CN101453187A - 一种电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法，通过“T/16延时”分离方法，将采集得到的风力发电机定子三相不对称电压中的正序、负序分量分离出来，并通过不对称软件锁相环，实现对基波电压正序分量幅值、相位和频率的快速检测。本方法可快速分离故障电网电压中的基波正、负序分量，具有检测精度高、实时性好等特点，能为各种电网故障情况下风电机组的运行控制提供依据。

Description

一种电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法

技术领域

本发明涉及能源领域内的风力发电机控制技术，特别是不对称电网故障情况下风力发电机运行控制用基准信号的检测技术。

背景技术

现代大型风力发电系统主要有双馈异步发电机(DFIG)和永磁同步发电机两种类型，为提高发电效率，均实行变速恒频发电运行，其中DFIG系统是当前的主流机型。目前我国的风电技术大多停留在理想电网条件下的运行控制，由于实际电网经常有各类对称、不对称故障发生，因此必须开展电网故障下的运行控制研究并提出相应控制技术。近年来国际上DFIG机组控制技术的研究多集中在电网对称故障下的低电压穿越运行控制，但电网不对称故障更为频繁、几率更大，因此，DFIG故障运行研究已从对称故障向不对称故障延伸。这是因为DFIG控制系统中若未曾考虑电网电压的不平衡，很小的不平衡电压将造成定子电流的高度不平衡，致使定子绕组产生不平衡发热，发电机产生转矩脉动，导致输入电网的功率发生振荡。若风电机组相对电网容量足够大，这种缺乏不平衡电网电压控制能力的风电机组不得不从电网中解列，以防引发后续的更大电网故障。但从电网安全角度又要求风电机组能承受最大达2％的稳态和相对较大瞬态不平衡电压而不退出电网，这就要求风电机组能实现电网电压不对称故障穿越运行。目前，国内、外已经兴起了对这种不平衡电网电压条件下DFIG发电机及相关励磁变频器控制方法与实施方案的研究。

检索到DFIG风电机组不平衡电网条件下运行控制的相关专利和研究文章有：

I.胡家兵，贺益康等.不平衡电网电压条件下双馈异步风力发电系统的建模与控制.电力系统自动化，2007，31(14)：47-56.

II.L.Xu，and Y.Wang，“Dynamic Modeling and Control of DFIG Based WindTurbines under Unbalanced Network Conditions，”IEEE Trans.Power System，Vol.22，No.1，pp.314-323，Feb.2007.

III.Zhou.Y.，Ferreira.J.A.and Pierik.J.，“Control of DFIG underunsymmetrical voltage dip，”in Proc.of Power Electronics Specialists Conf.，pp.933-938，Jun.2007.

IV.CARTWRIGHTP，XU L.System controller for e.g.wind powered doublyfed induction generator attached to wind turbine，has grid imbalance detector whichcontrols current to cancel imbalance in grid served by generators[Patent].PatentNumber：GB2420456-A.Date：20060524.Application Number：GB025662.Date：20041123.

目前，电网电压不平衡条件下DFIG控制方法可用图1来说明，其实质是将不对称系统分解成正、负序对称分量系统后，再分别在正、反转同步旋转坐标系中实现d、q轴解耦控制。虽然转子正、负序电流在正、反转同步旋转坐标系中各自表现为直流量，分别采用两个PI调节器19即可实现无静差独立跟踪控制，但控制实施的前提是已实现对采集的定、转子电流和定子电压的正、负序分离，其处理过程是：利用三个电压霍尔传感器5采集三相定子电压信号U_sabc；利用六个电流霍尔传感器4分别采集三相定子电流I_sabc和转子电流信号I_rabc；采集得到的定子电压信号U_sabc、三相定、转子电流信号I_sabc和I_rabc分别经过静止三相/二相坐标变换模块6，得到包含正、负序分量的定子电压综合矢量U_sαβ和定、转子电流综合矢量I_sαβ和I_rαβ；其中U_sαβ，I_sαβ分别通过正、反转同步速旋转坐标变换模块13，14，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量

