CN102355000B - 网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立非对称电压跌落情况下风力发电机并网点正序电压和负序电压的数学模型，依此得到控制并网点电流进行正序电压支撑和负序电压抑制的控制方法；2)建立双馈发电机的稳态数学模型；3）建立变流器正序有、无功电压与负序有、无功电压的解耦及合成控制算法；4)建立正序电压支撑、负序电压抑制方法中正、负序电流的最优分配方案，并计算发电机系统输出目标正、负序合成电流的幅值和相位；5)变流器进行电流闭环的PWM电压控制。本发明实现了风电场电网电压非对称状态下双馈风力发电系统并网条件的明显改善。

Description

网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法

技术领域

本发明涉及一种电网电压非对称跌落状态下双馈风力发电系统的穿越控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

由于双馈型风力发电系统的成熟性和稳定性，许多风电场都以双馈风力发电机为主导。近年来，风电行业在双馈发电系统的研究主要集中在电网故障下运行和系统低压穿越方面。许多风力发电系统的低压穿越控制策略都针对对称电网电压跌落，但80％以上的电网电压跌落都属于非对称跌落。很小的电压不对称将引起定子电流的高度不平衡，从而导致定子绕组发热不均衡并使发电机产生转矩脉动，最终致使输入电网的功率发生振荡。由于缺少针对非对称电压故障的控制策略，一些大功率的风力发电系统将会从电网中脱离。但是实际运行中从电网安全角度考虑，往往要求风电机组能承受诸如因相间短路引起的一定程度的负序电流而不脱网，并且还要能够承受稳态最大达2％，暂态最大达5％的不平衡电压而不跳闸。因此需要一定的措施使风机系统拥有低电压穿越能力并帮助电网恢复电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在电网电压发生非对称跌落故障时，降低电网电压的不对称度并提升风力发电机并网点的电压。

为解决上述技术问题，本发明是采用以下技术方案来实现的：

一种网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立非对称电压跌落情况下风力发电机并网点正序电压和负序电压的数学模型，依此得到控制并网点电流进行正序电压支撑和负序电压抑制的控制方法；

2)建立双馈发电机的稳态数学模型，并依此得到通过变流器对双馈发电机进行功率(电流)控制的方法，进而实现正序电压支撑和负序电压抑制；

3)建立变流器正序有、无功电压与负序有、无功电压的解耦及合成控制算法；

4)建立正序电压支撑、负序电压抑制方法中正、负序电流的最优分配方案，并计算发电机系统输出目标正、负序合成电流的幅值和相位。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=I_{A+}+I_{A-}+I_{A0}\\ I_B=I_{B+}+I_{B-}+I_{B0}\\ I_C=I_{C+}+I_{C-}+I_{C0}\end{array}\right.$ .....................(式1)

其中：I_A、I_B、I_C为风力发电机输出三相电流；

I_A+、I_B+、I_C+为风力发电机输出三相正序电流；

I_A-、I_B-、I_C-为风力发电机输出三相负序电流；

I_A0、I_B0、I_C0为风力发电机输出三相零序电流；

5)变流器进行电流闭环的PWM电压控制。

前述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于：在所述步骤1)中，所述的风机并网点正序电压支撑和负序电压抑制的数学模型为：

${\mathrm{\γ}}_{+}=\arccos \left(\frac{R_{z\_\mathrm{line}}}{\sqrt{{R_{z\_\mathrm{line}}}^2+{X_{z\_\mathrm{line}}}^2}}\right)$

…………………(式2)

其中，

分别表示在正序系统中故障点和公共接入点的正序电压；

表示在正序系统中公共接入点到故障点的电压压降；

分别表示正序系统中有效和无效电流；R_{z_line}，X_{z_line}分别表示传输线阻抗以及感抗。

$\left|{\stackrel{\·}{V}}_{-}^{-}\right|=\sqrt{{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{Z\_\mathrm{line}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}\right|}^2-2\left|{\stackrel{\·}{V}}_{Z\_\mathrm{line}-}^{-}\right|\left|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}\right|\cos ({\mathrm{\η}}_i\±{\mathrm{\γ}}_{-})}$

