一种永磁直驱风机零过渡过程动态并网系统

摘要

一种永磁直驱风机零过渡过程动态并网系统，它包括风电机组、整流器、逆变器、滤波器、并网断路器，并网断路器与零过动态并网电力电子开关模块并联，所述零过动态并网电力电子开关模块包括电力电子开关、零过渡动态并网控制系统、信号系统，零过渡动态并网控制系统的数据口分别与电力电子开关以及信号系统连接，信号系统的数据输入口分别与并网断路器两侧连接，信号系统的数据输出口与逆变器连接。本发明能解决风机常规并网方式容易产生暂态过电流，并在系统侧电流中容易产生非周期分量的谐波电流的技术问题。

说明书

技术领域

本发明属于风机与电力系统领域，具体为一种永磁直驱风机零过渡过程动态并网系统。

背景技术

永磁直驱风机的结构图如图1所示，在永磁直驱风力发电机运行时，风力机不接齿轮箱，直接和发电机的永磁转子耦合，发电机的定子发出非工频的电压。风力机通过直接驱动同步交流电机产生电能，所以发电机机端输出电压和频率都会随着风速的改变而改变。发电机发出的非工频交流电，通过变频器和滤波器后变为工频交流电，即可并入电网系统。通过控制逆变器的触发脉冲，可以实现对逆变器输出电压的幅值、频率和相位的控制。

风电机组常规并网方式原理图如图2所示，图中U_w、R_w、L_w分别为风电侧等效交流电压和等效阻抗，C为滤波器与无功补偿器的等效电容，U_s、R_s、L_s分别为电网系统侧的等效交流电压和等效阻抗，D_wind为风电逆变器的闭锁开关，D_connect为并网断路器，当风电机组满足同步并网条件进行并网时，并网断路器D_connect闭合，由于滤波器和无功补偿器的等效电容C的重新充放电作用以及断路器内阻的影响，会造成并网点电压和系统侧电流的波动。这也是并网点电压会出现闪变，而且并网瞬间将从电网获取3至5倍额定电流的冲击电流的原因。对于大容量风电机组，滤波器和无功补偿器的等效电容更大，并网瞬间产生电网电压闪变和过电流冲击的问题也就更加显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁直驱风机零过渡过程动态并网系统，它能解决风机常规并网方式容易产生暂态过电流，并在系统侧电流中容易产生非周期分量的谐波电流的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种永磁直驱风机零过渡过程动态并网系统，它包括风电机组、整流器、逆变器、滤波器、并网断路器，并网断路器与零过动态并网电力电子开关模块并联，所述零过动态并网电力电子开关模块包括电力电子开关、零过渡动态并网控制系统、信号系统，零过渡动态并网控制系统的数据口分别与电力电子开关以及信号系统连接，信号系统的数据输入口分别与并网断路器两侧连接，信号系统的数据输出口与逆变器连接。

上述信号系统的数据输出口通过PWM对逆变器进行控制。

在操作时，采用如下步骤，

1)在闭锁开关闭合和断路器两侧的电压满足同期并网条件的前提下，零过渡并网装置中的信号系统根据系统参数计算零过渡并网时间点；

2)零过渡并网控制系统结合并网时间点和同期并网条件对电力电子开关进行零过渡并网控制，使电力电子开关在零过渡并网时间点并网；

3)并网电力电子开关闭合后，再控制断路器并网，实现机的零过渡并网。

在步骤1)中，需要知道的电网参数主要包括滤波器电容值、系统侧电压和等效阻抗值。

在步骤2)中，同期并网条件同期条件要求并网时并网断路器两侧的电压幅值、频率和相位一致。

在步骤2)中，对逆变器进行PWM控制以实现风电侧输出电压与系统侧电压同步。

它包括无功补偿器，所述滤波器4为π型滤波器，滤波器4和无功补偿器的等效电容C的电压U0,通过建立风机零过渡并网数学模型求解U0的值为U0*，当滤波器电容电压Uc＝U0*时，即为零过渡并网时间点。

上述逆变器3与有功流向检测模块连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用风电机组零过渡动态并网方法，让风电机组在同时满足同期和零过渡并网条件时进行并网，电力系统不仅不会产生暂态过电流，而且系统侧电流中也不存在非周期分量的谐波电流。因此，零过渡动态并网方式在性能上比同期并网方式更为优越，对电力系统的安全稳定性更高，可以作为一种很好的风电机组并网方法；

