CN105186568B - 一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法，属于风力发电技术领域。当电网发生故障，将双馈风电机组的转子侧变流器等效端口阻抗模拟成纯电感形式，该电感值根据转子电压电流约束来实时动态自适应调节，可充分利用转子侧变流器的电压、电流裕量，进而，同时降低转子电压需求和转子故障电流大小，提高双馈风电机组的可控低电压穿越能力。本发明所提方法还可有效抑制电磁转矩脉动，并且具有物理概念清晰明确、结构简单的优点。

Description

一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法。

背景技术

随着风电在电网中渗透率的提高，现代风电并网规范要求风电机组在电网故障期间能保持不脱网持续运行，并能在规定时间内向电网提供无功支撑，即低电压穿越要求。

双馈风电机组由于具备变速恒频、励磁变流器容量小、有功无功独立解耦控制等优点，成为了当前风电机组中的主力机型。但是，由于双馈电机的定子直接挂网，它对电网电压波动特别敏感，当电网发生故障时，转子侧会感生出很高的感应电动势，从而导致转子侧出现过压过流问题。

目前，主流的解决方案为附加撬棒电路，该方法成本低、控制简单，但是，撬棒电路投入期间，双馈电机将运行于鼠笼型电机状态，系统将处于失控状态，并会从电网中吸收大量无功功率，无法适应日益苛刻的并网导则要求。为此，一些学者还提出了其他硬件解决方案，如：在定子侧串入动态电压恢复器或动态电阻、在风电场接入静止同步补偿器、附加额外的网侧变流器等，这些方案虽然性能较好，但是成本较高、控制复杂。

另一类方案是改进转子侧变流器的励磁控制算法来提高机组低电压穿越能力，由于具有无需增加任何硬件和控制灵活的优点，而得到了广泛关注。目前，已有一些关于通过改进励磁控制方法来提高双馈风电机组低电压穿越能力的研究工作，例如：

[1]X.Dawei,L.Ran,P.J.Tavner and S.Yang,“Control of a doubly fedinduction generator in a wind turbine during grid fault ride-through,”IEEETransactions on Energy Conversion,vol.21,no.3,pp.652-662,2006.

[2]S.Hu,X.Lin,Y.Kang and X.Zou,“An improved Low-Voltage Ride-Throughcontrol strategy of doubly fed induction generator during grid faults,”IEEETransactions on Power Electronics,vol.26,no.12,pp.3653-3665,2011.

[3]F.K.A.Lima,A.Luna,P.Rodriguez,E.H.Watanabe and F.Blaabjerg,“Rotorvoltage dynamics in the doubly fed induction generator during grid faults,”IEEE Transactions on Power Electronics,vol.25,no.1,pp.118-130,2010.

文献[1]提出在转子电流指令中包含一定的与定子磁链相关的暂态、负序分量，来降低转子电压需求，但是，故障期间的转子电流较大。文献[2]在[1]的基础上引入虚拟电阻，来加快转子电流的衰减，但却增大了所需的转子电压。文献[3]提出将转子电流指令按一定比例跟踪定子电流，该方法可有效降低故障期间的转子电流，但是，所需转子电压较高。该类控制方法均只关注于降低转子电压或抑制转子电流冲击其中之一，未能协调电网故障期间的转子电压、转子故障电流的分配关系，从而，无法充分利用转子变流器的容量来实现双馈风电机组的低电压穿越。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法，其中通过将双馈风电机组的转子侧变流器等效端口阻抗模拟成纯电感形式，实现了同时降低转子电压需求和转子故障电流大小，因而尤其适用于风力发电的励磁控制的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于，将所述双馈风电机组的转子侧变流器的等效端口阻抗模拟成纯电感，该纯电感L_eq的数值可根据所述转子的电压电流约束来实时动态自适应调节，来协调转子电压、故障电流约束；

该纯电感数值的计算公式为：式中，L_s为定子自感、L_m为定转子互感、L_r为转子自感、为漏感系数、ψ_s为定子磁链、为定子磁链向量的模长、e_r为转子感应电动势、为转子感应电动势向量的模长、I_rmax为转子侧变流器所允许的最大电流值、U_rmax为转子侧变流器最大输出电压。

