CN103427438A - 一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，包括：通过双馈型风力发电机的电压磁链关系，建立风力发电转子电压和转子电流的数学模型；基于建立的数学模型，双馈机组变换器直流侧母线电压分析。本发明所述基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，可以克服现有技术中风电机组高压穿越能力弱和电网稳定性差等缺陷，以实现风电机组高压穿越能力强和电网温度性好的优点。

Description

一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统技术领域，具体地，涉及一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法。

背景技术

随着风电场规模和风力发电容量的不断扩大，当电网出现故障时，如果风力发电机与电网解列，若不能像常规能源那样在电网故障的情况下对电网提供频率和电压的支撑，则可能导致严重的连锁反应，并对电网的稳定运行造成严重影响。如2011年2月24日，甘肃酒泉风电基地因三相短路故障过程中，由于无功装置不具备自动投切导致电压升高引起300台风电机组脱网。

电压的突然升高导致转子电流和直流母线电压越限，从而对定转子变流器以及直流母线电容构成威胁，风电机组出于自我保护会自动脱离电网，因此需要提高风电机组的高电压穿越的能力。

但是在我国，仅对电压的运行范围进行了规定，目前尚未对高电压进行定义，而且相关标准也未做出明确规定。而在澳大利亚、西班牙、美国等风电发展相对较成熟的国家，已经有了一定的研究成果，并制定了相关高电压穿越的标准，澳大利亚电网对风电机组的高电压穿越能力要求为，当高压侧电网电压骤升至额定电压的130%时，风电机组应维持60ms内并网运行，并提供足够大的故障恢复电流。所以，需要在此标准的基础上，提出双馈型风力发电系统高电压穿越的控制方法。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在风电机组高压穿越能力弱和电网稳定性差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，以实现风电机组高压穿越能力强和电网温度性好的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，主要包括：

a、通过双馈型风力发电机的电压磁链关系，建立风力发电转子电压和转子电流的数学模型；

b、基于步骤a建立的数学模型，双馈机组变换器直流侧母线电压分析。

进一步地，以上所述的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，在步骤b之后，还包括：

c、建立仿真模型，仿真直流侧投入斩波电路的控制方法，验证所制定控制方法的有效性。

进一步地，所述步骤c具体包括：

在电力系统实时数字仿真器RTDS中建立仿真模型；

利用所搭建的仿真模型，仿真直流侧投入斩波电路的控制方法，在双馈型风力发电系统，高电压穿越时的控制结果，验证所制定控制方法的有效性；

基于上述仿真和验证结果，当电网电压上升导致直流母线电压上升至一定的限值时，在直流侧加入卸载电路，即通过直流侧斩波电路消耗掉多余的能量。

进一步地，所述步骤a具体包括：

根据双馈风力发电机的定转子电压和磁链方程，得到：

；

令

，得到：

；

其中：Ks=Lm/Ls, Kr=Lm/Lr，将其代入双馈风力发电机的定转子电压方程，得到：

            (3)

令

，此时

，则稳态时转子电压为：

       

  (4)

假设在t0时刻电压骤升则定子电压为：

                  (5)

由于磁链不能突变，所以磁链表达式为：

 (6)

此时转子电压为：

(7)

令：

(8)

    (9)

由(8)得到：当时，

取得最大值：

；

此时，由于磁链不能突变，即dir/dt=0，同时，由于转子电阻和电感很小可以忽略，同时电阻远小于转子电感因此即使考虑电阻电感因此转子电压的最大值为：

；

稳态时转子电压值约为

，令：

；

由于I=Vr/Rr，而故障前后转子电阻和电感不变，因此：

；

根据对高电压穿越能力的要求，p最大值为0.3，则当s=0.3，p=0.3时f取得最大值2，即故障后转子电流小于2倍的稳态运行电流，此时转子电流未超过转子绕组能承受的上限，因此不需要采取保护措施；