I_rαβ分别通过正、反转转子速旋转坐标变换模块11，12，得到转子电流综合矢量

已有的控制方法中普遍采用了2ω_s频率陷波器、低通滤波器、1/4电网电压基波周期延时等方法来滤除信号

和 中的两倍频2ω_s交流量，分离中除引入较大的延时外，控制系统的带宽也将受到影响，会造成动态跟踪误差，动态控制效果不理想，严重影响了系统的动态控制性能。

图1所示方法普遍采用软件锁相环(PLL)8对电网电压的频率和相位进行检测和跟踪，但是传统的软件PLL不能排除不平衡电压中负序分量的影响，即当电压不平衡时，PLL无法获得准确的电压频率和相位信号。此外，电网电压故障的一个重要特征就是电压相位的跳变，这种跳变瞬间发生，而传统PLL所采用的对电压频率积分的方法无法捕获电压相位的跳变，导致故障发生之后较长一段时间之内电压相位检测存在较大误差，直接影响到定子电压、电流和转子电流旋转坐标变换的准确性，进而影响到整个控制系统的动态性能和稳定性。

由上述分析可见，电网电压不平衡条件下DFIG不对称控制中亟需解决的问题是准确而快速的电压矢量定向和电网电压正、负序分量的分离，这是DFIG不平衡控制的前提条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不平衡电网电压条件下双馈异步发电机(DFIG)风电机组中电压、电流的正、负序快速分离方法，在此分离方法的基础之上，利用所提出的不对称软件锁相环来准确检测故障情况下的电网电压相位，为风电机组的故障运行控制提供精确的参考信号，从而有效提高DFIG风电系统在各类电网电压条件下的运行控制性能，确保供电电能质量和电力系统的运行稳定性及安全。

本发明的技术解决方案，电网不对称故障情况下风电机组控制基准信号的检测方法，包括以下步骤：

(i)利用三个电压霍尔传感器采集双馈异步感应发电机三相定子电压信号U_sabc；利用六个电流霍尔传感器分别采集三相定子电流I_sabc和转子电流信号I_rabc；

(ii)采集得到的三相定子电压信号U_sabc经过不对称软件锁相环检测得到电网或者定子电压角频率ω_s和相位θ_s；与此同时采用编码器检测双馈异步感应发电机的转子位置θ_r及转速ω_r；并分别经加减计算器计算得到滑差角度±θ_s-θ_r和滑差角频率ω_slip+＝ω_s-ω_r，ω_slip-＝-ω_s-ω_r；

(iii)将采集得到的定子电压信号U_sabc、三相定、转子电流信号I_sabc和I_rabc分别经过静止三相/二相坐标变换模块，得到包含正、负序分量的定子电压综合矢量U_sαβ，定、转子电流综合矢量I_sαβ和I_rαβ；

(iv)将得到的定子静止坐标系中定子电压综合矢量U_sαβ分别通过正、反转同步速旋转坐标变换模块，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量

采用‘T/16延时”分离方法消除正、反转同步速旋转坐标系中电压矢量综合矢量

中的2ω_s频率交流成分，快速分离出正、负序电压直流分量 (v)采用如(iv)相同的步骤，从定子静止坐标系中的定子电流综合矢量I_sabc得到正、负序定子电流直流分量

(vi)将定子静止坐标系中的转子电流综合矢量I_rαβ分别通过正、反转转子速旋转坐标变换模块，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的转子电流综合矢量

采用“T/16延时”分离方法消除正、反转转子速旋转坐标系中转子电流综合矢量

中的2ω_s频率交流成分，获得正、负序转子电流直流分量

(vii)采用定子磁链观测器获取转子参考电流指令值计算模块计算所需的正、反转同步旋转坐标系中的定子磁链直流分量

根据电网电压不平衡条件下双馈异步感应发电机所需的控制目标，由转子电流指令值计算模块计算得到正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流指令

将该电流指令值与正、负序转子电流直流信号

比较获得误差信号；误差信号通过PI控制器调节后的输出信号经过反馈补偿解耦模块完成转子速旋转坐标系中交-直轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取转子速旋转坐标系中的正、负序转子电压参考值

和

正、负序转子参考电压分别通过正、反转转子速旋转坐标反变换模块(9，10)，得到定子静止坐标系中的正、负序转子电压参考值

正、负序转子电压参考值相加之后得到定子静止坐标系中的转子参考电压综合矢量该信号经过空间矢量脉宽调制模块调制后获得控制双馈异步感应发电机运行的转子侧变换器开关信号S_a，S_b，S_c。

上述步骤(ii)中所述的不对称软件锁相环检测电网或者定子电压角频率ω_s和相位θ_s，步骤如下：

(i)利用锁相环的输出反馈相位信号θ_s对U_sαβ进行正转同步速旋转坐标变换，得到正转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量

