CN103269088B - 一种基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法，其特征是当电网电压发生跌落故障时，控制系统通过对双馈电机定子磁链解耦、暂态补偿电流计算及合成和转子电流闭环控制实现双馈型风力发电机组的低电压穿越。本发明根据电网跌落时降低双馈电机转子端暂态电压冲击的需要，采用向双馈电机转子端注入暂态补偿电流并通过对其角度的整定，使得电网电压跌落时对转子端暂态电压达到最优控制，以降低电压跌落时暂态电压对双馈型风力发电机组所造成的冲击，同时能够加快定子直流磁链的衰减速度，缩短系统的暂态过程，并降低磁链负序分量对风力发电机组的影响。进而通过此低成本、高可靠性的控制方法，拓展了双馈型风力发电机组可穿越的电压故障范围，极大地改善了双馈风力发电机组的低电压穿越特性。

Description

一种基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体地说是一种基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法。

背景技术

双馈型风力发电机是目前兆瓦级变速恒频风力发电机的主流机型，随着风电电网穿透率的提高，风力发电机的低电压穿越（LVRT）功能是当前风力发电机的必备功能。如德国E.ONNetz电网公司在2006年颁布的并网导则（Gridcodeforhighandextrahighvoltage），国家电网公司企业标准（Q/GDW392－2009）等都对风力发电机的LVRT功能提出了具体要求。由于双馈型风力发电机中双馈电机的特殊驱动拓扑结构，使其背靠背驱动变流器难以满足LVRT时的电流容量需求，这也使得LVRT问题成为双馈型风力发电机的技术瓶颈问题。

LVRT所带来的挑战性及其解决的迫切性，使得双馈型风电变流器的LVRT问题成为当前研究的热点问题。近年来关于LVRT方案的研究报道可概括为两大类：基于硬件的LVRT方案；基于软件控制算法的LVRT方案。

其中基于硬件的LVRT变流器拓扑变化主要有转子回路附加硬件和定子回路附加硬件两类：转子回路附加硬件主要有配置撬棒（Crowbar）电路方案（蒋雪冬，赵舫.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略[J].电网技术,2008,32(12):84-89；周维来，孙敬华，张哲等.一种双馈风电变流器Crowbar保护装置[P]，200910072960），以及2009年3月发表在电力系统会议与展览上的串联阻抗网络方案（WenzhongGao,GeWang,JiaxinNing.Developmentoflowvoltageride-throughcontrolstrategyforwindpowergenerationusingrealtimedigitalsimulator[C].ProceedingsofIEEEPSCE,Seattle,USA,Mar.15-18,2009:1-6）等；

而定子回路附加硬件主要有2005年11月发表在欧洲电力电子与应用会议上的串联电力电子开关方案（AndreasDittrich,AlexanderStoev.Comparisonoffaultride-throughstrategiesforwindturbineswithDFIMgenerators[C].ProceedingsofEuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications,Dresden,Germany,Nov.11-14,2005:1-8.），发表在电气与电子工程师协会工业应用期刊第45卷第5期上的串联变流器方案(PatrickS.Flannery,andGiriVenkataramanan.Unbalancedvoltagesagride-throughofadoublyfedinductiongeneratorwindturbinewithseriesgrid-sideconverter[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2009,45(5):1879-1887)以及发表在电气与电子工程师协会能量转换期刊第25卷第4期上的增设无源阻抗网络方案(XiangwuYan,GiriVenkataramanan,PatrickS.Flannery,YangWang,etal.Voltage-sagtoleranceofDFIGwindturbinewithaseriesgridsidepassive-impedancenetwork[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2010,25(4):1048-1056.)等。但是纵观这些基于硬件的LVRT方案，使得双馈型风力发电机组因附加硬件电路而变得复杂，且控制算法也相应的变得复杂，使得双馈型风力发电系统的设计较为困难，同时由于附加设备的增多也导致了双馈型风力发电系统稳定性和可靠性以及效率的降低，客观上也使得成本的投入增加。

