CN105790296A - 一种双馈式风力发电机高电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，该方法包括：检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况；当检测到电网电压骤升时，将一电阻串联于所述双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间；其中，电阻的阻值按照如下方法确定：确定所述电阻的阻值约束条件；采用下降型隶属函数作为模糊限制集；根据所述电阻的阻值约束条件，确定目标函数，并将所述目标函数模糊化，得到模糊目标函数；利用迭代法求解所述模糊目标函数。本发明通过在转子侧串联电阻的方式协助双馈风力发电机实现高电压穿越，并给出串联的电阻阻值的最优解问题，达到了既能保证转子侧变流器和网侧变流器的安全，又能最大程度地抑制转子电流的目的。

Description

一种双馈式风力发电机高电压穿越方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种双馈式风力发电机高电压穿越方法。

背景技术

双馈感应风力发电机作为目前主流风电机型之一，具有变流器容量小、有功功率和无功功率独立解耦控制等优点，但由于双馈感应风力发电机定子直接与电网连接，电网波动将直接影响风机运行。因此当电网电压骤升时，双馈电机转子侧将感应出一个较大的电压、电流威胁转子变流器的安全甚至造成风电系统瘫痪，进而形成系统保护性切机，给风电系统高电压穿越带来困难。目前对于该问题，就MW级双馈风力发电机而言，在双馈风力发电机转子侧串联一个适当的电阻可以有效抑制转子电流的激增和减小转子电流的振荡时间。

从理论上分析，为减少故障期间转子侧变流器过电流，串联的电阻阻值应尽可能大，但过大的电阻会导致转子侧变流器两端电压升高，导致直流侧电容电压过高，出现所谓的直流母线“箝位效应”而危害网侧变流器安全。

因此只有选取合适阻值的电阻串联于双馈风力发电机的转子侧，才能达到既能保证转子侧变流器和网侧变流器的安全，又能最大程度地抑制转子电流，顺利实现高电压穿越。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，以解决在保证转子侧变流器和网侧变流器安全的情况下，双馈风力发电机顺利实现高电压穿越的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，包括：

检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况；

当检测到电网电压骤升时，将一电阻串联于所述双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间以抑制转子电流激增和减小转子电流的振荡时间；

其中，所述电阻的阻值按照如下方法确定：

在保证电网电压骤升时转子侧变流器和网侧变流器安全的情况下，确定所述电阻的阻值约束条件；

采用下降型隶属函数作为模糊限制集；

根据所述电阻的阻值约束条件，确定目标函数，并将所述目标函数模糊化，得到模糊目标函数；

利用迭代法求解所述模糊目标函数。

借助于上述技术方案，本发明通过在转子侧串联电阻的方式协助双馈风力发电机实现高电压穿越，并给出了这种情况下串联的电阻阻值的最优解问题，达到了既能保证转子侧变流器和网侧变流器的安全，又能最大程度地抑制转子电流，顺利实现高电压穿越的目的。本发明可用于对高电压穿越过程中抑制转子电流激增的同时，保护变流器安全，尤其对制定高电压穿越硬件保护控制策略具有重要指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的附图。

图1是本发明提供的双馈式风力发电机高电压穿越方法流程示意图；

图2是本发明提供的将电阻串联于双馈感应风力发电机转子侧的结构示意图；

图3是本发明提供的电阻的阻值确定方法；

图4是本发明提供的模糊优化问题的迭代求解过程。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S1，检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况。

步骤S2，当检测到电网电压骤升时，将一电阻串联于所述双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间以抑制转子电流激增和减小转子电流的振荡时间。

如图2所示，电阻R串联在双馈感应风力发电机转子与转子变流器之间，当双馈感应风力发电机正常运行时，旁路开关闭合，将电阻R短路，不影响风机正常运行；当电网电压骤升时，断开旁路开关，即投入电阻R，使其参与到风机的运行中。相比于现有技术，本发明可以有效抑制高电压穿越时转子侧电流的激增和振荡，保护转子侧变流器的安全运行，提高了双馈式风力发电机的高电压穿越能力，有利于电网稳定运行。