(ii)将得到的正转同步速旋转坐标系中电压综合矢量

经过“T/16延时”分离算法计算出正转同步速旋转坐标系中正序电压直流分量

(iii)将得到的正转同步速旋转坐标系中q轴信号

经过PI调节器得到三相定子电压正序分量的频率ω_s；

(iv)将得到的频率信号ω_s经过积分器积分得到电网正常情况下的相位信号

(v)将得到的相位信号

加上作为相位补偿信号的作为不对称锁相环的输出相位信号θ_s；

本发明中，所述的“T/16延时”分离方法，步骤如下：将得到的正、反转同步速旋转坐标系中电压综合矢量

经过延时环节延时十六分之一个电网周期(1.25ms)，得到延时后的电压矢量

将

和

经过“T/16延时”分离方法计算出正、负序电压直流分量

本发明的检测方法简单易行，相比于传统的控制方法，无需增加额外的硬件，只需将传统检测方法的正、反转同步速旋转坐标系中的电压、电流信号进行简单的计算，即可在十六分之一个电网基波周期(T/16＝1.25ms)之内准确分离出不对称电压、电流中正、负序分量。在此分离方法的基础上，结合相位补偿的方法提高传统软件锁相环的抗干扰性和相位检测精度，使之适用于各种电网故障情况下电压同步信号的检测。采用该方法可为风电机组的故障运行控制提供准确的基准信号，有效提高该类风电系统电网故障下的不间断运行(穿越)能力。

本发明方法除了可用于DFIG风电系统之外，还适用于其他采用高频开关自关断器件构成的各类形式三相变频器在不平衡电网电压条件下的有效控制，如太阳能、燃料电池发电系统的并网逆变装置，柔性输电系统的电力电子逆变装置以及电机调速传动中的变流装置的有效控制。

附图说明

图1是不平衡电网电压条件下，双馈异步发电机控制方法原理图。

图2是本发明中的“T/16延时”分离方法原理图。

图3是本发明中采用相位补偿的不对称软件锁相环原理图。

图4为电网电压瞬态不平衡及相位跳变条件下，采用本发明方法的仿真效果图。t＝0.02s时刻三相电压中出现幅值为0.5(pu)的负序基波分量，t＝0.06s时刻消失；t＝0.03s时刻电压相位突增45°，t＝0.07s时刻相位突减45°。图中，(a)DFIG定子三相电压(pu)；(b)定子电压正序分量在两相静止坐标系中的α、β分量(pu)；(c)定子电压负序分量在两相静止坐标系中的α、β分量(pu)；(d)采取相位补偿时PLL的输出相位(rad)；(e)不采取相位补偿时PLL的输出相位(rad)；(f)采取相位补偿时PLL的输出相位与真实相位之间的误差(rad)；(g)不采取相位补偿时PLL的输出相位与真实相位之间的误差(rad)。

图5为电网电压瞬态不平衡及相位跳变条件下，采用本发明方法的实验效果图。(a)DFIG定子三相电压(pu)；(b)定子电压正序分量在两相静止坐标系中的α、β分量(pu)；(c)定子电压负序分量在两相静止坐标系中的α、β分量(pu)；(d)采取相位补偿时PLL的输出相位(rad)；

图6为静止αβ坐标系、和正、反转同步速ω_s旋转dq+、dq-坐标系间的矢量关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，电网不对称故障情况下风电机组控制基准信号的检测方法，包括以下步骤：

(i)利用三个电压霍尔传感器5采集双馈异步感应发电机三相定子电压信号U_sabc；利用六个电流霍尔传感器4分别采集三相定子电流I_sabc和转子电流信号I_rabc；

(ii)采集得到的三相定子电压信号U_sabc经过不对称软件锁相环8检测得到电网或者定子电压角频率ω_s和相位θ_s；与此同时采用编码器7检测双馈异步感应发电机的转子位置θ_r及转速ω_r；并分别经加减计算器计算得到滑差角度±θ_s-θ_r和滑差角频率ω_slip+＝ω_s-ω_r，ω_slip-＝-ω_s-ω_r；

(iii)将采集得到的定子电压信号U_sabc、三相定、转子电流信号I_sabc和I_rabc分别经过静止三相/二相坐标变换模块6，得到包含正、负序分量的定子电压综合矢量U_sαβ，定、转子电流综合矢量I_sαβ和I_rαβ。以定子电压为例，静止三相/二相坐标变换如下式表达

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α}}\\ U_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sa}}\\ U_{\mathrm{sb}}\\ U_{\mathrm{sc}}\end{array}\right].$

(iv)将得到的定子静止坐标系中定子电压综合矢量U_sαβ分别通过正、反转同步速旋转坐标变换模块13，14，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量

