CN102082541A - 电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机功率变换装置控制领域，涉及一种电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，该方法包括：将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压和转子电流；计算定子磁链及位置角；计算滑差角度和滑差角速度；计算旋转坐标下d、q轴转子电流；将旋转坐标下d、q轴转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，将一次分量和二倍频分量实际值求和并进行相位变换得到旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值；计算旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；计算转子两相静止坐标系下的转子电压；生成控制功率器件的开关信号。本发明可以有效抑制电网故障引起的DFIG转子电流振荡，实现双馈风力发电机的不脱网运行，提高DFIG在电网故障下的运行性能。

Description

电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种电网故障下双馈风力发电机(DFIG)转子侧逆变器的控制方法，属于风力发电机控制领域。

背景技术

基于双馈感应发电机(DFIG)的变速风电机组由于具有能量转换效率高，有功和无功功率独立调节等优点，成为世界风电市场上的主流机型。DFIG定子侧直接和电网相连，对电网故障非常敏感。电网故障会造成发电机定子电压突变，定子电流产生振荡，同时发电机定子有功和无功功率和电磁转矩也会出现振荡现象。另外，由于转子与定子之间的强耦合，突变的定子电压会导致转子电流大幅波动，影响到双馈电机的运行状态。当电网故障达到一定程度时，为保护变频装置的运行安全，风电机组将不得不从电网中解列。大规模风电机组从电网解列，将进一步恶化电网，对电网的稳定运行造成严重影响。对此，电网运营商要求风电机组在电网电压发生跌落故障时，在一定范围内风力发电机不能脱离电网，并向电网提供有功和无功支持。例如，英国国家电网要求在图1所示的电压范围内风电场能够不脱网运行。图中电压范围所指为风电场连接点电压，由于发电机和连接点存在电气隔离，电网故障时发电机机端电压跌落程度会小于连接点电压跌落程度。

目前国内、外对电网故障下DFIG转子侧的控制方法主要是采用了转子短路保护技术。该方法在电网故障时，虽然保护了励磁变流器和转子绕组，但此时发电机运行在感应电动机方式，需要从电网吸收大量的无功功率，这将进一步恶化电网；第二，保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击；另外，加设新的保护装置提高了系统成本。有学者引入新型拓扑结构，该方案控制复杂，且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行，因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用；同样，该方案需要增加系统的成本。

采用改进的励磁控制算法通过对转子侧的控制在一定程度上能够弥补电网电压故障对双馈电机运行所造成的影响。其优点在于无需提高系统成本，且在电网跌落时可以给电网提供有功无功支持。因此，有必要设计一种电网故障下DFIG转子电流的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种电网故障下DFIG转子过电流抑制方法，该方法不需要添设额外的硬件装置，可以有效抑制电网故障引起的DFIG转子电流振荡，实现双馈风力发电机的不脱网运行，提高DFIG在电网故障下的运行性能。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，包括下列步骤：

(1)检测三相定子电压，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；

(2)将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压和转子电流；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号经软件锁相环，得到定子磁链以及定子磁链位置角；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑差角速度；根据步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流以滑差角度进行Park变换，得到旋转坐标下d、q轴转子电流；

(4)将旋转坐标下d、q轴转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，将一次分量和二倍频分量实际值求和并进行相位变换得到旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值；

(5)将步骤(4)中计算得到的旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流相减，然后经过PI控制器计算得到旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；

(6)将旋转坐标系下d、q轴转子电压参考值以滑差角度为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电压；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(4)将转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，所述两个带通滤波器角频率ω_o分别设置为同步角速度ω_s和二倍频角速度2ω_s；步骤(4)中对所求的和进行的相位变换，变换后的相位和原相位差180°。

本发明的控制方法在不改动硬件结构的情况下，通过两个带通滤波器获得转子电流中的一次分量和二倍频分量，将获得的一次分量和二倍频分量进行相位转换，再将转换后的值作为转子电流给定值来达到抑制电网故障造成的转子过电流的目的，实现双馈风力发电机的稳定控制和不脱网运行。同时，由于转子电流得到很好抑制，定子电流，定子有功、无功功率以及电磁转矩在电网对称跌落故障时产生的一次分量也得到相应的改善。

附图说明

图1为英国国家电网对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求。

图2为电网故障下双馈风力发电机转子电流控制原理图。

图3为定子电压80％三相跌落故障下采用传统矢量控制方法的电流控制效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图4为定子电压80％三相跌落故障下采用本发明控制方法的电流抑制效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图5为定子电压80％两相对地跌落故障下采用传统矢量控制方法的电流抑制效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图6为定子电压80％两相对地跌落故障下采用本发明控制方法的电流抑制效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

