CN103904685A - 一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机组不对称故障穿越方法，转子侧变换器控制回路包括由转速外环和转子正负序电流控制内环，为消除定子磁链直流衰减量的影响，在正序电流控制器出口引入相应补偿项；且为避免转子变换器过流或过压，设计了新型电流限幅环节，并在电流控制器中分别引入积分饱和环节和输出幅值限制环节；针对网侧变换器，在外环直流电压回路中引入了转子实际有功功率，以实时平衡直流母线两侧功率；同时在内环正序电流控制回路中引入实测负序电网电压，以消除该负序电压影响。该方法可克服现有控制策略尚不能同时兼顾机端负序电压出现对网侧/转子侧变换器的影响与故障期间电网无功支撑的要求，从而提高双馈风力发电机组的故障穿越能力。

Description

一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法

技术领域

本发明涉及风力发电机控制技术领域，尤其针对双馈风力发电机组提出了一种新型的不对称故障穿越方法。

背景技术

目前，随着风力发电在电网中所占比例逐渐增加，双馈风力发电机组因所用交流励磁变换器容量相对较小、造价低、可实现变速恒频运行等优势，成为了目前风电场中应用最为广泛的机型之一。但是由于双馈发电机组定子绕组与电网直接连接，转子绕组通过容量相对较小的励磁变换器（不超过额定容量30%）接入电网，使得其对电网扰动十分敏感，尤其是不对称故障下，即使发电机机端产生很小的不平衡电压扰动，将极易造成发电机磁链和电磁转矩大幅振荡、转子电压和电流超出励磁变换器的控制能力范围，对整个发电机组安全稳定运行构成了很大威胁，甚至将引起机组脱网，对电网要求的低电压穿越能力极为不利。

实质上，为提高双馈风力发电机组的不对故障穿越能力，不仅需要解决与对称故障相类似的机端正序电压跌落给励磁变换器安全稳定运行带来的问题，更需要解决机端电压出现负序分量时如何兼顾励磁变换器本身安全稳定运行与电网低电压穿越无功支撑要求的问题。现有技术中提出的策略主要包括：交流励磁变换器采用基于矢量定向的正负序电流控制和灭磁控制等软件算法实现方案，以及串联网侧变换器等附加硬件方案。

在基于矢量定向的正负序电流控制策略研究方面，提出了双DQ正负序电流控制方案，分别对网侧和转子侧变换器上流过正负序电流分量进行控制。该策略控制原理简单，但是由于网侧和转子侧变换器均采用双DQ电流控制回路，使控制结构变得非常复杂，且正负序电流分离将需引入多个低通滤波器或陷波器，会影响控制系统的稳定运行范围，使得网侧和转子侧变换器的控制较难协调，影响整个双馈风力发电机组安全稳定运行。针对这些问题，已提出了在两相静止坐标下采用比例谐振电流控制器的策略，该策略可省去电流正负序分离环节，但是易受电网频率变化影响，且也存在比例谐振控制器参数较难整定的问题。

上述所提控制策略均是针对电网电压稳态不平衡的情况，仅能够解决发电机机端电压中存在小值负序分量的影响问题。实际上，电网不对称故障下，发电机机端电压的突变程度通常较大（负序分量大），其定子磁链中包含较大的负序分量和衰减直流分量，它们很容易造成转子励磁变换器因过流和过压而无法稳定运行。因此，提出了灭磁控制策略，即通过控制转子电流或磁链以解决转子过电压或过电流问题，它能够适用于各种对称和不对称故障，但是由于转子侧变换器的控制容量全部用来抵消定子磁链瞬态直流分量和负序分量的影响，因此发电机的有功和无功功率并不能够有效控制。

