無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及控制方法，特別涉及無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法。
【背景技術】
[0002] 在變速恒頻風力發電并網系統中，風電場發電變化引起風電場接入地區局部電網 電壓變化，影響電力系統穩定運行，同時對風電場近距離接入點負荷電壓產生影響，使負荷 電壓變化。
[0003] 目前，并網風力發電系統中風力發電機往往采用感應發電機，雙饋異步發電機或 同步發電機。采用感應發電機的風力發電系統并網時，感應發電機會消耗無功，且無功大小 不可控，并網控制近距離負荷電壓主要是通過并聯電容器補償無功消耗，通過改變連接的 電容器數量來分級控制并網電壓，實現負荷、電網和風力發電系統的平衡。采用雙饋發電機 風力發電系統并網時，利用與雙饋異步發電機轉子相連的變頻器控制電網側的無功功率， 功率因數可調節到1，因而可以通過控制變頻器來控制負荷電壓，實現電網，負荷和風力發 電系統三者平衡。但雙饋電機由于裝有碳刷、滑環和復雜的起動裝置等缺點，使其存在可靠 性差，需要定期維護，使用場合受到限制等不利因素。采用同步發電機的風力發電系統并網 時，可以通過控制同步發電機的勵磁電流實現網側無功功率可控，從而根據負荷的大小，控 制風力發電機輸出功率，達到穩定電網電壓，實現電網，負荷和風力發電系統供需平衡。但 這種風力發電系統要求風力發電機有精確的調速機構，保證風速變化時發電機轉速維持同 步轉速不變，且與同步發電機定子串接的變頻器容量較大。

【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題是：提供一種風力發電并網均衡控制方法，該方法能 夠在風電變化時，穩定風電場接入點局部電網電壓和近風電場變化負荷電壓。
[0005] 本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：
[0006] 本發明提供的無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，是采用均衡控制技術對風力 發電系統、電網和負荷三方進行均衡，具體是：根據風力的變化和負荷大小，調節無刷雙饋 風力發電系統發出的無功功率的大小，從而穩定負荷的電壓及電網電壓，實現電網、負荷和 風力發電系統之間的供用電平衡，實現均衡控制。
[0007] 所述的無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其步驟包括：
[0008] (1)構建無刷雙饋風力發電并網系統：
[0009] 將風力機通過齒輪箱連接到無刷雙饋發電機轉子，無刷雙饋發電機定子繞組中的 功率繞組通過變壓器連接到電網，定子繞組中的控制繞組連接到矩陣變頻器輸出端，矩陣 變頻器輸入端通過變壓器與電網相連，控制器與矩陣變頻器及風力機相連，由此而構建無 刷雙饋風力發電并網系統；
[0010] ⑵利用步驟⑴建立的無刷雙饋風力發電并網系統，負荷連接在電網和風力發 電系統（又稱為風力發電場）之間，并靠近風力發電場；
[0011] (3)利用步驟（1)建立的無刷雙饋風力發電并網系統，通過傳感器采集到并網處 的電壓、電流、頻率信號、風速、風輪轉速和風向數據信號、負荷處電壓信號，將這些信號送 入控制器，控制器通過信號處理發出控制指令，對矩陣變頻器及其他執行機構進行控制，從 而控制無刷雙饋風力發電機轉速和輸出功率，從而穩定負荷的電壓及電網電壓，實現電網、 負荷和風力發電系統之間的供用電平衡，實現均衡控制。
[0012] 本發明采用無刷雙饋發電機，它有兩套定子繞組和一套轉子繞組，其中一套定子 繞組稱為功率繞組，另一套定子繞組稱為控制繞組。
[0013] 本發明采用矩陣變頻器對無刷雙饋發電機控制繞組進行勵磁控制。
[0014] 本發明采用均衡控制技術，根據風力的變化和負荷大小，調節無刷雙饋風力發電 系統發出的無功功率的大小，從而穩定負荷的電壓及電網電壓，實現電網、負荷和風力發電 系統之間的供用電平衡，實現均衡控制。
[0015] 本發明提供的上述無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其用途是：在無刷雙饋 風力發電并網中的應用。
[0016] 本發明與現有技術相比，具有以下主要的優點：
[0017] 1.風力發電機采用無刷雙饋發電機。相比雙饋異步發電機，無刷雙饋發電機轉子 上取消電刷和滑環，噪聲低，大大降低磨損。
[0018] 2.無刷雙饋發電機控制繞組由矩陣變頻器交流勵磁，控制矩陣變頻器可使流過控 制繞組電流可控，從而使整個風力發電系統的無功功率可控（功率因數可調至1)，相比異 步感應發電機，不用并聯笨重的分組電容進行無功補償，系統體積小。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明無刷雙饋風力發電并網系統的結構示意圖。
[0020] 圖2是本發明的一個實施例無刷雙饋風力發電并網均衡控制系統的結構框圖。
[0021] 圖3是本發明的一個實施例中矩陣變頻器與無刷雙饋發電機連接圖。
[0022] 圖4是本發明的一個實施例中矩陣變頻器中一個開關單元的結構示意圖。
[0023] 圖5是本發明的一個實施例中風電場、電網及負荷的等效數學模型。
[0024] 圖中?風力機；101?風；2?齒輪箱；3?無刷雙饋發電機；301?功率繞組；302?控 制繞組；4.矩陣變頻器；5.控制器；6.變壓器；7.負荷；8.電網；9.變槳距執行機構。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的說明，但不限定本發明。
