CN104362667B

CN104362667B - 一种双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法

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Publication number: CN104362667B
Application number: CN201410549899.2A
Authority: CN
Inventors: 徐海亮; 刘少宇; 刘京波; 刘汉民; 吴宇辉; 马步云; 宋鹏; 孙丹
Original assignee: STATE GRID XINYUAN ZHANGJIAKOU SCENERY STORAGE DEMONSTRATION POWER PLANT CO Ltd; Zhejiang University ZJU; State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power Research Institute Co Ltd; Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: STATE GRID XINYUAN ZHANGJIAKOU SCENERY STORAGE DEMONSTRATION POWER PLANT CO Ltd; Zhejiang University ZJU; State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power Research Institute Co Ltd; Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104362667A

Abstract

本发明公开了一种双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法。根据实时监测到的双馈风力发电机定子端电压水平，将双馈风电机组的运行状态划分为正常运行、低电压穿越运行、高电压穿越运行3个运行模式；通过改进转子侧变流器控制结构，加速了故障发生后双馈风力发电机定子磁链中直流、负序分量的衰减，为无功电流的快速注入创造了条件；根据实时监测到的转子三相电流和直流母线电压水平，优化了硬件保护模块的触发导通逻辑，保护了机组变流器和直流母线电容器的运行安全。特别地，提出的高低电压穿越协同控制和保护方案完全在机组现有低电压穿越硬件基础上实现，无需另增加硬件保护装置，是一种可应对电网电压幅值骤变的广义电压故障穿越实现方案。

Description

一种双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术，特别是电网电压幅值骤变故障下双馈风电机组的不脱网运行技术。所提出的双馈风电机组高低电压穿越协同控制方法，能够在风电机组并网点发生广义电压跌落、骤升故障时，灵活切换控制模式，满足并网规范对机组并网运行能力及无功电流注入的要求。

背景技术

随着风电在电网中所占比重的大幅提高，世界各主要风电大国相继出台并网规范，对并网风电机组的运行可靠性提出明确要求。其中较为典型的是，电网电压跌落、骤升下风电机组的不脱网运行要求，即通常所说的低电压穿越(lowvoltageride-though,LVRT)技术、高电压穿越(highvoltageride-though,HVRT)技术。

电网发生对称、不对称电压跌落故障时，DFIG风电机组的暂态过渡过程分析已见诸大量报道。一个基本和重要结论是：电压跌落瞬间DFIG定子磁链中产生的直流磁链、负序磁链(仅见于不对称跌落)是导致DFIG定、转子绕组过电流的主要原因。同时，若考虑真实开关的实际关断过程，对称跌落故障下电网电压恢复时刻的电流冲击可能会有所降低；非对称跌落时最大冲击电流发生在定、转子磁链反向时刻；最高母线电压发生在三相对称跌落时刻，而最大的转子冲击电流发生在相间短路故障时。综合来看，DFIG风电机组低电压穿越运行的难点在于如何躲过故障发生后1～2个电网周波的严重电流冲击。对此，近年来国内外风电技术专家、学者提出了一些改进控制和保护方案，主要可分为以下三类：1)重新设计励磁变流器控制方案，依赖变流器本身固有容量实现故障穿越；2)采用端电压支撑装置，抑制电压跌落深度或降低跌落速率；3)改进励磁控制与硬件保护相结合。

在配置有无功补偿装置的风电场中，一般情况下其无功功率处于平衡状态，但当电网电压发生跌落时，常会引发一些无LVRT能力的风电机组从电网中解列，此时无功补偿装置如未得到及时调节，将导致电网无功功率过剩，进而抬升并网点端电压。那些曾通过低电压穿越考验的机组如未考虑过电压保护设计，此时也不得不接续从电网中解列，再次造成风电机组大规模脱网。针对电网电压骤升故障下风电机组的HVRT技术，目前国内外报道相对较少，可见该问题尚未引起国内外学者的普遍重视。从已有的文献研究看，对该问题的认识尚存在以下两点不足：1)电网电压骤升故障对包含网侧、转子侧变流器在内的完整DFIG机组的系统影响尚未见深入研究，制约DFIG高电压穿越能力的关键因素尚未厘清；2)已有控制策略往往只是局部改善了DFIG风电机组的故障穿越运行性能，没有考虑机组对故障电网的“贡献”，特别是忽视了并网导则对DFIG机组的无功电流要求，故难以实现真正的高电压穿越。

