异步风电机组并网控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种异步风电机组并网控制系统及方法。

背景技术

目前，世界上大中型风力发电机组很多都采用异步发电机。与同步发电机相比，异步发电机不仅控制装置简单,在并网时也没有严格的频率、相角的要求,容易并网,并网后也不易产生振荡和失步,运行非常稳定。然而异步发电机采用直接并网方式时,并网瞬间的冲击电流会达到电机额定电流的5～7倍,甚至10倍以上。该冲击电流会对电网、叶轮以及发电机本身造成严重的冲击,可能还会影响其他联网机组的正常运行。另外,并网冲击电流也会对接触器、断路器等开关设备造成较强的冲击。同时由于风电场大都位于电力系统的边缘地区，与系统的联系比较薄弱，若大规模的风机同时直接并网将对系统的稳定性会产生严重的影响，甚至引起电力系统的瘫痪，所以采用合适的并网方式降低并网冲击电流显得非常重要。采用双向可控硅的软并网技术,可以得到一个平稳的并网过渡过程而不会出现冲击电流,使并网时的电流控制在1.25～2倍的额定电流以内,因此可以大大降低并网时的冲击,增加风电机组的使用寿命和可靠性,目前大型的异步并网风力发电机组均采用这种并网工作方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种异步风电机组并网控制系统及方法，能够大幅减小并网产生的冲击电流。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种异步风电机组并网控制系统，所述系统包括：主控单元、晶闸管单元、并网接触器、电机侧接触器及旁路接触器，其中，所述晶闸管单元设置在风电机组与电网之间，所述并网接触器设置在所述晶闸管单元的电网一侧，所述电机侧接触器设置在所述晶闸管单元的电机一侧，所述主控单元分别与所述晶闸管单元、所述并网接触器、所述电机侧接触器及所述旁路接触器连接，并且，所述并网接触器与所述电机侧接触器用于当机组转速接近同步转速时，在所述主控单元的控制下自动闭合；所述晶闸管单元用于当机组转速接近同步转速时，在所述主控单元发出的触发脉冲的控制下，逐步导通，以及风电机组输出功率后，自动关断；所述旁路接触器用于当风电机组输出功率后，在所述主控单元的控制下自动闭合。

在一些实施方式中，所述主控单元包括：ARM控制器、连接至所述ARM控制器的DSP，以及连接至所述DSP的驱动电路。

在一些实施方式中，所述ARM控制器用于控制所述并网接触器、所述电机侧接触器及所述旁路接触器进行软并网；所述DSP用于由电网电压获取电压同步信号，产生中断，启动定时器工作；所述驱动电路用于驱动所述晶闸管单元，以完成风电机组的软并网。

在一些实施方式中，所述晶闸管单元包括：双向晶闸管。

在一些实施方式中，所述晶闸管单元还包括：与所述双向晶闸管并联的缓冲电路，所述缓冲电路包括：相互串联的电容及电阻。

在一些实施方式中，还包括：电压互感器，设置在所述晶闸管单元的电网一侧，用于感测三相电网电压。

在一些实施方式中，还包括：电流互感器，设置在所述晶闸管单元的电机一侧，用于感测电机定子电流。

在一些实施方式中，所述DSP还用于根据所述电压互感器感测到的电网电压，以及所述电流互感器感测到的电机定子电流，计算晶闸管触发角。

此外，本发明还提供了一种异步风电机组并网控制方法，所述方法包括：当机组转速接近同步转速时，并网接触器与电机侧接触器闭合，同时与电网相连的晶闸管单元在触发脉冲的控制下，逐步导通；风电机组输出功率后，晶闸管单元自动关闭，且与所述晶闸管单元并联的旁路接触器闭合。