优选地，所述双馈风电机组所在电网故障后所述转子d轴和q轴的电流指令给定为：其中，ψ_sd为定子磁链的d轴分量、ψ_sq为定子磁链的q轴分量。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)获取所述双馈电机的电机参数，所述参数包括定子自感L_s、定转子互感L_m、定子电阻R_s和转子自感L_r；

(2)通过电压互感器、电流互感器来获得双馈电机的定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc和转子三相电流I_rabc；

(3)通过编码器来获取双馈电机的转子机械角θ_r；

(4)使用锁相环方法来获取并网点电压的相位角θ_s；

(5)根据步骤(3)获得的转子机械角θ_r与步骤(4)中获得的并网点电压的相位角θ_s来计算获得转差角θ₂＝θ_s-θ_r，并将转差角θ₂进行微分来获得转差角频率ω₂；

(6)根据步骤(5)中的转差角θ₂，对上述步骤(2)中的所述转子三相电流I_rabc进行abc/dq坐标变换，来获得同步旋转坐标系下所述双馈电机的转子d轴电流i_rd、转子q轴电流i_rq；

(7)根据步骤(2)获得的定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc与步骤(1)获得的定子电阻R_s来计算获得定子磁链ψ_sabc＝∫(U_sabc-R_sI_sabc)dt；

(8)将步骤(7)获得的定子磁链ψ_sabc进行abc/dq坐标变换，来获得同步旋转坐标系下定子d轴磁链ψ_sd、定子q轴磁链ψ_sq；

(9)根据步骤(7)获得的定子磁链ψ_sabc与步骤(1)获得的定子自感L_s、定转子互感L_m、转子自感L_r来计算获得所述纯电感值式中，为漏感系数、e_r为转子感应电动势、I_rmax为转子侧变流器所允许的最大电流值、U_rmax为转子侧变流器最大输出电压；

(10)据步骤(1)获得的所述定子自感L_s、所述定转子互感L_m与步骤(8)获得的所述定子d轴磁链ψ_sd、所述定子q轴磁链ψ_sq，以及步骤(9)获得的所述纯电感值L_eq，来计算获得转子d轴电流指令和q轴电流指令其计算公式为：

(11)根据步骤(5)获得的所述转差角频率ω₂与步骤(6)获得的所述转子d轴电流i_rd、所述转子q轴电流i_rq来计算得到前馈补偿值V_rdc、V_rqc，其计算公式为：

(12)根据步骤(6)获得的所述转子d轴电流i_rd、所述转子q轴电流i_rq分别与步骤(10)获得的所述转子d轴电流指令所述转子q轴电流指令相减来获得d轴误差信号i_ed、q轴误差信号i_eq，其计算公式为：

(13)通过比例积分控制器来对所述误差信号i_ed、i_eq进行闭环处理，得到转子电压控制量

(14)根据上述步骤(11)获得的所述前馈补偿值V_rdc、V_rqc以及步骤(13)获得的转子电压控制量来计算获得转子电压需求值其计算公式为：

(15)对步骤(14)获得的转子电压需求值进行空间矢量脉宽调制，来获得转子侧变流器三对开关管的开关信号S_a、S_b、S_c。

总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、采用本发明所述方法充分协调了转子电压需求、转子故障电流约束，可同时降低转子电压需求和转子故障电流大小，提高风电机组的可控低电压穿越能力；

2、本发明所述方法可有效抑制电磁转矩脉动，保护了齿轮箱，进而延长机组使用寿命；

3、本发明所述方法具有物理意义清晰、结构简单、易于工程实施等优点。

附图说明

图1是双馈风电机组的转子侧等效电路模型；

图2是为转子侧变流器等效端口阻抗对转子电压影响的示意图；

图3是为本发明提出的基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法的控制框图；

图4是本发明所述方法在电网电压发生跌落故障时的仿真结果，其中，电网电压对称跌落80％故障时的仿真结果为：(a)为定子线电压，(b)为定子三相电流，(c)为转子三相电压，(d)为转子三相电流，(e)为电磁转矩，(f)为等效电感数值；电网电压单相跌落80％故障时的仿真结果为：(g)为定子线电压，(h)为定子三相电流，(i)为转子三相电压，(j)为转子三相电流，(k)为电磁转矩，(l)为等效电感数值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合附图说明本发明的工作原理及其具体实施方式。

