CN104410098A - 双馈异步发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法 - Google Patents

双馈异步发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法,该系统包括双馈异步发电机、变流器、电流检测模块、Crowbar电路控制模块和Crowbar模块;双馈异步发电机连接至电网,所述变流器设于双馈异步发电机和电网之间;所述电流检测模块、Crowbar电路控制模块和Crowbar模块依次连接后设于所述变流器和双馈异步发电机之间。本发明通过设置Crowbar电路控制模块计算电流的变化率,并预测电流的峰值和达到峰值的时间,得到接入Crowbar电路的合适时间以及最佳阻值,针对不同程度的低电压故障,保证Crowbar电路的接入电阻值和接入时间最佳,有效改善了低电压故障的恢复时间,降低了能量消耗,大大提升了双馈异步发电机组低电压的穿越能力。

Description

双馈异步发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法。
背景技术
随着双馈风力发电机组(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)在电网中所占容量逐年骤增,当电网故障引起并网点电压跌落时,若大装机容量风电场的风机全部脱网,将会给电力系统的安全运行带来不利影响,严重时甚至会造成电力系统崩溃,因此要求风力发电机组具备低电压穿越(Low VoltageRide-through,LVRT)能力。
现有的低电压穿越技术主要通过在转子侧增加短路保护(Crowbar)电路来实现,如公开号为CN 102005779A的中国专利提出一种基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统,在直流侧正极母线和直流侧负极母线之间添加连接电容和卸荷电阻,在电网电压急剧跌落时,变流器的转子侧电流增大,同时直流侧的电压升高,当直流侧电压超过设置的上限时,绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,IGBT)导通,接入Crowbar电路和卸荷电阻,当电网电压恢复时,切除Crowbar电路和卸荷电阻,有效实现低电压穿越控制。公开号为CN102097825A的中国专利给出一种双馈风电变流器IGBT型Crowbar切除方法,根据电流互感器采集到的定子三相电流,由Crowbar控制器构造出与Crowbar电流相关的虚拟直流电流估算Crowbar电流的波谷时刻,在波谷时刻切出Crowbar电路,以减少IGBT关断时的开关应力,进而简化了IGBT缓冲吸收电路的设计。
但是上述方法都没有考虑投入Crowbar电路时接入的电阻范围,而不同的电阻范围会影响电网的恢复时间,针对该问题,张曼等人在《基于撬棒并联动态电阻的自适应双馈风力发电机低电压穿越》一文中根据Crowbar电路的电阻情况,并联了动态改变电阻,有效改善Crowbar电路的鲁棒性。然而,该方法不能根据电流的峰值不同,选择接入不同的Crowbar电阻,而且当超出电流阈值时,减少的电阻是个定值,因此不能很好改善低电压故障的恢复时间。
发明内容
本发明为了克服以上不足,提供了一种有效改善低电压故障的恢复时间的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统,包括双馈异步发电机、变流器、电流检测模块、Crowbar电路控制模块和Crowbar模块;
所述双馈异步发电机连接至电网,用于模拟风机的低电压运行;所述变流器设于双馈异步发电机和电网之间;所述电流检测模块、Crowbar电路控制模块和Crowbar模块依次连接后设于所述变流器和双馈异步发电机之间;电流检测模块检测变流器的电流,并将检测信号传给Crowbar电路控制模块;Crowbar电路控制模块计算电流的变化率,并输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号至Crowbar模块;Crowbar模块控制Crowbar的投断和接入的Crowbar电阻值。
进一步,所述变流器包括转子侧变流器RSC和网侧变流器GSC,所述转子侧变流器RSC和网侧变流器GSC之间还并联一个电容。
进一步,所述电流检测模块包括电流互感器和滤波器,所述电流互感器检测转子侧变流器RSC靠近双馈异步发电机一侧的电流,并经过滤波器滤波后将检测信号传给Crowbar电路控制模块。
进一步,所述Crowbar电路控制模块包括依次连接的电流变化率计算模块和BP神经网络预测模块,所述电流变化率计算模块连接所述电流检测模块的输出端,接收电流信号并计算出电流变化率,传给所述BP神经网络预测模块,BP神经网络预测模块根据电流变化率预测电流峰值和达到电流阈值上、下限的时间输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号送给Crowbar模块。
