CN105958534A - 一种双馈风电系统不对称高电压故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风电系统不对称高电压故障穿越控制方法，本方法在电网电压不对称骤升故障下，分别对双馈风电系统串联网侧变换器、并联网侧变换器以及转子侧变换器进行控制。本方法实现了电网电压不对称骤升下双馈风电系统定子端电压维持不变并抑制定子磁链暂态直流分量、发电机定转子电压和电流平衡、系统总输出有功或无功功率无波动以及为电网电压不对称骤升故障电网提供动态无功支持的控制目标，保证了双馈风力发电系统的安全稳定运行并提高了系统所并电网的电能质量。

Description

一种双馈风电系统不对称高电压故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及双馈风电系统技术改进，特别是涉及该系统在电网电压发生不对称骤升故障时的故障穿越控制方法，属于电力控制技术领域。

背景技术

传统双馈风力发电系统中，由于并网变流器容量小且发电机定子绕组直接与电网相连，导致发电系统对电网的故障异常敏感。当电力系统发生单相或两相接地故障及负载突降等时均可能引起电网电压不对称骤升故障，电网电压不对称骤升故障期间，发电机定子电压将随电网电压升高，这可能损坏定子绕组的绝缘材料、降低定子绕组的绝缘水平；同时，故障时由磁链守恒引起的暂态过程将使发电机定子磁链出现暂态直流分量与负序分量，这将进一步导致发电机转子侧过电压并引起定、转子电压与电流的不平衡，进而使得发电机的电磁转矩及系统总输出功率产生较大程度的二倍频脉动，严重影响双馈风力发电系统的安全稳定运行及系统所并电网的电能质量。因此，电网电压不对称骤升故障对风电机组的影响及相应的不对称高电压故障穿越控制技术应得到充分关注。目前，针对电网电压不对称骤升下双馈风力发电系统的故障穿越运行已有一些解决方法，如已公开的下列文献：

(1)谢震，张兴，杨淑英，等.电网电压不对称骤升下双馈风力发电机改进控制策略[J].中国电机工程学报，2013,33(15):109-118.

(2)谢震，刘坤，张兴，等.双馈风力发电机在电网电压不对称骤升下无功功率优化控制[J].中国电工技术学报，2015,35(13):3211-3220.

文献(1)提出了电网电压不对称骤升时基于有源阻尼的双馈电机高电压穿越改进控制策略，有效抑制了定、转子侧负序电流及电磁转矩的振荡，并加快了故障过程中定子负序电流控制的响应时间，但所提改进控制策略未实现电网电压不对称骤升故障恢复时双馈风力发电系统对故障电网的无功支撑，同时也未考虑故障期间双馈风力发电系统总输出功率波动对所并电网稳定性的影响。

文献(2)在建立电网电压不对称骤升下双馈风力发电机的数学模型基础上，对转子侧变流器正、负序无功电流的分配问题进行了分析，并提出了一种柔性的正、负序电压闭环的无功优化控制策略。但所提控制策略并未考虑变流器容量及直流母线电压输出交流电电压能力对双馈风力发电机定子侧正、负序无功电流最大输出能力的限制。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种电网电压不对称骤升下双馈风电系统实现故障穿越运行的方法，该方法在保证双馈风力发电系统安全稳定运行的同时亦实现了对故障电网提供最大程度的动态无功支撑，并进一步抑制系统总输出有功或无功功率的二倍频波动以提高双馈风电系统所并电网的电能质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种双馈风电系统不对称高电压故障穿越控制方法，本方法涉及电网电压不对称骤升故障下对双馈风电系统串联网侧变换器、并联网侧变换器以及转子侧变换器的控制，各变换器的控制方法分别为：

A)串联网侧变换器的控制方法为：

A1)利用电压传感器采集电网三相电压u_gabc、双馈感应发电机定子三相电压u_sabc及直流母线电压U_dc的信号；

A2)利用电流传感器采集双馈感应发电机定子三相电流i_sabc的信号；

A3)利用锁相功能部件取得u_gabc的电网正序电压电角度θ_g和同步电角速度ω_s；

A4)将步骤A1)采集到的u_sabc及步骤A2)采集到的i_sabc分别经静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换，得静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号u_sαβ和电流信号i_sαβ；