$=\{{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{Z\_\mathrm{line}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}\right|}^2-1|{\stackrel{\·}{V}}_{Z-\mathrm{line}-}^{-}\left|\right|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}|\·{\left(\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}{\sqrt{{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{reactive}-}^{-}\right|}^2}}\cos {\mathrm{\γ}}_{-}\stackrel{-}{+}\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{reactive}-}^{-}\right|}{\sqrt{{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{reactive}}^{-}\right|}^2}}\sin {\mathrm{\γ}}_{-}\right)\}}^{\frac{1}{2}}$

${\mathrm{\η}}_i=\arccos \left(\frac{\left|I_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}{\sqrt{{I_{\mathrm{active}-}^{-}}^2+{I_{\mathrm{reactive}-}^{-}}^2}}\right)$

${\mathrm{\γ}}_{-}=\arccos \left(\frac{R_{z\_\mathrm{line}}}{\sqrt{{R_{z\_\mathrm{line}}}^2+{X_{z\_\mathrm{line}}}^2}}\right)$ …………………(式3)

其中，分别表示在负序系统中故障点和公共接入点的负序电压；

表示在负序系统中公共接入点到故障点的电压压降；

分别表示负序系统中有效和无效电流；R_{z_line}，X_{z_line}分别表示传输线阻抗以及感抗。

并得出以下结论：一、风力发电机输出正序有功电流分量的增加将显著提升风机并网点的正序电压水平；二、调节风力发电机的负序电流的相位能有效抑制并网点的负序电压。

前述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于：在所述步骤2)中，所述双馈发电机稳态模型为：

${\stackrel{\·}{E}}_1=j{\stackrel{\·}{I}}_m\·X_m$ …………………(式4)

${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{E}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_1(R_1+j{X}_{1\mathrm{\σ}})$ …………(式5)

$\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{s}={\stackrel{\·}{E}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2(\frac{R_2}{s}+j{X}_{2\mathrm{\σ}})$ ………(式6)

${\stackrel{\·}{I}}_2={\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_m$ …………………(式7)

公式中的各变量定义如下：

：定子和转子端电压；

：定子和转子电流；

：感应电动势；

：励磁电流；

R₁&R₂：定子和转子电阻；

X_1σ&X_2σ：定子和转子漏抗；

X_m：电机互抗；

s：电机转差率；

结合公式(4)、(5)、(6)、(7)，可以推导出转子电流相量以及其有效值为：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{X_m{U}_1}[(P_1{X}_1-Q_1{R}_1)-j(Q_1{X}_1+P_1{R}_1+U_1^2)]$ …………………(式8)

$I_2=\frac{1}{X_m}\sqrt{(\frac{P_1^2}{U_1^2}+\frac{Q_1^2}{U_1^2})(R_1^2+X_1^2)+U_1^2+2U_1(\frac{P_1}{U_1}{R}_1+\frac{Q_1}{U_1}{X}_1)}$ ………(式9)

式(8)、(9)中P₁、Q₁分别为定子输出有功功率和无功功率，X₁＝X_1σ+X_m。

通过转子电流闭环的PI调节后输出变流器输出励磁电压。

前述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于：在所述步骤3)中，变流器正序有、无功电压与负序有、无功电压的解耦及合成控制算法为：

是通过定子磁链定向算法和克拉克(Clarke)坐标变换、帕克(Park)坐标变换及其反变换实现的。

前述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于：在所述步骤3)中，并在两相旋转坐标系中通过一个陷波滤波器对变流器输出有功和无功电压分量进行滤波将得到正序的有功电压和无功分量，该滤波器的传递函数为：

其中Q为品质因数，ω₁为电网电压矢量旋转角速度。

前述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于：在所述步骤4)中，在正、负序电流分配方案中的约束条件为其合成矢量幅值不超过发电机的额定电流或最大允许过载值。

前述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于：在所述步骤4)中，利用式(10)进行正序有功功率补偿，利用式(11)进行负序电流补偿：

$P_{\mathrm{out}\_\sup }=P_{\mathrm{out}}\·\frac{\left|U_{+0}\right|}{\left|U_{+}\right|}\·K$ ………………式(10)