当定子电压升高至1.24倍的额定电压时，不需要加入保护措施，当定子电压升高至超过1.24倍的额定电压时，则需要加入保护措施。

进一步地，所述双馈风力发电机的定转子电压和磁链方程，分别为：

       

          (1)

                      (2)。

进一步地，所述步骤b具体包括：

定子电压的线电压最大值为0.69*1.414=0.97566，若要保证其不通过反并联二极管对直流母线电容反充电则需要满足定子电压上升倍数小于1.1*1.1/0.97566=1.24；即：

当定子电压升高至1.24倍的额定电压时，不需要加入保护措施；

当定子电压升高至超过1.24倍的额定电压时，则需要加入保护措施。

本发明各实施例的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，由于首先建立了双馈风力发电机高电压穿越基于单机等值模型；接着，通过数学推导分析了高电压故障时的风机转子电流和直流母线电压响应特点；然后在电力系统实时数字仿真器RTDS中建立仿真模型，验证加入直流侧保护电路后双馈风机实现高电压穿越的有效性，提高了双馈机组的高电压穿越的能力；这样，通过搭建双馈式风机单机高电压穿越是的等值仿真模型，提出了通过直流侧保护电路解决高电压的穿越问题；从而可以克服现有技术中风电机组高压穿越能力弱和电网稳定性差的缺陷，以实现风电机组高压穿越能力强和电网温度性好的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的双馈型风力发电电压骤升的单机等效电路图；

图3为本发明实施例提供的电压升高时定子电压波形图；

图4为本发明实施例所提供的故障期间定子电压升高至1.24pu，得到仿真波形图；

图5为本发明实施例所提供的故障期间定子电压升高至1.3pu，得到仿真波形图；

图6为本发明实施例提供的直流侧加入斩波电路的电路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的直流斩波的控制结示意构图；

图8为本发明实施例提供的加入直流侧斩波电路后的仿真波形图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-风机；2-转子侧变流器；3-网侧变流器；4-滤波器；5-变压器；6-电网。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图8所示，提供了一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，通过搭建双馈式风机单机高电压穿越等值仿真模型，在变换器直流侧加入斩波电路，可以解决高电压穿越问题。

本实施例的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，主要包括以下几个部分：

搭建了双馈型风机的单机高电压穿越的等值仿真模型；

分析了高电压故障时风机的转子电压与转子电流数学模型，以及直流母线电压响应特点；

提出了在变换器直流侧加入斩波电路的控制方法，并在实时仿真器RTDS中，验证了通过此方法实现双馈风机高电压穿越的有效性，提高双馈风力发电机高电压穿越的能力。

高电压时风电机组脱网的主要原因是，由于变流器和直流母线电容对于过电压和过电流的承受能力有限，当电压骤升引起电压或电流过高时。鉴于此，本实施例的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，首先针对暂态时双馈机组的转子电压和变换器直流侧的电容电压进行数学分析，参见图1，具体步骤如下：

步骤100：通过双馈型风力发电机的电压磁链关系，建立风力发电转子电压和转子电流的数学模型。双馈风力发电机的定转子电压和磁链方程分别为：

       

          (1)

                      (2)

由(2)式得：

；

其中：

。

；

其中：Ks=Lm/Ls, Kr=Lm/Lr，将其代入(1)可得：

            (3)

，此时

。

则稳态时转子电压为：

       

  (4)

假设在t0时刻电压骤升则定子电压为：

       

           (5)

由于磁链不能突变所以磁链表达式为：

 (6)

此时转子电压为：

(7)

令：

(8)

    (9)

由(8)可得当

时，

取得最大值：

；

此时，由于磁链不能突变，即dir/dt=0，同时，由于转子电阻和电感很小可以忽略，同时电阻远小于转子电感因此即使考虑电阻电感

因此转子电压的最大值为：

；

稳态时转子电压值约为

，令：

；

由于I=Vr/Rr，而故障前后转子电阻和电感不变，因此：

。

根据对高电压穿越能力的要求，p最大值为0.3，则当s=0.3，p=0.3时f取得最大值2，即故障后转子电流小于2倍的稳态运行电流，此时转子电流未超过转子绕组能承受的上限，因此不需要采取保护措施。