配置Crowbar电路的转子回路附加硬件解决方案是当前研究较多的一种LVRT拓扑方案。其中，被动式撬棒（PassiveCrowbar）是较早用于风电变流器在电网故障时自我保护的硬件设备，但这种自我保护方式无法实现LVRT。随着风电并网要求的提高，使得定子脱网不能被接受，采用IGBT等全控器件构成的主动式撬棒（ActiveCrowbar）成为近年研究LVRT的技术方案之一。但撬棒的高耐冲击电流需求使得IGBT等全控器件的设计困难、成本较高，而且撬棒动作期间，因双馈电机(简称DFIG)处于不控状态而引发的无功功率问题、电磁转矩冲击问题等使其难以满足日趋苛刻的风电并网导则。

基于软件控制算法的LVRT方案主要表现在两个方面：一方面是将非线性控制策略引入到DFIG变流器控制之中，以提高系统动态响应的控制策略；但是基于非线性控制策略的方案，单纯从控制理论的角度改善系统的控制性能，并没有充分考虑电机自身的电磁暂态特性。另一方面是基于对DFIG电磁暂态过程的分析，采用直接电磁暂态控制策略，如发表在国外期刊上的相关文献(JesúsLópez,PabloSanchis,EugenioGubía,AlfredoUrsúa,LuisMarroyo,XavierRoboam.Controlofdoublyfedinductiongeneratorundersymmetricalvoltagedips[J].IndustrialElectronics,2008:1275-1280.XiangDawei,RanLi,PeterJ.Tavner,ShunchangYang.Controlofadoublyfedinductiongeneratorinawindturbineduringgridfaultride-through[J].IEEETransactionsonEnergyConversation,2006,21(3):652-662.)及发表在国内电力系统自动化期刊上的双馈电机的灭磁控制策略(张学广,徐殿国,潘伟明,姚春光.基于电网电压定向的双馈风力发电机灭磁控制策略[J].电力系统自动化.2010,34(7):95-99.)等提出了在双馈电机转子侧注入与暂态直流磁链反方向的补偿电流的控制方案。该控制策略虽然能够使得电网电压故障时直流磁链的衰减速度达到最快，但是忽视了对暂态补偿电流角度的控制，故在电流幅值一定的情况下，并不能使双馈电机转子端暂态电压降到最低，而在电网电压跌落故障时双馈型风力发电机组失控的主要原因便是暂态电压超出了转子侧变流的电压可控范围。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术存在的不足之处，提供一种成本低、结构简单、可靠性高且易于实现的基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法，在暂态补偿电流幅值一定的情况下通过对其角度的整定能够将暂态电压降到最低，实现电网电压跌落故障时对双馈电机转子端电压的最优控制，同时能够加快直流磁链的衰减速度，以期拓展风力发电机组可穿越的电压故障范围，提高双馈型风电机组的低电压穿越性能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法，所述双馈型风力发电机组包括：直流环节、转子侧变流器、双馈电机、电网和处理器模块；其特点是所述控制方法按如下过程进行：

步骤一，当电网电压发生跌落故障时分别检测双馈电机的定子三相电压u_s、定子三相电流i_s及转子三相电流i_r传递给所述处理器模块进行处理；

步骤二，稳态磁链的计算；

步骤a、所述处理器模块根据所接收到的定子三相电压u_s按式(1)进行旋转坐标系的坐标变换，获得同步旋转坐标系下的定子电压u_sdq：

u_sdq=R(θ_s)u_s      (1)

式(1)中R(θ_s)的表达式为：

式(2)中θ_s为同步旋转坐标系与静止坐标系之间夹角；

步骤b、通过二阶陷波器滤除所述定子电压u_sdq中的电压负序分量u_s ^-获得电压正序分量u_s ⁺，再按式(3)获得电压负序分量u_s ^-：

u_s ^-=u_s-u_s ⁺      (3)

