CN103296689B - 基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法，包括以下步骤：通过并网逆变器检测电网电压跌落；当检测到电网电压跌落时，并网逆变器向电网发出负序电流，以减小电网电压的不平衡度，其中，并网逆变器基于以下等式计算向电网发出的负序电流，其中，和分别表示负序电流在负序旋转坐标系的d轴和q轴上的分量，K_N表示比率调整系数，和分别表示电网电压负序分量在负序旋转坐标系的d轴和q轴上的分量，E_rated表示电网的额定电压，I_rated表示并网逆变器的额定电流。

Description

基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，更具体地讲，涉及一种通过并网逆变器进行负序电流补偿来处理电网不对称跌落的方法。

背景技术

随着技术的发展，可再生能源的关注和利用程度日益增加，其中，风力发电是一种已经发展相对成熟的能源技术。风力发电机通过并网逆变器接入电网。然而，并网逆变器（例如，风电用全功率变流器、双馈用转子变流器、光伏逆变器等）在电网侧发生相间短路的情况下，将在风机并网口形成不对称的电压跌落。依据国标要求，在不对称电网电压跌落深度、时间未超过国标规定的范围时，并网逆变器不能脱网，而在电网电压恢复后，并网逆变器需在规定时间内恢复到正常运行状态。

在电网不对称跌落的情况下，可依据对称分量法将电网电压分解为正序分量、负序分量和零序分量。由于三相三线制逆变器无中线，故无零序分量。数字锁相环技术可实现正序旋转坐标系d⁺q⁺o对电网电压正序分量的跟踪，而负序旋转坐标系d^-q^-o与正序旋转坐标系旋转速度一样，但方向相反。现在的三相并网逆变器一般采用矢量控制策略，即，将三相电压、电流转化到正序旋转坐标系下的正序电压、电流分量和负序旋转坐标系下的负序电压、电流分量，从而实现正、负序有功电流、无功电流的解耦控制。在电网不对称跌落的情况下，为获得对称的三相并网电流，会将负序电流和控制到零。即，保证并网电流中仅包含正序对称分量。

然而，现有技术虽然实现了并网逆变器在电网不对称跌落下的稳定运行，但是并未对电网的不平衡作出补偿，因此不能降低电网电压的不平衡度。

发明内容

因此，本发明的目的是在电网电压发生不对称跌落的情况下，通过特定的补偿负序电流算法来减小电网电压的不平衡度。

根据本发明的一方面，提供了一种基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法，包括以下步骤：通过并网逆变器检测电网电压跌落；当检测到电网电压跌落时，并网逆变器向电网发出负序电流，以减小电网电压的不平衡度，其中，并网逆变器基于以下等式计算向电网发出的负序电流， $\left\{\begin{array}{c}{\hat{I}}_{d^{-}}^{-}=K_N\frac{E_q^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\\ {\hat{I}}_{q^{-}}^{-}=-K_N\frac{E_d^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\end{array}\right.,$ 其中，和分别表示负序电流在负序旋转坐标系的d轴和q轴上的分量，K_N表示比率调整系数，和分别表示电网电压负序分量在负序旋转坐标系的d轴和q轴上的分量，E_rated表示电网的额定电压，I_rated表示并网逆变器的额定电流。

优选地，基于对称分量法分解三相电网电压来确定电网电压负序分量。

优选地，基于电网电压负序分量占额定电压的比率来确定负序补偿电流的比率。

优选地，并网逆变器通过有效值检测法、峰值电压法或dq分解确定是否发生电网电压跌落。

优选地，通过对三相静止坐标系下的电压E_A、E_B、E_C进行CLARKE3/2变换在两相静止坐标系下获得电压E_α和E_β，在两相静止坐标系下提取负序分量和并通过对负序分量和进行PARK2/2变换在负序旋转坐标系下获得电网电压负序分量在d轴和q轴上的分量和

优选地，通过对三相静止坐标系下的电压E_A、E_B、E_C进行CLARKE3/2变换在两相静止坐标系下获得电压E_α和E_β，对获得的电压E_α和E_β进行PARK2/2变换，对PARK2/2变换的结果进行滤波来提取电网电压负序分量在d轴和q轴上的分量和

根据本发明的示例性实施例，通过向电网发出负序电流，可以对电网的不平衡作出补偿，从而降低电网电压的不平衡度。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施例的基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法的流程图；

图2是示出旋转坐标系的示图；

图3示出根据本发明的示例性实施例的负序旋转坐标系的折算方法的示图；

图4示出了根据本发明的示例性实施例的基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法的效果的示图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法的流程图。