进一步,所述Crowbar模块包括IGBT控制模块、IGBT开关和电阻Rcb、R1、R2、R3,IGBT控制模块接收所述Crowbar电路控制模块输出的Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号,控制IGBT的通断,所述IGBT开关控制Crowbar电路的接入时间,以及通过控制电阻Rcb、R1、R2和R3的接入或断开来调节Crowbar电路的阻值大小。
一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制方法,包括以下几个步骤:
S1:双馈异步发电机模拟风机的低电压运行;
S2:电流检测模块检测变流器一侧的电流,将检测信号传给Crowbar电路控制模块;
S3:Crowbar电路控制模块根据检测信号计算电流的变化率,并通过判断输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号至Crowbar模块;
S4:Crowbar模块根据Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号控制Crowbar的投断和接入的Crowbar电阻值,直到低电压穿越结束。
进一步,所述步骤S2中还包括对检测到的电流进行滤波。
进一步,所述步骤S3包括以下步骤:首先接收电流信号并通过电流变化率计算模块计算出电流变化率,接着通过BP神经网络预测模块根据电流变化率预测电流峰值和达到电流阈值上、下限的时间输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号送给Crowbar模块。
进一步,所述步骤S4包括:通过IGBT控制模块接收Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号,控制IGBT的通断,同时通过IGBT开关控制控制Crowbar的投断和接入的Crowbar电阻值。
本发明提供的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法,通过设置Crowbar电路控制模块计算电流的变化率,并预测电流的峰值和达到峰值的时间,得到接入Crowbar电路的合适时间以及最佳阻值,针对不同程度的低电压故障,保证Crowbar电路的接入电阻值和接入时间最佳,有效改善了低电压故障的恢复时间,降低了能量消耗,大大提升了双馈异步发电机组低电压的穿越能力。
附图说明
图1是本发明双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的结构示意图;
图2是本发明转子侧等效电路图;
图3是本发明双馈异步发电机组低电压穿越控制系统控制方法流程图;
图4a、4b分别是电网电压下降100%、80%时转子电流平均斜率随时间变化图;
图5a、5b分别是电网电压下降100%时本发明方法和基于并联动态电阻的方法控制的电阻接入脉冲图;
图6a、6b分别是电网电压下降80%时本发明方法和基于并联动态电阻的方法控制的电阻接入脉冲图;
图7a、7b分别是电网电压下降100%、80%时平均斜率控制和动态电阻控制的转子侧电流随时间变化图。
图中所示:1、双馈异步电机;2、变流器;3、电流检测模块;4、Crowbar电路控制模块;5、Crowbar模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述:
如图1所示,本发明提供了一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统,包括双馈异步发电机1、变流器2、电流检测模块3、Crowbar电路控制模块4和Crowbar模块5;
双馈异步发电机1连接至电网,用于模拟风机的低电压运行;变流器2设于双馈异步发电机1和电网之间,变流器2包括转子侧变流器RSC和网侧变流器GSC,转子侧变流器RSC和网侧变流器GSC之间并联有一个电容C。
电流检测模块3、Crowbar电路控制模块4和Crowbar模块5依次串联后设于变流器2和双馈异步发电机1之间。
电流检测模块3包括电流互感器和滤波器,电流互感器检测转子侧变流器RSC靠近双馈异步发电机1一侧的电流,滤波器对电流滤波后将电流信号传给Crowbar电路控制模块4。
Crowbar电路控制模块4包括依次连接的电流变化率计算模块和BP神经网络预测模块,电流变化率计算模块连接电流检测模块3的输出端,接收电流信号并计算出电流变化率,并传给所述BP神经网络预测模块,BP神经网络预测模块根据电流变化率预测电流峰值和到达电流阈值上、下限的时间,并根据峰值的大小和达到电流阈值上、下限的时间输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号送给Crowbar模块5。