$I_{\mathrm{NEG}\_\mathrm{SUP}}\≤I_{\mathrm{NS}}-\frac{P_{\mathrm{out}}\·\left|U_{+0}\right|}{\sqrt{3}\·{\left|U_{+}\right|}^2}\·K$ ……………式(11)

式中各量定义如下：U₊₀、U₊：电压跌落前和跌落后并网点正序电压的幅值；P_{out_sup}、P_out：电压跌落前和跌落后发电机输出正序有功功率；K：定义为正序电压支撑系数。I_{NEG_SUP}、I_NS分别表示负序抑制的算法电流和双馈电机系统的额定有效值电流。

本发明通过一种补偿正序(主要为有功电流分量)和负序电流的方案达到提升正序电压、抑制负序电压的控制目的。相对于传统的双馈变流器控制方案而言，这种控制方案有助于提升电网的稳定性，并有助于增强风电场实现在非对称电压跌落情况下低电压穿越的能力。

附图说明

图1为双馈电机等效电路；

图2为传输线路B点电压非对称跌落系统图；

图3为风力发电机并网点正序电压空间矢量图；

图4为风力发电机并网点负序电压空间矢量图；

图5为变流器正序输出电压控制结构图；

图6为变流器负序输出电压控制结构图；

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式介绍如下：

(1)建立变流器输出电流(转子电流)与双馈发电机定子输出电流或功率的运算关系。附图1为双馈电机等效电路，根据其等效电路图可以得出双馈电机的稳态数学模型：

${\stackrel{\·}{E}}_1=j{\stackrel{\·}{I}}_m\·X_m$ …………………(式4)

${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{E}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_1(R_1+j{X}_{1\mathrm{\σ}})$ …………(式5)

$\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{s}={\stackrel{\·}{E}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2(\frac{R_2}{s}+j{X}_{2\mathrm{\σ}})$ ………(式6)

${\stackrel{\·}{I}}_2={\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_m$ …………………(式7)

公式中的各变量定义如下：

定子和转子端电压；

定子和转子电流；

感应电动势；

励磁电流；

R₁&R₂：定子和转子电阻；

X_1σ&X_2σ：定子和转子漏抗；

X_m：电机互抗；

s：电机转差率；

结合公式(4)、(5)、(6)、(7)，可以推导出转子电流相量以及其有效值：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{X_m{U}_1}[(P_1{X}_1-Q_1{R}_1)-j(Q_1{X}_1+P_1{R}_1+U_1^2)]$ …………………(式8)

$I_2=\frac{1}{X_m}\sqrt{(\frac{P_1^2}{U_1^2}+\frac{Q_1^2}{U_1^2})(R_1^2+X_1^2)+U_1^2+2U_1(\frac{P_1}{U_1}{R}_1+\frac{Q_1}{U_1}{X}_1)}$ ………(式9)

式(8)、(9)中P₁、Q₁分别为定子输出有功功率和无功功率，X₁＝X_1σ+X_m。

(2)建立风机并网点正序电压和负序电压的数学模型。

附图2给出了双馈发电机系统与电网间传输线路的示意图。其中B点为电压非对称跌落故障点，C点为风机并网点，C点的电压就是电网电压。

附图3、附图4分别给出了风机并网点正序电压和负序电压空间矢量图。由附图3可得到B点的电压表达式：

……………(式12)

其中：

${\mathrm{\γ}}_{+}=\arccos \left(\frac{R_{z\_\mathrm{line}}}{\sqrt{{R_{z\_\mathrm{line}}}^2+{X_{z\_\mathrm{line}}}^2}}\right)$

从式(12)中可以得出结论：因为

和无功功率相比，有功功率对C点的电压支撑更加有效。

其中，

分别表示在正序系统中B点和C点的正序电压；

表示C点到B点的电压压降；

分别表示正序系统中有效和无效电流；R_{z_line}，X_{z_line}分别表示传输线阻抗以及感抗。

附图4表明调节发电机负序电流将能有效抑制并网点的负序电压。

(3)结合以上两点可以得到结论：可以通过调节变流器的输出电流达到支撑正序电压，抑制负序电压的目标。采用定子磁链的定向算法、坐标变换(三相静止坐标系至两相旋转坐标系)及对称分量法，实现正负序有功电流和无功电流的解耦控制及合成控制。为了实现正负序分量的精确分离，将利用一种陷波滤波器滤除在正序两相旋转坐标参考系上的负序分量。附图5、附图6给出了变流器正序和负序控制结构图，该控制结构以定子电流(功率)为反馈环节，输出量为变流器励磁电压。