参照图1，在步骤S101中，通过并网逆变器检测电网电压跌落。这里，并网逆变器可通过有效值检测法、峰值电压法或dq分解确定是否发生电网电压跌落。在有效值检测法中，并网逆变器实时监测电网电压，一个周期或者半个周期计算一次段电压有效值来确定电网电压是否发生跌落。在峰值电压法中，并网逆变器检测电网电压峰值判断是否发生跌落。在dq分解法中，并网逆变器将电网电压在同步旋转坐标系下分解出d轴分量和q轴分量，在上述分量平方和后取均方根获得旋转电网电压矢量模长，通过矢量模长的变化来判断电网电压是否发生跌落。然而，本发明不限于此，也可通过现有技术中的其他各种方法来检测电网电压跌落。

当检测到电网电压跌落时，在步骤S102中，并网逆变器向电网发出负序电流，以减小电网电压的不平衡度。

以下，结合图2至图4来描述并网逆变器向电网发出负序电流的实现方法。

图2是示出旋转坐标系的示图。图2给出了并网逆变器中关于旋转坐标系的定义，其中，d⁺q⁺o为正序旋转坐标系，以逆时针方向旋转，d⁺轴与A轴夹角为θ；d^-q^-o为负序旋转坐标系，以顺时针方向旋转，其中d^-轴与A轴夹角为-θ。A轴表示静止三相坐标系A轴，它与电网A相电压矢量同方向。α轴表示静止两相正交坐标系α轴，它与A轴同方向。β轴表示静止两相正交坐标系β轴，它超前α轴90°。d⁺轴表示逆时针旋转坐标系（正序旋转坐标系）d轴，q⁺轴表示逆时针旋转坐标系q轴，d^-轴表示顺时针旋转坐标系（负序旋转坐标系）d轴，q^-轴表示顺时针旋转坐标系q轴。

并网逆变器采用正序坐标锁相环，因此，在锁相环稳定后，电网侧三相电压正序分量与正序旋转坐标系d⁺轴重合，而负序旋转坐标系与正序旋转坐标系旋转速度相同，但方向相反，负序旋转坐标系d^-与A轴夹角为-θ。正常情况下，电网电压中不存在负序分量，故负序分量在负序旋转坐标系中的分量为零。在电网电压存在负序分量情况下，负序分量在负序旋转坐标系中的分量不为0。然而，由于并网逆变器没有采用负序锁相环，故电压负序分量并不与负序旋转坐标系d^-轴重合。因此，这里的负序d^-并不是传统意义上的d轴分量。在这种情况下，需要寻找到电压负序分量与A轴的真实夹角。

图3示出根据本发明的示例性实施例的负序旋转坐标系的折算方法的示图。

参照图3，电压负序分量与A轴的真实夹角为其中，和分别表示电网电压负序分量在负序旋转坐标系的d轴和q轴上的分量。表示电网电压负序分量，可基于对称分量法分解三相电网电压来确定电网电压负序分量。这里，为矢量，其大小为与A轴的夹角为 表示超前电网电压负序分量90°的分量。也是一个矢量，可以称为电压负序虚轴矢量，其大小与的大小相同，角度上逆时针旋转90度。

和的获得方法主要有以下两种。第一种方法是通过对三相静止坐标系下的电压E_A、E_B、E_C进行CLARKE3/2变换在两相静止坐标系下获得电压E_α和E_β，在两相静止坐标系下提取负序分量和并通过对负序分量和进行PARK2/2变换在负序旋转坐标系下获得电网电压负序分量在d轴和q轴上的分量和另一种方法是通过对三相静止坐标系下的电压E_A、E_B、E_C进行CLARKE3/2变换在两相静止坐标系下获得电压E_α和E_β，然后直接对获得的电压E_α和E_β进行PARK2/2变换，对PARK2/2变换的结果进行滤波来提取电网电压负序分量在d轴和q轴上的分量和

负序电压与正序电压相同，发容性无功功率会引起电压上升，发感性无功功率会引起电压下降。因此，可以在负序旋转坐标系下发感性负序无功功率，从而将负序电压降低，这样相应地减小了负序分量，即，进行了负序补偿。真实的负序无功分量转到负序旋转坐标系下的转换公式如以下等式（1）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{d\_\mathrm{set}}^{-}=-E_{q\_\mathrm{real}}^{-}\frac{E_q^{-}}{\sqrt{{\left(E_d^{-}\right)}^2+{\left(E_q^{-}\right)}^2}}\\ E_{q\_\mathrm{set}}^{-}=E_{q\_\mathrm{real}}^{-}\frac{E_d^{-}}{\sqrt{{\left(E_d^{-}\right)}^2+{\left(E_q^{-}\right)}^2}}\end{array}\right.---\left(1\right),$