步骤c、按式(4)进行稳态磁链的计算，分别获得t时刻稳态正序磁链分量ψ_s ⁺和稳态负序磁链分量ψ_s ^-：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\Ψ}}_s}^{+}=\frac{{u_s}^{+}}{j{\mathrm{\ω}}_s}\·e^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}\\ {{\mathrm{\Ψ}}_s}^{-}=\frac{{u_s}^{-}}{-j{\mathrm{\ω}}_s}\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中j表示积分运算中相位滞后90°，e为自然指数，ω_st表示正序磁链分量ψ_s ⁺和稳态负序磁链分量ψ_s ^-旋转角度；

步骤三，按照双馈电机的磁链模型表达式(5)计算获得双馈电机总磁链ψ_s：

ψ_s＝L_si_s+L_mi_r      (5)

式(5)中L_s表示双馈电机的定子电感，L_m表示双馈电机的互感；

步骤四，按式(6)获得直流磁链分量ψ_s ⁰：

ψ_s ⁰＝ψ_s-ψ_s ⁺-ψ_s ^-      (6)

步骤五，暂态补偿电流的计算及合成；

按式(7)得出基于直流磁链分量ψ_s ⁰的暂态补偿电流分量i_rn1：

i_rn1＝-k_dψ_s ⁰∠θ      (7)

式(7)中，k_d为可调节的补偿系数，θ为暂态补偿电流的偏转角度，取值范围为：0°<θ<90°；

按式(8)计算获得基于负序磁链分量ψ_s ^-的暂态补偿电流分量i_rn2：

i_rn2＝-k_dψ_s ^-∠θ      (8)

按式(9)合成暂态补偿电流i_rn：

i_rn＝i_rn1+i_rn2      (9)

步骤六，按照式(10)获得双馈电机的转子电流差值△i，

△i＝i_rn+i_rf-i_r      (10)

式(10)中：i_rf为给定的转子电流参考值；

步骤七，将所述转子电流差值△i作为处理器模块中PI调节器的输入量，并通过处理器模块中的SPWM调制模块获得控制信号u_rabc ^*，所述处理器模块将控制信号u_rabc ^*输出到转子侧变流器控制端用于对转子侧变流器的控制，从而实现在电网电压跌落故障时对双馈型风力发电机组的控制。

本发明通过转子侧变流器的控制，向双馈电机转子绕组注入暂态补偿电流且大小与故障时刻双馈电机定子中的直流磁链分量ψ_s ⁰和负序磁链分量ψ_s ^-成一定比例方向分别与直流磁链分量ψ_s ⁰和负序磁链分量ψ_s ^-反方向满足一定角度关系，一方面可以避免附加的硬件电路，降低成本及提高系统的可靠性；另一方面可以将电网电压跌落故障时刻的转子暂态电压降到最低，增加系统的可控性，拓展低电压穿越的故障范围。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过对双馈电机转子侧暂态补偿电流偏转角度θ的控制能够在暂态补偿电流幅值一定的情况下，将双馈电机转子暂态电压降到最低，有效降低电网电压故障时对系统的暂态冲击，同时能够加快电机暂态过程中直流磁链的衰减，缩短系统的暂态过程，从而提高系统低电压穿越的能力。

2、本发明采用基于电磁暂态算法作为系统的控制算法，该算法简单易于实现，减少了控制系统对故障的响应时间。

3、本发明在双馈风力发电机组原有的硬件电路基础上，无需增加额外的硬件电路，投入成本低、可靠性高、结构简单，可广泛应用于双馈型风力发电机组的低电压穿越中，并能方便地对已有双馈型风力发电机组进行软件升级以提高其低电压穿越性能。

附图说明：

图1为本发明双馈型风力发电机组结构示意图；

图2为本发明同步旋转坐标系与静止坐标系空间相位图；

图3为本发明暂态补偿电流分量i_rn1与直流磁链分量空间矢量图；

图4为本发明暂态补偿电流分量i_rn1偏转角度θ不同时对转子端暂态电压幅值影响的仿真结果图。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的双馈型风力发电机组包括：直流环节、转子侧变流器、双馈电机、电网、电压传感器、电流传感器和处理器模块，双馈型风力发电机组的基本工作原理为：处理器模块通过调制控制信号实现对转子侧变流器的控制，进而转子侧变流器将直流电压逆变成三相交流电流并注入双馈电机转子侧实现对双馈电机的控制，则与电网直接相连的双馈电机定子向电网输送功率；一种基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法是按如下步骤进行：

