CN110138015B - 一种风机高电压穿越控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风机高电压穿越控制方法及装置，通过实时检测电网电压，当确认电网进入高电压状态后，根据电网在进入高电压状态前后的电压变化量确定风机调节的无功功率目标值，同时根据风机的额定有功功率、额定容量等确定风机的无功功率边界值，根据确定的无功功率目标值及边界值对风机进行前馈控制，实现对风机的精准调节，使风机能够抵抗电网电压波动；同时可以保证无功功率的快速响应，充分利用变流器的容量，功率环不需要切出，避免了切换控制器，提高了风机的高电压穿越能力。

Description

一种风机高电压穿越控制方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体而言，涉及一种风机高电压穿越控制方法及装置。

背景技术

近年来，随着高压直流输电的应用，电网安全对风电机组的高电压穿越能力(HighVoltage Ride Through，HVRT)提出更高的要求，逐步形成了完整的、适合我国电网情况的一套标准，而且高电压穿越的标准将很快成为强制性要求并逐步推广；双馈风力发电机定子侧与电网相连，由于双馈风力发电机本身设计，额定运行时转子电压一般远低于定子电压，因此，电网电压的升高引起变频器的超调问题；电网电压升高过程中，需要风机保持有功的情况下，发出容性无功，以拉低电网电压，提高故障穿越能力，至于无功功率发出量，不同厂家各不相同，但大多是增加一固定的无功量，无法根据电压变化量对无功量进行精确给定。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种风机高电压穿越控制方法及装置，以改善上述的问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种风机高电压穿越控制方法，所述风机高电压穿越控制方法包括：当确认电网进入高电压状态时，确定进入高电压状态前后的电网电压变化量ΔU；根据所述电压变化量ΔU确定所述风机的无功功率目标值；根据所述风机定子的无功功率边界值及确定的所述无功功率目标值对风机进行调节控制。

进一步地，所述电压变化量ΔU与所述风机的无功功率目标值满足如下式子：Qset＝K*ΔU；其中，所述Qset指所述风机定子的无功功率目标值，所述ΔU是指所述电网进入高电压状态前后的电网电压变化量，所述K为预先确定的电压-功率参数。

进一步地，根据确定的所述无功功率目标值对风机进行调节控制之前，所述风机高电压穿越控制方法包括：根据所述风机定子的额定有功功率确定所述风机定子的无功功率边界值，所述边界值指所述无功功率的最大值，其中，所述额定有功功率及所述无功功率满足以下式子：(Q-Qmeg)²+Pn²＝Sn²，其中，所述Q指所述风机定子的无功功率，所述Qmeg指所述风机的定子励磁无功，所述Pn为风机的额定有功功率，Sn指所述风机定子的额定容量。

进一步地，根据所述风机定子的无功功率边界值及确定的所述无功功率目标值对风机进行调节控制的步骤包括：将所述无功功率目标值及所述无功功率边界值输入一功率环比例积分控制器以确定转子无功电流；将确定的所述转子无功电流输入一电流环比例积分控制器以确定转子电压；根据确定的所述转子电压对风机的转子进行调节。

进一步地，所述风机高电压穿越控制方法包括：实时检测电网电压；当检测的所述电网电压大于预设电压时确定所述电网进入高电压状态。

进一步地，所述预设电压为所述电网的基准电压的1.1倍。

本发明还提供了一种风机高电压穿越控制装置，所述风机高电压穿越控制装置用于上述的风机高电压穿越方法，所述风机高电压穿越控制装置包括：处理单元，用于当确认电网进入高电压状态时，根据进入高电压状态前后的电网电压的变化量ΔU确定所述风机的无功功率目标值；控制单元，用于根据所述风机定子的无功功率边界值及确定的所述无功功率目标值对风机进行调节控制。

