专利名称：全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发设备的运行控制技术，具体是一种全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法。
背景技术：
风能作为一种可再生能源，能有效解决化石能源枯竭等问题，因而近得到越来越广泛的应用。目前风电在整个电力系统供电中所占比例越来越大，各国相继出台了法规要求风机在电网故障下具备一定的穿越能力(低电压穿越)。带全功率变频器的高速永磁风机由于其优越的低电压穿越性能在风电机组中有着广泛运用。在电网故障情况下，电机侧变流器采用直接转矩控制策略时通常直接降低参考给定转矩指令，达到减少发电机输出功率即可实现机组的低电压穿越。但是，风机运行工况恶劣考虑到风机疲劳磨损，如果风机在电网故障下一直采用降低参考转矩给定的方式这对于机组机械载荷冲击很大，不利于风机在设计寿命周期安全运行。通过在系统直流侧增加撬棒电路，吸收电网故障下多余的能量，也能够帮助系统实现低电压穿越。例如专利文献《一种提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法》(申请号:2011 10181264.8)，《直驱风电变流器直流卸荷电路》(申请号=201120439682.8)等提出的技术方案，但上述技术方案只是简单的将风机多余的能量直接消耗掉，没有考虑机组载荷的影响与直流侧撬棒电路组合的优化控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在电网故障时减小风电机组载荷、机组运行安全稳定、能够吸收和存储利用电网故障下的多余的能量的全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法。本发明的全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法是:在风电系统的电机侧通过减小机侧变流器直接转矩控制中参考给定转矩指令Te*来降低电网故障下对机组的机械载荷冲击；同时，在直流侧设置带储能环节的撬棒电路对电网故障下多余的能量进行吸收和存储，以实现风机的低电压穿越。所述带储能环节的撬棒电路并联在风电系统的直流母线上，它包括功率单元IGBTl、功率单元IGBT2、滤波电感L、直流稳压电容C1及电容等效电阻R1、超级电容组C2 ;母线正极接功率单元IGBTl的C极，功率单元IGBTl的E极接功率单元IGBT2的C极，功率单元IGBT2的E极接母线负极；滤波电感L 一端接功率单元IGBTl的E极，另一端经串接的电容等效电阻R1和直流稳压电容C1接母线负极；超级电容组C2 —端接在滤波电感L和电容等效电阻R1之间，另一端接母线负极；上述带储能环节的撬棒 电路工作过程中，首先通过测量电网电压uab。判断电网是否正常运行；如果电网正常则撬棒电路无需投入，如果电网出现故障，则将该部分电路需要消耗的功率与负载电压U相除得到参考电流Γ ;该参考电流与负载电流i作差再进行比例积分PI调节，再进行PWM调制即可得到控制功率单元IGBTl的脉冲信号gl，将该信号取反得到控制功率单元IGBT2的信号g2 ;从而实现风机的低电压穿越。本发明通过在直接转矩控制中适当减小参考转矩给定值来减小机组载荷，同时通过在直流侧增加带储能环节的撬棒电路能够有效的吸收电网故障下多余的能量，有利于机组安全可靠稳定运行。当风机在正常情况下，机组撬棒电路不接入系统中。当风机在电网故障情况下，能够在规定的时间内存储相应的电能并实现风机的低电压穿越。当电网出现用电高峰时，能够释放所存储的能量实现能量的循环利用。
图1是采用本发明控制方法的系统控制原理框图；图2是采用本发明控制方法的系统风机定子磁链模型结构框图；图3是采用本发明控制方法的电机转矩模型结构框图；图4是本发明实施例中直流侧带储能环节的撬棒电路图。
具体实施例方式全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法涉及控制主要包括两大部分:第一部分为电机侧变频器的直接转矩控制方法(见图1)，第二部分为直流侧带储能环节撬棒电路控制方法(见图3)。其中:第一部分电机侧变频器的直接转矩控制方法。所述直接转矩控制是在两相静止坐标系(α β坐标)上进行的。α β坐标系下的 电机矩阵方程式为:
rs* + 1.p oo Irijo
1V = 0 ^+ Μ* O ^mP ist urtcLmp wLm Rr + LrP oily ire
