一种含分布式变频的动态分频风电系统及控制方法

1.本发明涉及风电技术领域，尤其是涉及一种含分布式变频的动态分频风电系统及控制方法。


背景技术：

2.未来风电仍将迅猛发展，且百兆瓦级的规模化风电仍然是风电开发的主要形式。规模化陆上风电和规模化海上风电往往都面临远距离输电的问题。另外风电机组单机容量增大、风电变流器容量也随之不断增加。
3.第一种与本发明最相近似的实现方案是风电场集中变频后经频率动态变化的低频交流送出，在该方案中风电场公共连接点是变压变频的交流母线，各台风电机组不采用背靠背变流器。
4.第二种与本发明最相近似的实现方案是变速恒频双馈风电机组，即双馈风力发电机通过背靠背变流器接入恒压恒频交流电网。
5.已有的第一种技术的缺点包括：1)各单台风电机组无法独立变速，因此当不同机组风速存在差异时会损失发电量。2)各台机组无法独立的实现快速、精确控制，在无功调节、机组稳定运行等方面可能存在不足。
6.已有的第二种技术的缺点包括：1)变速恒频双馈风电机组中，为了保证风电机组有充足的变速范围，变流器容量通常为额定容量的30％。随着风电机组单机容量不断提升，即便是30％额定容量的变流器也可能用到多台变流器并联的技术，从而不可避免的存在环流等不利影响。2)风电机组并入频率较高的工频电网，而风力机旋转速度很低，因此双馈发电机和风力机之间需要转速变比较高的齿轮箱(转速变比通常为100以上，采用两级变速)，对成本和可靠性不利。3)需要额外的技术解决风电远距离送出问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种含分布式变频的动态分频风电系统及控制方法。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.一种含分布式变频的动态分频风电系统，该系统包括分布式变频风电场、长距离输电线路和集中变频器，所述分布式变频风电场包括多台双馈机组，所有所述双馈机组通过风电场集电子系统汇集连接至风电场公共连接点后与所述长距离输电线路的一端相连接，所述长距离输电线路的另一端与所述集中变频器的交流端口2相连接，所述集中变频器的交流端口1与工频电网相连接。
10.进一步地，所述的集中变频器的拓扑结构采用背靠背电压源型变换器、交-交直接变频器或旋转式分频变压器，所述的背靠背电压源型变换器包括两电平电压源型变换器、多电平电压源型变换器和模块化多电平变换器；所述交-交直接变频器包括周波变换器、矩阵变换器和模块化多电平矩阵变换器；所述旋转式分频变压器由绕线转子异步电机和同步
电机通过机械轴相互连接构成，所述绕线转子异步电机还配置有变流器。
11.进一步地，所述的集中变频器的拓扑结构的具体选择所需满足的条件要求包括：所述集中变频器的交流端口2具有维持所述双馈机组发电机定子磁通为额定磁通的变压变频特性，所述长距离输电线路上所传输的为频率动态变化的低频交流电，并为所有所述双馈机组实时集中变频，各台所述双馈机组自身的背靠背变流器在集中变频的基础上实时小幅度、差异化变频调速。
12.本发明还提供一种基于所述的含分布式变频的动态分频风电系统的集中变频器控制方法，该方法包括以下步骤：
13.步骤1：检测流入具有维持所述双馈机组定子磁通为额定磁通的变压变频特性的所述集中变频器的交流端口2的有功功率，并依据有功功率进一步计算得到所述集中变频器的交流端口2所需求的三相交流电压频率参考值；
14.步骤2：对三相交流电压频率参考值进行上下限限幅；
15.步骤3：基于三相交流电压频率参考值得到风电场中双馈发电机所需求的三相交流电压参考幅值；
16.步骤4：基于风电场中双馈发电机所需求的三相交流电压参考幅值，并结合三相交流电压参考幅值的修正量，得到所述集中变频器的交流端口2的三相交流电压参考幅值；
