极弱电网下直驱风电系统低电压穿越功率切换控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种极弱电网下直驱风电系统低电压穿越功率切换控制方法，属于电力控制领域。该控制方法包括：正常电网情况下，给出了定电压的无功补偿控制方式，提高系统在弱网下的功率传输极限和系统稳定性；在并网点电压跌落的过程中，在满足风电场低电压穿越要求的情况下，合理配置无功补偿系数使得系统稳定性得以提高并具有灵活性；在电压跌落恢复过程中，采用有功电流按照斜率限幅进行恢复，无功电流快速切换的有功与无功协调控制策略，通过配置合适的有功恢复斜率即可满足低电压穿越有功恢复要求，提高了系统的动态响应速度和系统稳定性。定性。定性。

【技术实现步骤摘要】
极弱电网下直驱风电系统低电压穿越功率切换控制方法


[0001]本专利技术涉及一种风机变流器的低电压穿越有功与无功切换控制方法，尤 其是一种极弱电网下直驱风电系统低电压穿越功率切换控制方法，属于电力 控制领域。

技术介绍

[0002]随着新能源的快速发展和风力并网发电规模的不断扩大，电力电子并网 接口系统日趋于高比例化，电网逐渐呈现弱网的特性，同时实际风力发电运 行过程中常由于故障引起并网点电压跌落，导致并网之后严峻的低电压穿越 问题层出不穷，已严重威胁电网的安全稳定运行。因此，并网风电机组的低 电压穿越控制策略的研究已成为当下研究的热点。
[0003]直驱系统的研究开始较早，但由于技术不成熟和成本大的原因，发展较 慢，但随着近年来半导体材料的发展与进步，其得到了快速发展，优势得以 凸显。直驱永磁同步风力发电系统相比于双馈式风力发电系统，由于实现了 机侧发电机组与网侧的隔离，因而具有较强的低电压穿越能力，但由于长期 受到的限制，使得双馈风力发电系统得到了广泛的发展，目前关于低电压穿 越控制技术的研究也大多集中在双馈型风电机组，而直驱永磁系统的低电压 穿越控制技术的研究相比较少，尤其是弱电网情况下的低电压穿越控制策略 研究更少。
[0004]针对直驱永磁同步风力发电系统在低电压穿越过程中所面临的直流母线 电压急剧上升、波动和机网侧功率不匹配等问题，常规的控制策略多采用在 直流侧接入Crowbar和Chopper电路对多余的能量进行泄放，或者改变风力 发电机控制策略限制故障过程中的电磁功率输出以保证机网侧功率的平衡， 亦或者在直流侧增加储能装置对故障过程中网侧无法传输的能量进行存贮， 防止器件损坏，同时再结合网侧控制，实现系统的低电压穿越。常规的网侧 控制策略分为正常并网点电压情况与并网点电压跌落情况的控制策略，并网 点电压正常情况，网侧控制器多采用直流电压外环的单位功率因数控制，并 网点电压跌落情况下，网侧控制器按照风电场无功补偿要求对无功进行补偿， 同时对有功进行限制，虽然这样的控制策略也能够在一定程度上实现直驱永 磁同步风力发电系统的低电压穿越要求。不过大多数仅适用于强电网的工况 下，对电网强度敏感，电网适应性较差，而且无功补偿系数大多固定，不能 合理调节无功补偿电流。同时大多数文献对电压跌落过程中有功与无功切换， 尤其是电压恢复瞬间，有功与无功的无缝切换和协调控制技术鲜有研究和提 及，导致并网点电压恢复阶段有功与无功协调控制不明确，实际操作困难。
[0005]针对上述问题，国内外的专家学者们提出了一些方法，主要有：
[0006]题为“风力发电机组低电压穿越的无功电流控制方法和装置”的中国发 明专利申请说明书(CN108206535A)给出了一种根据电压故障发生前一时 刻单台风机发出的无功电流值，去调整低电压穿越过程中向电网发送的容性 无功电流值，进而在低电压穿越期间向电网输出更加合适的容性无功电流， 更好帮助系统穿越低电压过程，然而仅是阐述了电压跌落过程中无功电流的 选取，而对系统整个低穿过程中有功与无功的切换以及网侧低穿
的控制并未 提及，并不明确。
[0007]题为“全功率风电机组并网变流器低电压穿越控制方法”的中国专利技术专 利申请说明书(CN103187734A)公开的技术方案中，采用网侧变流器与机侧 变流器的协调控制策略实现全功率风电机组并网变流器的低电压穿越，无硬 件泄能电阻，减小了能量损失，简化了系统结构和体积，但是若风能不能突 然发生变化，则会影响到电压跌落后恢复时间过长，而且不能适应于弱电网。
[0008]题为“永磁直驱风电机组低电压穿越时有功和无功协调控制方法”的中 国专利技术专利申请说明书(CN102664427A)给出了一种低电压穿越时有功与无 功协调控制方法，它根据电网电压幅值变化对网侧变流器采用有功优先控制 策略或无功优先控制策略，而机侧采用基于转子储能的直流电压控制模式， 能够在保证满足功率器件应力的情况下，向电网输出更多的功率，能够提高 直驱永磁同步风电机组的低电压穿越能力，不过对电网的适应性不强，且控 制方法复杂。
[0009]总之，现有直驱永磁风力发电系统的低电压穿越控制策略，大多数仅适 用于强电网的工况，对电网的适应性不高，同时无功补偿电流的灵活性较差， 而且在整个低穿过程中，有功与无功切换过程不够明确。