为简化分析，采用双馈电机在静止坐标系下Park模型，所有变量均折算至定子侧，定、转子侧均采用电动机惯例，那么，电压和磁链方程可表示为：

式中：u、i、ψ分别表示电压、电流、磁链；下标s、r分别表示定子侧和转子侧；R、L表示电阻、电感；L_m为定转子互感；ω_r为转子角频率。

由式(1)和式(2)可得转子电压：

式中：为漏感系数。

由式(3)可知，转子侧电压可以分解为两部分，第一项为转子侧感应电动势，记作e_r，第二项为转子电流在转子回路阻抗上的压降u_RL。从转子侧变流器看过去，转子侧等效电路如图1所示。

稳态时，转子侧感应电动势可表示为：

式中：U_sN为定子电压额定值；s为转差率。

通常，s在-0.3～0.3范围内，因而，稳态时转子侧感应电动势e_r幅值不大于0.3倍定子额定电压。

当电网发生对称故障时，转子侧感应电动势可表示为：

式中：p为电网电压跌落深度；τ_s＝L_s/R_s为定子时间常数。

此时，转子侧感应电动势由两部分组成，前者为正序分量，后者为暂态分量，而暂态分量正比于1-s项，将导致故障后的e_r初始幅值非常高。以电网电压全跌落故障、s＝-0.3为例，e_r的初始幅值约为正常工况下e_r幅值的4.3倍。当e_r远高于直流母线电压时，将可能导致系统失控，进而导致转子侧出现过压过流现象。

转子侧变流器的端口等效阻抗可表示为：

将式(6)代入(3)中，可得：

式中：为转子暂态电感σL_r的阻抗大小；上标r代表以转子侧为参考。

由式(7)可知，当转子侧变流器端口表现出不同的阻抗形式时，间接表现为影响e_r向量与转子电流向量之间的夹角θ。假设转子电流幅值一定，并忽略较小的转子电阻，图2给出了转子侧变流器端口阻抗对转子电压影响的示意图。可知，当θ＝π/2时，u_RL向量与e_r向量的方向相反，此时所需的转子电压u_r最小。因此，当转子侧变流器端口表现为纯电感形式时，其转子端口电压最小，最有利于故障穿越。同理，可分析得出：当转子电压大小一定时，若转子侧变流器端口表现为纯电感形式，转子电流也是最小，最有利于抑制转子过流。

若将转子侧变流器端口模拟成纯电感L_RSC，为简化分析，将L_RSC与L_r合并等效为L_eq，并忽略较小的转子电阻，那么，转子电流可表示为：

式中：ω_x代表正序、暂态或零序中任一角频率；L_eq＝L_RSC+L_r代表转子侧等效电感。

由式(3)，e_r又可表示为：

由式(8)和式(9)，可将转子电流指令给定为：

将式(10)代入式(3)，转子电压可表示为：

由式(10)和(11)可知，当等效电感L_eq取值较大时，转子电流较小，但转子电压需求将相应增加；而当等效电感L_eq取值减小时，转子电压需求将降低，而转子电流相应增大。为此，需要设计合适的等效电感值，来协调故障期间的转子电流约束和转子电压需求。

考虑转子电流约束，那么：

式中：I_rmax代表转子侧变流器所允许的最大电流值，通常取额定电流值的两倍。

由式(12)可得等效电感L_eq的最小取值：

考虑转子电压约束，那么：

式中：U_rmax代表转子侧变流器最大输出电压。

进而，可得等效电感L_eq的取值上限：

为此，可将等效电感取值为：

L_eq＝0.5(L_eqmin+L_eqmax) (16)

那么，该等效电感值始终满足L_eqmin≤L_eq≤L_eqmax的条件，即同时满足转子电流和转子电压约束。那么，在电网故障期间，等效电感将进行实时自适应动态调节来实现最优取值，来协调转子电压电流约束，从而，最大限度地拓宽双馈风电机组在深度故障下可控低电压穿越范围。