步骤一，当电网电压发生跌落故障时由霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别检测双馈电机的定子三相电压u_s、定子三相电流i_s及转子三相电流i_r传递给所述处理器模块进行处理；u_s、i_s及i_r均为矢量形式；

步骤二，稳态磁链的计算，稳态磁链包括正序稳态磁链和负序稳态磁链；

步骤a、处理器模块根据所接收到的定子三相电压u_s按式(1)进行旋转坐标系的坐标变换，获得同步旋转坐标系下的定子电压u_sdq：

u_sdq=R(θ_s)u_s      (1)

式(1)中R(θ_s)的具体表达式为：

式(2)中θ_s为同步旋转坐标系与静止坐标系之间夹角，如图2所示，在三相静止对称坐标系(a,b,c)中E表示三相电网电压电动势矢量，并且以电网同步角速度ω_s逆时针旋转，通常情况下，在描述三相电量时为简化分析，将两项旋转坐标系(d,q)中的q轴与电网电动势矢量E同轴，d轴则与q轴垂直且滞后电角度90°，则同步旋转坐标系的q轴与三相静止坐标系的a轴之间的夹角即为θ_s，当电网电动势矢量E在d轴和q轴上的分量均为零时的点定为同步旋转坐标系的圆点0；

步骤b、由于在同步旋转坐标系下定子电压所包含的正序分量和负序分量分别变换为角频率为0和2ω_s的直流量和交变量，于是可通过设置二阶陷波器的陷波频率为2ω_s滤除定子电压u_sdq中的电压负序分量u_s ^-获得电压正序分量u_s ⁺，根据电网电压故障后定子电压由正序分量和负序分量合成，且满足矢量合成关系，可再按式(3)由定子三相电压u_s减去定子电压正序分量u_s ⁺即可获得精确的电压负序分量u_s ^-：

u_s-u_s ⁺=u_s ^-      (3)

步骤c、在忽略定子电阻的情况下，稳态正序磁链分量和稳态负序磁链分量可分别由电压正序分量u_s ⁺和电压负序分量u_s ^-积分获得，于是利用步骤b中所获得的正序电压分量u_s ⁺和负序电压分量u_s ^-，按式(4)进行稳态磁链的计算，分别获得t时刻稳态正序磁链分量ψ_s ⁺和稳态负序磁链分量ψ_s ^-：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&Psi;}}_s}^{+}=\frac{{u_s}^{+}}{j{\mathrm{\&omega;}}_s}\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{s}t}\\ {{\mathrm{\&Psi;}}_s}^{-}=\frac{{u_s}^{-}}{-j{\mathrm{\&omega;}}_s}\&CenterDot;e^{-j{\mathrm{\&omega;}}_{s}t}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中j表示积分运算中相位滞后90°，e为自然指数，ω_s ^t表示正序磁链分量ψ_s ⁺和稳态负序磁链分量ψ_s ^-旋转角度；

步骤三，根据步骤一中检测到的定子三相电流i_s及转子三相电流i_r，按照双馈电机的磁链模型表达式(5)计算出双馈电机总磁链ψ_s，通常情况下总磁链ψ_s也可由电压型磁链观测器和电流型磁链观测器获得；

ψ_s＝L_si_s+L_mi_r      (5)

式(5)中L_s表示双馈电机的定子电感，L_m表示双馈电机的互感；

步骤四，由步骤三中计算出的双馈电机总磁链ψ_s按照式(6)根据矢量合成原理同时减去步骤二中的正序磁链分量ψ_s ⁺和负序磁链分量ψ_s ^-，获得直流磁链分量ψ_s ⁰（也可称之为磁链自由分量），从而完成对双馈电机定子磁链的解耦计算；

