專利名稱：雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)及其發(fā)電機(jī)、發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)及具有所述雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)電場規(guī)模和風(fēng)力發(fā)電容量的不斷擴(kuò)大，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列，若不能像常規(guī)能源那樣在電網(wǎng)故障的情況下對電網(wǎng)提供頻率和電壓的支撐，則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，并對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。在實(shí)際風(fēng)電場系統(tǒng)中，單相對地故障可能產(chǎn)生電網(wǎng)電壓驟升，風(fēng)電場負(fù)載的突然撤除也可能產(chǎn)生電網(wǎng)電壓驟升，投入大的電容補(bǔ)償器也可能引起電網(wǎng)電壓驟升。目前使用的大多是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其定子和電網(wǎng)相聯(lián)，而轉(zhuǎn)子通過變流器與電網(wǎng)相聯(lián)，因此，與電網(wǎng)電壓跌落故障類似，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升故障發(fā)生時(shí)，其暫態(tài)過程也會(huì)對雙饋發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子形成電流、電壓沖擊。為了規(guī)避這些問題并保護(hù)變流器，可使風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)離網(wǎng)，當(dāng)故障恢復(fù)后再并網(wǎng)運(yùn)行，但是這種離網(wǎng)策略已不能滿足當(dāng)今大規(guī)模風(fēng)電場發(fā)電的并網(wǎng)準(zhǔn)則要求。當(dāng)前，大多風(fēng)電并網(wǎng)準(zhǔn)則都要求風(fēng)電場具有低電壓穿越(LVRT)能力，隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大和并網(wǎng)準(zhǔn)則完善，具有高電壓穿越(HVRT)能力也會(huì)逐步成為對風(fēng)電場的必然要求。澳大利亞率先制定了并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高電壓穿越(HVRT)準(zhǔn)則，當(dāng)高壓側(cè)電網(wǎng)電壓驟升至額定電壓的130%時(shí)， 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)維持60ms而不脫網(wǎng)，并提供足夠大的故障恢復(fù)電流。顯然，這一準(zhǔn)則要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須能夠抵御和穿越高電壓的能力。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明有必要提供雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)及具有所述雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其提出了變阻尼的控制方案，從而在抑制電網(wǎng)電壓驟升下轉(zhuǎn)子過電壓的同時(shí)，最大限度地抑制了轉(zhuǎn)子過電流， 不僅實(shí)現(xiàn)了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的HVRT，還提高了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的HVRT性能。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)， 其用于在電網(wǎng)電壓驟升下抑制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的過電壓，所述雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)包括第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元、第二坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元、第三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元、鎖相環(huán)、 定子磁鏈計(jì)算單元、前饋解耦單元、第一微分單元、第二微分單元、第一積分單元、第二積分單元、電壓空間矢量調(diào)制單元、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器，所述第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)轉(zhuǎn)差角度θ雙將所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)三相交流電流ia、ib、i。從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸勵(lì)磁反饋電流irf、q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流；所述鎖相環(huán)接收所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)的三相交流電壓Usa、Usb, Us。并由此輸出電網(wǎng)電壓角度θ s、定子電壓矢量Us ；所述第二坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)所述電網(wǎng)電壓角度θ s將所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)三相交流電流iA、 iB、ic從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定子d軸電流isd、定子q軸電流isq ；所述定子磁鏈計(jì)算單元用于對所述定子d軸電流isd、所述定子q軸電流isq、所述d軸勵(lì)磁反饋電流以及所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流、進(jìn)行定子磁鏈計(jì)算產(chǎn)生定子d軸磁鏈
、定子q軸磁鏈爐^ ；所述第一微分單元用于對所述轉(zhuǎn)子電角度θ ^進(jìn)行微分算法得到
轉(zhuǎn)速反饋值 ；所述第一加法器用于相加所述轉(zhuǎn)子電角度θ ^與所述電網(wǎng)電壓角度03得到轉(zhuǎn)差角度θ α;所述第二微分單元用于對所述轉(zhuǎn)差角度θ進(jìn)行微分算法得到轉(zhuǎn)差角速度⑵,，；所述前饋解耦單元用于對所述定子d軸磁鏈、所述定子q軸磁鏈、所述d軸勵(lì)磁反饋電流、所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流、、所述定子電壓矢量Us、所述轉(zhuǎn)速反饋值％、
以及所述轉(zhuǎn)差角速度 進(jìn)行前饋解耦計(jì)算得到d軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)Vrf。、q軸前饋解耦補(bǔ)
償項(xiàng)；所述第二加法器用于相加所述d軸勵(lì)磁反饋電流與d軸勵(lì)磁反饋電流期望值 i*rd ；所述第三加法器用于相加所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流、與q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流期望值。； 所述第一積分單元用于對所述第二加法器的輸出進(jìn)行積分運(yùn)算；所述第二積分單元用于對所述第三加法器的輸出進(jìn)行積分運(yùn)算；所述第四加法器用于相加所述第一積分單元的輸出、所述d軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)Vrf。以及所述d軸勵(lì)磁反饋電流得到轉(zhuǎn)子側(cè)d軸電壓分量