特别地，从故障发生的机理及其对风电机组的影响看，电压骤升、跌落均是一种特殊的电压幅值变化过程，对两者的研究不应割裂开来。进一步地，所提出的控制策略应能同时满足风电机组的低电压穿越、高电压穿越运行约束。对此，尚未有文献提出包含LVRT、HVRT在内的风电机组的广义电压故障穿越运行技术。这正是本发明要解决的技术难题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法，实现电网故障期间风电机组的不脱网运行，以满足日益严格的风电并网导则对机组高电压穿越运行能力的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法，包括：

1.根据实时监测到的双馈风力发电机(DFIG)定子端电压U_s水平(额定值为1pu)，将双馈风电机组的运行状态划分为正常运行模式(记为ModeI)、低电压穿越运行模式(记为ModeII)、高电压穿越运行模式(记为ModeIII)等3个运行模式；具体为：

1.1当0.9pu≤U_s≤1.1pu时，双馈风电机组处于正常运行模式(ModeI)，此时转子侧变流器(RSC)按最大风能追踪(MPPT)设定其有功、无功电流指令，网侧变流器(GSC)以单位功率因数运行；

1.2当0.1pu≤U_s<0.9pu时，双馈风电机组处于低电压穿越运行模式(ModeII)，此时RSC、GSC优先控制机组向故障电网注入容性无功电流，其无功电流注入的幅度按电网电压每跌落1％注入2％的比例设定，且RSC输出无功电流的优先级高于GSC，即当RSC控制双馈风力发电机输出的无功电流难以满足并网规范需求时，GSC再输出相应的无功电流差额；如按此比例注入容性无功电流后两个变流器(RSC、GSC)电流容量仍有盈余，需实施有功功率的控制；

1.3当1.1pu<U_s≤1.3pu时，双馈风电机组处于高电压穿越运行模式(ModeIII)，此时RSC、GSC优先控制机组向故障电网注入感性无功电流，其无功电流注入的幅度按电网电压每骤升1％注入2％的比例设定，且GSC输出无功电流的优先级高于RSC，即当GSC输出的无功电流难以满足并网规范需求时，RSC再控制双馈风力发电机输出相应的无功电流差额；如按此比例输出感性无功电流后两个变流器电流容量仍有盈余，需实施有功功率的控制；

2.双馈风电机组转子侧变流器(RSC)在传统矢量控制结构的基础上，加入了一个主动灭磁环；具体为：

双馈风力发电机的定子磁链ψ_sdq送入由两个谐振频率分别为50Hz、100Hz谐振控制器并联构成的谐振补偿器，得到转子补偿电压所需的转子调制电压V′_rdq等于传统矢量控制方法得到的转子调制电压V_rdq减去之值；其中谐振补偿器的传递函数为：

G_{R} = \frac{K_{r 1} s}{s^{2} + ω_{1}^{2}} + \frac{K_{r 2} s}{s^{2} + {(2 ω_{1})}^{2}};

式中，K_r1、K_r2分别为两个谐振控制器的谐振系数，ω₁为电网基波电压的角速度；

3.根据实时监测到的转子三相电流I_rabc和直流母线电压V_dc水平，设计硬件保护模块，即转子侧撬棒电路Crowbar、直流侧撬棒电路Chopper的触发导通逻辑；具体为：

