一种基于无功控制的PMSG低电压穿越系统

摘要

本发明提供了一种基于无功控制的PMSG低电压穿越系统，包括：与电网连接的逆变器、能持续调节的静止同步无功补偿器、以及PMSG系统；其中静止同步无功补偿器连接至PMSG系统并网口高压端；而且其中静止同步无功补偿器与逆变器协同操作以执行联合控制，使得当电网电压在预定正常范围波动时，静止同步无功补偿器用于稳定并网口电压；当电网故障造成并网口电压跌落从而使得电网电压不处于预定正常范围时，使得逆变器运行在静止无功补偿模式，并且逆变器联合静止同步无功补偿器一起向电网输出无功功率。

说明书

技术领域

本发明涉及大规模风电并网技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于无功控制的PMSG(PermanentManetSynchronousGenerators，永磁直驱同步发电机)低电压穿越系统。

背景技术

目前针对不平衡电网电压下永磁直驱风电系统的低电压穿越控制，采用的主要是通过获取正负序电压的相位得到正负序的电压电流值，并计算并网电抗器的有功功率消耗直流分量、余弦分量、正弦分量，通过计算逆变器输出有功功率和无功功率直流分量的参考值计算逆变器输出电流的正负序分量。

但是，由于电网电压不对称故障或不平衡造成的电压跌落，会导致风电机脱网的问题。现有技术提出了解决由于电网电压不对称故障或不平衡造成的电压跌落，导致风电机脱网的问题的技术方案。但是，当电网深度跌落时，现有技术无法继续保证风电机并网运行的状态，风力发电机只能够脱网运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够针对不平衡电网电压下的永磁直驱风电系统的低电压穿越，解决由于电网电压不对称故障或不平衡造成的电压跌落，导致风电机脱网的问题；而且，当电网深度跌落时，能够继续保证风电机并网运行的状态。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种基于无功控制的PMSG低电压穿越系统，包括：与电网连接的逆变器、能持续调节的静止同步无功补偿器、以及PMSG系统；其中静止同步无功补偿器连接至PMSG系统并网口高压端，而且逆变器连接至PMSG系统；而且其中静止同步无功补偿器与逆变器协同操作以执行联合控制，使得当电网电压在预定正常范围波动时，静止同步无功补偿器用于稳定并网口电压；当电网故障造成并网口电压跌落从而使得电网电压不处于预定正常范围时，使得逆变器运行在静止无功补偿模式，并且逆变器联合静止同步无功补偿器一起向电网输出无功功率。

优选地，逆变器依次通过直流母线和机侧整流器连接至PMSG系统并网口高压端。

优选地，所述预定正常范围是可调节的。

优选地，所述预定正常范围可根据电网电压的使用情况进行调节。

优选地，所述逆变器采用双闭环控制结构。

优选地，在所述逆变器的双闭环控制结构中，内环为电网电流控制环，外环为发电机转速控制环。

优选地，所述静止同步无功补偿器采用双闭环控制结构。

优选地，在所述静止同步无功补偿器的双闭环控制结构中，外环为电压控制环，内环为电流控制环。

本发明采取改进型的功率控制方法，在系统并网口高压端接入能持续调节并响应速度快的静止同步无功补偿器(STATCOM)。采取静止同步无功补偿器与逆变器相联合的控制，当电网电压在正常范围波动，静止同步无功补偿器能快速稳定并网点电压，减少系统向电网输出谐波；当电网故障造成并网点电压跌落比较严重时，逆变器运行在静止无功补偿模式，联合静止同步无功补偿器一起向电网输出无功功率，提高和稳定并网点电压，最终提高低电压穿越能力。

由此，本发明采用并网口高压端加装静止同步无功补偿器，通过静止无功补偿器与网侧逆变器的协调控制，以提高风电系统的无功补偿能力，提高了永磁直驱风电机系统的低电压穿越能力。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于无功控制的PMSG低电压穿越系统的总体框图。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于无功控制的PMSG低电压穿越系统的具体示例的功能框图。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的无功电流控制的原理示意图。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的静止无功补偿器的原理示意图。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的STATCOM控制的原理示意图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

本发明采用并网口高压端加装静止同步无功补偿器，通过静止无功补偿器(STATCOM)与网侧逆变器(根据风能捕捉原则，跟踪风力机的转速，实现最大风能利用，输出最佳功率，捕捉电网电压跌落的深度来输出无功功率，达到调节的作用。安装在风电机系统外部)的协调控制，以提高风电系统的无功补偿能力，提高了永磁直驱风电机(PMSG)系统的低电压穿越能力。

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于无功控制的PMSG低电压穿越系统的总体框图。

具体地，如图1所示，根据本发明的基于无功控制的PMSG低电压穿越系统包括：与电网连接的逆变器、能持续调节的静止同步无功补偿器、以及PMSG系统；其中静止同步无功补偿器连接至PMSG系统并网口高压端，而且逆变器连接至PMSG系统；而且其中静止同步无功补偿器与逆变器协同操作以执行联合控制，使得当电网电压在预定正常范围波动时，静止同步无功补偿器用于稳定并网口电压；当电网故障造成并网口电压跌落从而使得电网电压不处于预定正常范围时，使得逆变器运行在静止无功补偿模式，并且逆变器联合静止同步无功补偿器一起向电网输出无功功率。