为降低齿轮箱压力，消除电磁转矩脉动也是低电压穿越期间的重要控制目标之一。电磁转矩可表示为：

式中：n_p代表极对数；代表向量的叉乘符号。

由式(10)可知，在实际系统中，若转子电流能跟踪上转子电流指令，转子电流向量将与定子磁链向量相互平行，进而，电磁转矩将等于零。因此，动态电感模拟控制方法可有效抑制电网故障期间的电磁转矩脉动，延长了齿轮箱的寿命。

本发明还提供了一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法，其原理框图如图3所示，包含以下各步骤：

(1)获取双馈电机的电机参数，如：定子自感L_s、定转子互感L_m、定子电阻R_s和转子自感L_r；

(2)通过电压互感器、电流互感器来获得双馈电机的定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc和转子三相电流I_rabc；

(3)通过编码器来获取双馈电机的转子机械角θ_r；

(4)使用锁相环方法来获取并网点电压的相位角θ_s；

(5)根据步骤(3)获得的转子机械角θ_r与步骤(4)中获得的并网点电压的相位角θ_s来计算获得转差角θ₂＝θ_s-θ_r，并将转差角θ₂进行微分来获得转差角频率ω₂；

(6)根据步骤(5)中的转差角θ₂，对上述步骤(2)中的转子三相电流I_rabc进行abc/dq坐标变换，来获得同步旋转坐标系下双馈电机的转子d轴电流i_rd、转子q轴电流i_rq；

(7)根据步骤(2)获得的定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc与步骤(1)获得的定子电阻R_s来计算获得定子磁链ψ_sabc＝∫(U_sabc-R_sI_sabc)dt；

(8)将步骤(7)获得的定子磁链ψ_sabc进行abc/dq坐标变换，来获得同步旋转坐标系下定子d轴磁链ψ_sd、定子q轴磁链ψ_sq；

(9)根据步骤(7)获得的定子磁链ψ_sabc与步骤(1)获得的定子自感L_s、定转子互感L_m、转子自感L_r来计算获得等效电感值式中，为漏感系数、e_r为转子感应电动势、I_rmax为转子侧变流器所允许的最大电流值、U_rmax为转子侧变流器最大输出电压；

(10)根据步骤(1)获得的定子自感L_s、定转子互感L_m与步骤(8)获得的定子d轴磁链ψ_sd、定子q轴磁链ψ_sq，以及步骤(9)获得等效电感值L_eq，来计算获得转子d轴电流指令和q轴电流指令其计算公式为：

(11)根据步骤(5)获得的转差角频率ω₂与步骤(6)获得的转子d轴电流i_rd、转子q轴电流i_rq来计算得到前馈补偿值V_rdc、V_rqc，其计算公式为：

(12)根据步骤(6)中的转子d轴电流i_rd、转子q轴电流i_rq分别与步骤(10)获得的转子d轴电流指令转子q轴电流指令相减来获得d轴误差信号i_ed、q轴误差信号i_eq，其计算公式为：

(13)通过比例积分控制器来对误差信号i_ed、i_eq进行闭环处理，得到转子电压控制量

(14)根据上述步骤(11)获得的前馈补偿值V_rdc、V_rqc以及步骤(13)获得的转子电压控制量来计算获得转子电压需求值其计算公式为：

(15)对步骤(14)获得的转子电压需求值进行空间矢量脉宽调制，来获得转子侧变流器三对开关管的开关信号S_a、S_b、S_c。

以下是本发明所述方法的一个实施例：

本发明以一台典型参数下的1.5MW双馈风电机组(系统参数见表1)为例，进行了仿真研究。仿真工况为：(1)故障发生前，电机运行于超同步工况，转差率为-0.2；(2)t＝0.2s，电网发生故障；(3)t＝0.3s，电网恢复。