同时，采用在并网断路器两端并联一个快速开断的电力电子开关，运用零过渡条件检测和控制思想，在零过渡时间点闭合电力电子开关能达到零过渡动态并网的目的；

本申请公开的技术方案适用于直驱型风机，对双馈异步风机的并网有指导意义，不考虑系统故障的并网情况。

附图说明

图1为现有技术中永磁直驱风机结构图；

图2为现有技术中风电机组并网原理图；

图3为本申请中风电机组零过渡动态并网总体结构图；

图4为本申请中零过渡动态并网控制策略示意图；

图5为本申请中风电机组动态并网电路图；

图6为风电机组动态并网电路简化图；

图7为本申请中零过渡动态并网仿真模型；

图8为本申请中非同期并网时系统侧电压与电流波形；

图9为本申请中同期并网时系统侧电压与电流波形；

图10为本申请中同期并网系统侧电流FFT变换结果；

图11为本申请中零过渡动态并网系统侧电压与电流波形；

图12为本申请中零过渡动态并网系统侧电流FFT变换结果。

具体实施方式

如图3所示,永磁直驱风机零过渡过程动态并网系统，它包括风电机组1、整流器2、逆变器3、滤波器4、并网断路器5，并网断路器5与零过动态并网电力电子开关模块6并联，所述零过动态并网电力电子开关模块6包括电力电子开关7、零过渡动态并网控制系统8、信号系统9，零过渡动态并网控制系统8的数据口分别与电力电子开关7以及信号系统9连接，信号系统9的数据输入口分别与并网断路器5两侧连接，信号系统9的数据输出口与逆变器3连接。

所述信号系统9的数据输出口通过PWM对逆变器3进行控制。

如图4所示，操作时，采用如下步骤，

1在闭锁开关闭合和断路器两侧的电压满足同期并网条件的前提下，零过渡并网装置中的信号系统根据系统参数计算零过渡并网时间点；

2零过渡并网控制系统结合并网时间点和同期并网条件对电力电子开关进行零过渡并网控制，使电力电子开关在零过渡并网时间点并网；

3并网电力电子开关闭合后，再控制断路器并网，实现机的零过渡并网。

在步骤1中，需要知道的电网参数主要包括滤波器电容值、系统侧电压和等效阻抗值。

在步骤2中，同期并网条件同期条件要求并网时并网断路器两侧的电压幅值、频率和相位一致。

在步骤2中，对逆变器进行PWM控制以实现风电侧输出电压与系统侧电压同步。

包括无功补偿器，所述滤波器4为π型滤波器，滤波器4和无功补偿器的等效电容C的电压U₀,通过建立风机零过渡并网数学模型求解U₀的值为U₀^*，当滤波器电容电压U_c＝U₀^*时，即为零过渡并网时间点。

所述逆变器3与有功流向检测模块连接。

永磁直驱同步风力发电机发出的非工频交流电，通过整流器和逆变器组成的变频器，再经过LC滤波器滤波，最后利用断路器接入到电网系统，可通过简化的并网电路图表示这个并网过程，如图5所示。

图5中，U_w、R_w、L_w分别为风电侧等效交流电压和等效阻抗，C为滤波器与无功补偿器的等效电容，U、R、L分别为电网系统侧的等效交流电压和等效阻抗，S为并网断路器。对于风机侧，电力系统相当于无穷大系统，且电容器电压不能发生突变，则可将上述电路图做进一步简化。简化后的电路图如图6所示；如图6所示的R、L、C串联电路中，由于满足同期并网条件，t＝0_时滤波器电容已经充电，设电容C电压为U₀。当t＝0时，并网开关S闭合，现分析t≥0₊时并网点系统侧电压和电流，即电容电压、电感电流的变化规律。利用此变化规律，可以进一步分析，在满足同期的前提下风电并网时，滤波器中并联电容对并网点电压和系统侧电流的影响。

