并网型双馈发电机组孤岛穿越控制方法、系统及发电机组与流程

1.本发明主要涉及风电技术领域，具体涉及一种并网型双馈发电机组孤岛穿越控制方法、系统及发电机组。


背景技术：

2.随着风电装机容量的不断提升，其占据整个电网容量的比例越来越大，对电网的运行和控制影响也越大；同时，由于大多数架空线路故障为瞬态或暂时的，为了减少了停电损失、提高供电的安全性和可靠性，在电力系统中一般会采用自动重合闸技术，以便发生故障后及时恢复供电，然而目前已并网的风机都无法适应这种工况。之前某地曾经发生了一起输电线路三相瞬态断开故障，使整个区域西部地区的风机全部脱网，致使电网潮流严重不平衡，最终导致电网大面积坍塌，给工农业生产造成了不可估量的经济损失。如果发生瞬时断网故障后风机不脱网并及时参与电网潮流的控制、助力电网穿越三相瞬态断开故障，则能以稳定电网运行、避免电网大面积坍塌，因此解决并网风电机组短时间孤岛不脱网运行控制技术的研究迫在眉睫。
3.分散式风电机组的孤岛穿越和零电压穿越，从电网端看都是电网电压跌落到零，但是两者有本质区别：零电压穿越是变压器高压侧电网短路，孤岛穿越是变压器高压侧电网开路。针对零电压穿越，目前已有很多文献报道，但相关孤岛穿越的文献相对较少。文献[不平衡负载下dfig的孤岛运行控制技术]中，介绍了分散式双馈风电机组在不平衡负载下的孤岛运行控制技术。文献[双馈风机孤岛模式下恒压恒频运行控制策略]中，通过调节转子磁场旋转频率控制定子电压频率，调节转子磁通幅值控制电机内电势；控制转换开关，使得双馈风机孤岛下借助蓄电池进行起动励磁，之后投入直流电容并退除蓄电池，实现双馈风机孤岛恒压恒频运行。文献[大功率双馈发电机“孤岛”并网方式]中，提出了一种新型的大功率双馈发电机并网方式，即“孤岛”并网方式。文献[孤岛模式下的微电网低频减载策略分析]中，在孤岛运行模式下，提出了定子电压恒幅值控制策略。但是，以上文献所提方法只适用于分散式风力发电机组。针对并网双馈风力发电机组的孤岛运行时，由于其负载为机组变压器、变流器本体的滤波电容以及斩波电阻，容量都比较小，控制更为复杂，因此在国内很少报道。
[0004]
目前，行业内通用的风电机组孤岛运行方案有以下两类：一是双馈风力发电机机组，在电网断电后由于发电机无法并网，不能继续发电，所以只能利用外置柴油发电机组实现风机的控制系统运行和监控，但是运行时间受到柴油容量的限制，而且非常消耗成本和污染环境。
[0005]
二是常规型直驱永磁风电机组的方案，可以利用具备电池储能功能的ups电源实现停电后的风机启动，风机启动后自我发电给ups充电，以此实现能量循环。但此方案要求ups的电池容量应满足整个机组的运行要求，且电池寿命较短，需要定期更换电池，维护成本高；且电网断电后需要风机先停机保护，然后再通过ups的电源进行远程控制启动，不能实现风机正常运行与孤岛运行两种模式之间的平滑切换。