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。

电网故障一般分为对称故障和不对称故障，对称故障一般是由电网三相对地短路引起，不对称故障分为单相对地短路故障、二相对地短路故障和相间短路故障。电网故障会造成的发电机定子电压的跌落，定子电压的变化将引起发电机定子磁链发生改变。正常情况下发电机定、转子电压方程可表示为空间矢量形式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_s^s=R_s{i}_s^s+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_s^s}{\mathrm{dt}}\\ u_r^r=R_r{i}_r^r+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_r^r}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：u、i、ψ、R分别代表静止坐标系下电压、电流、磁链和电阻。上标“s”和“r”分别表示定子和转子参考轴系，下标“s”和“r”分别表示定子和转子变量。

在电网故障发生时，定子电压瞬间发生跌落，在忽略定子电阻的情况下，由式(1)可以看出，定子磁链将跟着产生变化。然而，根据超导体闭合回路磁链守恒原理和楞次定律可知，虽然定子电压发生了突变，但故障瞬间发电机定子磁链将保持恒定不变。即定子磁链中将产生暂态直流分量和负序分量(不对称故障)来维持电压跌落瞬间发电机定子磁链恒定。如果考虑定子电阻的影响，此直流分量和负序分量会随时间衰减。不对称故障所产生的负序分量在同步旋转坐标系下可表示为二倍频分量，定子二倍频电流会导致转子电流的波动。

假设在故障发生瞬间只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程，即在暂态过程期间发电机保持转速不变。由于故障发生时，发电机转子还以故障前转速旋转，定子磁链直流分量和负序分量与转子的相对速度分别为电机转速和电机转速与同步速之和，定子磁链直流分量和负序分量会对转子磁链产生影响。根据闭合回路磁链守恒原理，为了保持转子磁链守恒，转子回路中将分别出现频率为电机转速和频率为电机转速与同步速之和的交流电流分量。转子感生的交流电流即是故障发生时转子产生大电流的主要原因。根据式(1)，故障发生时转子磁链保持恒定，转子电压将随电流一起产生交流分量。直流分量使得转子感生的频率为转子转速的交流电流、磁链和电压分量，经坐标变换到定子静止坐标系均为一个直流分量；负序分量使得转子感生的频率为转子转速与同步速之和的交流电流、磁链和电压分量，经坐标变换到同步旋转坐标系均为一个二倍频分量，这可以理解为定子直流分量和负序分量对转子影响的逆过程。

根据以上电网故障时风力发电机内部暂态电磁关系的分析可知，通过对转子励磁电压的合理调节，抵消定子磁链暂态直流分量和负序分量对发电机转子侧的不良影响，就可以抑制转子过电流的产生，使双馈发电机能够在电网电压三相跌落故障发生时保证发电机的不脱网运行。

图2为电网故障下双馈风力发电机转子电流控制原理图。其控制方法具体包括如下步骤：

(1)采用电压传感器和电流传感器分别检测三相定子电压V_sabc，三相转子电流I_rabc，采用编码器检测转子位置角θ_r并计算旋转角速度ω_r；

(2)将步骤(1)检测到的三相定子电压V_sabc和三相转子电流I_rabc经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压V_sαβ和转子电流I_rαβ；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号V_sαβ经软件锁相环，得到定子磁链ψ_s以及定子磁链位置角θ_s；根据步骤(1)得到的转子位置角θ_r计算得到滑差角度θ_s-θ_r，滑差角度微分得到滑差角速度ω_sl。根据步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流I_rαβ以滑差角度θ_s-θ_r进行Park变换，得到旋转坐标下的转子电流i_rd、i_rq；

(4)将旋转坐标下d、q轴转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，将一次分量和二倍频分量实际值求和并进行相位变换得到旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值i_rd ^*、i_rq ^*；

(5)将步骤(4)中计算得到的旋转坐标系下转子d、q轴电流的给定值i_rd ^*和i_rq ^*分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流i_rd和i_rq相减，然后经过PI控制器计算得到旋转坐标系下转子d、q轴电压的参考值u_rd ^*和u_rq ^*；

(6)步骤(5)计算得到的旋转坐标系下的转子电压参考值u_rd ^*、u_rq ^*以步骤(3)中检测到的滑差角度θ_s-θ_r为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电压V_rαβ；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

本发明的设计要点即是通过分析过电流产生的原因及过电流的特点，通过控制转子电流产生与定子故障励磁反作用的转子电流，抵消定子磁链暂态直流分量和负序分量对发电机转子侧的不良影响，抑制转子过电流的产生。实现了电网故障下双馈风力发电机的不脱网运行。