A5)采用电网正序电压d轴定向方式，将步骤A3)所得θ_g和步骤A4)所得u_sαβ经过静止两相αβ坐标轴系到正向及反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换，得到定子电压在正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的d、q轴分量，即：u_sdp、u_sqp、u_sdn、u_sqn；

A6)将步骤A4)所得u_sαβ、i_sαβ经磁链观测器得定子磁链暂态直流分量在静止两相αβ坐标轴系下的α、β轴分量，即：ψ_sαDC、ψ_sβDC；

A7)串联网侧变换器采用电压闭环来实现对定子电压正序、负序分量及定子磁链暂态直流分量的控制，在电网正序电压定向方式下串联网侧变换器对各分量的控制电压方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{scdp}=\[K_{p1}({\mathrm{\τ}}_{i1}s+1){\mathrm{\τ}}_{i1}s\](U_m-u_{sdp})\\ u_{scqp}=\[K_{p1}({\mathrm{\τ}}_{i1}s+1){\mathrm{\τ}}_{i1}s\](0-u_{sqp})\\ u_{scdm}=\[K_{p2}({\mathrm{\τ}}_{i2}s+1){\mathrm{\τ}}_{i2}s\](0-u_{sdn})\\ u_{scqn}=\[K_{p2}({\mathrm{\τ}}_{i2}s+1){\mathrm{\τ}}_{i2}s\](0-u_{sqn})\\ u_{sc\mathrm{\α}\mathrm{\ψ}}=\[K_{p3}({\mathrm{\τ}}_{i3}s+1){\mathrm{\τ}}_{i3}s\](0-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}DC})\\ u_{sc\mathrm{\β}\mathrm{\ψ}}=\[K_{p3}({\mathrm{\τ}}_{i3}s+1){\mathrm{\τ}}_{i3}s\](0-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}DC})\end{array}\right.$

其中，u_scdp、u_scqp及u_scdn、u_scqn分别为电网正序电压定向方式下串联网侧变换器对定子电压正序及负序分量的控制电压d、q轴分量，u_scαψ、u_scβψ分别为串联网侧变换器对定子磁链暂态直流分量的控制电压α、β轴分量，K_p1、K_p2、K_p3和τ_i1、τ_i2、τ_i3分别为PI控制器的比例系数和积分时间常数；U_m为正常运行时定子电压矢量的幅值；

A8)将步骤A3)所得θ_g和步骤A7)所得u_scdp、u_scqp和u_scdn、u_scqn经正向和反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换，得到静止两相αβ坐标轴系下串联网侧变换器对定子电压正、负序分量的控制电压，即u_scαp、u_scβp和u_scαn、u_scβn；

A9)将步骤A7)所得u_scαψ、u_scβψ加上步骤A8)所得u_scαp、u_scβp和u_scαn、u_scβn构成静止两相αβ坐标轴系下串联网侧变换器的控制电压u_scα、u_scβ，即：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sc\mathrm{\α}}=u_{sc\mathrm{\α}p}+u_{sc\mathrm{\α}n}+u_{sc\mathrm{\α}\mathrm{\ψ}}\\ u_{sc\mathrm{\β}}=u_{sc\mathrm{\β}p}+u_{sc\mathrm{\β}n}+u_{sc\mathrm{\β}\mathrm{\ψ}}\end{array}\right.$

A10)将步骤A9)所得u_scα、u_scβ和步骤A1)所得U_dc经空间矢量脉宽调制产生串联网侧变换器的PWM驱动信号；

B)并联网侧变换器的控制方法为：

B1)利用电流传感器采集并联网侧变换器的三相进线电流信号i_gabc；

B2)将步骤A1)采集到的u_gabc及步骤B1)采集到的i_gabc经静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换，得静止两相αβ坐标轴系下电网电压u_gαβ、并联网侧变换器的进线电流i_gαβ；

B3)采用电网正序电压d轴定向，将步骤A3)所得θ_g、步骤A4)所得i_sαβ及步骤B2)所得u_gαβ、i_gαβ经静止两相αβ坐标轴系到正向及反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换，得双馈感应发电机定子电流、电网电压及并联网侧变换器进线电流在电网正序电压定向的正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的d、q轴分量，即：i_sdqp、u_gdqp、u_gdqn、i_gdqp、i_gdqn；

B4)直流母线电压给定值设定为将步骤A1)所得U_dc与的差值经PI调节器进行调节，得流经并联网侧变换器的平均有功功率给定值即：

$P_{g\_av}^{*}=\[K_{pu}({\mathrm{\τ}}_{iu}s+1)/{\mathrm{\τ}}_{iu}s\](U_{dc}^{*}-U_{dc})\·U_{dc}^{*}$

