CN102916441B - 电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法 - Google Patents

电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法，包括分别检测转子电流和直流母线电压；将实时检测转子电流和直流母线电压瞬时值与各自的上限值相比较，根据比较结果确定crowbar电路的逻辑控制信号，若转子电流或直流母线电压其中之一超过限值，则逻辑控制信号输出为高电平，即启动第Ⅰ阶段控制；启动crowbar保护后，继续检测转子电流和直流母线电压，然后与各自的下限值相比较，当转子电流和母线电压小于各自的下限值时，逻辑控制信号的输出为低电平，crowbar电路退出运行，恢复励磁控制，进行第Ⅱ阶段控制。本发明能有效实现双馈电机的故障穿越，同时向电网注入退磁电流和无功电流，缩短crowbar保护时间。

Description

电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法
技术领域
本发明涉及一种电网电压对称跌落时双馈电机风力发电系统转子电压电流的抑制方法，属于双馈风力发电的低电压穿越技术。
背景技术
近年来双馈电机成为大型风电场的主选机型，其变换器为25~35%的额定容量，能实现四象限功率运行，和全功率系统相比，双馈电机的变换器尺寸小、重量轻、损耗少、成本低。但双馈电机对电网电压的波动非常敏感，若电网电压突然跌落，会导致转子绕组过压过流、运行转差增大、电磁转矩变小、电机铁心饱和等，在无保护情况下会损坏变换器。若双馈风电机组不具备低电压穿越能力，轻微电网故障就会引起机组切机，导致风电机组承担的功率份额缺失，造成系统潮流的大幅变化，带来稳定问题。
低电压穿越指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持不脱网运行，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）。一般来说，双馈电机变换器设计为25~35%的额定容量，当电网电压跌落幅度小于25%时，可以通过励磁控制方法实现穿越，其效果与变流器和电机参数等有关；当电网电压跌落幅度大于75%时，励磁控制已经无能为力, 必须采取crowbar硬件保护措施。但crowbar动作期间，转子侧变换器失去控制能力，双馈电机的工作状态类似于鼠笼电机，滑差越大，从电网吸收的无功越多。若crowbar保护时间过长，会导致DFIG从系统吸收大量无功，不利于电网恢复，因此，crowbar必须及时退出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效实现双馈电机的故障穿越，同时向电网注入退磁电流和无功电流，缩短crowbar保护时间，有助于电网快速恢复的电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法。
本发明的技术解决方案是：
一种电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法，其特征是：控制步骤如下：
1) 分别检测转子电流和直流母线电压；
2) 将实时检测转子电流和直流母线电压瞬时值与各自的上限值相比较，根据比较结果确定crowbar电路的逻辑控制信号，若转子电流或直流母线电压其中之一超过限值，则逻辑控制信号输出为高电平，即启动第Ⅰ阶段控制，即crowbar保护控制；
3) 启动crowbar保护后，转子电流和母线电压会迅速下降，继续检测转子电流和直流母线电压，然后与各自的下限值相比较，当转子电流和母线电压小于各自的下限值时，逻辑控制信号的输出为低电平，crowbar电路退出运行，恢复励磁控制，进行第Ⅱ阶段控制，即退磁和无功控制。
所述crowbar启动的上限值为1.8倍转子额定电流或1.2倍直流母线额定电压；所述恢复励磁控制时的下限值为1.5倍转子额定电流和1.1倍直流母线额定电压。
检测转子电流和直流母线电压，是利用电流霍尔传感器实时检测双馈电机转子绕组三相电流，利用电压霍尔传感器实时检测双PWM变换器的直流母线电压。
本发明能有效实现双馈电机的故障穿越，同时向电网注入退磁电流和无功电流，缩短crowbar保护时间，减少了双馈电机内部的电磁振荡，增强了系统的低电压穿越能力，有助于电网快速恢复；本发明将有助于制造商对现有的双馈风电机组进行低电压穿越控制，并指导变流器的优化设计。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的crowbar保护电路图；
图2是本发明crowbar控制和励磁控制切换的逻辑电平输出控制图；
图3是本发明转子坐标系上切换控制的同步等效矢量电路图；
图4是本发明故障恢复时励磁控制（退磁和无功控制）原理框图；
图5是本发明定子过渡磁链的计算框图；
图6是本发明无退磁控制时的转子开路电压图；
图7是本发明有退磁控制时的转子电压图；
图8是本发明crowbar和退磁分段控制时的转子电压图；
图9是本发明crowbar和励磁控制（退磁和无功控制）时的转子电压图；
图10是本发明无功控制时的定子无功电流和有功电流图。
具体实施方式
本实施例提供一种电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法，具体应用的环境是基于仿真软件Matlab/Simulink，验证了上述双馈电机低电压穿越的分段控制方法，提高了系统的低电压穿越能力，有助于电网的快速恢复。仿真中所使用的双馈电机参数为：额定功率4kW，定子电压310V，额定频率50Hz，定子电阻1.405Ω，转子电阻1.395Ω，Crowbar保护电阻5Ω，定子漏感0.005839H，转子漏感0.005839H，互感0.1722H，极对数2。
具体实施步骤如下：
① 分别检测转子电流和直流母线电压；
本实施例中，由于是在Matlab/Simulink软件中进行，转子电流和母线电压分别由电流检测模块和电压检测模块实现。
也可以采用电流霍尔传感器实时测量双馈电机转子绕组三相电流，采用电压霍尔传感器实时测量双PWM变换器的直流母线电压。
②将实时检测转子电流和直流母线电压瞬时值与各自的上限值相比较，根据比较结果确定crowbar电路的逻辑控制信号，若转子电流或直流母线电压其中之一超过限值，则逻辑控制信号输出为高电平，即启动第Ⅰ阶段控制，即crowbar保护控制；如图1所示，crowbar电路主要由三相不可控整流桥电路组成，其输出端和全控器件S(IGBT) 、crowbar电阻相连。
本实施例中，上限值设置要保证转子电流不至于损坏转子绕组、转子侧变换器，crowbar启动的上限值为1.8倍转子额定电流或1.2倍直流母线额定电压。
③启动crowbar保护后，转子电流和母线电压会迅速下降，继续检测转子电流和直流母线电压，然后与各自的下限值相比较，当转子电流和母线电压小于各自的下限值时，逻辑控制信号的输出为低电平，crowbar电路退出运行，恢复励磁控制，进行第Ⅱ阶段控制，即退磁和无功控制。
本实施例中，下限值设置要保证转子电压的最大值不超过变频器的可控范围，恢复励磁控制时的下限值为1.5倍转子额定电流和1.1倍直流母线额定电压。
本实施例的实施结果：
图6为电网电压在t 0=1s发生全跌落时的转子开路电压波形，跌落前的电机转速为1993.7r/min，刚跌落时峰值分别为385.2V，-392.8V；
图7为施加退磁控制后的转子电压，其峰值分别为178.7V, -169.4V。相比可见，退磁控制可以大幅度地降低转子电压，抑制电机的电磁振荡。
由图8可见，在t 0=1s时电网电压全跌落，采用主动crowbar保护，使定子磁链和转子电压快速衰减，当转子电流小于转子最大额定工作电流(1.5p.u.)，且直流母线电压降低到安全值(1.1p.u.)以下时，crowbar退出保护，恢复转子励磁实行退磁控制，这样可以明显缩短crowbar保护时间。
由图9可见，在t=1~1.03s期间crowbar启动，t=1.03s后crowbar退出运行，转子侧变换器同时向转子绕组注入退磁和无功控制电流；
图10为故障前后定子电流的有功和无功分量，故障前运行在单位功率因数，故障恢复时，向电网注入无功电流。