技术实现要素：

[0006]
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种提高风机对电网变化的适应性以及风机发电效率的并网型双馈发电机组孤岛穿越控制方法、系统及发电机组。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0008]
一种并网型双馈发电机组孤岛穿越控制方法，包括步骤：
[0009]
s1、获取电网孤岛运行触发信号flag_mod_control；
[0010]
s2、当电网孤岛运行触发信号flag_mod_control为0时，双馈发电机组运行在有功和无功闭环控制模式；
[0011]
当电网孤岛运行触发信号flag_mod_control为1时，双馈发电机组运行在虚拟同步控制的孤岛运行模式。
[0012]
优选地，在有功和无功闭环控制模式下，电流内环d，q轴指令值切换为切换为同时转子电流的变换角切换为θ1-θr，其中θ1为电网位置信息，θr为发电机位置角。
[0013]
优选地，在虚拟同步控制的孤岛运行模式下，电流内环d，q轴指令值切换为切换为同时转子电流的变换角切换为θ2-θr，其中θ2为虚拟同步机的输出电角度，θr为发电机位置角。
[0014]
优选地，在双馈发电机组运行在有功和无功闭环控制模式下时，通过发电机组原有的供电单元为风机控制系统供电；当双馈发电机组运行在虚拟同步控制的孤岛运行模式下时，通过新增的dc/dc变换器为风机控制系统供电，其中dc/dc变换器的输入端接入双馈发电机组的中间直流回路，输出端接入供电单元。
[0015]
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。
[0016]
本发明进一步公开了一种并网型双馈发电机组孤岛穿越控制系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。
[0017]
本发明还公开了一种并网型双馈发电机组，包括依次相连的变压单元、功率单元、供电单元和如上所述的并网型双馈发电机组孤岛穿越控制系统，所述供电单元的输入端与变压单元的输出端相连，输出端与风机控制系统相连。
[0018]
优选地，所述供电单元包括依次相连的辅助用电变压器t2、三相整流桥和电池，其中辅助用电变压器t2的输入端与变压单元的输出端相连，所述电池的输出端与风机控制系统相连，所述三相整流桥与电池之间设置有第一开关。
[0019]
优选地，还包括dc/dc变换器，所述dc/dc变换器的输入端接入双馈发电机组的中间直流回路，输出端接电池；所述dc/dc变换器与电池之间设置有第二开关；在双馈发电机组运行在有功和无功闭环控制模式下时，第一开关闭合，第二开关断开，由供电单元为风机控制系统供电；在双馈发电机组运行在虚拟同步控制的孤岛运行模式下时，第一开关断开，第二开关闭合，由dc/dc变换器为风机控制系统供电。
[0020]
优选地，所述第一开关和第二开关均为接触器或继电器。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0022]
本发明根据电网的额定值ω1实时检测机组孤岛运行状态flag_mod_control标志，根据该标志实时切换恒功率模式与虚拟同步控制的孤岛运行模式，有效解决了风机孤岛模式下不间断运行，提高风机对电网变化的适应性，同时提高了风机发电效率；另外通过上述具体的切换过程，保证孤岛运行与功率闭环控制平滑切换，大大减少了切换时入网的电流冲击。
附图说明
[0023]
图1为本发明中的恒功率控制下的双馈电机控制框图。
[0024]
图2为本发明的虚拟同步控制框图。
[0025]
图3为本发明中基于虚拟同步控制的孤岛运行控制原理框图。
[0026]
图4为本发明的控制方法在实施例的流程图。
[0027]
图5为本发明的发电机组在实施例的拓扑结构图。
[0028]
图6为本发明中电网断电又重合闸时的变流器运行数据波形图。
[0029]
图7为本发明中孤岛运行模式下的电网频率波形图。
具体实施方式
[0030]
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0031]
其中风电机组中的双馈发电机控制基本原理说明如下：
[0032]
如图1所示，同步旋转坐标系下，双馈电机的磁链和电压数学模型为：
[0033][0034][0035]
上式中，r
s-发电机定子电阻；r
r-转子电阻；u
sd
,u
sq-定子电压d、q分量；u
rd
,u
rq-转子电压d、q分量；i
sd
,i
sq-定子电流d、q分量；i
rd
,i
rq-转子电流d、q分量；ψ
sd
,ψ
sq-定子磁链d、q分量；ψ
rd
,ψ
rq-定子磁链d、q分量；l
s-发电机定子绕组漏感；l
m-发电机绕组互感；l
r-发电机转子绕组漏感；ω
1-电网角频率；ω
s-转差角频率。
[0036]
在电网稳定情况下，采用网压定向且忽略定子电阻，由式(1)和式(2)可得到：
[0037][0038]
式中，u1为相电压幅值。
[0039]
式(3)为双馈电机工作在恒功率模式下控制方程，其基本控制框图如图1所示，其中pll为电网电压锁相环，u
abc
为电网电压三相电压；i
abc
为三相总电流；i
rabc
为转子三相电流，ωr为双馈电机转子电角速度。
[0040]