ψ_s-ψ_s ⁺-ψ_s ^-＝ψ_s ⁰     (6)

步骤五，暂态补偿电流的计算及合成；

步骤a、根据步骤四中所获得的直流磁链分量ψ_s ⁰，按式(7)得出基于直流磁链分量ψ_s ⁰的暂态补偿电流分量i_rn1，暂态补偿电流分量i_rn1大小为直流磁链幅值的k_d倍，方向与直流磁链的反方向满足一定的角度θ；

i_rn1＝-k_dψ_s ⁰∠θ      (7)

式(7)中，k_d为可调节的补偿系数且为恒定的正值，可根据系统需要补偿的程度进行调整；θ为暂态补偿电流的偏转角度，取值范围为：0°<θ<90°；具体值由双馈电机组参数中的阻抗值决定，负号表示与直流磁链反方向；关于暂态补偿电流分量i_rn1所偏转角度θ的作用效果及原理如图3所示，在电网电压故障发生时刻，在转子坐标系下由直流磁链分量ψ_s ⁰感应的暂态电压为v_rn，暂态电压v_rn的大小是根据直流磁链分量ψ_s ⁰所确定的，相位超前直流磁链分量ψ_s ⁰电气角为90°，此时双馈电机转子侧注入的暂态补偿电流分量i_rn1,其大小为直流磁链分量ψ_s ⁰幅值的k_d倍，暂态补偿电流分量i_rn1的方向与直流磁链分量ψ_s ⁰的反方向满足一定的角度关系，此角度关系是以θ表示的，且暂态补偿电流偏转角度θ的大小与阻抗角相等，则此时由暂态补偿电流分量i_rn1产生的阻抗压降(R_r-jX_r)·i_rn1与直流磁链分量ψ_s ⁰感生的暂态电压v_rn在同一直线上，且方向相反，阻抗压降(R_r-jX_r)·i_rn1中的R_r、X_r分别为双馈电机的转子电阻和感抗，ω为转子电气角速度，则由矢量合成原理可知，此时由暂态电压v_rn与阻抗压降(R_r-jX_r)·i_rn1合成的双馈电机转子端暂态电压u_rn在暂态补偿电流i_rn1幅值一定的情况下将达到最小，从而有效降低电网电压故障时双馈电机转子端暂态电压值，如图4所示，为采用2MW双馈型风力发电机组进行仿真时所得的暂态补偿电流偏转角度θ取不同值时双馈电机转子端暂态电压u_rn的幅值波形图，图中横轴表示θ的取值，纵轴表示暂态电压u_rn的幅值，从图4中可以看出，当暂态补偿电流偏转角度θ为0°时，暂态补偿电流分量i_rn与直流磁链分量ψ_s ⁰方向相反，此时转子暂态电压u_rn并非最小，当暂态补偿电流偏转角度θ约为4°时，转子暂态电压u_rn达到最小。

同理，由于磁链负序分量ψ_s ^-和磁链直流分量ψ_s ⁰主要表现为旋转速度的不同，因此也可按式(8)计算出基于负序磁链分量ψ_s ^-的暂态补偿电流分量i_rn2：

i_rn2＝-k_dψ_s ^-∠θ      (8)

其中，系数k_d、暂态补偿电流偏转角度θ及负号与步骤a中意义相同；

步骤b、按式(9)对步骤a中已经计算出的i_rn1与i_rn2矢量求和，合成暂态补偿电流i_rn；

i_rn＝i_rn1+i_rn2      (9)

步骤六，按式(10)将已经合成的暂态补偿电流i_rn与系统给定的转子电流参考值i_rf求和，，并减去步骤一中检测到的转子三相电流i_r，从而获得双馈电机的转子电流差值△i，

i_rn+i_rf-i_r＝△i      (10)