17.步骤5：所述集中变频器在其自身控制单元的控制作用下，根据步骤1和步骤4中分别得到的所述集中变频器的交流端口2所需求的三相交流电压频率参考值以及三相交流电压参考幅值，输出对应的三相交流电。
18.进一步地，所述的步骤1中的集中变频器的交流端口2所需求的三相交流电压频率参考值，其计算公式为：
[0019][0020]
式中，f
*
为集中变频器的交流端口2所需求的三相交流电压频率参考值，n为风电场中处于正常发电状态的机组台数，k
opt
为风力机气动特性决定的常数，且其中，r为风力机桨叶半径，c
pmax
为风力机的最大风能利用系数，λ
opt
为风力机的最佳叶尖速比，ρ为空气密度，n
gb
为风电机组的齿轮箱变速比，n
p
为发电机极对数，p
eσ
为集中变频器的交流端口2的有功功率。
[0021]
进一步地，所述的步骤2中的上下限限幅包括频率上限和频率下限，其中，所述频率上限，其描述公式为：
[0022][0023]
式中，fh为频率上限，ωn为双馈机组额定转速对应的风力机转速，n
gb
为风电机组的齿轮箱变速比，n
p
为发电机极对数；
[0024]
所述频率下限，其描述公式为：
[0025][0026]
式中，f
l
为频率下限，ω
min
为双馈机组最低并网转速对应的风力机转速。
[0027]
进一步地，所述的步骤3中的风电场中双馈发电机所需求的三相交流电压参考幅值，其计算公式为：
[0028][0029]
式中，为风电场中双馈发电机所需求的三相交流电压参考幅值，k
u/f
是维持双馈发电机定子磁通为额定磁通的定子电压幅值与定子频率之比，通常可取为双馈发电机定子额定电压与双馈发电机定子额定频率之比。
[0030]
进一步地，所述的步骤4中的集中变频器的交流端口2的三相交流电压参考幅值，其计算公式为：
[0031][0032]
式中，u
*
为集中变频器的交流端口2的三相交流电压参考幅值，δu为三相交流电压参考幅值的修正量，n
t
为从双馈发电机定子到集中变频器交流端口2之间的变压比。
[0033]
本发明还提供一种基于所述的含分布式变频的动态分频风电系统的双馈机组控制方法，该方法具体包括：所述双馈机组中设置有双馈发电机和背靠背电压源型变换器，所述背靠背电压源型变换器包括机侧变流器和网侧变流器，所述机侧变流器和网侧变流器其中之一控制所述双馈发电机的转矩以实现变速最大功率跟踪运行，另一个控制所述背靠背电压源型变换器的直流母线电压，所述机侧变流器和网侧变流器的具体控制策略采用矢量控制或虚拟同步机控制，当所述机侧变流器和网侧变流器的具体控制策略采用虚拟同步机控制时，所述机侧变流器和网侧变流器分别采用虚拟同步发电机控制和虚拟同步电动机控制。
[0034]
进一步地，所述直流母线电压的控制参考值跟随所述双馈发电机定子电压的有效值线性变化，或采用动态贴下限直流母线电压控制。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0036]
1)本发明系统包括分布式变频风电场、长距离输电线路和集中变频器，分布式变频风电场包括多台双馈机组，所有双馈机组通过风电场集电子系统汇集连接至风电场公共连接点后与长距离输电线路的一端相连接，长距离输电线路的另一端与集中变频器的交流端口2相连接，集中变频器的交流端口1与工频电网相连接，本发明方案以较小的机组变流器容量实现各台风电机组差异化、快速精确的控制，且同时解决了机组独立变速和大规模风电远距离送出的技术难题；
[0037]
2)配合整场集中变频和机组独立变频，风电机组可获得比常规双馈机组更宽的变速范围，从而在更宽的风速区间最大功率跟踪；
[0038]
3)有效降低风电机组齿轮箱的转速变比，从而实现齿轮箱的结构简化和降本；
[0039]
4)本发明在不影响风电机组控制性能的条件下，可有效降低双馈机组背靠背变流器容量和齿轮箱变速比，并有望提升双馈机组的变速范围。另外，由于双馈机组背靠背变流器处理的功率更小，可以预期降低整个风电机组的损耗。