(4)不同的电压跌落深度需要补偿不同的正序有功功率和负序视在功率。为了实现两者的优化分配，提出以下分配方案：

$P_{\mathrm{out}\_\sup }=P_{\mathrm{out}}\·\frac{\left|U_{+0}\right|}{\left|U_{+}\right|}\·K$ ………………(式10)

$I_{\mathrm{NEG}\_\mathrm{SUP}}\≤I_{\mathrm{NS}}-\frac{P_{\mathrm{out}}\·\left|U_{+0}\right|}{\sqrt{3}\·{\left|U_{+}\right|}^2}\·K$ ……………(式11)

式中各量定义如下：

U₊₀、U₊：电压跌落前和跌落后并网点正序电压的幅值；P_{out_sup}、P_out：电压跌落前和跌落后发电机输出正序有功功率；

K：定义为正序电压支撑系数。

式(10)为正序有功功率补偿方法，式(11)为负序电流补偿方法。

以上实例不以任何形式限制本发明，凡采用等同变换或等效变换所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立非对称电压跌落情况下风力发电机并网点正序电压和负序电压的数学模型，依此得到控制并网点电流进行正序电压支撑和负序电压抑制的控制方法；

2)建立双馈发电机的稳态数学模型，并依此得到通过变流器对双馈发电机进行功率或电流控制的方法，进而实现正序电压支撑和负序电压抑制；

3）建立变流器正序有、无功电压与负序有、无功电压的解耦及合成控制算

法;

4)建立正序电压支撑、负序电压抑制方法中正、负序电流的最优分配方案，并计算发电机系统输出目标正、负序合成电流的幅值和相位；

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=I_{A+}+I_{A-}+I_{A0}\\ I_B=I_{B+}+I_{B-}+I_{B0}\\ I_C=I_{C+}+I_{C-}+I_{C0}\end{array}\right.$ …………………（式1）

其中：I_A、I_B、I_C为风力发电机输出三相电流；

I_A+、I_B+、I_C+为风力发电机输出三相正序电流；

I_A-、I_B-、I_C-为风力发电机输出三相负序电流；

I_A0、I_B0、I_C0为风力发电机输出三相零序电流；

5)变流器进行电流闭环的PWM电压控制。

2.根据权利要求1所述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法,其特征在于：在所述步骤1)中，所述的风力发电机并网点正序电压和负序电压的数学模型为：

${\mathrm{\γ}}_{+}=\arccos \left(\frac{R_{z\_\mathrm{line}}}{\sqrt{{R_{z\_\mathrm{line}}}^2+{X_{z\_\mathrm{line}}}^2}}\right)$

其中，分别表示在正序系统中故障点和公共接入点的正序电压；表示在正序系统中公共接入点到故障点的电压压降；

分别表示正序系统中有效和无效电流；R_{z_line}，X_{z_line}分别表示传输线阻抗以及感抗，

$\left|{\stackrel{\·}{V}}_{-}^{-}\right|=\sqrt{{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{Z\_\mathrm{line}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}\right|}^2-2\left|{\stackrel{\·}{V}}_{Z\_\mathrm{line}-}^{-}\right|\left|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}\right|\cos ({\mathrm{\η}}_i\±{\mathrm{\γ}}_{-})}$

$={\{{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{Z\_\mathrm{line}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}\right|}^2-2|{\stackrel{\·}{V}}_{Z-\mathrm{line}-}^{-}\left|\right|{\stackrel{\·}{V}}_{C-}^{-}|\•\left(\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}{\sqrt{{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{reactive}-}^{-}\right|}^2}}\cos {\mathrm{\γ}}_{-}\stackrel{\‾}{+}\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{reactive}-}^{-}\right|}{\sqrt{{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{reactive}-}^{-}\right|}^2}}\sin {\mathrm{\γ}}_{-}\right)\}}^{\frac{1}{2}}$