t≥0₊时，图6中电路的电压方程为：

u_L+u_R+u_C＝u_s>

其中：u_s＝U_msin(ωt+φ)。将u_R、u_L、u_s代入上式可得：

式(2)是一个以电容电压为待求量的二阶常系数线性非齐次方程，该方程的解由两部分组成：一个是特解u_c’，另一个是齐次解u_c”。

通过计算可得t≥0+时并网点电容电压为：

式中为方便表示，设且η＝ω₀sinβ，δ＝ω₀cosβ。则式(3)可简化表述为：

系统侧电流(即电感电流)为：

其中，A₁、A₂为常数，可由电路的初始条件来确定。电路的初始条件为：

u_C(0₊)＝u_C(0_-)＝U₀>

i_L(0₊)＝i_L(0_-)＝0>

由于电感电流故可以得到将电容电压的初始条件代入公式(4)(5)得到：

联立式(8)、(9)求解可得：

由此就确定了并网点电压和系统侧电流表达式中A₁、A₂的值。由t≥0₊时系统侧电流i_L的表达式(5)可知，在没有使用零过渡并网技术的情况下，系统电流由两部分组成，即稳态分量i_L(t＝∞)和暂态分量i_L*，其表达式如下：

i_L^*＝-Cω₀e^-δt[A₁cos(ηt-β)+A₂sin(ηt-β)]>

要实现风电机组的零过渡并网，需要在并网后系统侧电流的非周期分量为零，即需要满足i_L^*＝0恒成立，所以A₁、A₂的值必须同时为零。由于零过渡并网时断路器两侧的电压满足同期并网条件，所以风电并网时刻电容C端电压风机侧电压频率等于系统电压频率。故，风电机组零过渡并网数学模型为：

其中，F_f和F_s分别为风机和系统侧电压频率。

风机零过渡并网数学模型中只有U₀和两个未知量，可求解出风电机组零过渡并网数学模型中U₀的值令为U₀^*，当滤波器电容电压U_c＝U₀^*时，即为零过渡并网时间点。由于风电机组零过渡并网条件的数学表达式非常较复杂，所以可以通过数值分析方法或数学仿真分析求解。

建立仿真模型如图7所示，直驱式风机用带逆变器的直流电压源等效替代，电网端用带阻抗的恒定交流电压源表示，通过对逆变器进行PWM控制来控制其输出电压可以满足并网同期条件。CrossZero为零过渡电力电子开关模块，在满足同期的前提条件下，当滤波器等效电容C两端电压瞬时值和根据电网参数计算得到的零过渡电压值相等时，闭合电力电子开关。Gird-Breaker为并网断路器，Wind-breaker为风机闭锁开关。

仿真数据：电网侧电压Us为690V，频率50Hz；滤波器等效电容C为8.749e-6F；电网侧等效电阻R_s为5.334Ω，等效电感L_s为0.0127H。

未满足同期并网条件时闭合并网断路器，此时系统侧电压和电流波形如图8所示；采用同期并网方法，当时，并网断路器选择在t＝0进行闭合，但是没有选择在零过渡时间点并网，此时的系统侧电压和电流波形如图9所示，系统侧电流FFT变换结果如图10所示。

由图8可知，未满足同期条件并网时，在并网点会出现强烈的电压电流振荡；由图9与图10可知，在满足同期条件但没在零过渡并网时间点并网时，虽然并网瞬间并网点电压没有受到很大干扰，但是系统侧电流由于其非周期分量的影响仍然会有出现较大的冲击和振荡，从FFT变换结果可以看出系统侧电流中含有较多的高次谐波电流，这对电网的安全稳定会造成不利影响。因此，对于这种目前较为常见的风电机组同期并网方式，仍然存在需要改进的方面。

采用本文的零过渡动态并网方法，当且滤波器电容电压瞬时值等于式(14)计算得到的电压U₀^*时，经过信号系统和零过渡控制系统闭合零过渡电力电子开关，系统侧电压和电流波形如图11，系统侧电流FFT变换结果如图12所示。

由图11与图12可知，采用风电机组零过渡动态并网方法，让风电机组在同时满足同期和零过渡并网条件时进行并网，电力系统不仅不会产生暂态过电流，而且系统侧电流中也不存在非周期分量的谐波电流。因此，零过渡动态并网方式在性能上比同期并网方式更为优越，对电力系统的安全稳定性更高，可以作为一种很好的风电机组并网方法。