如图2所示，虚拟同步发电机的有功-频率动态特性通过虚拟调速器实现，无功-电压下垂控制得到网侧虚拟同步发电机的输出电压。虚拟调速器通过比例调节器控制，指令为额定角频率，反馈频率为自身输出的角频率。频率差与功率差的和经过一阶惯性阻尼环节后加上频率前馈后就是输出角频率。
[0041]
本发明设置输出角频率限幅在0.1ω1和1.1ω1之间，角频率经过积分得到同步旋转坐标变换角度。无功-电压下垂控制是无功指令与实际功率之差经过下垂系数后加上额定电压指令输出电压值，其值作为电压环给定。其中，无功功率经过低通滤波器滤波。q-u下垂控制输出也需要加上限幅，限幅设置范围为0.8e
ref
到1.2e
ref
。
[0042]
根据图2，其虚拟同步控制算法表达式为：
[0043][0044]
式中，ω1为电网额定角频率；ω为虚拟同步控制角频率；p
ref
为有功功率指令；p0为实际输出功率；k
ω
为比例调节器比例系数；j
ω
为虚拟惯量系数；d
ω
为虚拟阻尼系数。
[0045]
如图4所示，本发明实施例的并网型双馈发电机组孤岛穿越控制方法，具体包括以下步骤：
[0046]
s1、变流器实时检测电网孤岛运行触发信号flag_mod_control；其中电网孤岛运行触发信号flag_mod_control根据电网的额定角频率ω1实时检测得到；
[0047]
s2、当flag_mod_control为0时，电流内环d，q轴指令值切换为其中是参数有功功率p0经过一阶惯性环节、比较环节以及pi调节环节得到；是参数无功功率q0经过一阶惯性环节、比较环节以及pi调节环节得到；同时转子电流的变换角切换为(θ1-θr)，其中θ1为电网位置信息，θr为发电机位置角，双馈发电机组运行在正常模式下，即有功、无功闭环控制；
[0048]
当flag_mod_control为1时，电流内环d，q轴指令值切换为同时转子电流的变换角切换为(θ2-θr)，其中θ2为虚拟同步机的输出电角度，是参数虚拟同步机的输出电角度θ2与虚拟同步机输出电压幅值ed之差经过正弦信号处理电路、比较环节以及r
sv
和环节、最后经过三相静止坐标系到同步旋转坐标系得到。双馈发电机组运行在虚拟同步控制的孤岛运行模式下，其作用与同步发电机的调压、调频一致，控制电网pcc点稳定运行。
[0049]
本发明根据电网的额定值ω1实时检测机组孤岛运行状态flag_mod_control标志，根据该标志实时切换恒功率模式与虚拟同步控制的孤岛运行模式，有效解决了风机孤岛模式下不间断运行，提高风机对电网变化的适应性；同时提高了风机发电效率；另外通过上述步骤s2的切换过程，保证孤岛运行与功率闭环控制平滑切换，大大减少了切换时入网
的电流冲击。
[0050]
进一步地，在孤岛运行模式下，考虑机组电源不稳定的可能性，导致控制系统电源失稳，故通过新增加的dc/dc变换器向风机电池组充电，保证供电电源的稳定性、可靠性。其中dc/dc变换器的输入端接入双馈发电机组的中间直流回路，输出端接入供电单元。通过上述方案实现了控制系统供电电源平稳过渡，以保证孤岛模式下控制系统供电电源稳定性。
[0051]
本发明的方法具有良好的鲁棒性和动、静态性能，同时控制方法简单、易工程化，具有较大的实用价值。
[0052]
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。本发明进一步公开了一种并网型双馈发电机组孤岛穿越控制系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。本发明的介质和控制系统，与上述控制方法相对应，同样具有如上控制方法所述的优点。
[0053]
如图5所示，本发明实施例进一步公开了一种并网型双馈发电机组，包括依次相连的变压单元、功率单元和供电单元，供电单元的输入端与变压单元的输出端相连，输出端与风机控制系统相连，同时还包括如上所述的并网型双馈发电机组孤岛穿越控制系统。其中供电单元包括依次相连的辅助用电变压器t2、三相整流桥和电池，其中辅助用电变压器t2的输入端与变压单元的输出端相连，电池的输出端与风机控制系统相连，三相整流桥与电池之间设置有第一开关k2(如接触器或继电器等)。本发明的并网型双馈发电机组，包括如上所述的控制系统，同样具有如上控制系统所述的优点。
[0054]
在一具体实施例中，还包括dc/dc变换器，dc/dc变换器的输入端接入双馈发电机组的中间直流回路，输出端接电池；dc/dc变换器与电池之间设置有第二开关k3(如接触器或继电器等)；在双馈发电机组运行在有功和无功闭环控制模式下时，k2闭合，k3断开，由供电单元为风机控制系统供电；在双馈发电机组运行在虚拟同步控制的孤岛运行模式下时，k2断开，k3闭合，由dc/dc变换器为风机控制系统供电。该方案充分利用风机原有的的电池，只需要增加一个40kw功率的dc/dc变换器，最大程度节约成本。
[0055]
如图6所示，其中示出了整个孤岛穿越过程中转子电流及直流母线电压情况，可以看出，转子电流及直流母线电压可控，变流器本体安全有效运行。从图7所示的电网频率波形图中可以看出，电网频率在整个孤岛过程中，频率基本保持不变。上述数据验证本发明实现了电网断电又重合闸时并网型双馈风电机组孤岛穿越全过程安全运行。
[0056]
如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0057]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。