进一步地，所述风机高电压穿越控制装置包括：数据获取单元，所述数据获取单元用于实时检测获取电网电压；所述处理单元还用于当获取的所述电网电压高于预设电压时确定所述电网进入高电压状态。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种风机高电压穿越控制方法及装置，通过实时检测电网电压，当确认电网进入高电压状态后，根据电网在进入高电压状态前后的电压变化量确定风机调节的无功功率目标值，同时根据风机的额定有功功率、额定容量等确定风机的无功功率边界值，根据确定的无功功率目标值及边界值对风机进行前馈控制，实现对风机的精准调节，使风机能够抵抗电网电压波动；同时可以保证无功功率的快速响应，充分利用变流器的容量，功率环不需要切出，避免了切换控制器，提高了风机的高电压穿越能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明所提供的一种风机高电压穿越控制方法的流程图示意图。

图2示出了风机的有功及无功能力示意图。

图3示出了本实施例提供的对风机进行控制的控制框图。

图4示出了本发明所提供的一种风机高电压穿越控制装置的示意图。

图标：200-风机高电压穿越控制装置；210-数据获取单元；220-处理单元；230-控制单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

第一实施例

本实施例提供了一种风机高电压穿越控制方法，以保障风机在高电压穿越状态下能够正常运行。请参阅图1，图1示出了本实施例提供的风机高电压穿越控制方法的流程图。

风机高电压穿越控制方法包括：S1～S6。

S1，实时检测电网电压。

双馈风力发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电流，使其能满足要求。“双馈”的含义是定子和转子都可以和电网进行功率交换，由于双馈风力发电机本身设计，额定运行时转子电压一般远低于定子电压，因此，电网电压的升高引起变频器的超调问题，于本实施例中，实时采集风机的入网点电网电压，以便根据电网电压的波动对风机输出进行控制调节。

S2，确定电网是否进入高电压状态。

当检测的电网电压大于预设电压时确定电网进入高电压状态，即需要对风机进行高电压穿越控制。一般地，确定电网是否进入高电压状态，即是判断电网电压是否大于预设电压，于本实施例中，预设电压为电网的基准电压的1.1倍。若电网进入高电压状态，则需要对风机进行高电压穿越控制，执行S3；若电网未进入高电压状态，则执行S1，继续对电网电压进行检测。

S3，当确认电网进入高电压状态时，确定进入高电压状态前后的电网电压变化量ΔU。

电网进入高电压状态，即电网电压升高过程中，需要风机保持有功的情况下，发出容性无功，以拉低电网电压，抵消电网电压的波动，提高故障穿越能力，这也是目前各风机厂家公认的做法，但对于无功功率发出量，不同厂家各不相同，但大多是按照电压的上升幅值对应某一固定无功量，对于无功补偿后能够拉低电压的幅度，没有预知，而且存在变流器的容量不能充分利用的问题。于本实施例中，根据电网进入高电压状态前后的电压变化量预先对无功功率发出量进行测算。计电网进入高压状态后的电压为U_后，电网进入高压状态前的电压为U_前，则电网电压变化量ΔU满足如下式子：ΔU＝U_后-U_前。

S4，根据电压变化量ΔU确定风机的无功功率目标值。

于本实施例中，根据电网进入高电压状态前后的电压变化量ΔU预先对无功功率发出量进行测算。电压变化量ΔU与风机的无功功率目标值满足如下式子：Q_set＝K·ΔU。其中，Q_set指风机定子的无功功率目标值，ΔU是指电网进入高电压状态前后的电网电压变化量，K为预先确定的电压-功率参数。

在对无功功率目标值进行测算前，需要先确定电压-功率参数K。例如，假设风场公共并网点电压保持不变，对于单台风机的入网点电压的变化量ΔU，在同一有功功率下，风机的无功变化量ΔQ满足如下式子：ΔQ＝(U/X)*ΔU。其中U为公共并网点电压，X为公共并网点到风机入网点之间的等效电抗。定义电压-功率参数K：

K＝U/X＝ΔQ/ΔU。利用曲线拟合的方法，在风机的工作参数中取多个点，在不同的ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3、ΔQ4…ΔQn下，记录对应的ΔU1、ΔU2、ΔU3、ΔU4…ΔUn，利用公式K＝U/X＝ΔQ/ΔU计算出K1、K2、K3、K4…Kn。然后对求取的K1、K2、K3、K4…Kn取平均得到：K＝(K1+K2+K3+K4+…Kn)/n。