附图说明
[0040]
图1为本发明含分布式变频的动态分频风电系统的结构示意图；
[0041]
图2为本发明含分布式变频的动态分频风电系统的应用示意图。
具体实施方式
[0042]
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0043]
本发明要解决的问题是大规模风电开发远距离送出系统中，如何在减少电力电子装置容量的同时保证控制性能不受影响且不损失发电量。
[0044]
据此，本发明基本技术方案如下：
[0045]
本发明含分布式变频的动态分频风电系统由分布式变频风电场、长距离输电线路和集中变频器构成，如图1所示。集中变频器实现分布式变频风电场的整场集中变频，并控制长距离输电线路传输频率动态变化的低频交流电，分布式变频风电场中的各台风电机组在整场集中变频的基础上实施小范围的差异化变频，以应对不同风电机组的风速差异。
[0046]
1)分布式变频风电场包含多台双馈机组和风电场集电系统，风电场集电系统用于将多台双馈机组汇集到一个风电场公共连接点。由于采用了分布式变频技术，双馈机组的变流器容量仅为机组容量10％左右。
[0047]
2)长距离输电线路用于交流电能传输，作为显著特征，长距离输电线路上面传输的是频率动态变化的低频交流电。
[0048]
3)集中变频器包含两个交流端口，交流端口1连接至工频电网，交流端口2具有变压变频特性，近似为恒压频比特性，即电压与频率的比值是与发电机参数相关的常数，目的是维持发电机定子磁通恒定，并通过长距离输电线路与分布式变频风电场相连。
[0049]
具体实施例1
[0050]
第一部分：总体介绍
[0051]
本发明由分布式变频风电场、长距离输电线路和集中变频器构成。
[0052]
1)分布式变频风电场包含多台双馈机组和风电场集电系统，风电场集电系统用于将多台双馈机组汇集到一个风电场公共连接点。由于采用了分布式变频技术，双馈机组的变流器容量仅为机组容量10％左右(区别于现有主流的双馈机组技术中变流器容量通常为额定容量的30％)。
[0053]
2)长距离输电线路用于交流电能传输，根据应用场景可以是架空线或电缆。作为显著特征，长距离输电线路上面传输的是频率动态变化的低频交流电，本实施例中，长距离输电线路的具体距离为50km以上。
[0054]
3)集中变频器包含两个交流端口，交流端口1连接至工频电网，交流端口2与长距离输电线路相连。
[0055]
集中变频器可采用多种可选的拓扑结构，包括但不限于：1.背靠背电压源型变换器(包括两电平电压源型变换器、多电平电压源型变换器、模块化多电平变换器)，此类集中变频器由两个背靠背的电压源型变换器组成，本发明中将靠近电网的称为网侧电压源型变换器，靠近风电场的称为风场侧电压源型变换器；2.交-交直接变频器，包括周波变换器、矩阵变换器、模块化多电平矩阵变换器；3.旋转式分频变压器，是由一台绕线转子异步电机和一台同步电机通过机械轴相互连接构成的装置，其中绕线转子异步电机还配有变流器。
[0056]
第二部分：集中变频器的控制
[0057]
首先，检测流入集中变频器交流端口2的有功功率p
eσ
，按照下式确定集中变频器交流端口2需求的三相交流电压频率参考值f
*
：
[0058][0059]
式中，f
*
为集中变频器的交流端口2所需求的三相交流电压频率参考值，n为风电场中处于正常发电状态的机组台数，k
opt
为风力机气动特性决定的常数，且其中，r为风力机桨叶半径，c
pmax
为风力机的最大风能利用系数，λ
opt
为风力机的最佳叶尖速比，ρ为空气密度，n
gb
为风电机组的齿轮箱变速比，n
p
为发电机极对数，p
eσ
为集中变频器的交流端口2的有功功率。
[0060]
其次，对频率参考值f
*
进行上下限限幅，包括频率上限和频率下限，其中，频率上限，其描述公式为：