其中，表示电压负序虚轴矢量在d^-q^-o坐标系下的d轴分量，表示负序虚轴矢量在d^-q^-o坐标系下的q轴分量。

假设按照电压负序分量占额定电压的比率*K_N的比率发出负序电流，则负序电流设定如以下等式（2）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{d\_N\_\mathrm{set}}=-K_N\frac{\sqrt{{\left(E_d^{-}\right)}^2+{\left(E_q^{-}\right)}^2}}{E_{\mathrm{rated}}}\frac{E_q^{-}}{\sqrt{{\left(E_d^{-}\right)}^2+{\left(E_q^{-}\right)}^2}}{I}_{\mathrm{rated}}=-K_N\frac{E_q^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\\ I_{q\_N\_\mathrm{set}}=K_N\frac{\sqrt{{\left(E_d^{-}\right)}^2+{\left(E_q^{-}\right)}^2}}{E_{\mathrm{rated}}}\frac{E_d^{-}}{\sqrt{{\left(E_d^{-}\right)}^2+{\left(E_q^{-}\right)}^2}}{I}_{\mathrm{rated}}=K_N\frac{E_d^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\end{array}\right.---\left(2\right),$

其中，E_rated表示电网的额定电压（即，并网逆变器与电网连接处的电网标称电压），I_rated表示并网逆变器的额定电流。电压负序分量占额定电压的比率*K_N的比率表示负序分量占额定电压的比率×K_N。根据本发明的示例性实施例，电压负序分量占额定电压的比率等于K_N是比率调整系数，它表示的是电压负序分量占额定电压的比值的多少倍。它决定了电压负序分量占到额定电压百分之多少的时候会达到1（即，额定值）。例如，当电压负序分量占额定电压的比率为50%时，K_N=2。即，电压负序分量占到额定电压的50%的时候，整个的比率系数50%*2=1达到1，从而确保电网输出额定电压。K_N是人为设定的，并无具体规定，参考国际标准中低电压穿越期间发无功功率时候的比率系数，K_N一般会取为2或者4。

以上等式（2）中发出的补偿是容性的，这会引起负序分量增加，因此需要加负号使补偿变为感性无功。即，向电网发出的负序电流可基于以下等式（3）来确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{I}}_{d^{-}}^{-}=K_N\frac{E_q^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\\ {\hat{I}}_{q^{-}}^{-}=-K_N\frac{E_d^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\end{array}\right.---\left(3\right).$

图4示出了根据本发明的示例性实施例的基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法的效果的示图。

如图4所示，当发生电网电压不对称跌落时，无功补偿电流设定I_unbalance开始按照设定斜率上升到额定电流，有功电流设定相应下降。低穿负序无功补偿电流发送期间电网电压负序分量由37.3%下降到31.61%，下降多达5.69%。由此可见，根据本发明的示例性实施例的基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法通过向电网发出负序电流，可以对电网的不平衡作出补偿，从而降低电网电压的不平衡度。

虽然已经描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对描述的实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于负序电流补偿处理电网不对称跌落的方法，包括以下步骤：

通过并网逆变器检测电网电压跌落；

当检测到电网电压跌落时，并网逆变器向电网发出负序电流，以减小电网电压的不平衡度，

其中，并网逆变器基于以下等式计算向电网发出的负序电流，

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{I}}_{d^{-}}^{-}=K_N\frac{E_q^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\\ {\hat{I}}_{q^{-}}^{-}=-K_N\frac{E_d^{-}}{E_{\mathrm{rated}}}{I}_{\mathrm{rated}}\end{array}\right.,$

其中，和分别表示负序电流在负序旋转坐标系的d轴和q轴上的分量，K_N表示比率调整系数，比率调整系数表示的是电压负序分量占额定电压的比值的多少倍，和分别表示电网电压负序分量在负序旋转坐标系的d轴和q轴上的分量，E_rated表示电网的额定电压，I_rated表示并网逆变器的额定电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于对称分量法分解三相电网电压来确定电网电压负序分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于电网电压负序分量占额定电压的比率来确定负序补偿电流的比率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，并网逆变器通过有效值检测法、峰值电压法或dq分解确定是否发生电网电压跌落。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对三相静止坐标系下的电压E_A、E_B、E_C进行CLARKE 3/2变换在两相静止坐标系下获得电压E_α和E_β，在两相静止坐标系下提取负序分量和并通过对负序分量和进行PARK 2/2变换在负序旋转坐标系下获得电网电压负序分量在d轴和q轴上的分量和

6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对三相静止坐标系下的电压E_A、E_B、E_C进行CLARKE 3/2变换在两相静止坐标系下获得电压E_α和E_β，对获得的电压E_α和E_β进行PARK 2/2变换，对PARK 2/2变换的结果进行滤波来提取电网电压负序分量在d轴和q轴上的分量和