以上通过改进转子励磁变换器控制算法来提高双馈风力发电机组不对称故障穿越能力的策略容易受转子励磁变换器容量限制，目前也有研究提出在定子侧回路中增设串联变流器或限流电阻等外围电路来改善双馈风电系统的故障穿越性能，这些方法是在电网故障下通过有效补偿发电机机端电压的策略，以避免转子过流和过压等问题。但是附加硬件电路的引入增大了系统成本，同时也加大了风电机组控制系统的设计难度。

因此为了提高双馈风力发电机组的不对称故障穿越能力，若不新增任何附加硬件电路，如何保证故障期间转子侧与网侧变换器安全运行，并在最大程度发挥变换器调控能力的基础上使双馈风力发电机组能够向电网提供无功支撑、且在故障切除后能够快速恢复正常运行状态仍有待于进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，能够克服现有控制策略尚未同时兼顾机端负序电压出现对网侧/转子侧变换器的影响与故障期间电网的无功支撑要求，从而提高双馈风力发电机组的故障穿越能力。

一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，所述方法包括：

在电网不对称故障的情况下，针对双馈风力发电机组的转子侧变换器，其控制策略是在基于定子磁链定向的正反转同步旋转坐标系中实现的，外环为转速环，内环为转子正负序电流双DQ控制回路，具体策略包括：

为了消除定子磁链直流衰减分量的影响，在正序电流PI控制器出口处的前馈补偿项

中引入直流衰减磁链项jωL_oψ_sne^-(t-t0)Tse^-jω1(t-t0)，其中ω为发电机转速；T_s=R_s/L_s，R_s和L_s为定子绕组等效电阻和电感；L_o=L_m/L_s，L_m为发电机定转子互感；ψ_sn为定子磁链直流衰减分量；ω₁为电网频率；

且转子负序电流d轴和q轴分量PI控制器的积分环节在监测到不对称故障时，将立即重置为相应的实际电流值，若流过转子变换器的电流超过其最大允许电流，新型电流限幅环节将立即发生作用；为保证故障严重情况下所述转子侧变换器稳定运行，在转子正负序电流控制器中分别引入积分饱和环节，在其控制回路的输出端设置幅值限制环节；

针对双馈风力发电机组的网侧变换器，其控制策略是在基于电网正序电压定向的同步旋转坐标系中实现的，包括直流电压外环和变换器交流侧正序电流内环的双闭环控制回路，具体策略包括：

在直流电压外环控制回路中引入转子绕组实际有功功率，以实时平衡直流母线两侧功率；

在正序电流控制器的输出PWM调制信号中引入实测电网负序电压分量，使网侧变换器交流侧负序电压与电网负序电压分量大小相当，以使故障期间直流母线电压维持在其安全可靠运行范围值（(1+0.15）pu之内。

所述方法还包括：

当电网不对称故障严重程度轻时，转子正负序电流控制期望是在有效调节发电机定子侧输出平均无功功率和电磁转矩平均直流分量的同时，消除电磁转矩的二倍频脉动量；

当电网不对称故障严重时，将降低电磁转矩平均分量参考值，使正负序电流分量满足 $i_{\mathrm{rd}}^{n*2}+i_{\mathrm{rq}}^{n*2}=(i_{\mathrm{rd}}^{p*2}+i_{\mathrm{rq}}^{p*2})({{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2)/{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p}^2$ 关系。

所述方法还包括：

在转子侧变换器不对称故障穿越控制策略实施过程中，首先根据正负序电流参考值的计算环节得到转子电流参考值

和

利用以下公式判断流过所述转子侧变换器的电流是否超过其最大允许电流：

$I_{r\max }=\sqrt{i_{\mathrm{rd}}^{p*2}+i_{\mathrm{rq}}^{p*2}}(1+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2}/|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\left|\right)$

且当I_rmax>I_lim时，正负电流环控制器的参考值将被重新设置为：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{\mathrm{rd}}^{p*}}^{\text{'}}=i_{\mathrm{rd}}^{p*}\\ {i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{rlim}}^2{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p}^2}{{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2})}^2}-{i_{\mathrm{rd}}^{p*}}^2}\\ {i_{\mathrm{rd}}^{n*}}^{\text{'}}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\\ {i_{\mathrm{rq}}^{n*}}^{\text{'}}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\end{array}\right..$