Crowbar模块5包括IGBT控制模块、IGBT开关和电阻Rcb、R1、R2、R3,电阻R1、R2、R3并联之后与Rcb串联,IGBT控制模块接收所述Crowbar电路控制模块4输出的Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号,控制IGBT的通断,所述IGBT开关控制Crowbar电路的接入时间,以及通过控制电阻Rcb、R1、R2和R3的接入或断开来调节Crowbar电路的阻值大小。
本发明双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制原理为:
电网故障前,双馈异步发电机1处于稳定状态,转子电压的表达式为:
v → r r = L m L s d dt ψ → s r + ( R r + σL r d dt ) i → r r - - - ( 1 )
其中上标r表示方程以转子侧作为参考坐标系,下标s、r分别表示定子和转子变量,为转子电压和电流的矢量;Lm为励磁电感,Lr、Ls分别为转子、定子自感,Rr、Rs分别为转子、定子电阻;为定子磁通,σ为漏感系数。
可见转子电压可分解成两部分,第一部分是由定子磁通产生的电动势,第二部分是由转子电流产生的电动势,第一部分可以表示为:
e → r r = L m L s d dt ψ → s r = L m L s s V s e j ω sr t - - - ( 2 )
其中s为转差率,ωsr是滑差角频率,电动势的幅值与s成比例,一般s的取值范围为-0.3-0.3,所以电动势在额定条件下是很小的。
当磁通发生对称故障时,定子磁通会包含一个和正序分量一个直流分量,表示为:
ψ → s s = V s ( 1 - n ) jω s e jω s t + V s n jω s e - t / τ s - - - ( 3 )
式中n是电压下降的深度,Vs是定子电压,τs=Ls/Rs是定子磁通的时间常数,将磁通ψ以定子侧为参考系转变为以转子侧为参考系,可表示为:
ψ s r = ψ s s e - j ω r t - - - ( 4 )
式中ωr是转子的电角频率,由(2)、(3)、(4)式得电动势在电网电压对称跌落的表达式为:
e → r r = L m L s [ s V s ( 1 - n ) e jsω s t - V s n jω s ( 1 τ s + jω r ) e - jω r t e - t / τ s ] - - - ( 5 )
式中s是转差率,且因为1/τs一般很小,可以忽略,因此(5)式可以简化为:
e → r r = L m L s [ s V s ( 1 - n ) e jsω s t - V s n ( 1 - s ) e - jω r t e - t / τ s ] - - - ( 6 )
式中第一项是正序磁通分量推出的,第二项是定子磁通的直流分量推出的,可以看出电动势的初始值中第二项大于第一项。
当电网电压跌落时由于定子磁通产生了直流分量,使得转子侧电压和电流升高,当电流超过变流器的承受能力时,就会损坏变流器和风机,使得风机脱网。
根据式(2)和(6),若令正常状态电动势为电网电压降落期间的电动势为则电动势的斜率为:
d e → r 1 r dt = j L m L s s 2 V s ω s e js ω s t - - - ( 7 )
d e → r 2 r dt ≈ L m L s [ js 2 ( 1 - n ) V s ω s e jsω s t + jn V s ( 1 - s ) ω r e - j ω r t e - t / t s ] - - - ( 8 )
式中Lm=2.9pu,Ls=3.08pu,Vs=1pu,s=0.2,ωs=1pu,ωr=0.8pu,根据(7)、(8)式,当t=0时,当电网下降深度n在0到100%之间变化时,的斜率如图2所示,从图中可以看出电网电压跌落越深,电动势的斜率越大,因此可根据电动势的斜率来预测转子电流。
如图2所示,当crowbar电路接入后,电动势相当于电源,令 其中RT=Rcb+Rs,Rs是电阻R1,R2,R3的等效电阻。此时变流器闭锁,电流经crowbar电路流回双馈异步电机,由式(1)可推出:
e → r 2 r = σL r ( R r + R T σL r i → r 1 r + d dt i → r 1 r ) - - - ( 9 )
根据式(6)和(9)可推出转子电流为:
i → r 1 r = L m V s σL s L r [ s ( 1 - n ) e jω r t - ( 1 - s ) n ( R r + R T ) / σL r + jω r 1 ( R r + R T ) / σL r - ( jω m + 1 / τ s ) e - ( jω m + 1 / τ s ) ] - - - ( 10 )
因此的最大幅值为:
| i → r 1 r | = L m V s σL s L r [ s ( 1 - n ) 1 ( R r + R T σL r ) 2 + ω r 2 - ( 1 - s ) n 1 ( R r + R T σL r - 1 τ s ) 2 + ω m 2 ] - - - ( 11 )
