CN102299524A - 一种基于静分岔控制sgsc的dfig风电系统低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法，它包括：(1)拓扑建模；(2)通过控制SGSC的输出电压实现DFIG的低电压过渡；(3)选取双馈发电机参数，简化等效得到风电系统拓扑结构；(4)确定系统的状态变量、输入变量和输出变量，检测发电机机端定子电压电流；(5)求解静分岔点；(6)故障过程中根据电网电压跌落程度通过降低发电机输出的有功功率从而达到抑制电压降落的目的；(7)导通IGBT开关将耗能电阻并入直流侧以抑制直流链电压上升，在电网出现电压跌落故障时，实现系统的低电压穿越运行。

Description

一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法

(一)技术领域：

本发明涉及风电系统控制领域，尤其是一种基于静分岔控制SGSC(SeriesGrid-side Converter，串联网侧变换器)的DFIG(Doubly Fed InductionGenerator，双馈式异步发电机)风电系统低电压穿越控制方法。

(二)背景技术：

近年来随着风电装机容量在电力系统中所占的比例越来越高，风电场的运行对系统稳定性的影响越来越受到人们的重视，并对风电并网提出了具体的要求，其中风电机组的低电压穿越能力就是其中一项。采取有效的低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)控制措施，以维护风场电网的稳定。由于DFIG的定子侧直接与电网相连，当电压骤降时发电机转子将极易产生过电压和过电流，因此应采取有效措施避免电网故障时转子过电流问题，提高DFIG风电系统的低电压穿越甚至零电压穿越能力。目前在不增加硬件的基础上主要采用改进的励磁控制策略来实现低电压穿越，但所提出的故障励磁控制算法无法进一步满足新的电网运行规程，因此，增加硬件来辅助系统实现低电压穿越已成为一种必然。目前，实际系统中应用较多的是故障过程中投入转子保护Crowbar电路来限制转子电流。由于故障时发电机以异步电机方式运行，其将从电网吸收无功功率，因此发电机无法参与故障过程中的系统功率调节，无法满足电网运行规程的无功要求，对暂态过程中的电网电压稳定性不利。另一方面，故障后采用Crowbar保护方式，DFIG的电磁转矩不可控且波动剧烈。这样基于自适应控制算法的静分岔理论的双馈变速风电机组实现LVRT功能便进入了视野，并结合双脉宽调制(Pulse-WidthModulation，PWM)励磁变流器及定子侧串联网侧变换器(SGSC)能有效地提高风电机组的端电压，相比于Crowbar保护方式，可实现系统的极低电压甚至零电压穿越运行，且故障过程中转子侧变换器(Rotor Side Converter，RSC)始终可控，使其在故障时可按系统要求参与电网功率调节，并且故障时发电机电磁转矩亦可控，可有效抑制风机传动轴系的冲击，从而可观地提高了风电场的LVRT能力。因此，虽然新拓扑结构在一定程度上增加了系统硬件成本，但是却可解决现有Crowbar保护方式所存在的主要技术问题，在很大程度上增强了系统的柔性和运行可靠性。

基于静分岔理论在双馈式风力发电机组和并网风电场电压稳定性的进一步深入研究，在电力系统仿真分析软件MATLAB里的PSAT(Power SystemAnalysis Toolbox，电力系统分析工具)中建立双馈风电机组的LVRT功能模型，势必可以设计静分岔控制器以获得更好的双馈式风力发电机组实现低电压穿越能力，并结合双PWM励磁变流器及定子侧SGSC进而获得优良的电网对称及非对称短路故障穿越能力。

(三)发明内容

本发明的目的在于发明一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法，它可以克服现有技术的不足，是一种实用性强，性价比高的实时监控及保护方法。

本发明的技术方案：一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)由于SGSC与PGSC(Parallel Grid-side Converter，并联网侧变换器)、RSC公用一条母线，在拓扑结构下，DFIG定子电压空间矢量将变成电网电压空间矢量与串联变压器注入的串联电压空间矢量的合成矢量：u_s＝u_i+u_g

式中，u_s为静止坐标轴下发电机定子电压空间矢量；u_r为串联变压器注入的串联电压空间矢量；u_g为电网电压空间矢量；

(2)采用该拓扑结构可通过控制SGSC的输出电压实现DFIG的低电压过渡；

(3)选取双馈发电机参数，包括双馈电机定子磁链ψ_s、转子的交流励磁ψ_r、发电机定子输出电压u_s，并结合双馈式风力发电机的数学模型：

定子侧串联网侧： $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ds}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ v_{\mathrm{qs}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\end{array}\right.$

