至电网电压跌落前风电机组发出的无功功率值。
本发明的自封闭型电磁耦合调速风电机组的启动过程与其他风电机组都有所不同，可划分为3个阶段：
首先，在第一阶段，通过变桨控制，使风轮1的转速逐渐上升，当前轴系转速足够高时永磁同步发电机的输出电压才能满足变频器供电电压要求，此时启动变频器并设为转速控制模式，通过变频器控制电磁耦合器，使后轴系逐渐加速至前轴系转速；
接下来，进入第二阶段，通过变频器控制使前、后2个轴系如同单一刚性轴系一样同步旋转，直至接近设定的低于电励磁同步发电机同步速的转速值：
式中：nI为前轴系转速；nII为后轴系转速；n1为电励磁同步发电机的同步速；f为电网频率；p为电励磁同步发电机的极对数。
最后，由变桨控制保持前轴系转速不变，并通过变频器控制电磁耦合器使后轴系继续升速，直至高于电励磁同步发电机同步速Δn(0<Δn<5％)。
nII＝n1(1+Δn) (3)
启动阶段完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程。并网控制柜根据测量得到的电励磁同步发电机机端电压与电网电压之间的幅值差和相位差，动态调节励磁电流和变频器输出的频率，当这些幅值差和相位差减小到并网要求允许值时，并网开关自动合闸。这时，变频器由转速控制模式切换为转矩控制模式。
风电机组并网后，需要将电励磁同步发电机的输出功率调节至与当前风况相适应的某一功率。在自封闭型电磁耦合调速风电机组中，功率调节是通过变频器控制电磁耦合器的电磁转矩完成的。为了减缓电励磁同步发电机加卸载过程对电网的冲击，需要在功率指令中设置合理的斜坡函数进行过渡。
当风速低于额定风速时，风电机组运行在欠功率状态，桨叶节距角θ保持在0度附近。为了尽可能多地吸收风能，风电机组采用不依赖于风速测量的最大功率点跟踪策略。其中，电磁耦合器的电磁转矩作为调节风轮转速的控制变量。根据当前的风轮转速，从预置的风轮最优机械特性曲线中通过查表获得转矩的指令值，交由变频器控制电磁耦合器的电磁转矩。
当风速高于额定风速时，风电机组运行在恒功率状态。这时，电磁耦合器的电磁转矩维持在额定转矩值。由变桨控制保持风轮转速在额定转速附近。
当风电机组从电网正常解列时，首先逐步减小电磁耦合器的电磁转矩，卸去电励磁同步发电机的负载，达到空载状态后，再断开并网控制柜中的并网开关。风电机组脱网后，变频器由转矩控制模式切换到转速控制模式。
停机过程分为2个阶段。首先，由变桨控制使前轴系转速保持在并网开关分闸时的转速，并通过变频器控制电磁耦合器实现电磁制动使后轴系减速至与前轴系转速相等；然后，由变桨控制使风轮的转速逐渐下降，当转速足够高使变频器能够正常供电时控制电磁耦合器前、后2个轴系同步旋转，当转速过低时变频器停止工作，后轴系靠摩擦制动转矩而前轴系靠顺桨控制最终完成风电机组的停机。
本发明的自封闭型电磁耦合调速风电机组，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，并实现功率的传递，变频器同与齿轮箱高速轴同轴的永磁同步发电机相联，实现了电网电压跌落期间变频器对电磁耦合器电磁转矩的正常施加以及该机组的黑启动，避免了风电机组因变频器与电网相连对电网可能造成的污染，实现了风电机组和常规电厂在并网接口上的统一，真正实现了风电机组“电网友好型”的目标，有利于促进风电这一清洁能源的进一步发展。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，其特征在于，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机；
所述自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器、变频器以及永磁同步发电机组成，永磁同步发电机用于给变频器供电；所述电磁耦合器有两根转轴，分别与齿轮箱和电励磁同步发电机相连并都转动，变频器控制电磁耦合器两根转轴的相对转速和电磁转矩；
所述齿轮箱的高速轴与所述电磁耦合器的一根轴相连构成前轴系，所述电磁耦合器的另一根轴与所述电励磁同步发电机的转子轴相连构成后轴系，前、后轴系为2个独立的轴系，所述永磁同步发电机与前轴系同轴实现对所述变频器供电；
首先进入启动过程；启动过程完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程；机组并网后的最大限度捕获风能以及停机过程；