V → r r = | i → r 1 r | R T - - - ( 12 )
如果电阻RT是恒定的,则转子电流的最大值随着电网电压下降深度的增加而增大。
应满足条件:
V → r r ≤ 1 , i → r 1 r ≤ 1.5 - - - ( 13 )
转子电流的平均斜率Kav为:
K av = I ( t 2 ) - I ( t 1 ) Δt - - - ( 14 )
其中I(t1)、I(t2)为相邻的两个时间点t1、t2对应的转子电流。
根据式(12)、(13)可知:
R T ≤ 1 / | i → r r | - - - ( 15 )
因此随电压跌落深度不同,可以选择合适的RT值使得接入crowbar的时间最短,从而可以达到更好的控制效果。
本发明还提供一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制方法,包括以下步骤,如图3所示:
S1:双馈异步发电机1模拟风机的低电压运行;
S2:电流检测模块3检测变流器2一侧的电流,将检测信号传给Crowbar电路控制模块4;具体的,电流检测模块3包括电流互感器和滤波器,通过电流互感器检测转子侧变流器RSC靠近双馈异步发电机1一侧的电流,并经过滤波器滤波后将检测信号传给Crowbar电路控制模块4。
S3:Crowbar电路控制模块4根据检测信号计算电流的变化率,并通过判断输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号至Crowbar模块;具体的,Crowbar电路控制模块4包括依次连接的电流变化率计算模块和BP神经网络预测模块,电流变化率计算模块连接电流检测模块的输出端,接收电流信号,当转子电流Ir超过1pu时,开始计算在0.001s时间内电流的平均斜率,并传给BP神经网络预测模块,BP神经网络预测模块根据电流变化率预测电流峰值和达到电流阈值上、下限的时间,并根据峰值的大小和达到电流阈值上、下限的时间输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号送给Crowbar模块5,需要说明的是,当转子电流Ir达到阈值上限Irmax时,接入crowbar电路,闭锁变流器,当电流下降到阈值下限Irmin时切除crowbar电路,本实施例中设定电流的阈值上限Irmax为1.2pu,阈值下限Irmin为1.1pu。
S4:Crowbar模块5根据Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号控制Crowbar的投断和接入的Crowbar电阻值,具体的,Crowbar模块5包括IGBT控制模块、IGBT开关和电阻Rcb、R1、R2、R3,电阻R1、R2、R3并联之后与Rcb串联,IGBT控制模块接收Crowbar电路控制模块输出的Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号,控制IGBT的通断,所述IGBT开关控制Crowbar电路的接入时间,以及通过控制电阻Rcb、R1、R2和R3的接入或断开来调节Crowbar电路的阻值大小,直到低电压穿越结束。
本实施例针对本发明双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制效果进行了仿真实验。实验采用1.5MW的双馈异步电机,其参数如表1中所示,此外设定Rcb=1Ω,R1=0.8Ω,R2=0.5Ω,R3=0.5Ω,实验中在0.43s时电网电压跌落,持续时间为0.2s,在0.63s时,电网电压恢复。
本实施例针对电网电压下降80%和100%时,将本发明基于平均斜率的低电压穿越控制方法与已有的并联动态电阻的低电压穿越方法做了仿真比较,结果如图3至7b所示。
表1 双馈异步电机参数
从图4a、4b中可以看出,转子电流的平均斜率在电网电压跌落程度不同时是不同的,跌落越深,平均斜率越大。
从图5a、5b和6a、6b中可以看出,采用本发明方法控制的Crowbar接入脉冲少,且总投入时间明显缩短,延长了变流器的控制时间,提高IGBT的使用寿命,有利于电网电压的恢复。
从图7a、7b中可以看出,采用基于并联动态电阻的方法相比本发明方法控制的电流波动大,使得转子电流的峰值偏高,容易造成电路元件烧坏,而采用本发明的方法选择阻值,在Crowbar接入期间,Crowbar电路阻值不变,因此减少了电流的波动,从而使电路更加稳定。