转子侧： $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\\ \stackrel{\‾}{v_{\mathrm{qs}}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.,$ 简化等效得到风电系统拓扑结构；

(4)确定系统的状态变量R_s、i_s、输入变量ψ_s和输出变量u_s，通过检测发电机机端定子电压u_s和电流i_s，及关系式ψ_s＝∫(u_s-R_sr_s)dt，可以得到两相静止d-q坐标系下发电机的定子磁链分量ψ_sβ、ψ_sβ，有

$F(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)=\left[\begin{array}{c}f(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)\\ g(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)\end{array}\right]=0;$

(5)求解静分岔点，根据求得的系统安全运行的边界和静分岔点，结合自适应控制算法，建立自适应控制算法的静分岔控制器；经过PI调节后，可分别得到正、反向同步旋转坐标系下的d，q轴控制电压分量，分别进行旋转坐标反变换后可得到静止坐标系下SGSC的正、负序电压控制矢量该矢量与静止坐标系下SGSC的直流磁链控制电压矢量合成后得到最终的SGSC输出控制电压矢量；

(6)当电网正常和发生故障时，RSC采用常规的功率、电流闭环矢量控制策略，由于故障时定子电压骤降，因此，在故障过程中根据电网电压跌落程度通过降低发电机输出的有功功率从而达到抑制电压降落的目的；

(7)在电网正常和发生故障时，PGSC采用常规的电压、电流闭环矢量控制策略，由于故障期间网侧电压急剧降低，因此，PGSC将失去对直流母线电压的准确控制能力；为避免故障过程中直流母线电压剧烈上升，在直流环节增加绝缘栅双极型晶体管IGBT开关和耗能电阻构成直流电容保护电路，当直流链电压超过某一阈值时，导通IGBT开关将耗能电阻并入直流侧以抑制直流链电压上升，在电网出现电压跌落故障时，实现系统的低电压穿越运行。

本发明的工作原理：该发电系统拓扑结构的分析原理为：新型的DFIG串联定子侧SGSC系统附以自适应控制算法的静分岔控制器，通过检测双馈发电机的机端定子磁链、电压和电流、转子交流励磁和定子侧输出电压，佐以在MATLAB平台上仿真分析双馈式风力发电机主要参数为依据，控制定子侧SGSC及协调转子侧RSC和网侧PGSC工作，协调各个变量关系，以期实现低电压穿越能力。SGSC用于提供稳定的中间环节，在新的拓扑结构下，SGSC通过串联变压器注入串联电压矢量，来抵消电网电压中的负序分量。通过控制SGSC的输出电压可以控制发电机的定子电压。RSC、PGSC均采用常规的功率、电流闭环矢量控制策略。

静分岔仿真分析相关参数：随着静分岔理论在含风电系统电压稳定性的研究的不断深入。使用静分岔理论研究双馈式风力发电机的低电压穿越成为可能。通过对参数分岔边界的计算得到电压安全运行和可靠控制的基本条件。另外，利用分岔曲线能判断系统当前的稳定裕量，通过分岔分析还能获得系统的失稳模式，同时分岔理论在一定程度将电压稳定分析中的静态分析方法和动态分析方法联系起来，提供了统一的数学分析基础。

对该控制系统的分岔分析及其控制按如下步骤进：(1)初始化系统式中控制器的结构(如用线性控制还是非线性控制)；(2)解平衡点方程出系统解轨迹，如果方程无解则改变步骤(1)中控制器的结构，重新解平衡点方程直到有解；(3)给定期望的分岔参数值，使其满足，若无解，则改变步骤(1)中控制器的结构，然后回到步骤(2)。用鞍结分岔指标Ψs、Useries作为系统稳定指标。通过动态改变可控参数的值稳定定子侧输出电压。