本发明综合考虑转子侧变流器和网侧变流器安全，利用对称模糊优化模型对串联电阻阻值进行优化，使其在保证变流器安全的前提下，最大限度地抑制转子电流的突增。

模糊优化问题可以分为对称和非对称两种类型。1970年Bellman和Zadeh提出了对称模糊优化数学模型，为存在较多模糊因素的多目标优化设计、生产管理、调配等领域的线性规划提供了有效的解决途径。对称模糊优化模型将给出模糊优化问题的一个特定的清晰解。在模糊判决中提取这个清晰解的准则是：目标和所有的约束在优化问题中是同等重要的，因而在模糊目标集与模糊约束集的交集(交模糊判决)中存在一个点，它同时使目标和约束得到最大程度的满足。

如图3所示，本发明中，串联于转子侧的电阻的阻值按照如下方法确定：

步骤S31，在保证电网电压骤升时转子侧变流器和网侧变流器安全的情况下，确定所述电阻的阻值约束条件；

步骤S32，采用下降型隶属函数作为模糊限制集；

步骤S33，根据所述电阻的阻值约束条件，确定目标函数，并将所述目标函数模糊化，得到模糊目标函数；

步骤S34，利用迭代法求解所述模糊目标函数。

下面详细说明图3所示的电阻阻值确定方法：

1、确定所述电阻的阻值约束条件

考虑转子侧变流器和网侧变流器安全，串联电阻阻值优化应满足以下约束：

1)转子侧变流器安全

设R_rc为串联电阻，U_rmax为故障期间转子侧变流器最大电压，则应满足：

U_rmax＝I_rmaxR_rc(公式1)

2)网侧变流器安全

为防止网侧变流器直流母线过电压导致“箝位效应”，转子侧电压与网侧电压限值U_g应满足：

U_rmax<U_g(公式2)

由公式(1)、公式(2)可得串联电阻阻值约束条件：

R_rc＝U_g/I_rmax(公式3)

由于变流器的耐压能力有限，直流母线电压一般不允许超过额定电压的1--1.5倍，则应满足：

U_dc＝βU_g(公式4)

其中，U_dc为直流母线电压；β为安全裕量系数，1≤β≤1.5。

将公式(4)代入公式(3)可得串联电阻阻值约束式：

f(R_rc)＝U_dc/(βI_rmax)(公式5)

将公式(5)约束关系转化为下降型的隶属函数。当β<1时，计算的串联电阻阻值满意度μ(R_rc)为1；当1≤β≤1.5时，满意度μ(R_rc)从1下降到0。

$\mathrm{\&mu;}\left(R_{\mathrm{rc}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\&le;R_{\mathrm{rc}}\&le;b_i\\ (b_u-R_{\mathrm{rc}})/(b_u-b_i),& b_i\&le;R_{\mathrm{rc}}\&le;b_u\\ 0,& R_{\mathrm{rc}}>b_u\end{array}\right.$ (公式6)

(3)串联电阻阻值的目标函数模糊化及求解

将公式(5)转化为在[0,1]区间的模糊目标函数。根据转子电流I_r及安全裕量系数β估算出约束条件上界M和下界m，则构造模糊目标函数的形式为，

${\mathrm{\&mu;}}_f\left(R_{\mathrm{rc}}\right)=\frac{M-f\left(R_{\mathrm{rc}}\right)}{M-m}$ (公式7)

式中μ_f(R_rc)为最优解的隶属度。

对称模糊优化的具体算法如下。

设在可行论域U上，串联电阻阻值模糊约束C的λ水平截集为：

C_λ＝{R,μ_C(R)≥λ,R∈U}(公式8)

根据对称模糊优化的性质，要寻求既能最大限度达到目标、又能最大限度满足约束的交集，即寻求模糊目标μ_f(R_rc)和串联电阻阻值模糊约束C之间的交模糊最大值，可表示为：

$\max {\mathrm{\&mu;}}_D\left(R_{\mathrm{rc}}\right)=\underset{\mathrm{\&lambda;}\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right]}{\max }(\mathrm{\&lambda;}\&cap;\underset{x\&Element;C_{\mathrm{\&lambda;}}}{\max }{\mathrm{\&mu;}}_f\left(R_{\mathrm{rc}}\right))$ (公式9)