在一些实施方式中，所述方法还包括：获取并网控制过程中的电机定子电流；根据所述电机定子电流与电流限定值之间的偏差，计算进行PI控制需要的晶闸管触发角的调整量；根据所述晶闸管触发角的调整量对并网控制过程中的晶闸管触发角进行调整；根据调整后的晶闸管触发角，启动风电机组的软并网控制。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明实施例提供的异步风电机组并网控制系统及方法可使电机的并网瞬时电流控制在额定电流的1.25～2倍之内,并且系统具有较好的稳定性，完全满足并网要求。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例提供的异步风电机组并网控制系统的电路原理图；

图2是本发明实施例提供的异步风电机组并网控制系统的电路结构图；

图3是本发明实施例提供的异步风电机组并网控制方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的异步风电机组并网控制方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的软并网系统的仿真模型的结构图；

图6是本发明实施例提供的直接并网定子电流波形的仿真结果图；

图7是本发明实施例提供的软并网定子电流波形的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

1、软并网控制系统主电路设计

异步风电机组软并网控制系统的主电路由三对反并联晶闸管及其保护电路组成,如图1所示。晶闸管串接于电机出线与电网之间,利用晶闸管的自然换相特性通过调节晶闸管的导通角就可调节电机定子电压按阶梯波的形式从某一较小的初值逐渐增加到全压状态,从而降低定子电压随时间的增长率。软并网的具体过程如下:当电机转速接近同步转速时,发电机接触器闭合,同时与电网直接相连的双向晶闸管在触发脉冲的控制下,逐步导通。晶闸管初始导通时,即次同步转速阶段,电机运行于电动状态,此时电机在电网与叶轮的共同拖动下转速迅速上升,其滑差很快趋于零。当滑差接近于零时,晶闸管完全导通,这样将并网冲击电流限制在较小的范围内,从而得到一个比较平滑的并网过程。发电机输出功率后，双向晶闸管的触发脉冲自动关闭，发电机输出电流不再经双向晶闸管而是通过已闭合的自动开关触点流向电网。至此，并网控制结束，风机进入发电运行控制阶段。

2、软并网控制器软硬件设计

对于整个风力发电机组的控制系统来说,软并网控制系统用的DSP属于从CPU系统,所以软并网控制器的启动、停止以及并网方式要受到ARM的控制,并网时由主控制器下达命令,并网控制环节根据收到的命令情况和相应的传感器信号对并网过程进行控制,从而达到控制电流的目的。限制电机并网时的冲击电流可采用开环控制和闭环控制两种方式。开环式软并网是在并网开始时设置一定的初始触发角,即相应的初始输入电压,电机开始并网后按一定规律线性减小触发角直至晶闸管完全导通,从而使电机的输入电压平稳的上升,从而限制电机并网的电流。闭环软并网控制，主要以电机的定子电流作为晶闸管触发角变化的依据,通过采样电机定子电流,并与电流限定值进行比较,得出相应的电流偏差值,经过数字PI调节算法,计算出所需要的晶闸管触发角的调整量。开环控制方式虽然控制简单,但启动耗时较长,并且对电流的限定只是一个粗略的控制。而以定子电流为反馈量的闭环控制方式,电机的起动比较平缓,电流值被很好的控制在设定值之内。所以在本设计中，我们采用闭环控制的方法实现软并网控制。

(1)软并网控制器硬件电路设计

软并网控制器原理图如图2所示。

本系统中上位机ARM选用因特尔公司的Pxa270，CPU选用的是TI公司的TMS320F2812芯片。该芯片专为基于电机控制的应用而设计,它能够满足软并网控制器的计算量大和实时性强的要求。软并网部分由三组反向并联的晶闸管构成。通过控制晶闸管的开启逻辑来控制加在电机定子端的交流电压。为了吸收晶闸管动作时的瞬时能量和短暂的电压冲击,在每相晶闸管上并联缓冲电路。缓冲电路由电阻和电容串联构成。利用电容器两端电压不能突变的特性来限制电压上升率,防止误触发。本系统中电压同步信号取自电网电压，该信号作为触发三相晶闸管的同步信号,送入DSP，产生中断,启动定时器工作。电流反馈信号由电流互感器取自电机定子电流，所得信号经放大调理电路输入到DSP的A/D口,作为计算晶闸管触发角的依据。由于DSP产生的信号较弱,不能驱动晶闸管,所以须通过隔离放大电路进行功率放大,然后发出触发信号，从而调整晶闸管的触发角。