SGSC的控制：通过检测发电机机端定子电压u_s和电流i_s，通过关系式ψ_s＝∫(u_s-R_sr_s)dt，可以得到两相静止坐标系下发电机的定子磁链分量ψ_sβ、ψ_sβ，本文所提出的SGSC控制策略具有统一性，在电网故障发生和切除等关键时刻可实现对控制目标的平滑控制，避免由控制算法切换带来的暂态冲击，这非常有利于控制软件的设计并提高系统的暂态运行性能。经过PI调节后，可分别得到正、反向同步旋转坐标系下的d，q轴控制电压分量，分别进行旋转坐标反变换后可得到静止坐标系下SGSC的正、负序电压控制矢量该矢量与静止坐标系下SGSC的直流磁链控制电压矢量合成后得到最终的SGSC输出控制电压矢量。

RSC的控制：电网正常和发生故障时，RSC均采用常规的功率、电流闭环矢量控制策略。但由于故障时定子电压骤降，因此，在故障过程中应根据电网电压跌落程度适当降低发电机输出的有功功率。本文将故障过程中发电机输出的有功功率设定为0，以实现系统的零电压穿越。在零电压故障穿越过程中，发电机的电磁功率和电磁转矩均被控制到0左右，发电机定子正序电流和相应的转子电流得到进一步限制，从而帮助DFIG系统实现低电压穿越。

PGSC的控制：电网正常和发生故障时，PGSC均采用常规的电压、电流闭环矢量控制策略。但由于故障期间网侧电压急剧降低，因此，PGSC将失去对直流母线电压的准确控制能力。为避免故障过程中直流母线电压剧烈上升，在直流环节增加绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关和耗能电阻构成直流电容保护电路，当直流链电压超过某一阈值(如设定为1250V)时，导通IGBT开关将耗能电阻并入直流侧以抑制直流链电压上升。根据分析，在零电压故障穿越过程中，通过控制RSC可将发电机的电磁功率和电磁转矩基本控制为0。此过程中RSC只是在电磁功率调节至0的短时瞬间从风机吸收转差能量并传递至直流母线，因此，直流侧耗能电阻需吸收的能量不大，当电磁功率控制为0时，RSC并不从风机吸收转差能量，直流侧耗能电阻也不再吸收能量，可有效抑制直流链电压升高，从而实现PGSC和直流环节部分的低电压穿越运行。

本发明的优越性和技术效果在于：(1)硬件装置与计算机软件仿真相结合，硬件装置设计具有针对性和实效性，软件仿真指导有效；(2)采用鞍结分岔理论的自适应控制器实现系统参数的准确调节；(3)增加SGSC硬件和控制算法来辅助系统实现低电压穿越；(4)利用计算机高速的数据计算和数据处理能力，大大提高了该系统的可靠性和快速性。基于自适应控制算法的静分岔控制SGSC的控制装置研究提出了有效的低电压穿越控制方案。可以为进一步提高大型并网双馈式风力发电系统的电网故障适应能力奠定了基础，还可以节省一定的投资费用，在一定程度上降低了风电的上网电价。

(四)附图说明

图1本发明所涉一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法中基于静分岔控制SGSC的DFIG系统拓扑结构示意图；

图2本发明所涉一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法中SGSC控制策略示意图；

图3本发明所涉一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法中SGSC的控制装置示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法(见图2)，其特征在于它包括以下步骤：

(1)由于SGSC与PGSC(Parallel Grid-side Converter，并联网侧变换器)、RSC公用一条母线，在拓扑结构(见图1)下，DFIG定子电压空间矢量将变成电网电压空间矢量与串联变压器注入的串联电压空间矢量的合成矢量：

u_s＝u_i+u_g

式中，u_s为静止坐标轴下发电机定子电压空间矢量；u_r为串联变压器注入的串联电压空间矢量；u_g为电网电压空间矢量；

(2)采用该拓扑结构可通过控制SGSC的输出电压实现DFIG的低电压过渡(见图2、图3)；

(3)选取双馈发电机参数，包括双馈电机定子磁链ψ_s、转子的交流励磁ψ_r、发电机定子输出电压u_s，并结合双馈式风力发电机的数学模型：

定子侧串联网侧： $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ds}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ v_{\mathrm{qs}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\end{array}\right.$

转子侧： $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\\ \stackrel{\‾}{v_{\mathrm{qs}}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.,$ 简化等效得到风电系统拓扑结构；

(4)确定系统的状态变量R_s、i_s、输入变量ψ_s和输出变量u_s，通过检测发电机机端定子电压u_s和电流i_s，及关系式ψ_s＝∫(u_s-R_sr_s)dt，可以得到两相静止d-q坐标系下发电机的定子磁链分量ψ_sβ、ψ_sβ，有