所述方法包括：

在网侧变换器不对称故障穿越策略实施过程中，其控制系统中仅包含两个电流控制回路，它们为流过所述网侧变换器正序电流的平均有功和无功分量，其对应的电流参考值计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{cd}}^{p*}=P_{c0}^{*}/u_{\mathrm{gd}}^p\\ i_{\mathrm{cq}}^{p*}=Q_{c0}^{*}/u_{\mathrm{gd}}^p\end{array}\right.$

其中，

为直流电压PI控制器输出与直流电压参考值相乘得到的直流母线上有功功率值和流过转子绕组上的实际功率相加的功率值。

所述电流参考值计算公式中的无功功率参考值

设置为零。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法能够克服现有控制策略尚未同时兼顾机端负序电压出现对网侧/转子侧变换器的影响与故障期间电网的无功支撑要求，提高双馈风力发电机组的故障穿越能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所述转子侧变换器不对称故障穿越控制策略的示意图；

图2为本发明实施例所述网侧变换器不对称故障穿越控制策略的示意图；

图3为本发明实施例所述含双馈风力发电机组的电网电磁暂态模型示意图；

图4为本发明实施例所述双馈风电机组在不同不对称故障穿越策略作用下的特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

电网不对称故障情况下，针对转子侧变换器，其故障穿越控制策略是在考虑定子磁链直流衰减分量和负序分量对发电机与转子侧变换器造成的不利影响基础之上，实现故障期间双馈风力发电机向电网提供无功支撑。它是在基于定子磁链定向的正反转同步旋转坐标系中实现的，包括转速外环和为转子正负序电流控制内环，如图1所示为本发明实施例所述转子侧变换器不对称故障穿越控制策略的示意图，参考图1：

首先，为了消除定子磁链直流衰减分量的影响，在正序电流PI控制器出口处的前馈补偿项

中引入直流衰减磁链项jωL_oψ_sne^-(t-t0)Tse^-jω1(t-t0)，其中ω为发电机转速；T_s=R_s/L_s，R_s和L_s为定子绕组等效电阻和电感；L_o=L_m/L_s，L_m为发电机定转子互感；ψ_sn为定子磁链直流衰减分量；ω₁为电网频率；且为了增强不对称故障下转子侧变换器负序电流控制回路的快速响应能力，转子负序电流d轴和q轴分量PI控制器的积分环节在监测到不对称故障时，将立即重置为相应的实际电流值；

进一步地，考虑到在不对称故障较严重（机端正负序电压比值较大等）情况，转子侧变换器上流过的电流将可能超过其最大允许电流，为了保证不会因过流保护动作而导致发电机组脱网，将考虑适当降低发电机电磁转矩平均分量的参考值。

举例来说，在转子侧变换器不对称故障穿越控制策略实施过程中，首先根据图1中所示的正负序电流参考值计算环节得到转子电流参考值

和

然后利用以下公式判断流过转子侧变换器的电流是否超过了其最大允许电流：

$I_{r\max }=\sqrt{i_{\mathrm{rd}}^{p*2}+i_{\mathrm{rq}}^{p*2}}(1+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2}/|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\left|\right)$

若当I_rmax>I_lim时，图1中正负电流环控制器的参考值将被重新设置为：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{\mathrm{rd}}^{p*}}^{\text{'}}=i_{\mathrm{rd}}^{p*}\\ {i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{rlim}}^2{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p}^2}{{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2})}^2}-{i_{\mathrm{rd}}^{p*}}^2}\\ {i_{\mathrm{rd}}^{n*}}^{\text{'}}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\\ {i_{\mathrm{rq}}^{n*}}^{\text{'}}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\end{array}\right..$