当定子电压升高至1.24倍的额定电压时，不需要加入保护措施，当定子电压升高至超过1.24倍的额定电压时，则需要加入保护措施。

步骤101：双馈机组变换器直流侧母线电压分析：

定子电压的线电压最大值为0.69*1.414=0.97566，若要保证其不通过反并联二极管对直流母线电容反充电则需要满足定子电压上升倍数小于1.1*1.1/0.97566=1.24,即当定子电压升高至1.24倍的额定电压时，不需要加入保护措施，当定子电压升高至超过1.24倍的额定电压时，则需要加入保护措施。

步骤102：在电力系统实时数字仿真器RTDS中建立仿真模型：

图2可以显示采用投切电容器的方式升高风电机组的出口的电压，图2为基于单机的等效电路图，电容器组并联于风电机组出口母线上，通过对开关控制确定该电容器组的投切，通过改变电容器组电容值的大小，机端电压可被升高至任意值。在图2中，包括依次连接至电网6的风机1、双馈异步发电机（DFIG）和变压器5，与双馈异步发电机连接的转子侧变流器2，与变压器5连接的网侧变流器3，连接在变压器5和网侧变流器3的公共端与地之间的滤波器4，以及并行连接在转子侧变流器2和网侧变流器3之间的电容器。

。

风电机组的参数设置如表1所示，电容器组在RTDS中使用单个电容来等值，其值选为2000μF。

得到电压升高时定子电压波形和低/高电压连锁故障时的定子电压波形分别如图3和图4所示，两图对应的设置如下：

图3：电压被抬升至额定电压的1.3倍，持续时间为60ms；

图3表明，基于单机的双馈风机等值模型能够满足对高电压穿越过程的模拟。

仿真设置为：故障期间定子电压分别升高至1.24pu和1.3pu，得到仿真波形分别如图4和图5所示。 

波形图中的参数分别为：VSYS1A、VSYS1B、VSYS1C为定子三相电压；IROTA1、IROTB1、IROTC1分别为转子三相电流；VCAP为直流母线电压；ICON1A、ICON1B、ICON1C分别为网侧变流器的三相电流。

对比图4和图5中的转子电流波形得，故障期间无论电压升至1.24pu还是1.3pu，转子电流都不会超过2pu，即转子侧能始终处于安全运行状态，与理论推导相吻合。

由图4中的直流母线电压波形表明，故障期间若电压升至1.24pu则直流母线电压不会超过1.1pu(1.21kV)，此时网侧变流器处于可控状态。图5中直流母线电压表明，若故障期间若电压升至1.3pu时，直流母线电压升至约为1.31kV，若不采取措施会损坏直流母线电容，此时能量通过反并联二极管流入直流母线电容，网侧变流器处于失控状态，与理论分析相吻合。

步骤103：利用所搭建的仿真模型，仿真直流侧投入斩波电路的控制方法，在双馈型风力发电系统，高电压穿越时的控制结果，验证所制定控制方法的有效性：

由上一步的分析可以看出，电压升高过程中，直流母线电容超出其允许范围，为了保护直流母线电容不受损坏，最直接的办法就是在直流侧加入卸载电路，因此选择使用如图6所示的电路结构来抑制直流母线电压的上升，当电网电压上升导致直流母线电压上升至一定的限值时，通过直流侧斩波电路消耗掉多余的能量。在图6中，基于图2，在电容器和网侧变流器3之间连接有直流侧斩波电路。

上述实施例的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，可以应用于双馈型风力发电系统，当电网电压上升导致直流母线电压上升至一定的限值时，通过直流侧卸荷电路消耗掉多余的能量；通过仿真验证说明了该基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法的有效性，提高了双馈风电机组的高电压穿越能力。