其中，K_pu和τ_iu分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数；

B5)将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn及i_sdqp送入串联网侧变换器功率计算模块，得串联网侧变换器有功功率二倍频脉动分量，即：P_{sc_cos2}、P_{sc_sin2}；

B6)并联网侧变换器无功功率给定值设定为将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn、步骤B4)所得步骤B5)所得P_{sc_cos2}、P_{sc_sin2}及经并联网侧变换器电流参考值计算模块计算，得并联网侧变换器的参考电流指令值，即：

B7)将步骤B3)所得i_gdqp、i_gdqn与步骤B6)所得的差值经PI调节器进行调节得到

B8)将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn及步骤B7)所得分别加上d、q轴控制电压的补偿分量得到并联网侧变换器的电网正序电压定向的正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的控制电压u_gdqp、u_gdqn；

B9)将步骤A3)所得θ_g和步骤B8)所得u_gdqp、u_gdqn经正向及反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换后求和，得静止两相αβ坐标轴系下并联网侧变换器的控制电压u_gαβ；

B10)将步骤B9)所得u_gαβ和步骤A1)所得U_dc经空间矢量脉宽调制，得并联网侧变换器的PWM驱动信号；

C)转子侧变换器的控制方法为：

转子侧变换器采用传统矢量控制策略，其控制电压和直流母线电压U_dc通过空间矢量脉宽调制产生转子侧变换器的PWM驱动信号；其功率外环的有功功率给定值P_max根据并联网侧变换器最大输出负序电流能力适当调整，其电流环的无功电流给定值i_rqmax经转子侧变换器无功电流给定值计算模块计算得到。

步骤C)中转子侧变换器电流环的无功电流给定值计算方法如下式：

$i_{rqmax}=\min \{\frac{P_p{L}_s}{{\mathrm{sU}}_m{L}_m},\sqrt{(i_{rmax}^2-i_{rd}^2)}\}$

其中，P_p为PGSC容量，s为双馈风力发电机转差率，L_s、L_m分别为发电机定子绕组的自感及定转子绕组的互感，i_rmax为发电机转子所允许的三相电流合成矢量最大幅值，i_rd为发电机定子侧采用定子正序电压定向的正向同步角速度旋转坐标轴系下定子电流的d轴分量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本方法实现了电网电压不对称骤升下双馈风电系统定子端电压维持不变并抑制定子磁链暂态直流分量、发电机定转子电压和电流平衡、系统总输出有功或无功功率无波动以及为电网电压不对称骤升故障电网提供动态无功支持的控制目标，保证了双馈风力发电系统的安全稳定运行并提高了系统所并电网的电能质量。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为电网电压单相骤升至1.2倍额定电网电压时双馈风电系统采用传统控制策略的仿真波形图。其中，(a)为电网电压波形，(b)为发电机定子端电压波形，(c)为转子绕组端电压波形，(d)为直流母线电压波形，(e)为发电机定子电流波形，(f)为转子电流波形，(g)为发电机电磁转矩波形，(h)为发电机定子侧有功与无功功率波形，(i)为并联网侧变换器有功与无功功率波形，(j)为双馈风力发电系统总输出有功与无功功率波形。

图3为电网电压单相骤升至1.2倍额定电网电压基于串联网侧变换器的双馈风电系统采用本控制方法的仿真波形图。图3中(a)-(j)各波形的物理量与图2一一对应。

图4为电网电压单相骤升至1.3倍额定电网电压基于串联网侧变换器的双馈风电系统采用本控制方法的仿真波形图。图4中(a)-(j)各波形的物理量与图2一一对应。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明双馈风电系统不对称高电压故障穿越控制方法，它包括的控制对象有：直流链电容1，转子侧变换器2，并联网侧变换器3，空间矢量脉宽调制模块4，双馈感应风力发电机5，串联网侧变换器6，电流传感器7，电压传感器8，速度传感器9，锁相环(PLL)10，转子侧变换器无功电流给定值计算模块11，并联网侧变换器电流参考值计算模块12，串联网侧变换器功率计算模块13，正向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块14，反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块15，静止abc三相坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块16，静止两相αβ坐标轴系到正向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块17，静止两相αβ坐标轴系到反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块18，磁链观测器模块19。