3.1当转子三相电流I_rabc中任意一相的幅值连续3个采样周期高于转子侧变流器的最大可持续电流I_rmax，即当|I_rabc|≥I_rmax时，Crowbar电路触发导通10ms，同时关闭RSC的触发脉冲，且令RSC的有功、无功电流指令设定为0；Crowbar电路导通10ms后，判断|I_rabc|≥I_rmax是否成立，如成立则Crowbar电路再次触发导通10ms，否则Crowbar电路关闭，同时开启RSC的触发脉冲；

3.2当直流母线电压V_dc连续3个采样周期高于直流母线电容器的最大可持续电压V_dcmax，即当V_dcmax≥V_dc时，Chopper电路触发导通，否则关闭。

本发明所述的一种双馈风电机组高低电压穿越协同控制方法，通过划分机组所处运行模式、改进转子侧变流器控制结构、设计硬件保护模块逻辑等途径，有效提高了机组在电压跌落、骤升两类复杂电网工况下的不脱网运行能力，是一种可应对电网电压幅值骤变(骤升或骤降)的广义电压故障穿越控制方案。

附图说明

图1为本发明的双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法的控制流程图。

图2为本发明的双馈风电机组转子侧变流器控制结构原理图；

图3为电网电压跌落、骤升故障下某3MW双馈风电机组的仿真运行波形；

图4为电网电压跌落、骤升故障下某5.5kW双馈风电机组的实验运行波形，其中，(A)为电压跌落故障下的实验波形，(B)为电压骤升故障下的实验波形；

图中，ModeI表示正常运行模式，ModeII表示低电压穿越运行模式，ModeIII表示高电压穿越运行模式；RSC表示转子侧变流器，GSC表示网侧变流器，Crowbar表示转子侧撬棒电路，Chopper表示直流侧撬棒电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

图1表示本发明的双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法的控制流程图，参照图1，本发明所描述的一种双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法包括：

这里令两个变流器电流容量盈余时实施有功功率控制的目的是，充分发挥变流器的电流裕量，最大程度地输出风机侧灌入的有功功率，以降低机组转速飙升的风险。

GSC优先输出感性无功电流的原因是，电压骤升故障破坏了网侧变流器Boost升压电路的电压平衡关系，GSC输出感性无功电流等效于进线端滤波电抗器分压，有利于维持母线电压的稳定。

2.参照图2，双馈风电机组转子侧变流器(RSC)在传统矢量控制结构的基础上，加入了一个主动灭磁环；具体为：

双馈风力发电机的定子磁链ψ_sdq送入由两个谐振频率分别为50Hz、100Hz谐振控制器并联构成的谐振补偿器，得到转子补偿电压所需的转子调制电压V′_rdq等于传统矢量控制方法得到的转子调制电压V_rdq减去之值；

其中谐振补偿器的传递函数为：

G_{R} = \frac{K_{r 1} s}{s^{2} + ω_{1}^{2}} + \frac{K_{r 2} s}{s^{2} + {(2 ω_{1})}^{2}};