此限制方法不仅可以非常有效地限制流过转子侧变换器的电流，还可以保证发电机电磁转矩的二倍频脉动量得到有效的抑制，同时也能够最大程度地发挥转子侧变换器的无功功率输出能力。

下面对上述转子电流参考值

和

计算过程进行举例说明：

$i_{\mathrm{rd}}^{p*}=\frac{L_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p{Q_{s0}}^{\text{'}}}{L_m({{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p}^2-{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2-{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2)}---\left(1\right)$

$i_{\mathrm{rd}}^{p*}=-\frac{L_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p{T}_{e0}^{*}}{L_m({{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p}^2-{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2-{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2)}---\left(2\right)$

$i_{\mathrm{rd}}^{n*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}+{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i}_{\mathrm{rq}}^{p*})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p---\left(3\right)$

$i_{\mathrm{rd}}^{n*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}-{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i}_{\mathrm{rq}}^{p*})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p---\left(4\right)$

上式中，

为不对称故障期间双馈风力发电机平均电磁转矩分量参考值，由转速外环确定。 ${Q_{s0}}^{\text{'}}=Q_{s0}^{*}+(1/L_s)(u_{\mathrm{sq}}^p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p+u_{\mathrm{sq}}^n{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n-u_{\mathrm{sd}}^n{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n),$

为发电机定子侧平均无功功率参考值，其大小由风电场接入系统技术规定中的低电压穿越无功支撑要求确定。

最后，考虑到不对称故障较严重情况下，转子绕组上感应产生的负序电压较大时转子侧变换器易失稳的问题，在图1所示的转子正负序电流PI器中分别引入积分饱和环节，同时也分别在正负序电流控制回路的输出端设置幅值限制环节。

因此，为了提高双馈风力发电机组的不对称故障穿越能力，针对转子侧变换器所设计的控制策略不仅充分考虑了不对称故障期间变换器和双馈发电机本身安全，也根据电网低电压穿越要求考虑了最大程度地发挥转子侧变换器的无功功率调节能力。

针对网侧变换器，其控制策略是在充分考虑其控制容量限制的基础上，确保故障期间直流母线电压能够维持在其安全可靠运行范围值（(1+0.15）pu）之内。它是在基于电网正序电压定向的同步旋转坐标系中实现的，包括直流电压外环和变换器交流侧正序电流内环的双闭环控制回路，如图2所示为本发明实施例所述网侧变换器不对称故障穿越控制策略的示意图，参考图2：

首先，为了能够实时平衡直流母线两侧功率，直流电压PI控制器的输出值与直流电压参考值相乘得到直流母线上有功功率参考值将与流过转子绕组上的实际功率相加，作为网侧变换器交流侧平均有功功率的参考值

进一步地，在网侧变换器不对称故障穿越策略实施过程中，考虑到变换器控制容量的限制，需要特别注意的是其控制系统中仅包含两个电流控制回路，它们为流过网侧变换器正序电流的平均有功和无功分量。其对应电流参考值的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{cd}}^{p*}=P_{c0}^{*}/u_{\mathrm{gd}}^p\\ i_{\mathrm{cq}}^{p*}=Q_{c0}^{*}/u_{\mathrm{gd}}^p\end{array}\right.$

而在多数研究中网侧变换器的控制目标是有效调节其交流侧平均有功和无功功率的同时，消除由发电机组（包括发电机和网侧变换器）流向电网的总有功功率的二倍频脉动量 $(P_g^{\sin }=P_c^{\sin }+P_s^{\sin }=0,P_g^{\cos }=P_c^{\cos }+P_s^{\cos }=0).$ 尽管从理论讲上这样能够有效消除直流母线电压的二倍频脉动量，但实际上很容易造成网侧变换器过流甚至失控，反而不利于整个双馈发电系统稳定，这主要是由于在忽略电机定转子绕组铜损耗、铁芯损耗以及变换器损耗的情况下，发电机定子侧发出的有功功率Ps与网侧变换器吸收（发出）的有功功率P_con之间的关系为：