本发明具体实施步骤如下：

A)串联网侧变换器的控制方法为：

A1)利用电压传感器8采集电网三相电压u_gabc、双馈感应发电机定子三相电压u_sabc及直流母线电压U_dc的信号；

A2)利用电流传感器7采集双馈感应发电机定子三相电流i_sabc的信号；

A3)将步骤A1采集到的u_gabc经过数字锁相环(PLL)10，得到电网正序电压的电角度θ_g和同步电角速度ω_s；

A4)将步骤A1采集到的u_sabc及步骤A2)采集到的i_sabc经静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换模块16，得到静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号，即u_sαβ、i_sαβ；

A5)采用电网电压d轴定向方式，将步骤A3所得θ_g和步骤A4所得u_sαβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块17及静止两相αβ坐标轴系到反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块18，得到定子电压在正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的d、q分量，即：u_sdp、u_sqp、u_sdn、u_sqn；

A6)将步骤A4所得u_sαβ、i_sαβ经磁链观测器模块19得定子磁链暂态直流分量在静止两相αβ坐标轴系下的α、β轴分量，即：ψ_sαDC、ψ_sβDC；

A7)串联网侧变换器6采用电压闭环来实现对定子电压正序、负序分量及定子磁链暂态直流分量的控制，参见图1，在电网正序电压定向方式下串联网侧变换器对各分量的控制电压方程分别如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{scdp}=\[K_{p1}({\mathrm{\τ}}_{i1}s+1){\mathrm{\τ}}_{i1}s\](U_m-u_{sdp})\\ u_{scqp}=\[K_{p1}({\mathrm{\τ}}_{i1}s+1){\mathrm{\τ}}_{i1}s\](0-u_{sqp})\\ u_{scdm}=\[K_{p2}({\mathrm{\τ}}_{i2}s+1){\mathrm{\τ}}_{i2}s\](0-u_{sdn})\\ u_{scqn}=\[K_{p2}({\mathrm{\τ}}_{i2}s+1){\mathrm{\τ}}_{i2}s\](0-u_{sqn})\\ u_{sc\mathrm{\α}\mathrm{\ψ}}=\[K_{p3}({\mathrm{\τ}}_{i3}s+1){\mathrm{\τ}}_{i3}s\](0-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}DC})\\ u_{sc\mathrm{\β}\mathrm{\ψ}}=\[K_{p3}({\mathrm{\τ}}_{i3}s+1){\mathrm{\τ}}_{i3}s\](0-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}DC})\end{array}\right.$

其中，u_scdp、u_scqp和u_scdn、u_scqn分别为以电网正序电压定向方式下串联网侧变换器对定子电压正序及负序分量的控制电压d、q轴分量，u_scαψ、u_scβψ分别为串联网侧变换器对定子磁链暂态直流分量的控制电压α、β轴分量，K_p1、K_p2、K_p3和τ_i1、τ_i2、τ_i3分别为PI控制器的比例系数和积分时间常数；U_m为正常运行时定子电压矢量的幅值。

A8)将步骤A3所得θ_g和步骤A7所得u_scdp、u_scqp和u_scdn、u_scqn经正向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块14及反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块15，得到静止两相αβ坐标轴系下串联网侧变换器对定子电压正、负序分量的控制电压，即u_scαp、u_scβp和u_scαn、u_scβn；

A9)将步骤A7所得u_scαψ、u_scβψ加上步骤A8所得u_scαp、u_scβp和u_scαn、u_scβn构成静止两相αβ坐标轴系下串联网侧变换器的控制电压u_scα、u_scβ，参见图1，即：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sc\mathrm{\α}}=u_{sc\mathrm{\α}p}+u_{sc\mathrm{\α}n}+u_{sc\mathrm{\α}\mathrm{\ψ}}\\ u_{sc\mathrm{\β}}=u_{sc\mathrm{\β}p}+u_{sc\mathrm{\β}n}+u_{sc\mathrm{\β}\mathrm{\ψ}}\end{array}\right.$

A10)将步骤A9所得u_scα、u_scβ和步骤A1所得U_dc经空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块4产生串联网侧变换器的PWM驱动信号。

B)并联网侧变换器的控制步骤为：

B1)利用电流传感器7采集并联网侧变换器3的三相进线电流信号i_gabc；

B2)将步骤A1)采集到的u_gabc及步骤B1)采集到的i_gabc经静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块16，得到静止两相αβ坐标轴系下电网电压u_gαβ、并联网侧变换器的进线电流i_gαβ；