由于随λ水平截集C_λ的不同而变化，故可将视为λ的函数，令

(公式10)

将模糊优化问题转化为求最优λ^*的问题。

${\mathrm{\&lambda;}}^{*}=\underset{x\&Element;C_{\mathrm{\&lambda;}}}{\max }{\mathrm{\&mu;}}_D\left(R_{\mathrm{rc}}\right)={\mathrm{\&mu;}}_f\left(R_{\mathrm{rc}}\right)$ (公式11)

利用迭代法对上述模糊优化进行求解，由公式(11)得，

$e^{\left(k\right)}={\mathrm{\&lambda;}}^{\left(k\right)}-\underset{x\&Element;{C_{\mathrm{\&lambda;}}}^{\left(k\right)}}{\max }{\mathrm{\&mu;}}_f\left(R_{\mathrm{rc}}\right)$ (公式12)

e^(k)逐渐趋于零的过程，即为模糊优化问题的迭代求解过程，具体程序计算流程如图4所示，包括：

步骤1、开始；

步骤2、输入数据λ^(k)，e；其中e为预先给定的收敛精度，常取10^-3～10^-6。

步骤3、输入k＝1；

步骤4、作水平截集 $C_{\mathrm{\&lambda;}}^{\left(k\right)}=\{R,{\mathrm{\&mu;}}_C\left(R\right)\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;},j=\mathrm{1,2},...J\};$

步骤5、计算maxμ_f(R_rc)、s.t.μ_C(R)≥λ,j＝1,2,…J；解得R_rc ^(k)，μ_f(R_rc ^(k))；

步骤6、计算e^(k)＝λ^(k)-μ_f(R_rc ^(k))；

步骤7、判断|e^(k)|≤δ是否成立，若是，则执行步骤8，否则执行步骤10；

步骤8、计算λ^(k+1)＝λ^(k)-α^(k)e^(k)；

步骤9、k自增1；返回步骤4；

步骤10、输出结果R_rc ^(k)；

步骤11、结束。

本发明通过在转子侧串联电阻的方式协助双馈风力发电机实现高电压穿越，并给出了这种情况下串联的电阻阻值的最优解问题，达到了既能保证转子侧变流器和网侧变流器的安全，又能最大程度地抑制转子电流，顺利实现高电压穿越的目的。本发明可用于对高电压穿越过程中抑制转子电流激增的同时，保护变流器安全，尤其对制定高电压穿越硬件保护控制策略具有重要指导意义。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，其特征在于，包括：

检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况；

当检测到电网电压骤升时，将一电阻串联于所述双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间以抑制转子电流激增和减小转子电流的振荡时间；

其中，所述电阻的阻值按照如下方法确定：

在保证电网电压骤升时转子侧变流器和网侧变流器安全的情况下，确定所述电阻的阻值约束条件；

采用下降型隶属函数作为模糊限制集；

根据所述电阻的阻值约束条件，确定目标函数，并将所述目标函数模糊化，得到模糊目标函数；

利用迭代法求解所述模糊目标函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述的在保证电网电压骤升时转子侧变流器和网侧变流器安全的情况下，确定所述电阻的阻值约束条件，具体采用如下公式：

U_rmax＝I_rmaxR_rc

U_rmax<U_g

R_rc＝U_g/I_rmax

U_dc＝βU_g

f(R_rc)＝U_dc/(βI_rmax)

其中，R_rc为所述电阻的阻值；U_g为网侧电压限值；U_rmax为转子侧变流器最大电压；I_rmax为转子侧变流器最大电流；U_dc为直流母线电压；β为安全裕量系数，1≤β≤1.5；

所述的根据所述电阻的阻值约束条件，确定目标函数，并将所述目标函数模糊化，得到模糊目标函数，具体采用如下公式：

${\mathrm{\&mu;}}_f\left(R_{\mathrm{rc}}\right)=\frac{M-f\left(R_{\mathrm{rc}}\right)}{M-m}$

其中，μ_f(R_rc)为最优解的隶属度；M、m分别为约束条件上界和下界。