P_con＝sP_s    （5）

不对称故障下，而若通过网侧变换器实现

的控制目标，网侧变换器必须能够提供较大正负序电流分量，但一般情况下网侧变换器的容量最大不超过发电机额定容量的0.3倍，所以上述控制目标下网侧变换器易过流甚至失控。同时，为了避免故障期间网侧变换器过流，无功功率参考值

一般设置为零。

最后，为了减小网侧变换器交流侧负序电压的影响，在PWM调制信号中引入实测电网负序电压分量，在PWM脉冲调制波幅值不超过其最大值的情况下，使网侧变换器交流侧负序电压与电网负序电压分量大小相当，这样变换器上流过的负序电流将很小，在一定程度上可抑制直流电压的二倍频脉动量。

由上述方案可知，本发明实施例所提出的转子侧变换器和网侧变换器不对称故障穿越策略能够各司其职、相互协调配合，在确保故障下转子侧与网侧变换器安全稳定运行的基础上，最大程度地发挥双馈风力发电机组向电网提供无功支撑的能力。

下面对双馈风力发电机组不对称故障穿越控制策略在故障发生及切除全过程中的工作过程及原理进行说明，参见图1和图2：

故障发生初始阶段，双馈风力发电机组机端某一相或某几相电压迅速跌落，将会引起发电机定子磁链中产生较大直流衰减分量和负序分量，从而导致转子电流和电压发生很大变化，转子侧变换器负序电流控制回路将发生作用，同时正序电流控制回路中定子磁链直流衰减分量也会发挥其相应的补偿功能。另外，对于网侧变换器而言，由于流过转子侧变换器的有功功率和电网电压发生变化，所以流过其有功电流会随之变化；同时电网负序电压分量也将被加入到网侧变换器的调制电压中，从而减小负序电网电压分量对流过网侧变换器实际电流及其直流母线电压的影响。

在故障持续期间，随着发电机定子磁链负序分量的持续存在和转速的不断增加，流过转子侧变换器的电流将迅速增加。一旦大于变换器最大允许电流，转子变换器控制回路的正负序电流参考值将被重置，流过转子变换器的电流将限制。这样可能会导致变换器调制电压的幅值超过其最大允许值，当调制电压增加到变换器所能输出的最大电压门槛值时，转子变换器正负序电流控制回路输出端设置的幅值限制环节将发生作用。

在故障切除后，双馈发电机机端电压恢复正常，电网负序电压分量的影响将不再存在，转子侧变换器控制回路中仅有正序电流控制环节发生作用，而网侧变换器控制的调制电压中也仅包含正序电压分量。转子侧变换器和网侧变换器的控制可恢复为正常并网运行控制模式。

进一步地，利用RTDS仿真平台对上述实施例所述方法进行验证，首先利用RTDS仿真平台搭建如图3所示的含双馈风力发电机组的电网电磁暂态模型，以验证所提出的转子侧变换器与网侧变换器控制策略的有效性与正确性，如图3所示：

设在如图3所示电网的母线D处发生两相接地短路故障，故障持续时间为0.65s。且故障前后发电机定子侧输出平均有功功率为0.69pu（风速为10m/s），故障前定子无功功率为0pu，故障期间该无功功率参考值由电网低电压穿越无功支撑要求确定。如图4所示为双馈风电机组在不同不对称故障穿越策略作用下的特性曲线示意图，具体包括网侧与转子侧变换器均采用传统基于正负序旋转坐标系的双DQ电流控制策略、采用基于正序旋转坐标系的单DQ电流控制策略（仅对正序量进行控制）、以及所提不对称故障穿越策略下发电机的机端电压、电磁转矩、转子绕组电流和直流母线电压的变化趋势示意图。