当电网进入高电压状态后，根据进入高电压状态前后电网电压的变化量ΔU及预先确定的电压-功率参数K，可以确定无功功率目标值Q_set。根据预先确定的电压-功率参数K，根据电网在进入高电压状态前后的电压变化量确定风机的无功功率目标值，精确预知该电压变化量所需要的无功补偿量，也即是说，对于无功补偿后能够拉低电压的幅度，也是能够确定的，相对于现有技术的固定无功补偿量而言，可以做到更精准地调节控制。

S5，根据风机定子的额定有功功率确定风机定子的无功功率边界值。

于本实施例中，定子的无功功率边界值指定子的无功功率的最大值，即定子可以发出的最大的无功功率。有功功率及无功功率满足以下式子：(Q-Q_meg)²+Pn²＝Sn²，请参阅图2，图2中的阴影区域即为有功和无功的能力区域，其中，Q指风机定子的(容性)无功功率，Q_meg指风机的定子励磁无功，Pn为风机的有功功率，Sn指风机定子的额定容量。对于风机而言，定子励磁无功Q_meg、风机定子的额定容量Sn以及额定有功功率均为固定参数，因此当风机的有功功率Pn一定的情况下(如Pn为风机定子的额定有功功率)，即可以确定该有功功率对应的最大无功功率阈值Q，即风机的无功功率边界值。考虑发双馈发电机励磁无功，确定定子侧有功、无功的边界范围，根据此范围，可以得到在某一有功功率下，对应可以发出最大容性无功功率，即可以确定在额定有功功率下定子侧无功功率的边界值，通过电压变化量确定风机的无功功率目标值、以及确定的定子的无功功率边界值，能够对风机进行精确的控制，使其有效地完成高电压穿越。

需要说明的是，于本实施例中，S4、S5并无逻辑上的先后关系，二者可同时进行。

S6，根据风机定子的无功功率边界值及确定的无功功率目标值对风机进行调节控制。

于本实施例中，通过转子侧变流器通过无功功率环加无功给定到无功电流环的前馈控制完成控制策略。请参阅图3，图3示出了根据确定的无功功率目标值及无功功率边界值对风机进行调节控制的控制框图。

首先，将无功功率目标值及无功功率边界值输入一功率环比例积分控制器以确定转子无功电流。在该功率换比例积分控制器中，无功的前馈系数为Un/(3*E*Uo)，其中，Un表示风机定子侧的额定电压，E表示定子侧实际相电压，Uo表示转子开口电压。E/Xm为转子励磁电流，其中，Xm表示发电机(风机)互感。功率环比例积分控制器的反馈采用净无功反馈，在风机运行工程中，净无功可以实时测得。功率环比例积分控制器的输出结果为转子无功电流。

将确定的转子无功电流输入一电流环比例积分控制器以确定转子电压。

将功率换比例积分控制器的输出，即转子电流输入至电流环比例积分控制器，电流环比例积分控制器输出转子电压。于本实施例中，电流环比例积分控制器的反馈采用转子无功电流反馈，在风机运行过程中，转子无功电流可以实时测得。当确定转子电压后，根据确定的转子电压对风机的转子进行调节，以使风机向电网输出特定的电压幅度，以抵抗电网电压的波动。

第二实施例

请参阅图4，图4为本发明较佳实施例提供的一种风机高电压穿越控制装置200。需要说明的是，本实施例所提供的风机高电压穿越控制装置200，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例提供的风机高电压穿越控制方法基本相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。

请参阅图4，风机高电压穿越控制装置200包括：数据获取单元210、处理单元220及控制单元230。

其中，数据获取单元210用于实时检测获取电网电压。由于双馈风力发电机本身设计，额定运行时转子电压一般远低于定子电压，因此，电网电压的升高引起变频器的超调问题，于本实施例中，实时采集风机的入网点电网电压，以便根据电网电压的波动对风机输出进行控制调节。