V；；所述第五加法器用于相加所述第二積分單元的輸出、所述q軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)以及所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流、得到轉(zhuǎn)子側(cè)q軸電壓分量< ；所述第三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)差角度θ sr將所述轉(zhuǎn)子側(cè)d軸電壓分量‘、所述轉(zhuǎn)子側(cè)q軸電壓分量< 從兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到三相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)子側(cè)α軸電壓分量^4、轉(zhuǎn)子側(cè)β軸電壓分量； 所述電壓空間矢量調(diào)制單元用于對所述轉(zhuǎn)子側(cè)α軸電壓分量^4、所述轉(zhuǎn)子側(cè)β軸電壓分
量進(jìn)行電壓空間矢量調(diào)制并由此控制所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的逆變器模
塊中的功率管； 其中
所述第四加法器與所述第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元之間還連接有第一虛擬電阻，所述第一虛擬電阻用于調(diào)整所述d軸勵(lì)磁反饋電流irf，所述第一虛擬電阻根據(jù)所述電網(wǎng)電壓驟升幅度和當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋值ι而動(dòng)態(tài)變化；所述第五加法器與所述第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元之間還連接有第二虛擬電阻，所辻第二虛擬電阻用于調(diào)整所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流、，所述第二虛擬電阻根據(jù)所述電網(wǎng)電壓驟升幅度和當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋值A(chǔ)而動(dòng)態(tài)變化；所述第一虛擬電阻、所述第二虛擬電阻的阻值選擇均必須滿足以下條件Ir彡Irmax ；Vr彡Vrmax，其中，Ir為轉(zhuǎn)子側(cè)電流的有效值，即為(i2rf+i2 ) 1/2, ird為所述d軸勵(lì)磁反饋電流，irq為所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流 ’Vr為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的有效值，即為(V2nk^O 1/2,Vrdc為所述d軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)，V 。為所述q軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)；Irmax和Vrmax分別為所述轉(zhuǎn)子側(cè)變流器所允許的電流、電壓最大值。 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋值(d )為常數(shù)時(shí)，隨著所述電網(wǎng)電壓驟升幅度的增加，所述第一、第二虛擬電阻均成單調(diào)遞減。
6
作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電網(wǎng)電壓驟升30%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)差的增加，所述第一、第二虛擬電阻均成單調(diào)遞減，同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)的虛擬電阻最大，并且超同步比次同步虛擬電阻遞減的斜率更陡。作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述Ir與所述Vr滿足以下關(guān)系式
權(quán)利要求
1.雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，其用于在電網(wǎng)電壓驟升下抑制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的過電壓，所述雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)包括第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元、第二坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元、第三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元、鎖相環(huán)、定子磁鏈計(jì)算單元、前饋解耦單元、第一微分單元、第二微分單元、第一積分單元、第二積分單元、電壓空間矢量調(diào)制單元、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器，其中所述第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)轉(zhuǎn)差角度(θ α)將所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)三相交流電流(ia、ib、i。)從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸勵(lì)磁反饋電流(irf)、q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流所述鎖相環(huán)接收所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)的三相交流電壓(Usa、Usb、Us。)并由此輸出電網(wǎng)電壓角度(θ s)、定子電壓矢量(Us);所述第二坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)所述電網(wǎng)電壓角度(θ s)將所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)三相交流電流(iA、iB、從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定子d軸電流(isd)、定子q軸電流(isq)；所述定子磁鏈計(jì)算單元用于對所述定子d軸電流(isd)、所述定子q軸電流(、)、所述d軸勵(lì)磁反饋電流以及所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流(i )進(jìn)行定子磁鏈計(jì)算產(chǎn)生定子d軸磁鏈(Krf )、定子q軸磁鏈(ΨΗ )；所述第一微分單元用于對所述轉(zhuǎn)子電角度(Θ》進(jìn)行微分算法得到轉(zhuǎn)速反饋值(％)；所述第一加法器用于相加所述轉(zhuǎn)子電角度(θ》與所述電網(wǎng)電壓角度(θ s)得到轉(zhuǎn)差角度(Qsr)；所述第二微分單元用于對所述轉(zhuǎn)差角度(θ sr)進(jìn)行微分算法得到轉(zhuǎn)差角速度)；所述前饋解耦單元用于對所述定子d軸磁鏈(ψ )、所述定子q軸磁鏈、ΨΗ\所述d軸勵(lì)磁反饋電流(irf)、所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流(i )、所述定子電壓矢量(Us)、所述轉(zhuǎn)速反饋值(呌)、以及所述轉(zhuǎn)差角速度〔‘)進(jìn)行前饋解耦計(jì)算得到d軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)(Vrf。)、q軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)(V 。)