式中，K_r1、K_r2分别为两个谐振控制器的谐振系数，ω₁为电网基波电压的角速度。

主动灭磁环加入的目的是加速因电压跌落或骤升产生的定子磁链中直流或负序分量的衰减，降低变流器过流的风险，从而为机组无功电流的输出创造条件。

图3所示为电网电压跌落、骤升故障下某3MW商用双馈风力发电机的仿真运行波形；图中，U_pcc为双馈风力发电机并网点电压，I_sd、I_sq分别为双馈风力发电机定子电流的d轴、q轴分量，I_gabc为网侧变流器三相流，I_gd、I_gq分别为网侧变流器电流的d轴、q轴分量，P_t、Q_t分别为机组总输出有功功率、无功功率，T_e为双馈风力发电机的电磁转矩；Flag_CB、Flag_CP分别为Crowbar、Chopper电路的触发信号，其值为1表示导通，为0表示关断。从图中可以看出，理想电网条件下，双馈风电机组运行在ModeI，机组总输出有功功率P_t、无功功率Q_t分别为1.15pu和0.08pu(感性)，近似作单位功率因数运行。当电压低落故障发生后机组的控制模式旋即切换至ModeII，即作低电压穿越(LVRT)运行，此时根据本发明步骤1.2的设计，机组需向电网输出1.3pu的容性无功电流(机组额定电流I_N＝1.3pu)，由于DFIG定子侧完全可以输出此时要求的无功电流，GSC依然作单位功率因数运行，即I_gq＝0；同时，机组保护模块，即Crowbar和Chopper分别根据检测到的转子三相电流I_rabc和直流母线电压V_dc的大小，在故障发生和恢复瞬间触发导通了数十毫秒(见图中Flag_CB、Flag_CP波形)，确保了RSC和母线电容器的安全。电压跌落故障消除后，DFIG机组逐渐恢复至故障前的运行状态，即ModeI。同样地，电压骤升故障发生后，DFIG机组的控制瞬即切换至ModeIII，即作高电压穿越(HVRT)运行，此时根据本发明步骤1.3的设计，机组需向电网输出0.78pu的无功电流，GSC优先向电网输出感性无功电流0.26pu，剩余无功电流需求由RSC控制DFIG补足。这里需注意的是，HVRT运行期间机组依然具有有功功率输出能力，在不超出RSC电流保护上限(1.5pu，折算至定子侧)的前提下，该仿真算例中DFIG有功功率保持了故障前的水平，即1.15pu。从图中机组总输出有功功率、无功功率以及电磁转矩、直流母线电压波形可以看出，主动灭磁环的实施确保了各电磁量的平滑过渡。

表1归纳了图3算例中电网电压骤升、骤降期间并网导则要求和机组所输出的无功电流情况，表中，I_tq为双馈机组总的输出无功变流，I_Q为并网规范要求输出的无功变流。从中可以看出在本发明所述控制方案下，机组LVRT和HVRT期间所输出无功电流情况基本能够满足并网导则的要求。

表1电网电压骤升、骤降期间并网导则要求和机组所输出的无功电流情况

无功电流	Mode I	Mode II	Mode III
				I_gq(pu)	0	0	-0.26
I_sq(pu)	0.08	1.29	-0.50
				I_tq(pu)	0.08	1.29	-0.76
I_Q(pu)	0	1.3	-0.78

图4为电网电压跌落、骤升故障下某5.5kW双馈风力发电机的实验运行波形；其中，(A)为电压跌落故障下的实验波形，(B)为电压骤升故障下的实验波形；图中，(a)U_sab(200V/div)，为双馈风力发电机定子a相、b相电压；(b)V_dc(50V/div)，(c)P_s(1kW/div)，为双馈风力发电机定子有功功率；(d)Q_s(1kVar/div)，为双馈风力发电机定子无功功率；(e)T_e(10N.m/div)；(f)P_g(1kW/div)，为网侧变流器有功功率；(g)Q_g(1kVar/div)，为网侧变流器无功功率；(h)I_sab(20A/div)，为双馈风力发电机定子a相、b相电流；(i)I_rab(10A/div)，为双馈风力发电机转子a相、b相电流；(j)I_cb(50A/div)，为流经Crowbar的两相电流；(k)I_gab(10A/div)，为网侧变流器的a相、b相电流。其他符号含义同图2。如图4(A)所示，电压跌落故障发生后的2～3ms检测到DFIG转子电流过流，RSC瞬间被关闭，Crowbar导通卸荷；Crowbar导通约30ms后，转子电流低于保护阈值，Crowbar被关断、RSC重新获得对DFIG的控制，并按电网导则要求向故障电网提供无功支持；电网故障消除瞬间，Crowbar未再次保护动作，RSC控制DFIG输出有功功率渐变至故障前的水平；图4(B)中电网电压骤升故障发生后，未检测到转子过电流或直流母线过电压，DFIG机组按照ModeIII中无功电流的要求向故障电网输出感性无功电流；电网电压恢复后，Crowbar未保护动作，RSC控制DFIG输出有功功率渐变至故障前的水平。