其中，所述预定正常范围可以是任何合理的电压波动范围；而且，所述预定正常范围是可以调节的，例如可根据电网电压的使用情况进行调节。

下面将结合图2至图5来描述本发明的具体优选实施例，以下附图及实施例仅仅用于说明本发明，以使得本领域技术人员能够更好地实现本发明。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于无功控制的PMSG低电压穿越系统的具体示例的功能框图。优选地，如图2所示，逆变器依次通过直流母线和机侧整流器连接至PMSG系统并网口高压端。

如图2所示，实际的电容(直流母线电容)电压u_dc为负反馈，经PI调节得到因为PMSG的转子没有阻尼绕组和励磁绕组，受干扰时不能提供有效的阻尼容易引起传动轴振荡，即放大扰动，造成不稳定，向风电机引入阻尼控制器使速度振荡得到缓冲，这样振荡频率会被增加到直流电压的参考值中。网侧逆变器采用双闭环控制结构(电网电流为内环，发电机转速为外环)。由电网电压和电流得到永磁直取风电机系统所要的输出有功功率，利用最大跟踪原则中风力机输出功率P，与风机参考转速的关系得出式(1)

${\omega }_w^{*}=-0.67P^2+1.42P+0.51---\left(1\right)$

得到转速参考值但当转速高于或等于1pu时，为1.I_gd经PI调节得到的为1pu。最后触发电压的dp分量经滤波器滤波消除来自转速、电网电压和电流谐波的影响。

如图3所示，无功补偿模式中，对于无功电流控制中，当无功电流标幺值小于0.1时，由于STATCOM的作用，电网电压基本稳定，网侧逆变器无需输出无功功率，为0，使有功功率输出最大；当大于或等于0.1时，考虑到成本，STATCOM的无功补偿容量有限，不能完全稳定电网电压，这时需要风电系统提供一定的无功支持，因此网侧逆变器运行在静止无功补偿模式向电网输出无功功率。

当永磁直驱风电机系统与电网联结点的电压跌落时，由于电流不能突变，系统输出的有功功率P_grid迅速变小。然而机侧整流器并不采取特别措施,其功能仍在于保持永磁同步发电机的正常运行，发电机输出的有功功率P_gen基本不变；与此同时网侧逆变器为了传送等量的有功,需增大输出电流，而流过网侧逆变器的最大电流值由参考的限幅值决定，使输出功率增加受到限制。则

$P_{gen}-P_{grid}=u_{dc}C\frac{{\mathrm{du}}_{dc}}{dt}---\left(2\right)$

更多的能量存储于电容上，导致u_dc升高。为了保持直流母线上电压为常数，由于u_dc的负反馈，机侧整流器将减小电流i_gd来减小发电机输出功率，由式(2)可知u_dc将得到有效的抑制。得

$P_w-P_{gen}={\omega }_w/\frac{{\mathrm{dw}}_w}{dt}---\left(3\right)$

由于风能利用功率基本不变，这将会使得风轮机的转速升高，甚至高于额定转速。然而根据风能跟踪原理，风能利用系数会减小，使风力机的输出功率降低，且结合桨距角的作用，转速的提升是比常小的。

STATCOM模型如图4所示：

$\left(\begin{array}{c}{U}_{1a}\\ U_{1b}\\ U_{1c}\end{array}\right)=R\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)+L\left(\begin{array}{c}d{i}_a/dt\\ d{i}_b/dt\\ d{i}_c/dt\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{U}_{2a}\\ U_{2b}\\ U_{2c}\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中：$\left(\begin{array}{c}{U}_{1a}\\ U_{1b}\\ U_{1c}\end{array}\right)$为STATCOM接入电网点的电压；$\left(\begin{array}{c}{U}_{2a}\\ U_{2b}\\ U_{2c}\end{array}\right)$和i为STATCOM的电压和电流。R是电网和SATCOM之间的等效电阻L是电抗。将电压方程转换到d-q坐标下，电压方程为

$\left(\begin{array}{c}{V}_{1d}\\ V_{1q}\end{array}\right)=R\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)+L\left(\begin{array}{c}d{i}_d/dt\\ d{i}_q/dt\end{array}\right)+L\left(\begin{array}{cc}0& -\omega \\ \omega & 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{U}_{2d}\\ U_{2q}\end{array}\right)---\left(5\right)$

如果取d轴方向和并网点电压矢量一致，则有：V_1q＝0，忽略变频器的功率损耗和电网谐波的影响，STATCOM向电网输出的有功P和无功功率Q为

$\left(\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}{u}_{1d}{i}_{1d}=u_{dc}{i}_{dc}\\ Q=\frac{3}{2}{u}_{1d}{i}_q\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，u_dc和i_dc为直流环节的电压和电流，这就实现了有功功率和无功功率的解耦，当调节无功功率时，有功功率并不受影响。

STATCOM控制结构如图5所示，其中以电压为外环控制和电流为内环控制。变频器直流侧电压参考值V_dc，ref与采样值V_dc的差值经过一个PI调节器，构成直流电压外环,得到d轴的参考电流，经电流内环的调节，控制STATCOM与电网间的有功功率变换，用于稳定网侧逆变器直流侧电容两端电压。并网点电压参考值V_dc，ref与采样值d轴分量V_d的差值经过一个PI调节器，构成交流电压外环,其输出i_q，ref构成电流内环的无功参考信号，通过q轴电流的负反馈，控制输入电网的无功功率，进而稳定接入点电压电网电压。当电网电压跌落时，V_d变小，与参考值比较的偏差经PI调节后，使q轴电流内环的无功参考信号变大，最后使输入电网的无功功率增大，进而稳定并网点电压，使风电系统能发出稳定的有功功率。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。