图2中G₁(s)和G₂(s)为带通滤波器，用于提取转子电流的一次分量和二倍频分量，角频率ω_o分别设置为ω_o＝ω_s和ω_o＝2ω_s，其表达式为：

$G_{\mathrm{1,2}}\left(s\right)=\frac{({\mathrm{\ω}}_0/Q_f)s}{s^2+({\mathrm{\ω}}_0/Q_f)s+{\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}---\left(14\right)$

其中Q_f为品质因数。

G_d1(s)和G_d2(s)为滞后环节，其作用是补偿因带通滤波器造成的相位滞后。其表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_{d1}\left(s\right)=\frac{K_{1}s+D_1}{K_{2}s+D_2}\\ G_{d2}\left(s\right)=\frac{K_{3}s+D_3}{K_{4}s+D_4}\end{array}\right.---\left(15\right)$

为验证理论的正确性和过电流抑制方法的有效性，假设电网故障使发电机定子机端电压跌落的条件下，采用本发明提出的方法对一台额定功率为1.5MW DFIG系统实施控制，转子电流已折算到定子侧。设在控制过程中保持风力发电机始终不脱网运行，且变频器始终正常工作。

对传统定子磁链定向矢量控制策略和提出的电网故障下转子电压控制策略进行比较，图3和图4分别为采用传统双馈风力发电机控制方法和本发明控制方法在电网故障引起的定子电压80％三相跌落条件下的运行结果。电网电压在0.1s时刻发生跌落，在0.3s时刻恢复正常。图3的传统控制方法在电网电压跌落故障发生时，由于定子电压变化所产生的一次分量的影响，在电网电压跌落期间DFIG的定、转子电流大幅增加，实际系统运行中将会超过变频装置的电流限制值，致使风力发电机组将不得不与电网解列，这既不利于发电机的稳定运行，也不利于电网的故障恢复和稳定运行。定子有功、无功功率和电磁转矩均产生了剧烈振荡，有功、无功功率的大幅度振荡将影响电网的稳定，电磁转矩的剧烈振荡将会造成发电机机械损坏。与传统控制方法相比，电网故障下图4控制方法有效消除了转子电流的一次分量，抑制了转子过电流的发生，同时定子电流、有功、无功功率和电磁转矩脉动明显减小。本方法控制的风力发电机组满足不脱网运行的条件，提高了DFIG在电网故障条件下的运行控制能力，改善了控制系统的动态品质。

图5和图6分别为定子电压80％两相对地跌落故障下采用传统矢量控制和本发明方法的控制效果图。电网电压在0.1s时刻发生跌落，在0.3s时刻恢复正常。由图5看出在电网电压跌落期间DFIG的定、转子电流大幅增加并伴随二倍频振荡，产生严重过电流，这时保护装置必须启动以保护变频器的安全。发电机组必须与电网解列，进一步影响了电网故障的恢复。

图6为本发明方法的控制效果图，图中在电网故障发生和恢复时刻，本控制方法有效抑制了转子电流的一次分量和二倍频分量，电流的振荡很小，不影响风力发电机组的运行。在跌落故障发生时，电机转速开始上升，这是由于发电机在故障发生时系统由电机转速控制转换为电流抑制。如图1所示，发生严重跌落时，电力运营商对风机保持并网的时间只有150ms，所以转速上升不会很多，不影响系统的稳定运行。由图6中看出，在电网电压恢复后，转速很快得到控制，满足电网严重故障下风力发电机不脱网运行的要求。

综上所述，本发明的控制方法与传统定子磁链定向矢量控制相比，在电网故障下，控制系统能够有效的消除转子的一次分量和二倍频，抑制转子过电流的产生，增强了DFIG风电机组在电网故障下的不间断运行能力；所提控制系统算法简单，只需要将转子一次分量和二倍频分量提出，经过相位取反后作为电流给定值，就可以达到对转子过电流的抑制，并减小的转子电流对定子磁链的影响，使得定子过电流也得到了明显抑制。

Claims (3)

1.一种电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)检测三相定子电压，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；

(2)将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压和转子电流；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号经软件锁相环，得到定子磁链以及定子磁链位置角；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑差角速度；根据步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流以滑差角度进行Park变换，得到旋转坐标下d、q轴转子电流；

(4)将旋转坐标下d、q轴转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，将一次分量和二倍频分量实际值求和并进行相位变换得到旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值；

(5)将步骤(4)中计算得到的旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流相减，然后经过PI控制器计算得到旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；

(6)将旋转坐标系下d、q轴转子电压参考值以滑差角度为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电压；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

2.根据权利要求1所述的电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，其特征在于步骤(4)中将转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，所述两个带通滤波器角频率ω_o分别设置为同步角速度ω_s和二倍频角速度2ω_s。

3.根据权利要求1所述的电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，其特征在于步骤(4)中对所求的和进行的相位变换，变换后的相位和原相位差180°。

Images