图3、图4算例的结果验证了本发明所述的双馈风电机组高低电压穿越协同控制方法的有效性、可行性。

综上，本发明所述的一种双馈风电机组高低电压穿越协同控制方法，通过划分机组所处运行模式、改进转子侧变流器控制结构、设计硬件保护模块逻辑等途径，有效提高了机组在电压跌落、骤升两类复杂电网工况下的不脱网运行能力。特别地，所提出的HVRT、LVRT协同控制和保护方案完全是在现有LVRT硬件基础上实现，无需增加额外的硬件保护装置，是一种可应对电网电压幅值骤变(骤升或跌落)的广义电压故障穿越实现方案。

Claims

1.一种双馈风电机组的高低电压穿越协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1.根据实时监测到的双馈风力发电机定子端电压U_s水平，将双馈风电机组的运行状态划分为正常运行模式、低电压穿越运行模式、高电压穿越运行模式3个运行模式；具体为：

A1.1当0.9pu≤U_s≤1.1pu时，双馈风电机组处于正常运行模式，此时转子侧变流器RSC按最大风能追踪设定其有功、无功电流指令，网侧变流器GSC以单位功率因数运行；

A1.2当0.1pu≤U_s<0.9pu时，双馈风电机组处于低电压穿越运行模式，此时RSC、GSC优先控制机组向故障电网注入容性无功电流，其无功电流注入的幅度按电网电压每跌落1％注入2％的比例设定，且RSC输出无功电流的优先级高于GSC，即当RSC控制双馈风力发电机输出的无功电流难以满足并网规范需求时，GSC再输出相应的无功电流差额；如按此比例注入容性无功电流后两个变流器电流容量仍有盈余，需实施有功功率的控制；

A1.3当1.1pu<U_s≤1.3pu时，双馈风电机组处于高电压穿越运行模式，此时RSC、GSC优先控制机组向故障电网注入感性无功电流，其无功电流注入的幅度按电网电压每骤升1％注入2％的比例设定，且GSC输出无功电流的优先级高于RSC，即当GSC输出的无功电流难以满足并网规范需求时，RSC再控制双馈风力发电机输出相应的无功电流差额；如按电网电压每骤升1％注入2％的比例输出感性无功电流后两个变流器电流容量仍有盈余，需实施有功功率的控制；

A2.双馈风电机组转子侧变流器RSC在传统矢量控制结构的基础上，加入一主动灭磁环；具体为：

双馈风力发电机的定子磁链ψ_sdq送入由两个谐振频率分别为50Hz、100Hz谐振控制器并联构成的谐振补偿器，得到转子补偿电压改进控制后的转子调制电压V′_rdq等于传统矢量控制方法得到的转子调制电压减去之值；其中谐振补偿器的传递函数为：

G_{R} = \frac{K_{r 1} s}{s^{2} + ω_{1}^{2}} + \frac{K_{r 2} s}{s^{2} + {(2 ω_{1})}^{2}};

A3.根据实时监测到的转子三相电流I_rabc和直流母线电压V_dc水平，设计硬件保护模块，即转子侧撬棒电路Crowbar、直流侧撬棒电路Chopper的触发导通逻辑；具体为：

A3.1当转子三相电流I_rabc中任意一相的幅值连续3个采样周期高于转子侧变流器的最大可持续电流I_rmax，即当|I_rabc|≥I_rmax时，Crowbar电路触发导通10ms，同时关闭RSC的触发脉冲，且令RSC的有功、无功电流指令设定为零；Crowbar电路导通10ms后，判断|I_rabc|≥I_rmax是否成立，如成立则Crowbar电路再次触发导通10ms，否则Crowbar电路关闭，并开启RSC的触发脉冲；

A3.2当直流母线电压V_dc连续3个采样周期高于直流母线电容器的最大可持续电压V_dcmax，即当V_dcmax≥V_dc时，Chopper电路触发导通卸荷，否则关闭。