电网电压一旦发生跌落并超出正常范围，自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制就转入低电压穿越控制模式，由于变频器是由与齿轮箱高速轴同轴的永磁同步发电机供电，电网电压的跌落不会对变频器的供电产生影响，为了保持机组输出有功电流恒定，变频器转矩指令值Tcmd_LVRT的计算公式为：
Tcmd_LVRT＝kTcmd (1)
式中，k为电网电压的标幺值，Tcmd为自封闭型电磁耦合调速风电机组基本运行时由风轮最优机械特性曲线所求得的变频器转矩指令值，桨距角的求取与电网电压正常时相同，根据风轮转速目标值和实测值采用PI调节器求得；
电网电压恢复后，逐渐减小电励磁同步发电机的励磁电流，使风电机组发出的无功功率恢复至电网电压跌落前发出的无功功率值。
2.如权利要求1所述的一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述启动过程划分为三个阶段：
首先，在第一阶段，通过变桨控制，使风轮转速逐渐上升，当前轴系转速足够高时，永磁同步发电机的输出电压满足变频器供电电压要求，此时启动变频器并设为转速控制模式，通过变频器控制电磁耦合器，使后轴系逐渐加速至前轴系转速；
接下来，进入第二阶段，通过变频器控制使前、后轴系同步旋转，直至接近设定的低于电励磁同步发电机同步速的转速值：
式中：nI为前轴系的转速；nII为后轴系的转速；n1为电励磁同步发电机的同步速；f为电网频率；p为电励磁同步发电机的极对数；
最后，进入第三阶段，由变桨控制保持前轴系转速不变，并通过变频器控制电磁耦合器使后轴系继续升速，直至高于电励磁同步发电机同步速Δn；
nII＝n1(1+Δn) (3)。
3.如权利要求1所述的一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，其特征在于，启动阶段完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程，并网控制柜根据测量得到的电励磁发电机机端电压与电网电压之间的幅值差和相位差，动态调节励磁电流和变频器输出的频率，当这些幅值差和相位差减小到并网要求允许值时，并网开关自动合闸，这时，变频器由转速控制模式切换为转矩控制模式。
4.如权利要求3所述的一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，其特征在于，风电机组并网后，需要将电励磁同步发电机的输出功率调节至与当前风况相适应的某一功率，在自封闭型电磁耦合调速风电机组中，功率调节是通过变频器控制电磁耦合器的电磁转矩完成的，为了减缓电励磁同步发电机加卸载过程对电网的冲击，需要在功率指令中设置斜坡函数进行过渡。
5.如权利要求4所述的一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，其特征在于，当风速低于额定风速时，风电机组运行在欠功率状态，桨叶节距角θ保持在0度附近，风电机组采用不依赖于风速测量的最大功率点跟踪策略；其中，电磁耦合器的电磁转矩作为调节风轮转速的控制变量；根据当前的风轮转速，从预置的风轮最优机械特性曲线中通过查表获得转矩的指令值，交由变频器控制电磁耦合器的电磁转矩；
当风速高于额定风速时，风电机组运行在恒功率状态；这时，电磁耦合器的电磁转矩维持在额定转矩值，由变桨控制保持风轮转速在额定转速附近；
当风电机组从电网正常解列时，首先逐步减小电磁耦合器的电磁转矩，卸去电励磁同步发电机的负载，达到空载状态后，再断开并网控制柜中的并网开关；风电机组脱网后，变频器由转矩控制模式切换到转速控制模式。
6.如权利要求1所述的一种用于自封闭型电磁耦合调速风电机组的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述停机过程分为2个阶段：
首先，由变桨控制使前轴系转速保持在并网开关分闸时的转速，并通过变频器控制电磁耦合器实现电磁制动使后轴系减速至与前轴系转速相等；然后，由变桨控制使风轮的转速逐渐下降，当转速足够高使变频器能够正常供电时控制电磁耦合器前、后2个轴系同步旋转，当转速过低时变频器停止工作，后轴系靠摩擦制动转矩而前轴系靠变桨控制最终完成风电机组的停机。
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