J I Icoim LmP\ω τ Rr 十 L7p [ir5式中，usa, us0, ura, Ur0分别为定/转子电压在α β坐标系上的分量；isa、is0、iM、ir0分别为定/转子电流在α β坐标系上的分量；Rs、Rr, Ls、Lm、Lp P、ω分别为定/转子绕组等效电阻、定子电感、互感、转子电感、磁极对数、转子角速度；(pm、(psp、φ 、穴〃分别为定/转子磁链在α β坐标系上的分量；电机定子电压在α β坐标系上的表达式为:
%a = RJsa +kPha + LmPKa = KL + ΡΨ,α
uSP = ΚΚβ + LsPhp + LmPKp = RJsp + ΡΨ,β对上式整理后得:
9sa=kum-Risu)dtφ β =Kusp-RsKP)dt再将上式中定子磁链在α β坐标系上的分量进行极坐标变换(Κ/P变换)，即可获得定子磁链死如图2所示。电机的电磁转矩表达式为:Te = npLffl(is0ira-1sairfi),即可获得图3所示的控制框图。在该部分中，首先通过测量电网电压Uab。判断电网是否正常运行。如果电网正常，参考给定转矩指令Te*即按照正常情况设置。当电网出现故障时，考虑到机组所能承受的机械载荷参考给定转矩指令Te* = kAP/ω。其中，参数k为(0_1)范围内变化的参数,该参数由风机风速、电网跌落程度、风机载荷等工况决定，ΛΡ为电网故障前时机组发出的功率。第二部分直流侧带储能环节的撬棒电路控制方法。该电路主要包括两个功率单元IGBT1、IGBT2，滤波电感L、直流稳压电容C1及电容等效电阻R1、超级电容组C2。首先通过测量电网电压Uab。判断电网是否正常运行。如果电网正常则电路无需Crowbar电路。当电网出现故障时，通过结合第一部分内容可知，该部分电路需要消耗(Ι-k) ΛΡ的功率。该部分功率与负载电压U相除即可得到参考电流i'该电流与负载电流i作差再进行比例积分PI调节，再在进行PWM调制即可得到控制IGBTl的脉冲信号gl。将该信号取反即可得到IGBT2的信 号g2。通过该部分动作，即可实现风机的低电压穿越。
权利要求
1.一种全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法，其特征是:在风电系统的电机侧通过减小机侧变流器直接转矩控制中参考给定转矩指令Te*来降低电网故障下对机组的机械载荷冲击；同时，在直流侧设置带储能环节的撬棒电路对电网故障下多余的能量进行吸收和存储，以实现风机的低电压穿越。
2.根据权利要求1所述的全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法，其特征是:所述带储能环节的撬棒电路并联在风电系统的直流母线上，它包括功率单元IGBT1、功率单元IGBT2、滤波电感L、直流稳压电容C1及电容等效电阻R1、超级电容组C2;母线正极接功率单元IGBTl的C极，功率单元IGBTl的E极接功率单元IGBT2的C极，功率单元IGBT2的E极接母线负极；滤波电感L 一端接功率单元IGBTl的E极，另一端经串接的电容等效电阻R1和直流稳压电容C1接母线负极；超级电容组C2 —端接在滤波电感L和电容等效电阻R1之间，另一端接母线负极； 所述带储能环节的撬棒电路工作过程中，首先通过测量电网电压uab。判断电网是否正常运行；如果电网正常则撬棒电路无需投入，如果电网出现故障，则将该部分电路需要消耗的功率与负载电压U相除得到参考电流Γ ;该参考电流与负载电流i作差再进行比例积分PI调节，再进行PWM调制即可得到控制功率单元IGBTl的脉冲信号gl，将该信号取反得到控制功率单元IGBT2的信号g2 ;从而实现风机的低电压穿越。
全文摘要
本发明涉及风力发设备的运行控制技术，具体是一种全功率高速永磁同步风机的低电压穿越控制方法。该方法是在风电系统的电机侧通过减小机侧变流器直接转矩控制中参考给定转矩指令Te*来降低电网故障下对机组的机械载荷冲击；同时，在直流侧设置带储能环节的撬棒电路对电网故障下多余的能量进行吸收和存储，以实现风机的低电压穿越。本发明能够在电网故障时减小风电机组载荷、机组运行安全稳定、能够吸收和存储利用电网故障下的多余的能量。
文档编号H02J3/28GK103094917SQ20121049245
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者陈毅东 申请人:哈电通用风能(江苏)有限公司