表1 1.5MW DFIG仿真系统参数

仿真结果如下：

图4为电网发生三相对称80％故障、单相80％故障时，采用本发明所提控制方法时的仿真结果(横轴为时间，纵轴均以标幺值来表示)。由仿真结果可见，在不同的电网故障类型下，采用本发明所提控制方法均能有效抑制转子故障电流在2p.u.以内，并且等效电感根据实时工况来动态自适应调节取值，充分协调了转子电压、电流的约束，提高了双馈风电机组在故障期间的可控性，保证了故障期间双馈风电机组均处于最有利于低电压穿越状态。此外，电网故障及恢复期间，电磁转矩脉动均被有效抑制，可有效降低齿轮箱的应力冲击，延长机组寿命。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于，将所述双馈风电机组的转子侧变流器的等效端口阻抗模拟成纯电感，该纯电感L_eq的数值根据所述转子的电压、电流约束来实时动态自适应调节，来协调转子电压需求约束、转子故障电流约束；

该纯电感数值的计算公式为：式中，L_s为定子自感、L_m为定转子互感、L_r为转子自感、为漏感系数、ψ_s为定子磁链、为定子磁链向量的模长、e_r为转子感应电动势、为转子感应电动势向量的模长、I_{r max}为转子侧变流器所允许的最大电流值、U_{r max}为转子侧变流器最大输出电压。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述双馈风电机组在电网故障后所述转子d轴和q轴的电流指令给定为：其中，ψ_sd为定子磁链的d轴分量、ψ_sq为定子磁链的q轴分量。

3.一种基于电感模拟的双馈风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)获取所述双馈风电机组的电机参数，所述参数包括定子自感L_s、定转子互感L_m、定子电阻R_s和转子自感L_r；

(2)通过电压互感器、电流互感器来获得双馈风电机组的定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc和转子三相电流I_rabc；

(3)通过编码器来获取双馈风电机组的转子机械角θ_r；

(4)使用锁相环方法来获取并网点电压的相位角θ_s；

(5)根据步骤(3)获得的转子机械角θ_r与步骤(4)中获得的并网点电压的相位角θ_s来计算获得转差角θ₂＝θ_s-θ_r，并将转差角θ₂进行微分来获得转差角频率ω₂；

(6)根据步骤(5)中的转差角θ₂，对上述步骤(2)中的所述转子三相电流I_rabc进行abc/dq坐标变换，来获得同步旋转坐标系下所述双馈风电机组的转子d轴电流i_rd、转子q轴电流i_rq；

(7)根据步骤(2)获得的定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc与步骤(1)获得的定子电阻R_s来计算获得定子磁链ψ_sabc＝∫(U_sabc-R_sI_sabc)dt；

(8)将步骤(7)获得的定子磁链ψ_sabc进行abc/dq坐标变换，来获得同步旋转坐标系下定子d轴磁链ψ_sd、定子q轴磁链ψ_sq；

(9)根据步骤(7)获得的定子磁链ψ_sabc与步骤(1)获得的定子自感L_s、定转子互感L_m、转子自感L_r来计算获得纯电感值式中，为漏感系数、e_r为转子感应电动势、为转子感应电动势向量的模长、I_{r max}为转子侧变流器所允许的最大电流值、U_{r max}为转子侧变流器最大输出电压；

(10)据步骤(1)获得的所述定子自感L_s、所述定转子互感L_m与步骤(8)获得的所述定子d轴磁链ψ_sd、所述定子q轴磁链ψ_sq，以及步骤(9)获得的所述纯电感值L_eq，来计算获得转子d轴电流指令和q轴电流指令其计算公式为：

(11)根据步骤(5)获得的所述转差角频率ω₂与步骤(6)获得的所述转子d轴电流i_rd、所述转子q轴电流i_rq来计算得到前馈补偿值V_rdc、V_rqc，其计算公式为：

(12)根据步骤(6)获得的所述转子d轴电流i_rd、所述转子q轴电流i_rq分别与步骤(10)获得的所述转子d轴电流指令所述转子q轴电流指令相减来获得d轴误差信号i_ed、q轴误差信号i_eq，其计算公式为：

(13)通过比例积分控制器来对所述误差信号i_ed、i_eq进行闭环处理，得到转子电压控制量

(14)根据上述步骤(11)获得的所述前馈补偿值V_rdc、V_rqc以及步骤(13)获得的转子电压控制量来计算获得转子电压需求值其计算公式为：

(15)对步骤(14)获得的转子电压需求值进行空间矢量脉宽调制，来获得转子侧变流器三对开关管的开关信号S_a、S_b、S_c。