[发明专利]直驱型风电系统低电压穿越的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直驱型风电系统低电压穿越的控制方法，尤其涉及一种直驱型风电系统低电压穿越无功补偿器的控制方法。

背景技术

根据全球风能协会统计报告，2010年底，全球风电总装机容量达194390兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92％，风电对于满足电力需求越来越重要。目前我国已经处于风电发展的黄金时期。按照我国“十二五”规划，预计2015年底，风电新增装机总量将达到90000兆瓦。在二十世纪八十年代兴起的新能源技术革命中，并网运行的风力发电技术引起了世界各国的高度重视，并迅速实现了商品化，产业化。特别是随着计算机与控制技术的飞速发展，风力发电技术的发展极为迅速，其单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组；控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展，预计在最近五年内将推出智能型风力发电机组；运行可靠性由二十世纪八十年代初的50％提高到98％以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。

但是，广泛采用的双馈型风电机组也有许多自身缺点，首先就是结构复杂的齿轮箱，它的造价成本很高，容易出故障并且维护工作量较大，这样就不利于能量转换效率，系统的运行可靠性也很难提高；其次，双馈电机中的滑环和碳刷必须定期检修，后期维护工作量大，也从很大程度上降低了机组的可靠性。从中长期来看，直驱型传动系统将逐步在大型风电机组中占有更大比例，另外在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风电机组的发展趋势。在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用直驱永磁同步风力发电机，其不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能。

为保证电网的整体稳定性，在短暂的故障时间内，风力发电不能停机，并且要为电网必要的过渡支撑能力，即低电压穿越能力。网侧发生故障时，例如三相接地造成瞬时低电压时，不可避免的受到过电流的冲击，虽能采用低电压穿越措施进行防范，但也会直接影响机组运行和电网迅速恢复要求。我国2011风电场接入电力系统技术规定风电场并网点电压跌至20％标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms。风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90％时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。风电场的无功电源包括风电机组及风电场无功补偿装置。如图1所示，风电场安装的风电机组应满足功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调。所以深度电网故障时的低电压控制策略显得尤为重要。

背靠背双PWM变流器的直驱式风电系统主要包括风力机、永磁同步发电机、发电机侧变流器，网侧变流器，直流侧电容，直流侧卸荷电路等。风力机通过轴系与永磁同步发电机直接耦合，永磁同步发电机通过全功率变流器与电网相连。当电网电压跌落时，变流器将增加电流以便提供同样大小的功率给电网，但是由于变流器的热容量有限，因此必须对电流进行限制；此时直流侧电容的输入和输出功率发生了不平衡，输入功率大于输出功率，此时如果直流侧不采取措施，并且不限制输入功率，则直流侧电压必将升高，若不限制则可能烧坏变流器。如图2所示，直流侧要采取措施限制其电压的升高，法一：采用直流侧加卸荷单元的方法，这种方法会造成直流侧电压波动较大，影响直流侧电容的使用寿命。法二：在定子侧增加电阻保护电路，减少输入功率。法三：在网侧增加无功补偿电路，为电网提供一定的无功功率支持。

法一：采用直流侧加卸荷单元的方法。在直流侧增加卸荷电路是一种常见的方法，卸荷电路通常由功率器件和卸荷电阻构成，通过控制功率器件投入和切出卸荷电路，调节直流侧电压。美国专利第US6819535号采用直流侧电压作为判断条件，当直流侧电压超出设定的上限电压时，投入卸荷电阻，当直流侧电压低于设定的下限电压时，切出卸荷电阻。这种方法仅以直流侧电压作为判断条件，与网侧变流器的直流侧电压环较难配合。