[0026] 本發明提供的無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，是通過無刷雙饋風力發電系 統實現的。該方法是：根據風力的變化和負荷大小，調節無刷雙饋風力發電系統發出的無功 功率的大小，從而穩定風電場接入點局部電網電壓和近風電場變化負荷電壓，實現電網、負 荷和風力發電系統之間的供用電平衡，實現均衡控制。
[0027] 所述無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其步驟包括：
[0028] 1?構建無刷雙饋風力發電并網系統：
[0029] (1)構建無刷雙饋風力發電并網系統：
[0030] 構建無刷雙饋風力發電并網系統：它是將風力機通過齒輪箱連接到無刷雙饋發電 機，無刷雙饋發電機功率繞組連接到電網，無刷雙饋發電機控制繞組連接到矩陣變頻器輸 出端，矩陣變頻器輸入端通過變壓器與電網相連，控制器與矩陣變頻器及風力機相連而形 成的。
[0031] (2)利用建立的無刷雙饋風力發電并網系統，負荷連接在電網和風力發電并網系 統（即風力發電場）之間，并靠近風力發電場。
[0032] 2.本發明無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法具體的實現方法是：
[0033] 通過傳感器采集到無刷雙饋風力發電系統并網處的電壓、電流和頻率信號，風速、 風輪轉速和風向數據信號，負荷處電壓信號，將這些信號送入控制器，控制器根據構建的負 荷電壓和功率、電網電壓、電網中輸電線阻抗、變壓器阻抗、風力發電場輸出的無功功率、有 功功率之間的數學關系模型進行信號處理，并發出控制指令，對矩陣變頻器及其他執行機 構進行控制，從而實現無刷風力發電機輸出電壓、頻率和無功功率控制，穩定風電場接入點 局部電網電壓和近風電場變化負荷電壓，實現并網均衡控制。
[0034] 對于矩陣變頻器，設其輸入端所接三相電網相電壓最大值為Uim，頻率為U i,則其 輸入三相電壓uu、uv、1^分別為
[0035] Uu=Uim COS CO it
【主權項】
1. 一種無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其特征是采用均衡控制技術對風力發電 系統、電網和負荷S方進行均衡，具體是；根據風力的變化和負荷大小，調節無刷雙饋風力 發電系統發出的無功功率的大小，從而穩定負荷的電壓及電網電壓，實現電網、負荷和風力 發電系統之間的供用電平衡，實現均衡控制。
2. 根據權利要求1所述的無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其特征是采用包括W 下步驟的方法： (1) 構建無刷雙饋風力發電并網系統： 將風力機通過齒輪箱連接到無刷雙饋發電機轉子，無刷雙饋發電機定子繞組中的功率 繞組通過變壓器連接到電網，定子繞組中的控制繞組連接到矩陣變頻器輸出端，矩陣變頻 器輸入端通過變壓器與電網相連，控制器與矩陣變頻器及風力機相連，由此而構建無刷雙 饋風力發電并網系統； (2) 利用步驟（1)建立的無刷雙饋風力發電并網系統，負荷連接在電網和風力發電場 之間，并靠近風力發電場； (3) 利用步驟（1)建立的無刷雙饋風力發電并網系統，通過傳感器采集到并網處的電 壓、電流、頻率信號、風速、風輪轉速和風向數據信號、負荷處電壓信號，將該些信號送入控 制器，控制器通過信號處理發出控制指令，對矩陣變頻器及其他執行機構進行控制，從而控 制無刷雙饋風力發電機轉速和輸出功率，從而穩定負荷的電壓及電網電壓，實現電網、負荷 和風力發電系統之間的供用電平衡，實現均衡控制。
3. 根據權利要求2所述的無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其特征是采用無刷雙 饋發電機，它有兩套定子繞組和一套轉子繞組，其中一套定子繞組稱為功率繞組，另一套定 子繞組稱為控制繞組。
4. 根據權利要求2所述的無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其特征是采用矩陣變 頻器對無刷雙饋發電機控制繞組進行勵磁控制。
5. 根據權利要求2所述的無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，其特征是采用均衡控 制技術，根據風力的變化和負荷大小，調節無刷雙饋風力發電系統發出的無功功率的大小， 從而穩定負荷的電壓及電網電壓，實現電網、負荷和風力發電系統之間的供用電平衡，實現 均衡控制。
6. 權利要求1至5中任一權利要求所述無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法的用途， 其特征是：在無刷雙饋風力發電并網中的應用。
【專利摘要】本發明公開了一種無刷雙饋風力發電并網均衡控制方法，該方法采用均衡控制技術對風力發電系統、電網和負荷三方進行均衡，具體是：根據風力的變化和負荷大小，調節無刷雙饋風力發電系統發出的無功功率的大小，從而穩定負荷的電壓及電網電壓，實現電網、負荷和風力發電系統之間的供用電平衡，實現均衡控制。本發明能穩定風力發電系統附近變化負荷電壓，使風電場發出的電能及時消納。
【IPC分類】H02J3-38, H02P9-14
【公開號】CN104600745
【申請號】CN201510010092
【發明人】肖義平, 王雪帆, 席自強, 方娜, 李新華, 蔡華鋒, 陳俊, 鐘丹
【申請人】湖北工業大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月9日