B3)采用电网正序电压d轴定向，将步骤A3)所得θ_g、步骤A4)所得i_sαβ及步骤B2)所得u_gαβ、i_gαβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块17及静止两相αβ坐标轴系到反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块18，得到双馈感应发电机定子电流、电网电压及并联网侧变换器进线电流在电网正序电压定向的正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的d、q轴分量，即：i_sdqp、u_gdqp、u_gdqn、i_gdqp、i_gdqn；

B4)直流母线电压给定值设定为将步骤A1)所得U_dc与的差值经PI调节器进行调节，得流经并联网侧变换器的平均有功功率给定值参见附图1，即：

$P_{g\_av}^{*}=\[K_{pu}({\mathrm{\τ}}_{iu}s+1)/{\mathrm{\τ}}_{iu}s\](U_{dc}^{*}-U_{dc})\·U_{dc}^{*}$

其中，K_pu和τ_iu分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数；

B5)将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn及i_sdqp送入串联网侧变换器功率计算模块13，得串联网侧变换器有功功率二倍频脉动分量，即：P_{sc_cos2}、P_{sc_sin2}；

B6)并联网侧变换器无功功率给定值设定为将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn、步骤B4)所得步骤B5)所得P_{sc_cos2}、P_{sc_sin2}及经并联网侧变换器电流参考值计算模块12，得到并联网侧变换器的参考电流指令值，即：

B7)将步骤B3)所得i_gdqp、i_gdqn与步骤B6所得的差值经PI调节器进行调节得

B8)将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn及B7)所得分别加上d、q轴控制电压的补偿分量，参见附图1，得到并联网侧变换器在电网正序电压定向的正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的控制电压u_gdqp、u_gdqn；

B9)将步骤A3)所得θ_g和步骤B8)所得u_gdqp、u_gdqn经正向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块14及反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模15并相加，参见附图1，得到静止两相αβ坐标轴系下并联网侧变换器的控制电压u_gαβ；

B10)将步骤B9)所得u_gαβ和步骤A1)所得U_dc经空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块4，得并联网侧变换器的PWM驱动信号。

C)转子侧变换器的控制方法为：

转子侧变换器采用传统矢量控制策略，其控制电压和直流母线电压U_dc通过空间矢量脉宽调制产生转子侧变换器的PWM驱动信号；其功率外环的有功功率给定值P_max根据并联网侧变换器最大输出负序电流能力适当调整，其电流环的无功电流给定值i_rqmax经转子侧变换器无功电流给定值计算模块11计算得到。

转子侧变换器采用传统的功率、电流双闭环矢量控制，其中，功率外环给定值为发电机定子侧可输出的有功、无功功率值，根据双馈感应发电机在正向同步角速度旋转坐标轴系下的数学模型，将功率外环经PI调节器调节后的输出值分别作为发电机转子电流的q、d轴分量的给定值，经电流内环调节器调节并根据发电机的转子回路方程对控制电压进行补偿，即可得到实现定子侧输出有功、无功功率解耦控制的转子侧变换器的控制电压。该方法中，设置故障期间发电机定子侧输出的有功功率P_max根据并联网侧变换器最大输出负序电流能力适当调整，当并联网侧变换器输出负序电流超出其最大输出负序电流能力时，发电机定子侧输出有功功率P_max应适当减小，反之则维持故障期间定子侧输出有功功率为非故障期间的数值。

转子侧变换器电流环的无功电流给定值根据并联网侧变换器变流容量及转子绕组绝缘限制选定为可输出的最大无功电流值，计算方法如下式：

$i_{rqmax}=\min \{\frac{P_p{L}_s}{{\mathrm{sU}}_m{L}_m},\sqrt{(i_{rmax}^2-i_{rd}^2)}\}$

其中，P_p为PGSC容量，s为双馈风力发电机转差率，L_s、L_m分别为发电机定子绕组自感及定转子绕组，i_rmax为发电机转子所允许的三相电流合成矢量的最大幅值，i_rd为发电机定子侧采用定子正序电压定向的正向同步角速度旋转坐标轴系下定子电流的d轴分量。