${\mathrm{\η}}_i=\arccos \left(\frac{\left|I_{\mathrm{active}-}^{-}\right|}{\sqrt{{I_{\mathrm{active}-}^{-}}^2+{I_{\mathrm{reactive}-}^{-}}^2}}\right)$

${\mathrm{\γ}}_{-}=\arccos \left(\frac{R_{z\_\mathrm{line}}}{\sqrt{{R_{z\_\mathrm{line}}}^2+{X_{z\_\mathrm{line}}}^2}}\right)$ …………………（式3）

其中，

分别表示在负序系统中故障点和公共接入点的负序电压；

表示在负序系统中公共接入点到故障点的电压压降；

分别表示负序系统中有效和无效电流；R_{z_line}，X_{z_line}分别表示传输线阻抗以及感抗。

3.根据权利要求1所述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法,其特征在于：在所述步骤2）中，所述双馈发电机稳态模型为：

${\stackrel{\·}{E}}_1=j{\stackrel{\·}{I}}_m\·X_m$ …………………（式4）

${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{E}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_1(R_1+j{X}_{1\mathrm{\σ}})$ …………（式5）

$\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{s}={\stackrel{\·}{E}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2(\frac{R_2}{s}+j{X}_{2\mathrm{\σ}})$ ………（式6）

${\stackrel{\·}{I}}_2={\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_m$ …………………（式7）

公式中的各变量定义如下：

定子和转子端电压；

定子和转子电流；

感应电动势；

励磁电流；

R₁&R₂：定子和转子电阻；

X_1σ&X_2σ：定子和转子漏抗；

X_m：电机互抗；

s：电机转差率；

结合公式（4）、（5）、（6）、（7），可以推导出转子电流相量以及其有效值为：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{X_m{U}_1}[(P_1{X}_1-Q_1{R}_1)-j(Q_1{X}_1+P_1{R}_1+U_1^2)]$ …………………（式8）

$I_2=\frac{1}{X_m}\sqrt{(\frac{{P_1}^2}{U_1^2}+\frac{Q_1^2}{U_1^1})(R_1^2+X_1^2)+U_1^2+2U_1(\frac{P_1}{U_1}{R}_1+\frac{Q_1}{U_1}{X}_1)}$ ………（式9）

式（8）、（9）中P₁、Q₁分别为定子输出有功功率和无功功率,X₁=X_1σ+X_m，通过上述各式得到变流器输出励磁电压与发电机定子电流的控制关系。

4.根据权利要求1所述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法,其特征在于：在所述步骤3）中，变流器正序有、无功电压与负序有、无功电压的解耦及合成控制算法为：通过定子磁链定向算法和克拉克（Clarke）坐标变换、帕克（Park）坐标变换及其反变换实现。

5.根据权利要求4所述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法,其特征在于：在所述步骤3）中，并在两相旋转坐标系中通过一个陷波滤波器对变流器输出有功和无功电压分量进行滤波将得到正序的有功电压和无功分量，该滤波器的传递函数为：

其中Q为品质因数，ω₁为电网电压矢量旋转角速度。

6.根据权利要求1所述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法,其特征在于：在所述步骤4）中，在正、负序电流分配方案中的约束条件为其合成矢量幅值不超过发电机的额定电流或最大允许过载值。

7.根据权利要求6所述的网压非对称条件下双馈风电系统的综合控制方法,其特征在于：在所述步骤4）中，利用式（10）进行正序有功功率补偿，利用式（11）进行负序电流补偿：

$P_{\mathrm{out}\_\sup }=P_{\mathrm{out}}\·\frac{\left|U_{+0}\right|}{\left|U_{+}\right|}\·K$ ………………式（10）

$I_{\mathrm{NEG}\_\mathrm{SUP}}\≤I_{\mathrm{NS}}-\frac{P_{\mathrm{out}}\·\left|U_{+0}\right|}{\sqrt{3}\·{\left|U_{+}\right|}^2}\·K$ ……………式（11）

式中各量定义如下：U₊₀、U₊：电压跌落前和跌落后并网点正序电压的幅值；P_{out_sup}、P_out：电压跌落前和跌落后发电机输出正序有功功率；K:定义为正序电压支撑系数,I_{NEG_SUP}、I_NS分别表示负序抑制的算法电流和双馈电机系统的额定有效值电流。

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