以定子电压为例，正、反转同步速旋转坐标转换关系为：

$U_{\mathrm{dq}}^{+}=U_{\mathrm{\α\β}}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

$U_{\mathrm{dq}}^{-}=U_{\mathrm{\α\β}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

采用“T/16延时”分离方法16消除正、反转同步速旋转坐标系中电压矢量综合矢量

中的2ω_s频率交流成分，快速分离出正、负序电压直流分量

以定子电压为例，“T/16延时”分离方法如下式表达：

$U_{\mathrm{sdq}+}^{+}\left(t\right)=[U_{\mathrm{sdq}}^{+}(t-T/16)-U_{\mathrm{sdq}}^{+}\left(t\right)e^{\mathrm{j\π}/4}]/(1-e^{\mathrm{j\π}/4})$

$U_{\mathrm{sdq}-}^{+}\left(t\right)=[U_{\mathrm{sdq}}^{-}(t-T/16)-U_{\mathrm{sdq}}^{-}\left(t\right)e^{-\mathrm{j\π}/4}]/(1-e^{-\mathrm{j\π}/4});$

(v)采用如(iv)相同的步骤，从定子静止坐标系中的定子电流综合矢量I_sabc得到正、负序定子电流直流分量

(vi)将定子静止坐标系中的转子电流综合矢量I_rαβ分别通过正、反转转子速旋转坐标变换模块11，12，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的转子电流综合矢量

采用“T/16延时”分离方法16消除正、反转转子速旋转坐标系中转子电流综合矢量

中的2ω_s频率交流成分，获得正、负序转子电流直流分量

(vii)采用定子磁链观测器18获取转子参考电流指令值计算模块17计算所需的正、反转同步旋转坐标系中的定子磁链直流分量

根据电网电压不平衡条件下双馈异步感应发电机所需的控制目标，由转子电流指令值计算模块17计算得到正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流指令

将该电流指令值与正、负序转子电流直流信号

比较获得误差信号；误差信号通过PI控制器19调节后的输出信号经过反馈补偿解耦模块15完成转子速旋转坐标系中交-直轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取转子速旋转坐标系中的正、负序转子电压参考值

和正、负序转子参考电压分别通过正、反转转子速旋转坐标反变换模块9，10，得到定子静止坐标系中的正、负序转子电压参考值

正、负序转子电压参考值相加之后得到定子静止坐标系中的转子参考电压综合矢量

该信号经过空间矢量脉宽调制模块2调制后获得控制双馈异步感应发电机运行的转子侧变换器1开关信号S_a，S_b，S_c。

图2是采用本发明提出的一种“T/16延时”分离方法原理图。它的输入信号是正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量(以电压信号

为例)，输出信号是正、负序电压直流分量

参照图2，本发明提出的“T/16延时”分离方法，具体实施步骤如下：将得到的正、反转同步速旋转坐标系中电压综合矢量

经过延时环节21延时十六分之一个电网周期(1.25ms)，得到延时后的电压矢量

将

和

经过“T/16延时”分离方法计算出正、负序电压直流分量

图3是本发明中采用相位补偿的不对称软件锁相环原理图。它的输入信号是采集得到的三相定子电压信号U_sabc，输出信号是三相定子电压正序分量的频率ω_s和相位θ_s。

参照图3，本发明提出的不对称软件锁相环具体实施步骤如下：

(i)利用锁相环的输出反馈相位信号θ_s对U_sαβ进行正转同步速旋转坐标变换13，得到正转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量

(ii)将得到的正转同步速旋转坐标系中电压综合矢量

经过“T/16延时”分离算法16计算出正转同步速旋转坐标系中正序电压直流分量

(iii)将得到的正转同步速旋转坐标系中q轴信号

经过PI调节器19得到三相定子电压正序分量的频率ω_s；

(iv)将得到的频率信号ω_s经过积分器积分得到电网正常情况下的相位信号

(v)将得到的相位信号

加上作为相位补偿信号的

作为不对称锁相环的输出相位信号θ_s；

图4为电网电压瞬态不平衡及相位跳变条件下，采用本发明方法的仿真效果图。由图可见利用“T/16延时”分离方法和不对称软件锁相环能够快速准确地分离出电网电压中的正、负序分量，且正、负序分量各自的变化不影响相互的检测效果，具有很好的分量检测解耦性。通过相位补偿可使相位跳变的检测误差缩小到原来的十分之一以下，检测精度大为提高，且锁相时间由未补偿时的3ms缩短为1ms，因而能够快速准确地跟踪电网电压的相位跳变。