综上所述,本发明提供的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统和控制方法,通过设置Crowbar电路控制模块4计算电流的变化率,并预测电流的峰值和到达电流阈值上、下限的时间,得到投入和断开Crowbar电路的合适时间以及最佳阻值,针对不同程度的低电压故障,保证Crowbar电路的接入电阻值和接入时间最佳,有效改善了低电压故障的恢复时间,降低了能量消耗,大大提升了双馈异步发电机组低电压的穿越能力。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明,但这些实施方式只是作为提示,不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统,其特征在于,包括双馈异步发电机、变流器、电流检测模块、Crowbar电路控制模块和Crowbar模块;
所述双馈异步发电机连接至电网,用于模拟风机的低电压运行;
所述变流器设于双馈异步发电机和电网之间;
所述电流检测模块、Crowbar电路控制模块和Crowbar模块依次连接后设于所述变流器和双馈异步发电机之间;
电流检测模块检测变流器的电流,并将检测信号传给Crowbar电路控制模块;Crowbar电路控制模块计算电流的变化率,并输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号至Crowbar模块;Crowbar模块控制Crowbar的投断和接入的Crowbar电阻值。
2.根据权利要求1所述的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统,其特征在于,所述变流器包括转子侧变流器RSC和网侧变流器GSC,所述转子侧变流器RSC和网侧变流器GSC之间还并联一个电容。
3.根据权利要求2所述的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统,其特征在于,所述电流检测模块包括电流互感器和滤波器,所述电流互感器检测转子侧变流器RSC靠近双馈异步发电机一侧的电流,并经过滤波器滤波后将检测信号传给Crowbar电路控制模块。
4.根据权利要求1所述的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统,其特征在于,所述Crowbar电路控制模块包括依次连接的电流变化率计算模块和BP神经网络预测模块;所述电流变化率计算模块连接所述电流检测模块的输出端,接收电流信号并计算出电流变化率,传给所述BP神经网络预测模块,BP神经网络预测模块根据电流变化率预测电流峰值和达到电流阈值上、下限的时间输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号送给Crowbar模块。
5.根据权利要求1所述的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统,其特征在于,所述Crowbar模块包括IGBT控制模块、IGBT开关和电阻Rcb、R1、R2、R3,IGBT控制模块接收Crowbar电路控制模块输出的Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号,控制IGBT的通断,所述IGBT开关控制Crowbar电路的接入时间,以及通过控制电阻Rcb、R1、R2和R3的接入或断开来调节Crowbar电路的阻值大小。
6.一种双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:双馈异步发电机模拟风机的低电压运行;
S2:电流检测模块检测变流器一侧的电流,将检测信号传给Crowbar电路控制模块;
S3:Crowbar电路控制模块根据检测信号计算电流的变化率,并通过判断输出Crowbar电阻值信号和输出Crowbar接入时间信号至Crowbar模块;
S4:Crowbar模块根据Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号控制接入的Crowbar电阻值和Crowbar的投断,直到低电压穿越结束。
7.根据权利要求6所述的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S2中还包括对检测到的电流进行滤波。
8.根据权利要求6所述的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S3包括以下步骤:首先接收电流信号并通过电流变化率计算模块计算出电流变化率,接着通过BP神经网络预测模块根据电流变化率预测电流峰值和达到电流阈值上、下限的时间输出Crowbar电阻值信号和Crowbar接入时间信号送给Crowbar模块。
9.根据权利要求6所述的双馈异步发电机组低电压穿越控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S4包括:通过IGBT控制模块接收Crowbar接入时间信号和Crowbar电阻值信号,控制IGBT的通断,同时通过IGBT开关控制控制Crowbar的投断和接入的Crowbar电阻值。
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