步骤七，将转子电流差值△i作为处理器模块中PI调节器的输入量，并通过处理器模块中的SPWM调制模块获得控制信号u_rabc ^*，处理器模块将控制信号u_rabc ^*输出到转子侧变流器控制端用于对转子侧变流器的控制，从而实现在电网电压跌落故障时对整个双馈型风力发电机组的控制。由此，基于双馈型风力发电机组的低电压穿越控制方法便可根据不同电网电压故障类型，实时准确的注入暂态补偿电流，并通过对暂态补偿电流偏转角度θ的整定，在暂态补偿电流幅值一定的情况下将故障时转子端暂态电压降到最低，加快直流磁链分量的衰减速度，拓展了穿越故障的可控范围。

Claims (1)

1.一种基于电磁暂态算法的双馈型风力发电机组低电压穿越控制方法，所述双馈型风力发电机组包括：直流环节、转子侧变流器、双馈电机、电网和处理器模块；其特征是所述控制方法按如下过程进行：

步骤一，当电网电压发生跌落故障时分别检测双馈电机的定子三相电压u_s、定子三相电流i_s及转子三相电流i_r传递给所述处理器模块进行处理；

步骤二，稳态磁链的计算；

步骤a、所述处理器模块根据所接收到的定子三相电压u_s按式(1)进行旋转坐标系的坐标变换，获得同步旋转坐标系下的定子电压u_sdq：

u_sdq＝R(θ_s)u_s                (1)

式(1)中R(θ_s)的表达式为：

式(2)中θ_s为同步旋转坐标系与静止坐标系之间夹角；

步骤b、通过二阶陷波器滤除所述定子电压u_sdq中的电压负序分量u_s ^-获得电压正序分量u_s ⁺，再按式(3)获得电压负序分量u_s ^-：

u_s ^-＝u_s-u_s ⁺              (3)

步骤c、按式(4)进行稳态磁链的计算，分别获得t时刻稳态正序磁链分量ψ_s ⁺和稳态负序磁链分量ψ_s ^-：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&psi;}}_s}^{+}=\frac{{u_s}^{+}}{j{\mathrm{\&omega;}}_s}\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{s}t}\\ {{\mathrm{\&psi;}}_s}^{-}=\frac{{u_s}^{-}}{-j{\mathrm{\&omega;}}_s}\&CenterDot;e^{-j{\mathrm{\&omega;}}_{s}t}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中j表示积分运算中相位滞后90°，e为自然指数，ω_st表示正序磁链分量ψ_s ⁺和稳态负序磁链分量ψ_s ^-旋转角度；

步骤三，按照双馈电机的磁链模型表达式(5)计算获得双馈电机总磁链ψ_s：

ψ_s＝L_si_s+L_mi_r                     (5)

式(5)中L_s表示双馈电机的定子电感，L_m表示双馈电机的互感；

步骤四，按式(6)获得直流磁链分量ψ_s ⁰：

ψ_s ⁰＝ψ_s-ψ_s ⁺-ψ_s ^-                (6)

步骤五，暂态补偿电流的计算及合成；

按式(7)得出基于直流磁链分量ψ_s ⁰的暂态补偿电流分量i_rn1：

i_rn1＝-k_dψ_s ⁰∠θ                 (7)

式(7)中，k_d为可调节的补偿系数，θ为暂态补偿电流的偏转角度，取值范围为：0°<θ<90°；

按式(8)计算获得基于负序磁链分量ψ_s ^-的暂态补偿电流分量i_rn2：

i_rn2＝-k_dψ_s ^-∠θ                 (8)

按式(9)合成暂态补偿电流i_rn：

i_rn＝i_rn1+i_rn2                     (9)

步骤六，按式(10)获得双馈电机的转子电流差值Δi，

Δi＝i_rn+i_rf-i_r                   (10)

式(10)中：i_rf为给定的转子电流参考值；

步骤七，将所述转子电流差值Δi作为处理器模块中PI调节器的输入量，并通过处理器模块中的SPWM调制模块获得控制信号u_rabc ^*，所述处理器模块将控制信号u_rabc ^*输出到转子侧变流器控制端用于对转子侧变流器的控制，从而实现在电网电压跌落故障时对双馈型风力发电机组的控制。