技术实现思路

[0010]本专利技术要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对直驱 永磁同步风力发电系统在低电压穿越控制中，有功与无功的协调控制，以及 在电压恢复过程中有功与无功切换等问题，提供一种极弱电网下直驱风电系 统低电压穿越功率切换控制方法。
[0011]本专利技术的目的是这样实现的。本专利技术提供了一种极弱电网下直驱风电系 统低电压穿越功率切换控制方法，所述直驱风电系统的拓扑包括永磁同步电 机M、机侧滤波电容C1、机侧滤波电感L1、机侧变流器、直流侧滤波电容C
dc
、 网侧变流器、网侧变流器桥臂侧电感L、网侧滤波电容C和电网，机侧滤波 电感L1串接在永磁同步电机M与机侧变流器的三相输入端之间，机侧滤波电 容C1先串联电阻R1，再并接在永磁同步电机M与机侧滤波电感L1之间，机侧变 流器的两个直流侧输出端分别与网侧变流器的两个直流侧输入端相连，直流 侧滤波电容C
dc
并联在机侧变流器与网侧变流器之间，网侧变流器桥臂侧电感 L和网侧滤波电容C构成了网侧变流器的LC滤波器，网侧变流器的三相输出 端通过电阻R与LC滤波器的三相输入端一一对应相连，LC滤波器的三相输 出端分别在并网点通过电网的等效电阻R
g
与等效电感L
g
与三相电网e
a
、e
b
、e
c
相连；
[0012]所述控制方法的步骤如下：
[0013]步骤1，采样并网点电压u
pcca
u
pccb
，u
pccc
，对并网点电压u
pcca
，u
pccb
，u
pccc
进行 单同步旋转坐标变换得到并网点电压dq分量U
pccd
，U
pccq
；采样网侧变流器的 桥臂侧电感电流并记为桥臂侧电感电流i
La
，i
Lb
，i
Lc
，对桥臂侧电感电流i
La
，i
Lb
，i
Lc
进行单同步旋转坐标变换得到桥臂侧电感电流dq分量I
Ld
，I
Lq
；采样网侧变流 器的直流侧电压并记为直流侧电压U
dc
；
[0014]步骤2，根据步骤1中得到的并网点电压dq分量U
pccd
，U
pccq
，通过并网点电 压幅值计算方程得到并网点电压幅值U
m
，对并网点电压dq分量U
pccd
，U
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极弱电网下直驱风电系统低电压穿越功率切换控制方法，所述直驱风电系统的拓扑包括永磁同步电机M、机侧滤波电容C1、机侧滤波电感L1、机侧变流器、直流侧滤波电容C
dc
、网侧变流器、网侧变流器桥臂侧电感L、网侧滤波电容C和电网，机侧滤波电感L1串接在永磁同步电机M与机侧变流器的三相输入端之间，机侧滤波电容C1先串联电阻R1，再并接在永磁同步电机M与机侧滤波电感L1之间，机侧变流器的两个直流侧输出端分别与网侧变流器的两个直流侧输入端相连，直流侧滤波电容C
dc
并联在机侧变流器与网侧变流器之间，网侧变流器桥臂侧电感L和网侧滤波电容C构成了网侧变流器的LC滤波器，网侧变流器的三相输出端通过电阻R与LC滤波器的三相输入端一一对应相连，LC滤波器的三相输出端分别在并网点通过电网的等效电阻R
g
与等效电感L
g
与三相电网e
a
、e
b
、e
c
相连；其特征在于，所述控制方法的步骤如下：步骤1，采样并网点电压u
pcca
，u
pccb
，u
pccc
，对并网点电压u
pcca
，u
pccb
，u
pccc
进行单同步旋转坐标变换得到并网点电压dq分量U
pccd
，U
pccq
；采样网侧变流器的桥臂侧电感电流并记为桥臂侧电感电流i
La
，i
Lb
，i
Lc
，对桥臂侧电感电流i
La
，i
Lb
，i
Lc
进行单同步旋转坐标变换得到桥臂侧电感电流dq分量I
Ld
，I
Lq
；采样网侧变流器的直流侧电压并记为直流侧电压U
dc
；步骤2，根据步骤1中得到的并网点电压dq分量U
pccd
，U
pccq
，通过并网点电压幅值计算方程得到并网点电压幅值U
m
，对并网点电压dq分量U
pccd
，U
pccq
经过锁相环控制方程得到并网点矢量角θ；所述并网点电压幅值计算方程为：所述锁相环控制方程为：θ＝ω/sω＝(K
pllp
+K
plli
/s)(U
pccq
/U
base
‑
0)+ω0其中，ω为并网点角频率，s为拉普拉斯算子，U
base
为电压基准值，K
pllp
为锁相环比例控制系数，K
plli
为锁相环积分控制系数，ω0为电网同步角频率步骤3，根据步骤1中得到的直流侧电压U
dc
与给定的直流侧电压指令通过直流电压外环控制方程得到并网点电压正常情况下的电流内环d轴指令根据步骤2中得到的并网点电压幅值U
m
与给定的并网点电压幅值指令通过电压跌...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芳，徐韫钰，何国庆，李光辉，刘世权，刘威，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：