通过对比图2、图3可知，本发明在电网单相电压骤升至1.2倍额定电网电压时实现了双馈风电系统定子端电压维持不变并抑制定子磁链暂态直流分量、发电机转子电压与电流平衡及系统总输出有功或无功功率无波动控制目标的同时，还向故障电网提供最大程度的动态无功支撑控制目标，有效增强了系统的故障穿越能力及所并电网的运行稳定性。通过对比图3、图4可知，本发明在电网单相电压骤升至1.3倍额定电网电压时通过在并联网侧变换器实现系统总输出有功或无功功率无波动所需负序电流大于其输出最大负序电流能力情况下适当减小发电机定子侧输出有功功率后仍可实现电网单相电压骤升至1.2倍额定电网电压下全部控制目标。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种双馈风电系统不对称高电压故障穿越控制方法，其特征在于，本方法涉及电网电压不对称骤升故障下对双馈风电系统串联网侧变换器、并联网侧变换器以及转子侧变换器的控制，各变换器的控制方法分别为：

A)串联网侧变换器的控制方法为：

A1)利用电压传感器采集电网三相电压u_gabc、双馈感应发电机定子三相电压u_sabc及直流母线电压U_dc的信号；

A2)利用电流传感器采集双馈感应发电机定子三相电流i_sabc的信号；

A3)利用锁相功能部件取得u_gabc的电网正序电压电角度θ_g和同步电角速度ω_s；

A4)将步骤A1)采集到的u_sabc及步骤A2)采集到的i_sabc分别经静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换，得静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号u_sαβ和电流信号i_sαβ；

A5)采用电网正序电压d轴定向方式，将步骤A3)所得θ_g和步骤A4)所得u_sαβ经过静止两相αβ坐标轴系到正向及反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换，得到定子电压在正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的d、q轴分量，即：u_sdp、u_sqp、u_sdn、u_sqn；

A6)将步骤A4)所得u_sαβ、i_sαβ经磁链观测器得定子磁链暂态直流分量在静止两相αβ坐标轴系下的α、β轴分量，即：ψ_sαDC、ψ_sβDC；

A7)串联网侧变换器采用电压闭环来实现对定子电压正序、负序分量及定子磁链暂态直流分量的控制，在电网正序电压定向方式下串联网侧变换器对各分量的控制电压方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{scdp}=\[K_{p1}\left({\mathrm{\τ}}_{i1}s+1\right){\mathrm{\τ}}_{i1}s\]\left(U_m-u_{sdp}\right)\\ u_{scqp}=\[K_{p1}\left({\mathrm{\τ}}_{i1}s+1\right){\mathrm{\τ}}_{i1}s\]\left(0-u_{sqp}\right)\\ u_{scdn}=\[K_{p2}\left({\mathrm{\τ}}_{i2}s+1\right){\mathrm{\τ}}_{i2}s\]\left(0-u_{sdn}\right)\\ u_{scqn}=\[K_{p2}\left({\mathrm{\τ}}_{i2}s+1\right){\mathrm{\τ}}_{i2}s\]\left(0-u_{sqn}\right)\\ u_{sc\mathrm{\α}\mathrm{\ψ}}=\[K_{p3}\left({\mathrm{\τ}}_{i3}s+1\right){\mathrm{\τ}}_{i3}s\]\left(0-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}DC}\right)\\ u_{sc\mathrm{\β}\mathrm{\ψ}}=\[K_{p3}\left({\mathrm{\τ}}_{i3}s+1\right){\mathrm{\τ}}_{i3}s\]\left(0-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}DC}\right)\end{array}\right.$

其中，u_scdp、u_scqp及u_scdn、u_scqn分别为电网正序电压定向方式下串联网侧变换器对定子电压正序及负序分量的控制电压d、q轴分量，u_scαψ、u_scβψ分别为串联网侧变换器对定子磁链暂态直流分量的控制电压α、β轴分量，K_p1、K_p2、K_p3和τ_i1、τ_i2、τ_i3分别为PI控制器的比例系数和积分时间常数；U_m为正常运行时定子电压矢量的幅值；

A8)将步骤A3)所得θ_g和步骤A7)所得u_scdp、u_scqp和u_scdn、u_scqn经正向和反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换，得到静止两相αβ坐标轴系下串联网侧变换器对定子电压正、负序分量的控制电压，即u_scαp、u_scβp和u_scαn、u_scβn；