软并网系统整个并网过程都由上位机控制，由上位机发出起动和并网方式信号,DSP根据上位机的命令执行相应的并网程序,ARM可以随时停止软并网系统的工作。整个并网过程中并网状态都回馈给ARM，ARM根据具体情况采取相应的控制程序。

(2)软并网控制器的软件实现

图3示出了异步风电机组并网控制方法的流程。参见图3，异步风电机组并网控制方法包括：

S31，获取并网控制过程中的电机定子电流。

S32，根据所述电机定子电流与电流限定值之间的偏差，计算进行PI控制需要的晶闸管触发角的调整量。

S33，根据所述晶闸管触发角的调整量对并网控制过程中的晶闸管触发角进行调整。

S34，根据调整后的晶闸管触发角，启动风电机组的软并网控制。

通过图3示出的异步风电机组并网控制方法的控制流程，能够大大降低风电机组并网过程中产生的冲击电流，有效保证的系统运行的稳定性。

图4示出了上述控制过程的执行流程。参见图4，并网控制过程包括如下操作：

S41，系统中各个部件的初始化。

S42，电网电压和频率采集。

S43，判断是否执行并网操作，如果是，再次执行S43，如果不是，执行S44。

S44，闭合并网接触器。

S45，闭合电机侧接触器。

S46，设定初始角及移向步长。

S47，启动定时器。

S48，判断晶闸管是否完全导通，如果是，执行S47，如果不是，执行S49。

S49，报告ARM并网成功。

需要注意的是，由于风电机组电机转子加速度随风速变化，所以应根据实际风速情况,调节机组并网转速与晶闸管触发角变化的步长及每个步长的持续时间,使晶闸管完全导通的时刻与电机到达同步转速的时刻尽可能接近。风速小时,转子加速度小,晶闸管导通速度也适当变慢；相反,风速大时,转子加速度大,晶闸管的导通速度也适当加快。在软并网过程中晶闸管的通断会产生奇次电压谐波,这会造成电网谐波污染，软并网过程经历的时间还是应该尽可能短。

3、异步电机并网仿真验证

运用Matlab/Simulink对该控制系统进行仿真，仿真中发电机具体参数为:额定电压690V,额定电流683A,定子频率50Hz,额定功率750kW,额定转速1518r/min,级数为四级。软并网仿真模型见图5。

图6是风速为15m/s时直接并网仿真波形,当发电机转速达到1495r/min时进行并网,由图可以看出并网时冲击电流很大,瞬时最大值达到4800A左右。

图7为采用软并网系统的定子电流波形。从图7中可以看出采用晶闸管软并网系统可以抑制并网时的冲击电流,并网时最大电流不超过800A,软并网过程的持续时间较短,经过0.5s左右电流即可达到稳态值。有效地将电机的并网冲击电流限制在额定值的1.25～2倍之内,满足并网要求。

经过仿真实验，我们发现在开始并网至达到同步转速之前,晶闸管导通角的增大及晶闸管导通速度过快都会产生较大的冲击电流,所以在此过程中我们要控制好导通角步长及持续时间。在电机转速接近同步转速时,为减少软并网的持续时间,使晶闸管完全导通的时刻与电机到达同步转速的时刻尽可能接近,这个时候可大大加快晶闸管的导通速度,而不会引起并网电流大幅上升。

本发明针对风电机组软并网设计相对简单，提出了一种较为经济的并网方法，对实际机组并网有一定的借签意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。