[0061][0062]
式中，fh为频率上限，ωn为双馈机组额定转速对应的风力机转速，n
gb
为风电机组的齿轮箱变速比，n
p
为发电机极对数；
[0063]
频率下限，其描述公式为：
[0064][0065]
式中，f
l
为频率下限，ω
min
为双馈机组最低并网转速对应的风力机转速。
[0066]
第三步，确定风电场中双馈发电机需求的三相交流电压参考幅值：
[0067][0068]
式中，为风电场中双馈发电机所需求的三相交流电压参考幅值，k
u/f
为双馈发电机定子额定电压与双馈发电机定子额定功率之比。
[0069]
第四步，计算三相交流电压参考幅值的修正量，得到集中变频器交流端口2的三相交流电压参考幅值：
[0070][0071]
式中，u
*
为集中变频器的交流端口2的三相交流电压参考幅值，δu为三相交流电压参考幅值的修正量，n
t
为从双馈发电机定子到集中变频器交流端口2之间的变压比，当无变压器时，该变压比等于1；当有多台变压器时，该变压比等于多台变压器变比的乘积，三相交流电压参考幅值的修正量δu可以通过计算线路压降确定，或依据无功-电压下垂控制确定。
[0072]
第五步，集中变频器在其控制单元的控制作用下，在交流端口2产生频率参考值为f
*
、电压幅值参考值为u
*
的三相交流电。集中变频器可以有多种不同的拓扑结构，不同拓扑的集中变频器通过选择相应的控制策略，从而在交流端口2实现上述频率和电压的三相交流电，具体实现方法在此不做限定。
[0073]
第三部分：分布式变频风电场中的双馈机组控制
[0074]
双馈机组采用背靠背电压源型变换器，包括机侧变流器和网侧变流器，二者之一
控制双馈发电机的转矩实现变速最大功率跟踪运行，另一个控制背靠背电压源型变换器的直流母线电压。机侧变流器和网侧变流器具体的控制策略可以采用矢量控制或虚拟同步机控制。当采用矢量控制时，机侧变流器和网侧变流器分别采用发电机定子电压定向矢量控制和电网电压定向矢量控制，要求锁相环能在较宽频率范围内锁相；当采用虚拟同步机控制时，机侧变流器和网侧变流器分别采用虚拟同步发电机控制和虚拟同步电动机控制。
[0075]
第四部分：典型应用
[0076]
介绍本发明技术方案的两种典型应用，如图2所示。
[0077]
第一种典型应用是需要远距离送出的大容量远海风电场，其中风电机组采用高压双馈发电机，定子额定电压典型值10kv至35kv，由于发电机转差率很小，背靠背变流器采用低压变流器，在网侧变换器与发电机定子之间采用一台升压变压器。多台风电机组经集电线路汇集至风电场公共连接点后，采用风场升压变升压，以频率动态变化的低频交流进行输电，并通过集中变频器变换至工频电网，其中输电采用的交流电的频率上限建议取为50hz/3，频率下限建议为8～10hz。所采用的低频交流可实现大容量远距离输送，同时该方案下，位于海上的电力电子装置的容量仅为风电场额定容量的10％左右，且整体控制性能完全不受影响。
[0078]
本发明中风电场公共连接点的电压幅值是变化的，不论采用矢量控制或是虚拟同步机控制，都建议背靠背电压源型变换器的直流母线电压能够跟随风电场公共连接点电压幅值的波动而变化，即风电场公共连接点电压幅值升高时背靠背电压源型变换器的直流母线电压升高，风电场公共连接点电压幅值降低时背靠背电压源型变换器的直流母线电压降低。一种实现上述功能的方法是采用动态贴下限直流母线电压控制。
[0079]
具体实施例2
[0080]
本发明中双馈机组采用常规的30％额定容量的背靠背变流器也是可行的，且可以让机组获得更宽的变速范围。
[0081]
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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。