可以理解地，在一种优选实施例中，数据获取单元210可以用于执行S1。

处理单元220，用于当获取的电网电压高于预设电压时确定电网进入高电压状态。

当检测的电网电压大于预设电压时确定电网进入高电压状态，即需要对风机进行高电压穿越控制。一般地，确定电网是否进入高电压状态，即是判断电网电压是否大于预设电压，于本实施例中，预设电压为电网的基准电压的1.1倍。若电网进入高电压状态，则需要对风机进行高电压穿越控制，若电网未进入高电压状态，则继续对电网电压进行检测。

可以理解地，在一种优选实施例中，处理单元220可以用于执行S2。

处理单元220，还用于当确认电网进入高电压状态时，根据进入高电压状态前后的电网电压的变化量ΔU确定风机的无功功率目标值，以及根据风机定子的额定有功功率确定风机定子的无功功率边界值。

于本实施例中，根据电网进入高电压状态前后的电压变化量预先对无功功率发出量进行测算。计电网进入高压状态后的电压为U_后，电网进入高压状态前的电压为U_前，则电网电压变化量ΔU满足如下式子：ΔU＝U_后-U_前。

据电网进入高电压状态前后的电压变化量ΔU预先对无功功率发出量进行测算。电压变化量ΔU与风机的无功功率目标值满足如下式子：Q_set＝K·ΔU。其中，Q_set指风机定子的无功功率目标值，ΔU是指电网进入高电压状态前后的电网电压变化量，K为预先确定的电压-功率参数。

定子的无功功率边界值指定子的无功功率的最大值，即定子可以发出的最大的无功功率。其中，额定有功功率及无功功率满足以下式子：(Q-Q_meg)²+Pn²＝Sn²，其中，Q指风机定子的无功功率，Q_meg指风机的定子励磁无功，Pn为风机的有功功率，Sn指风机定子的额定容量。对于风机而言，定子励磁无功Q_meg、风机定子的额定容量Sn以及额定有功功率均为固定参数，因此当风机的有功功率Pn一定的情况下(如P为风机定子的额定有功功率)，即可以确定该有功功率对应的最大无功功率阈值Q，即风机的无功功率边界值。考虑发双馈发电机励磁无功，确定定子侧有功、无功的边界范围，根据此范围，可以得到在某一有功功率下，对应可以发出最大容性无功功率，即确定定子侧无功功率的边界值，通过电压变化量确定风机的无功功率目标值、以及确定的定子的无功功率边界值，能够对风机进行精确的控制，使其有效地完成高电压穿越。

可以理解地，在一种优选实施例中，处理单元220可以用于执行S3～S5。

控制单元230，用于根据风机定子的无功功率边界值及确定的无功功率目标值对风机进行调节控制。

于本实施例中，通过转子侧变流器通过无功功率环加无功给定到无功电流环的前馈控制完成控制策略。请参阅图3，图3示出了根据确定的无功功率目标值及无功功率边界值对风机进行调节控制的控制框图。

首先，将无功功率目标值及无功功率边界值输入一功率环比例积分控制器以确定转子无功电流。在该功率换比例积分控制器中，无功的前馈系数为Un/(3*E*Uo)，其中，Un表示风机定子侧的额定电压，E表示定子侧实际相电压，Uo表示转子开口电压。E/Xm为转子励磁电流，其中，Xm表示发电机(风机)互感。功率环比例积分控制器的反馈采用净无功反馈，在风机运行工程中，净无功可以实时测得。功率环比例积分控制器的输出结果为转子无功电流。

将确定的转子无功电流输入一电流环比例积分控制器以确定转子电压。将功率换比例积分控制器的输出，即转子电流输入至电流环比例积分控制器，电流环比例积分控制器输出转子电压。于本实施例中，电流环比例积分控制器的反馈采用转子无功电流反馈，在风机运行过程中，转子无功电流可以实时测得。当确定转子电压后，根据确定的转子电压对风机的转子进行调节，以使风机向电网输出特定的电压幅度，以抵抗电网电压的波动。