图5为电网电压瞬态不平衡及相位跳变条件下，采用本发明方法的实验效果图。由图可见实验结果和仿真结果非常一致，证明本发明提出的分离方法具有很强的实用性。

综上所述，本发明公开的方法可可以快速、准确分离出不对称电压、电流中正、负序分量，而且即使在电压相位发生跳变的情况下依然可以准确跟踪电压相位的变化，具有很好的动态性能和很高的检测精度，能够适用于包括风电机组在内的各种电力电子变流装置在电网电压故障情况下的运行控制。

Claims (3)

1.一种电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(i)利用三个电压霍尔传感器(5)采集双馈异步感应发电机三相定子电压信号U_sabc；利用六个电流霍尔传感器(4)分别采集三相定子电流I_sabc和转子电流信号I_rabc；

(ii)采集得到的三相定子电压信号U_sabc经过不对称软件锁相环(8)检测得到电网或者定子电压角频率ω_s和相位θ_s；与此同时采用编码器(7)检测双馈异步感应发电机的转子位置θ_r及转速ω_r；并分别经加减计算器计算得到滑差角度±θ_s-θ_r和滑差角频率ω_slip+＝ω_s-ω_r，ω_slip-＝-ω_s-ω_r；

(iii)将采集得到的定子电压信号U_sabc、三相定、转子电流信号I_sabc和I_rabc分别经过静止三相/二相坐标变换模块(6)，得到包含正、负序分量的定子电压综合矢量U_sαβ，定、转子电流综合矢量I_sαβ和I_rαβ；

(iv)将得到的定子静止坐标系中定子电压综合矢量U_sαβ分别通过正、反转同步速旋转坐标变换模块(13，14)，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量

；采用“T/16延时”分离方法(16)消除正、反转同步速旋转坐标系中电压矢量综合矢量

中的2ω_s频率交流成分，快速分离出正、负序电压直流分量

(v)采用如(iv)相同的步骤，从定子静止坐标系中的定子电流综合矢量I_sabc得到正、负序定子电流直流分量

(vi)将定子静止坐标系中的转子电流综合矢量I_rαβ分别通过正、反转转子速旋转坐标变换模块(11，12)，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的转子电流综合矢量

采用“T/16延时”分离方法(16)消除正、反转转子速旋转坐标系中转子电流综合矢量中的2ω_s频率交流成分，获得正、负序转子电流直流分量

(vii)采用定子磁链观测器(18)获取转子参考电流指令值计算模块(17)计算所需的正、反转同步旋转坐标系中的定子磁链直流分量

根据电网电压不平衡条件下双馈异步感应发电机所需的控制目标，由转子电流指令值计算模块(17)计算得到正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流指令

将该电流指令值与正、负序转子电流直流信号

比较获得误差信号；误差信号通过PI控制器(19)调节后的输出信号经过反馈补偿解耦模块(15)完成转子速旋转坐标系中交-直轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取转子速旋转坐标系中的正、负序转子电压参考值

和

正、负序转子参考电压分别通过正、反转转子速旋转坐标反变换模块(9，10)，得到定子静止坐标系中的正、负序转子电压参考值

；正、负序转子电压参考值相加之后得到定子静止坐标系中的转子参考电压综合矢量

该信号经过空间矢量脉宽调制模块(2)调制后获得控制双馈异步感应发电机运行的转子侧变换器(1)开关信号S_a，S_b，S_c。

2.根据权利要求1所述的电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法，其特征在于步骤(ii)中所述的不对称软件锁相环(8)检测电网或者定子电压角频率ω_s和相位θ_s，步骤如下：

(i)利用锁相环的输出反馈相位信号θ_s对U_sαβ进行正转同步速旋转坐标变换(13)，得到正转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量

(ii)将得到的正转同步速旋转坐标系中电压综合矢量

经过“T/16延时”分离算法(16)计算出正转同步速旋转坐标系中正序电压直流分量

(iii)将得到的正转同步速旋转坐标系中q轴信号经过PI调节器(19)得到三相定子电压正序分量的频率ω_s；

(iv)将得到的频率信号ω_s经过积分器积分得到电网正常情况下的相位信号

；

(v)将得到的相位信号

加上作为相位补偿信号的

，作为不对称锁相环的输出相位信号θ_s；

3.根据权利要求1所述的电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法，其特征在于“T/16延时”分离方法，步骤如下：

将得到的正、反转同步速旋转坐标系中电压综合矢量

经过延时环节(21)延时十六分之一个电网周期，得到延时后的电压矢量

将和

经过“T/16延时”分离方法计算出正、负序电压直流分量

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