$F(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)=\left[\begin{array}{c}f(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)\\ g(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)\end{array}\right]=0;$

(5)求解静分岔点，根据求得的系统安全运行的边界和静分岔点，结合自适应控制算法，建立自适应控制算法的静分岔控制器；经过PI调节后，可分别得到正、反向同步旋转坐标系下的d，q轴控制电压分量，分别进行旋转坐标反变换后可得到静止坐标系下SGSC的正、负序电压控制矢量该矢量与静止坐标系下SGSC的直流磁链控制电压矢量合成后得到最终的SGSC输出控制电压矢量；

(6)当电网正常和发生故障时，RSC采用常规的功率、电流闭环矢量控制策略，由于故障时定子电压骤降，因此，在故障过程中根据电网电压跌落程度通过降低发电机输出的有功功率从而达到抑制电压降落的目的；

(7)在电网正常和发生故障时，PGSC采用常规的电压、电流闭环矢量控制策略，由于故障期间网侧电压急剧降低，因此，PGSC将失去对直流母线电压的准确控制能力；为避免故障过程中直流母线电压剧烈上升，在直流环节增加绝缘栅双极型晶体管IGBT开关和耗能电阻构成直流电容保护电路，当直流链电压超过某一阈值时，导通IGBT开关将耗能电阻并入直流侧以抑制直流链电压上升，在电网出现电压跌落故障时，实现系统的低电压穿越运行。

Claims (1)

1.一种基于静分岔控制SGSC的DFIG风电系统低电压穿越控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)由于SGSC与PGSC(Parallel Grid-side Converter，并联网侧变换器)、RSC公用一条母线，在拓扑结构下，DFIG定子电压空间矢量将变成电网电压空间矢量与串联变压器注入的串联电压空间矢量的合成矢量：u_s＝u_i+u_g

式中，u_s为静止坐标轴下发电机定子电压空间矢量；u_r为串联变压器注入的串联电压空间矢量；u_g为电网电压空间矢量；

(2)采用该拓扑结构可通过控制SGSC的输出电压实现DFIG的低电压过渡；

(3)选取双馈发电机参数，包括双馈电机定子磁链ψ_s、转子的交流励磁ψ_r、发电机定子输出电压u_s，并结合双馈式风力发电机的数学模型：

定子侧串联网侧： $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ds}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ v_{\mathrm{qs}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\end{array}\right.$

转子侧： $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\\ \stackrel{\‾}{v_{\mathrm{qs}}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.,$ 简化等效得到风电系统拓扑结构；

(4)确定系统的状态变量R_s、i_s、输入变量ψ_s和输出变量u_s，通过检测发电机机端定子电压u_s和电流i_s，及关系式ψ_s＝∫(u_s-R_sr_s)dt，可以得到两相静止d-q坐标系下发电机的定子磁链分量ψ_sβ、ψ_sβ，有

$F(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)=\left[\begin{array}{c}f(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)\\ g(R_S,i_s,{\mathrm{\ψ}}_s)\end{array}\right]=0;$

(5)求解静分岔点，根据求得的系统安全运行的边界和静分岔点，结合自适应控制算法，建立自适应控制算法的静分岔控制器；经过PI调节后，可分别得到正、反向同步旋转坐标系下的d，q轴控制电压分量，分别进行旋转坐标反变换后可得到静止坐标系下SGSC的正、负序电压控制矢量该矢量与静止坐标系下SGSC的直流磁链控制电压矢量合成后得到最终的SGSC输出控制电压矢量；

(6)当电网正常和发生故障时，RSC采用常规的功率、电流闭环矢量控制策略，由于故障时定子电压骤降，因此，在故障过程中根据电网电压跌落程度通过降低发电机输出的有功功率从而达到抑制电压降落的目的；

(7)在电网正常和发生故障时，PGSC采用常规的电压、电流闭环矢量控制策略，由于故障期间网侧电压急剧降低，因此，PGSC将失去对直流母线电压的准确控制能力；为避免故障过程中直流母线电压剧烈上升，在直流环节增加绝缘栅双极型晶体管IGBT开关和耗能电阻构成直流电容保护电路，当直流链电压超过某一阈值时，导通IGBT开关将耗能电阻并入直流侧以抑制直流链电压上升，在电网出现电压跌落故障时，实现系统的低电压穿越运行。

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