从图4a）-d）可以看出，在传统基于正负序旋转坐标系的双DQ电流控制策略作用下，不对称故障期间双馈风力发电机组将不能稳定运行，机端电压正序分量以较大幅度变化，发电机电磁转矩也在-1pu～3pu之间发生大幅度变化；同时转子电流也超出了变换器最大允许电流（1.35kA），过流保护会动作。

通过分析图4中e）-h）可知，当网侧变换器采用基于正序电网电压矢量定向的直流电压外环和正序电流内环的双闭环控制策略（与所提网侧变换器控制策略相同），且转子侧变换器采用基于正序定子磁链矢量定向的转速外环和正序转子电流内环的双闭环控制策略（有无功补偿）的情况下，不对称故障期间发电机能够稳定运行。但是故障期间由于流过转子变换器的负序电流尚未控制，发电机电磁转矩以较大幅度波动。在故障后初始阶段由于定子磁链直流分量的影响电磁转矩变化范围相对较大，而在故障后一段时间其波动幅度有所减小，波动范围为0.1pu-1.2pu。同时，从图4g）中看出在故障初始阶段转子电流大于变换器的最大允许值，这也将会导致变换器过流保护动作，发电机将被迫从电网切除。而由图4h）知，故障期间直流母线电压能够满足发电机组安全稳定运行的要求。

图4i）-l）为在所提控制策略下双馈风力发电机的故障特性曲线示意图。由图4i）看出，故障期间机端电压的正序和负序分量分别为0.67pu和0.28pu，不对称度约为41.8%，略大于基于正序旋转坐标系的正序电流控制策略作用下的机端电压不对称度（正序和负序分量分别为0.67pu和0.23pu，不对称度约达34.3%）。这说明在不同转子侧变换器控制策略下，发电机机端电压将有所不同。图4j）中发电机电磁转矩在故障不同阶段变化趋势与图4中f）相类似，即在故障初始阶段发电机电磁转矩的变化幅度相对较大。但在图4j）中，由于转子侧变换器采用了抑制电磁转矩二倍频脉动量的控制目标，故障一段时间后发电机电磁转矩的脉动幅度大幅减小。

这里需要特别说明的是，在如式（1）-（4）所示的转子侧变换器控制目标下，发电机电磁转矩的二倍频脉动量应该为零，但是图4j）中故障期间该电磁转矩中仍存在一定脉动，主要由于在该故障下发电机转子绕组上感应产生的负序电动势较大，超出了转子变换器负序电压分量的输出能力范围，转子负序电流将不完全仅由转子变换器控制，所以电磁转矩脉动并未完全消除。另外，从图4k）和f）中看出，转子电流和直流母线电压均在安全运行范围之内。所以，在所提基于转子侧与网侧变换器协调控制的故障穿越策略作用下，双馈风力发电机组具有较强的不对称故障穿越能力。

综上所述，在电网不对称故障下，本发明实施例所提出的转子变换器的不对称故障穿越策略是在考虑定子磁链直流衰减分量和负序分量对发电机与转子侧变换器造成的不利影响基础之上，实现故障期间双馈风力发电机向电网提供无功支撑的目标；而网侧变换器控制的设计是考虑其电流调节能力有限的基础之上，保证故障期间直流母线电压能够维持在其安全可靠运行范围值（(1+0.1）pu）之内。这样转子侧变换器和网侧变换器各司其职、相互协调配合，从而能够有效提升双馈风力发电机组的不对称故障穿越运行能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法包括：

在电网不对称故障的情况下，针对双馈风力发电机组的转子侧变换器，其控制策略是在基于定子磁链定向的正反转同步旋转坐标系中实现的，外环为转速环，内环为转子正负序电流双DQ控制回路，具体策略包括：