可以理解地，在一种优选实施例中，控制单元230可以用于执行S6。

综上所述，本发明提供了一种风机高电压穿越控制方法及装置，通过实时检测电网电压，当确认电网进入高电压状态后，根据电网在进入高电压状态前后的电压变化量确定风机调节的无功功率目标值，同时根据风机的额定有功功率、额定容量等确定风机的无功功率边界值，根据确定的无功功率目标值及边界值对风机进行前馈控制，实现对风机的精准调节，使风机能够抵抗电网电压波动；同时可以保证无功功率的快速响应，充分利用变流器的容量，功率环不需要切出，避免了切换控制器，提高了风机的高电压穿越能力。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种风机高电压穿越控制方法，其特征在于，所述风机高电压穿越控制方法包括：

当确认电网进入高电压状态时，确定进入高电压状态前后的电网电压变化量ΔU；

根据所述电压变化量ΔU确定风机的无功功率目标值；所述电压变化量ΔU与所述风机的无功功率目标值满足如下式子：

Qset＝K*ΔU；

其中，所述Qset指所述风机定子的无功功率目标值，所述ΔU指所述电网进入高电压状态前后的电网电压变化量，所述K为预先确定的电压-功率参数；

根据所述风机定子的额定有功功率确定所述风机定子的无功功率边界值，所述边界值指所述无功功率的最大值，其中，所述额定有功功率及所述无功功率满足以下式子：

(Q-Qmeg)²+Pn²＝Sn²，

其中，所述Q指所述风机定子的无功功率，所述Qmeg指所述风机的定子励磁无功，所述Pn指所述风机的额定有功功率，Sn指所述风机定子的额定容量；

根据所述定子的无功功率边界值及所述无功功率目标值对所述风机进行调节控制。

2.根据权利要求1所述的风机高电压穿越控制方法，其特征在于，根据所述风机定子的无功功率边界值及确定的所述无功功率目标值对风机进行调节控制的步骤包括：

将所述无功功率目标值及所述无功功率边界值输入一功率环比例积分控制器以确定转子无功电流；

将所述转子无功电流输入一电流环比例积分控制器以确定转子电压；

根据所述转子电压对风机的转子进行调节。

3.根据权利要求1所述的风机高电压穿越控制方法，其特征在于，所述方法包括：

实时检测电网电压；

当检测的所述电网电压大于预设电压时确定所述电网进入高电压状态。

4.根据权利要求3所述的风机高电压穿越控制方法，其特征在于，所述预设电压为所述电网的基准电压的1.1倍。

5.一种风机高电压穿越控制装置，其特征在于，所述风机高电压穿越控制装置用于执行如权利要求1～4任意一项所述的风机高电压穿越方法，所述风机高电压穿越控制装置包括：

处理单元，用于当确认电网进入高电压状态时，根据进入高电压状态前后的电网电压的变化量ΔU确定所述风机的无功功率目标值；所述电压变化量ΔU与所述风机的无功功率目标值满足如下式子：

Qset＝K*ΔU；

其中，所述Qset指所述风机定子的无功功率目标值，所述ΔU指所述电网进入高电压状态前后的电网电压变化量，所述K为预先确定的电压-功率参数；

处理单元还用于根据所述风机定子的额定有功功率确定所述风机定子的无功功率边界值，所述边界值指所述无功功率的最大值，其中，所述额定有功功率及所述无功功率满足以下式子：

(Q-Qmeg)²+Pn²＝Sn²，

其中，所述Q指所述风机定子的无功功率，所述Qmeg指所述风机的定子励磁无功，所述Pn指所述风机的额定有功功率，Sn指所述风机定子的额定容量；

控制单元，用于根据所述风机定子的无功功率边界值及确定的所述无功功率目标值对风机进行调节控制。

6.根据权利要求5所述的风机高电压穿越控制装置，其特征在于，所述风机高电压穿越控制装置包括：

数据获取单元，所述数据获取单元用于实时检测获取电网电压；

所述处理单元还用于当获取的所述电网电压高于预设电压时确定所述电网进入高电压状态。

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