[发明专利]一种用于风力发电系统的直流电压控制单元及方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种用于风力发电系统的直流电压控制单元及方法。

背景技术

风力发电系统主要包括风力机、将风力机的机械能转换为电能的发电机、用于将发电机所输出的交流电压转变为直流电压的机侧变换器、与机侧变换器电气相连并用于存储电能的直流电容器，以及用于将直流电压转变为交流电压的网侧变换器等。其中，为了实现对风机直流电压的稳定控制，通常采用了机侧控制器或网侧控制器对其进行控制。目前利用网侧控制器控制直流电压的方法获得了广泛的应用，该方法中，由直流电压的检测值和指令值的误差经控制器形成网侧变换器的有功电流指令值，网侧控制器根据有功电流指令值，输出相应的有功电流；当直流电压变化时，根据检测到的直流电压的误差，来控制风机向电网输送的有功功率。基于机侧控制器控制直流电压的方法在文献中研究较多，但在实际应用中还不够广泛；该方法是由直流电压的指令值与检测值的误差经控制器形成机侧变换器的有功电流指令值，然后根据有功电流指令值，由发电机输出相应的有功电流；当直流电压变化时，根据检测到的直流电压的误差，来控制机侧变换器向直流电容器输出的有功功率。

US2011/0140438A1中公开了一种风机的直流电压控制方法，其中所披露的第一种方式是通过网侧控制器对直流电压进行控制，并通过机侧控制器对发电机电磁转矩进行控制；第二种方式是通过机侧控制器对直流电压进行控制，并通过网侧控制器对发电机电磁转矩进行控制。US7692321B2中也公开了一种通过机侧控制器对直流电压进行控制的方法，与之前不同的是这种方法采集了发电机转速信号，网侧控制器对发电机转速进行控制。

上述基于网侧控制器控制直流电压的方案在小干扰下对直流电压具备良好的稳定性效果，但是在电网发生故障时，网侧变换器向电网输出有功功率功率减小，而机侧变换器向直流电容器输出的有功功率不变，相应导致直流电压上升，不利于系统的故障穿越。上述基于机侧控制器控制直流电压的方案的优点在于可以利用风力机转子惯性，使发电机转速能够响应电网频率变化；而且在电网发生故障时，网侧变换器向电网输出有功功率减小，此时可以控制机侧变换器减少向直流电容器输送功率，以减缓直流电压的上升。但是在稳态下，直流电压的小干扰稳定性仍有待改善。因此，在相关领域中亟需寻找更为完善的直流电压控制方案，以解决上述实际问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于风力发电系统的直流电压控制单元及方法，其中通过对影响风力发电系统直流电压稳定性的关键因素进行分析，并基于机侧和网侧控制器来协同执行直流电压控制过程，相应可克服仅采用机侧或网侧控制器所存在的不足，增强直流电压的小干扰稳定性，保持系统良好的故障穿越能力，并尤其适用于电网发生故障时的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于风力发电系统的直流电压控制单元，该风力发电系统包括风力机、将风力机的机械能转换为电能的发电机、用于将发电机所输出的交流电压转变为直流电压的机侧变换器、与机侧变换器电气相连并用于存储电能的直流电容器，以及用于将直流电容器的直流电压转变为交流电压并输送至电网的网侧变换器，其特征在于，所述直流电压控制单元包括对应于机侧变换器而设置的机侧控制器、对应于网侧变换器而设置的网侧控制器，以及分别与机侧控制器和网侧控制器信号连接的直流电压控制器，其中：

所述直流电压控制器用于对直流电容器的直流电压信号以及电网的频率信号分别予以实时采集，根据这两种信号计算得出相应的有功电流指令信号和电磁转矩补偿信号，然后将有功电流指令信号输出至网侧控制器，同时将电磁转矩补偿信号输出至机侧控制器；

所述机侧控制器用于实时采集发电机的转速信号及其定子三相电流信号，并结合所接收的电磁转矩补偿信号，相应调整机侧变换器的驱动信号；所述网侧控制器用于实时采集电网的三相电压信号及其所输出的三相电流信号，并结合所接收的有功电流指令信号，相应调整网侧变换器的驱动信号。

作为进一步优选地，所述直流电压控制器包括第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器和加法器，其中：

第一控制器用于实时采集直流电容器的直流电压值，并基于该采集值和预先设定的第一直流电压指令值来计算得出第一电磁转矩补偿指令值，然后将其输出至加法器；

第二控制器用于实时采集直流电容器的直流电压值，并基于该采集值和预先设定的第二直流电压指令值来计算得出第二电磁转矩补偿指令值，然后将其输出至加法器；