仿真采用表1中的典型风机参数，直流侧斩波电路的控制结构如图7所示，其中在本算例中施密特环节的设置为：高限值为1.21kV，低限值为1.1kV，即当直流母线电压升至1.21kV时直流侧保护电路导通投入，当电压降至1.1kV后直流侧保护电路退出运行，最后得到仿真波形如图8所示。

图8表明，加入直流侧斩波电路控制后，直流母线电压能有效的抑制到能容许的最大限值内（本算例中为1.21kV），但直流母线电压仍存在大幅度的波动的问题，需要进一步进行优化。

综上所述，本发明上述各实施例的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，针对近年来在现场中频繁发生的高电压穿越的问题，提出了利用直流侧斩波电路的方法，用于解决风电机组在高电压穿越时的问题；搭建了基于单机的高电压穿越的等值仿真模型，通过仿真结果表明，该模型能够满足以上状况下仿真需要；然后，在典型的高电压穿越标准下，对高电压故障时风电机组的响应特性进行了分析，分析表明此时的转子电流不会超过风机的允许范围，直流母线电压会超出允许范围，随后，仿真验证表明加入直流侧斩波电路后，风机能够满足典型高电压穿越标准的要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，其特征在于，主要包括：

a、通过双馈型风力发电机的电压磁链关系，建立风力发电转子电压和转子电流的数学模型；

b、基于步骤a建立的数学模型，双馈机组变换器直流侧母线电压分析。

2.根据权利要求1所述的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，其特征在于，在步骤b之后，还包括：

c、建立仿真模型，仿真直流侧投入斩波电路的控制方法，验证所制定控制方法的有效性。

3.根据权利要求2所述的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：

在电力系统实时数字仿真器RTDS中建立仿真模型；

利用所搭建的仿真模型，仿真直流侧投入斩波电路的控制方法，在双馈型风力发电系统，高电压穿越时的控制结果，验证所制定控制方法的有效性；

基于上述仿真和验证结果，当电网电压上升导致直流母线电压上升至一定的限值时，在直流侧加入卸载电路，即通过直流侧斩波电路消耗掉多余的能量。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，其特征在于，所述步骤a具体包括：

根据双馈风力发电机的定转子电压和磁链方程，得到：

；

令

，得到：

；

其中：Ks=Lm/Ls, Kr=Lm/Lr，将其代入双馈风力发电机的定转子电压方程，得到：

    

   (3)

令，此时

，则稳态时转子电压为：

    (4)

假设在t0时刻电压骤升则定子电压为：

    

           (5)

由于磁链不能突变，所以磁链表达式为：

 (6)

此时转子电压为：

(7)

令：

(8)

  (9)

由(8)得到：当

时，取得最大值：

；

此时，由于磁链不能突变，即dir/dt=0，同时，由于转子电阻和电感很小可以忽略，同时电阻远小于转子电感因此即使考虑电阻电感

因此转子电压的最大值为：

；

稳态时转子电压值约为

，令：

；

由于I=Vr/Rr，而故障前后转子电阻和电感不变，因此：

；

根据对高电压穿越能力的要求，p最大值为0.3，则当s=0.3，p=0.3时f取得最大值2，即故障后转子电流小于2倍的稳态运行电流，此时转子电流未超过转子绕组能承受的上限，因此不需要采取保护措施；

当定子电压升高至1.24倍的额定电压时，不需要加入保护措施，当定子电压升高至超过1.24倍的额定电压时，则需要加入保护措施。

5.根据权利要求4所述的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，其特征在于，所述双馈风力发电机的定转子电压和磁链方程，分别为：

    

       (1)

                   (2)。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于斩波电路的双馈风电系统高电压穿越的控制方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：

定子电压的线电压最大值为0.69*1.414=0.97566，若要保证其不通过反并联二极管对直流母线电容反充电则需要满足定子电压上升倍数小于1.1*1.1/0.97566=1.24；即：

当定子电压升高至1.24倍的额定电压时，不需要加入保护措施；

当定子电压升高至超过1.24倍的额定电压时，则需要加入保护措施。

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