A9)将步骤A7)所得u_scαψ、u_scβψ加上步骤A8)所得u_scαp、u_scβp和u_scαn、u_scβn构成静止两相αβ坐标轴系下串联网侧变换器的控制电压u_scα、u_scβ，即：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sc\mathrm{\α}}=u_{sc\mathrm{\α}p}+u_{sc\mathrm{\α}n}+u_{sc\mathrm{\α}\mathrm{\ψ}}\\ u_{sc\mathrm{\β}}=u_{sc\mathrm{\β}p}+u_{sc\mathrm{\β}n}+u_{sc\mathrm{\β}\mathrm{\ψ}}\end{array}\right.$

A10)将步骤A9)所得u_scα、u_scβ和步骤A1)所得U_dc经空间矢量脉宽调制产生串联网侧变换器的PWM驱动信号；

B)并联网侧变换器的控制方法为：

B1)利用电流传感器采集并联网侧变换器的三相进线电流信号i_gabc；

B2)将步骤A1)采集到的u_gabc及步骤B1)采集到的i_gabc经静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换，得静止两相αβ坐标轴系下电网电压u_gαβ、并联网侧变换器的进线电流i_gαβ；

B3)采用电网正序电压d轴定向，将步骤A3)所得θ_g、步骤A4)所得i_sαβ及步骤B2)所得u_gαβ、i_gαβ经静止两相αβ坐标轴系到正向及反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换，得双馈感应发电机定子电流、电网电压及并联网侧变换器进线电流在电网正序电压定向的正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的d、q轴分量，即：i_sdqp、u_gdqp、u_gdqn、i_gdqp、i_gdqn；

B4)直流母线电压给定值设定为将步骤A1)所得U_dc与的差值经PI调节器进行调节，得流经并联网侧变换器的平均有功功率给定值即：

$P_{g\_av}^{*}=\[K_{pu}({\mathrm{\τ}}_{iu}s+1)/{\mathrm{\τ}}_{iu}s\](U_{dc}^{*}-U_{dc})\·U_{dc}^{*}$

其中，K_pu和τ_iu分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数；

B5)将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn及i_sdqp送入串联网侧变换器功率计算模块，得串联网侧变换器有功功率二倍频脉动分量，即：P_{sc_cos2}、P_{sc_sin2}；

B6)并联网侧变换器无功功率给定值设定为将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn、步骤B4)所得步骤B5)所得P_{sc_cos2}、P_{sc_sin2}及经并联网侧变换器电流参考值计算模块计算，得并联网侧变换器的参考电流指令值，即：

B7)将步骤B3)所得i_gdqp、i_gdqn与步骤B6)所得的差值经PI调节器进行调节得到

B8)将步骤B3)所得u_gdqp、u_gdqn及步骤B7)所得分别加上d、q轴控制电压的补偿分量得到并联网侧变换器的电网正序电压定向的正向及反向同步角速度旋转坐标轴系下的控制电压u_gdqp、u_gdqn；

B9)将步骤A3)所得θ_g和步骤B8)所得u_gdqp、u_gdqn经正向及反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换后求和，得静止两相αβ坐标轴系下并联网侧变换器的控制电压u_gαβ；

B10)将步骤B9)所得u_gαβ和步骤A1)所得U_dc经空间矢量脉宽调制，得并联网侧变换器的PWM驱动信号；

C)转子侧变换器的控制方法为：

转子侧变换器采用传统矢量控制策略，其控制电压和直流母线电压U_dc通过空间矢量脉宽调制产生转子侧变换器的PWM驱动信号；其功率外环的有功功率给定值P_max根据并联网侧变换器最大输出负序电流能力适当调整，其电流环的无功电流给定值i_rqmax经转子侧变换器无功电流给定值计算模块计算得到。

2.根据权利要求1所述的双馈风电系统不对称高电压故障穿越控制方法，其特征在于，步骤C)中转子侧变换器电流环的无功电流给定值计算方法如下式：

$i_{rqmax}=\min \{\frac{P_p{L}_s}{{\mathrm{sU}}_m{L}_m},\sqrt{(i_{rmax}^2-i_{rd}^2)}\}$

其中，P_p为PGSC容量，s为双馈风力发电机转差率，L_s、L_m分别为发电机定子绕组的自感及定转子绕组的互感，i_rmax为发电机转子所允许的三相电流合成矢量最大幅值，i_rd为发电机定子侧采用定子正序电压定向的正向同步角速度旋转坐标轴系下定子电流的d轴分量。