Claims (3)

1. 一种电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法，其特征是：控制步骤如下：
1) 分别检测转子电流和直流母线电压；
2) 将实时检测转子电流和直流母线电压瞬时值与各自的上限值相比较，根据比较结果确定crowbar电路的逻辑控制信号，若转子电流或直流母线电压其中之一超过限值，则逻辑控制信号输出为高电平，即启动第Ⅰ阶段控制，即crowbar保护控制；
3) 启动crowbar保护后，转子电流和母线电压会迅速下降，继续检测转子电流和直流母线电压，然后与各自的下限值相比较，当转子电流和母线电压小于各自的下限值时，逻辑控制信号的输出为低电平，crowbar电路退出运行，恢复励磁控制，进行第Ⅱ阶段控制，即退磁和无功控制。
2. 根据权利要求1所述的电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法，其特征是：所述crowbar启动的上限值为1.8倍转子额定电流或1.2倍直流母线额定电压；所述恢复励磁控制时的下限值为1.5倍转子额定电流和1.1倍直流母线额定电压。
3. 根据权利要求1或2所述的电网电压对称跌落时双馈电机低电压穿越的分段控制方法，其特征是：检测转子电流和直流母线电压，是利用电流霍尔传感器实时检测双馈电机转子绕组三相电流，利用电压霍尔传感器实时检测双PWM变换器的直流母线电压。
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