电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；计算电网电压不对称跌落时的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；根据风力机的最大输出功率和网侧无功电流参考值计算网侧变流器有功电流参考值；根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩

【技术实现步骤摘要】
电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法


[0001]本专利技术属于功率变换器
，尤其涉及一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法。

技术介绍

[0002]直驱式风力发电系统由风力机、永磁同步发电机、全功率电力电子变换器、直流电容等结构组成。风力机直接驱动发电机在低速下运行，省去了传统风力发电机组中的变速齿轮箱，提高了可靠性。发电机与电网直接通过全功率电力电子变换器连接，实现了电网侧有功、无功的独立控制，提高了故障下的低电压穿越能力。永磁直驱风力发电机组由于其高可靠性和高效率在海上风电中越来越受到关注。
[0003]当电网电压不对称跌落时，网侧无中性线连接的三相PWM变流器中存在正序和负序分量，若网侧变换器采取正常运行时的控制方法会产生交流电流畸变，进一步恶化电网电压的不平衡度，增大谐波含量。在三相电网电压不对称跌落时，目前网侧变换器广泛采用的控制方法为平衡正序控制，机侧变流器则由于直流电容的解耦作用保持原控制方法不变。该控制方法可以使得三相并网电流正弦平衡，但由于电网电压中存在负序分量，系统中将产生二次谐波功率脉动。此时若利用风机系统来参与风电场的无功调节，无功电流会进一步加大二次功率脉动。根据功率守恒，直流侧也会有二次脉动功率进而产生2倍频的电压波动。在兆瓦级风机中，这种功率脉动是不容忽视的，若仅仅依靠直流电容来吸收二倍频功率波动，则需要采用更大容量的电容，增加成本的同时会降低电容器的寿命，危及系统的正常运行。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的缺陷和不足，本专利技术提出了一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其可以在电网电压不对称跌落时充分利用风机系统的无功调节能力，同时消除直流侧电容电压的二倍频波动，实现平衡正弦的并网电流，提高系统的性能。
[0005]其根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；计算电网电压不对称跌落时的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；根据风力机的最大输出功率和网侧无功电流参考值计算网侧变流器有功电流参考值；根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩
‑
转速特性曲线的稳定运行区域。此种直驱风机系统控制方法可以在电网电压不对称跌落时，充分利用风机系统的无功调节能力，同时消除直流侧电容电压的二倍频波动，实现平衡正弦的并网电流，提高系统的性能。
[0006]其具体采用以下技术方案：
[0007]一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤S1：根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；
[0009]步骤S2：计算电网电压不对称跌落时电压的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；
[0010]步骤S3：根据风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值；
[0011]步骤S4：根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩
‑
转速特性曲线的稳定运行区域。
[0012]进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：
[0013]测量风速v，根据下式计算风力机的最大输出功率Pmmax：
[0014][0015]其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，β为桨距角，λ为叶尖速比，Cp为风能利用系数；当λ取最佳叶尖速比λ
opt
时，Cp为最大风能利用系数Cpmax，χ为中间参数。
[0016]进一步地，步骤S2中，计算网侧变流器的无功电流参考值具体包括以下步骤：
[0017]步骤S21：采集三相电网电压u
a
、u
b
和u
c
；
[0018]步骤S22：根据下式计算出三相电网电压u
a
、u
b
和u
c
在两相静止坐标系下的分量u
α
和u
β
：
[0019][0020]步骤S23：根据下式计算两相静止坐标系下的电压正负序分量和
[0021][0022][0023]其中，是一个90
°
滞后的移相运算；
[0024]步骤S24：根据下式计算出电网电压在两相旋转坐标系下的正负序分量和
[0025][0026][0027]其中，θ为电网电压矢量旋转角度；
[0028]步骤S25：根据系统无功控制需求，分配风机系统无功功率Q
ref
，根据下式计算计算网侧变流器的无功电流参考值：
[0029][0030]进一步地，在步骤S3中，据风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值的公式是：
[0031][0032]其中，i
P
为网侧电流幅值。
[0033]进一步地，步骤S4中，通过机侧变流器控制风力机转速具体包括以下步骤：
[0034]步骤S41：根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值的公式是：
[0035][0036]步骤S42：根据机侧变流器有功功率参考值计算发电机q轴电流参考值的公式是：
[0037][0038]其中，pn为发电机的极对数，ψ
f
为永磁体的磁链，ω
m
为发电机的转速。
[0039]步骤S43：机侧变流器采用零d轴电流控制，通过控制机侧变流器实现对风力机转速的控制。
[0040]相对于现有技术，本专利技术及其优选方案：
[0041]1)在电网电压不对称跌落时仍能充分利用风机系统的无功调节能力，减少海上风电场无功补偿装置的容量。消除不平衡工况下的直流侧电容电压的二倍频波动，实现平衡正弦的并网电流，提高系统的性能。
[0042]2)无需改变电路的拓扑结构，仅需改进机侧和网侧控制器的控制算法。
附图说明
[0043]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细的说明：
[0044]图1是典型直驱式风力发电系统结构示意图；
[0045]图2是本专利技术具体实施方式中提出的网侧变流器控制框图；
[0046]图3是本专利技术具体实施方式中提出的机侧变流器控制框图；
[0047]图4是本专利技术具体实施方式中的电网电压正负序dq轴分量的计算方法示意图；
[0048]图5是本专利技术中风力机的运行范围示意图；
[0049]图6是本专利技术具体实施方式中电容电压波形示意图；
[0050]图7是本专利技术具体实施方式整体控制方案示意图。
具体实施方式
[0051]为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
[0052]如图1所示，本实施例提供的电网电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；步骤S2：计算电网电压不对称跌落时电压的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；步骤S3：根据风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值；步骤S4：根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩
‑
转速特性曲线的稳定运行区域。2.根据权利要求1所述的电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：测量风速v，根据下式计算风力机的最大输出功率Pmmax：其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，β为桨距角，λ为叶尖速比，Cp为风能利用系数；当λ取最佳叶尖速比λ
opt
时，Cp为最大风能利用系数Cpmax，χ为中间参数。3.根据权利要求1所述的电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于：步骤S2中，计算网侧变流器的无功电流参考值具体包括以下步骤：步骤S21：采集三相电网电压u
a
、u
b
和u
c
；步骤S22：根据下式计算出三相电网电压u
a
、u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：林伟伟，叶荣，林毅，黄海，方朝雄，唐雨晨，冯双，汤奕，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司东南大学，
类型：发明
国别省市：