为了消除定子磁链直流衰减分量的影响，在正序电流PI控制器出口处的前馈补偿项

中引入直流衰减磁链项jωL_oψ_sne^-(t-t0)Tse^-jω1(t-t0)，其中ω为发电机转速；T_s=R_s/L_s，R_s和L_s为定子绕组等效电阻和电感；L_o=L_m/L_s，L_m为发电机定转子互感；ψ_sn为定子磁链直流衰减分量；ω₁为电网频率；

且转子负序电流d轴和q轴分量PI控制器的积分环节在监测到不对称故障时，将立即重置为相应的实际电流值，若流过转子变换器的电流超过其最大允许电流，新型电流限幅环节将立即发生作用；为保证故障严重情况下所述转子侧变换器稳定运行，在转子正负序电流控制器中分别引入积分饱和环节，在其控制回路的输出端设置幅值限制环节；

针对双馈风力发电机组的网侧变换器，其控制策略是在基于电网正序电压定向的同步旋转坐标系中实现的，包括直流电压外环和变换器交流侧正序电流内环的双闭环控制回路，具体策略包括：

在直流电压外环控制回路中引入转子绕组实际有功功率，以实时平衡直流母线两侧功率；

在正序电流控制器的输出PWM调制信号中引入实测电网负序电压分量，使网侧变换器交流侧负序电压与电网负序电压分量大小相当，以使故障期间直流母线电压维持在其安全可靠运行范围值（(1+0.15）pu之内。

2.根据权利要求1所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法还包括：

当电网不对称故障严重程度轻时，转子正负序电流控制期望是在有效调节发电机定子侧输出平均无功功率和电磁转矩平均直流分量的同时，消除电磁转矩的二倍频脉动量；

当电网不对称故障严重时，将降低电磁转矩平均分量参考值，使正负序电流分量满足 $i_{\mathrm{rd}}^{n*2}+i_{\mathrm{rq}}^{n*2}=(i_{\mathrm{rd}}^{p*2}+i_{\mathrm{rq}}^{p*2})({{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2)/{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p}^2$ 关系。

3.根据权利要求1所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法还包括：

在转子侧变换器不对称故障穿越控制策略实施过程中，首先根据正负序电流参考值的计算环节得到转子电流参考值

和

利用以下公式判断流过所述转子侧变换器的电流是否超过其最大允许电流：

$I_{r\max }=\sqrt{i_{\mathrm{rd}}^{p*2}+i_{\mathrm{rq}}^{p*2}}(1+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2}/|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\left|\right)$

且当I_rmax>I_lim时，正负电流环控制器的参考值将被重新设置为：

$\begin{array}{c}{i_{\mathrm{rd}}^{p*}}^{\text{'}}=i_{\mathrm{rd}}^{p*}\\ {i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{rlim}}^2{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p}^2}{{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n}^2})}^2}-{i_{\mathrm{rd}}^{p*}}^2}\\ {i_{\mathrm{rd}}^{n*}}^{\text{'}}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\\ {i_{\mathrm{rq}}^{n*}}^{\text{'}}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^n{i}_{\mathrm{rd}}^{p*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^n{i_{\mathrm{rq}}^{p*}}^{\text{'}})/{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^p\end{array}.$

4.根据权利要求1所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法包括：

在网侧变换器不对称故障穿越策略实施过程中，其控制系统中仅包含两个电流控制

回路，它们为流过所述网侧变换器正序电流的平均有功和无功分量，其对应的电流参考

值计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{cd}}^{p*}=P_{c0}^{*}/u_{\mathrm{gd}}^p\\ i_{\mathrm{cq}}^{p*}=Q_{c0}^{*}/u_{\mathrm{gd}}^p\end{array}\right.$

其中，

为直流电压PI控制器输出与直流电压参考值相乘得到的直流母线上有功功率值和流过转子绕组上的实际功率相加的功率值。

5.根据权利要求4所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，

所述电流参考值计算公式中的无功功率参考值

设置为零。

Images