；所述第二加法器用于相加所述d軸勵(lì)磁反饋電流與d軸勵(lì)磁反饋電流期望值(i*rd)；所述第三加法器用于相加所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流(i )與q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流期望值(i* ).v 丄 rqy >所述第一積分單元用于對所述第二加法器的輸出進(jìn)行積分運(yùn)算；所述第二積分單元用于對所述第三加法器的輸出進(jìn)行積分運(yùn)算；所述第四加法器用于相加所述第一積分單元的輸出、所述d軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)(Vnk)以及所述d軸勵(lì)磁反饋電流(ird)得到轉(zhuǎn)子側(cè)d軸電壓分量(< )；所述第五加法器用于相加所述第二積分單元的輸出、所述q軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)(V_)以及所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流(i )得到轉(zhuǎn)子側(cè)q軸電壓分量)；所述第三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)差角度(θ α)將所述轉(zhuǎn)子側(cè)d軸電壓分量(η；)、所述轉(zhuǎn)子側(cè)q軸電壓分量(<)從兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到三相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)子側(cè)α軸電壓分量(ν^)、轉(zhuǎn)子側(cè)β軸電壓分量所述電壓空間矢量調(diào)制單元用于對所述轉(zhuǎn)子側(cè)α軸電壓分量(ν；)、所述轉(zhuǎn)子側(cè)β軸電壓分量進(jìn)行電壓空間矢量調(diào)制并由此控制所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的逆變器模塊中的功率管； 其特征在于所述第四加法器與所述第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元之間還連接有第一虛擬電阻，所述第一虛擬電阻用于調(diào)整所述d軸勵(lì)磁反饋電流(irf)，所述第一虛擬電阻根據(jù)所述電網(wǎng)電壓驟升幅度和當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋值(吟)而動(dòng)態(tài)變化；所述第五加法器與所述第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元之間還連接有第二虛擬電阻，所述第二虛擬電阻用于調(diào)整所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流(i )，所述第二虛擬電阻根據(jù)所述電網(wǎng)電壓驟升幅度和/或當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋值(％ )而動(dòng)態(tài)變化；所述第一虛擬電阻、所述第二虛擬電阻的阻值選擇均必須滿足以下條件Ir ^ Irmax ； Vr彡Vrmax，其中，Ir為轉(zhuǎn)子側(cè)電流的有效值，即為(V2，為所述d軸勵(lì)磁反饋電流(irf)，irq為所述q軸轉(zhuǎn)矩反饋電流(、)；Vr為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的有效值，即為(V2rfJV2J 1/2，Vrdc為所述d軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)ad。)，Vrqc為所述q軸前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)(V_) ；Irmax和 Vrmax分別為所述轉(zhuǎn)子側(cè)變流器所允許的電流、電壓最大值。
2.如權(quán)利要求1所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋值(約)為常數(shù)時(shí)，隨著所述電網(wǎng)電壓驟升幅度的增加，所述第一、第二虛擬電阻均成單調(diào)遞減。
3.如權(quán)利要求2所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電網(wǎng)電壓驟升30%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)差的增加，所述第一、第二虛擬電阻均成單調(diào)遞減，同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)的虛擬電阻最大，并且超同步比次同步虛擬電阻遞減的斜率更陡。
4.如權(quán)利要求1所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述Ir與所述Vr滿足以下關(guān)系式
5.如權(quán)利要求1所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一虛擬電阻、所述第二虛擬電阻的設(shè)置通過軟件控制實(shí)現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求5所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，其特征在于，通過離線仿真計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速，驟升幅度下的虛擬電阻值，以表格形式存儲在DSP中，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升時(shí)，實(shí)時(shí)讀取表格中值，軟件切換到變虛擬電阻控制策略。
7.如權(quán)利要求5所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，其特征在于，根據(jù)電網(wǎng)電壓驟升幅度和驟升時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用最優(yōu)控制中的極小值原理，以故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓不超過轉(zhuǎn)子變流器所允許的轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓最大值為目標(biāo)，對虛擬電阻值進(jìn)行優(yōu)化選擇。
8.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其安裝有如權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)。
9.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其安裝有若干如權(quán)利要求8所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制中，在轉(zhuǎn)子電流反饋通道中引入反饋系數(shù)Ra，與轉(zhuǎn)子d、q軸反饋電流相乘形成的乘積疊加在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器的輸出，構(gòu)成轉(zhuǎn)子側(cè)虛擬電阻的控制結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于減小了電網(wǎng)電壓驟升時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊，避免了撬棒電路的頻繁動(dòng)作，虛擬電阻可以根據(jù)電網(wǎng)電壓驟升幅度和當(dāng)前轉(zhuǎn)速靈活變化，在保證轉(zhuǎn)子電壓不超過變流器轉(zhuǎn)子允許值時(shí)，最大限度的抑制轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩，達(dá)到電網(wǎng)電壓驟升時(shí)的發(fā)電機(jī)的最優(yōu)控制。本發(fā)明還涉及具有所述雙饋風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制結(jié)構(gòu)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
文檔編號H02P21/14GK102570962SQ20121002475
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者余勇, 宋海華, 屠運(yùn)武, 張興, 曹仁賢, 楊淑英, 汪令祥, 謝震 申請人:陽光電源股份有限公司