CN106300371B - 一种绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，包括以下步骤：S1、电网电压幅值和跌落深度计算；S2、如果电网出现了跌落，则将发电机的控制策略从正常控制策略切换到低电压穿越控制策略；S3、实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流；如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的阈值，根据电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复；S4、对电网电压进行实时检测，判断电网故障是否消除；S5、将绕线式无刷双馈发电机的低电压穿越控制策略切换到正常的控制策略。本发明不需要额外增加硬件，可以增强发电机低电压穿越能力。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组的低电压穿越方法技术领域，尤其涉及一种绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法。
背景技术
在目前并网运行的风电机组中，有刷双馈型风电机组在1WM以上的风电机组中占据着主导地位，但是有刷双馈风力发电机(DFIG)存在以下三个方面的缺点：(1)结构上具有电刷、滑环，降低了系统可靠性低。(2)齿轮箱体积大，增加了系统成本。(3)电网电压扰动的适应能力很差。而无刷双馈风力发电机(BDFG)既可以克服和改进有刷双馈风力发电机的上述不，又具有与有刷双馈风力发电机相同的能够实现变速恒频、功率解耦控制以及变流器容量小仅为转差容量等优点。因此无刷双馈风力发电机具有非常好的应用前景，未来极有可能替代有刷双馈风力发电机，产生巨大的效益。
无刷双馈电机根据转子结构的不同可以分为鼠笼型、磁阻型和绕线式三种。其中新型绕线式无刷双馈电机磁势谐波含量低，输出电压更为正弦，性能具有更大优势。由于无刷双馈发电机的功率绕组和电网直接相连，因此电网故障引起的电网电压的跌落直接作用于无刷双馈发电机，会引起变流器过压过流、转速飞升、电磁转矩和功率的大幅振荡，因此，在电网电压跌落时，如果不采取适当的控制与保护措施，会造成无刷双馈风力发电机组的电气和机械部件的损坏。在风电场并网容量较小时，为了保护风电机组，当电网电压扰动带来的不良影响超出了无刷双馈风电机组的容许限值时，机组可以立刻脱网，不会影响电力系统的稳定运行。但是随着我国大规模风电的发展，风电所占比例越来越大，已成为我国第三大主力电源，因此大量风电机组的脱网会对电力系统的稳定运行造成严重的不良影响，出于电力系统自身安全和稳定的需要，电力系统对并网运行的风电机组提出了低电压穿越的要求。因此，无刷双馈风力发电机在电网故障条件下的低电压穿越方法是实现其并网运行必须解决的关键性问题。目前针对有刷双馈发电机的低电压穿越方法有很多的，然而由于无刷双馈风力发电机的电磁关系复杂、模型阶数高，目前针对无刷双馈风力发电机的低电压穿越方法几乎是空白，因此研究一种新型绕线式无刷双馈风力发电机组低电压穿越方法十分迫切。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中缺乏针对无刷双馈风力发电机的低电压穿越方法的缺陷，提供一种绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，包括以下步骤：
S1、电网电压幅值和跌落深度计算：对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值大于或等于电网电压幅值的给定，则表明电网电压正常，绕线式无刷双馈风力发电机按照正常的控制策略运行；
如果电网电压幅值小于电网电压幅值的给定，则表明电网出现了故障，电网电压出现了跌落，同时计算出电网电压跌落深度；
S2、如果电网出现了跌落，则将发电机的控制策略从正常控制策略切换到低电压穿越控制策略；
S3、实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的阈值进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的阈值，则执行步骤S2；
如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的阈值，根据电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复；
S4、对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值小于电网电压幅值的给定，则表明电网故障仍未消失，则执行步骤S3；
如果电网电压幅值大于或等于电网电压幅值的给定，则表明电网故障已经消失，电压恢复正常，则执行步骤S5；
S5、实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的阈值进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的阈值，则执行步骤S2；
如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的阈值，则将绕线式无刷双馈发电机的低电压穿越控制策略切换到正常的控制策略。
进一步地，本发明的步骤S2中低电压穿越控制策略具体为：
低电压穿越控制策略采用控制绕组电流环进行控制，实时检测无刷双馈发电机功率绕组电流和控制绕组电流，并将功率绕组电流和控制绕组电流进行坐标变换，变换到同步旋转坐标系下得到其dq分量，将功率绕组电流dq分量取反后作为控制绕组电流环指令，从而对控制绕组过电流进行抑制。
进一步地，本发明的功率绕组电流dq分量的计算公式为：
其中，ipa,ipb,ipc为功率绕组三相电流测量值，ipd,ipq同步旋转坐标系下功率绕组电流的dq分量,θp为功率绕组磁链角，由锁相环得到；
控制绕组电流dq分量的计算公式为：
ica,icb,icc为功率绕组三相电流测量值，icd,icq同步旋转坐标系下控制绕组电流的dq分量,θslip＝θp-pθr,p为电机极对数，θr为转子位置角，可以直接测量；
控制绕组电流环指令分别满足：icd *＝-ipd,icq *＝-ipq,其中icd *，icq *分别为控制绕组电流dq分量指令值。
进一步地，本发明的步骤S3中实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流的方法具体为：
将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的2倍进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的2倍，则重复步骤2，如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的2倍，则根据电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复。
进一步地，本发明的步骤S1中电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较的方法具体为：
将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值大于或等于563×(1-10％)V，则表明电网电压正常，绕线式无刷双馈风力发电机按照正常的控制策略运行，如果电网电压幅值小于563×(1-10％)V，则表明电网出现了故障，电网电压出现了跌落，同时计算出电网电压跌落深度。
进一步地，本发明的电网电压跌落深度的计算公式为：
其中，D为电网电压跌落深度，0.1≤D≤0.9；UA-test为电网电压幅值的实际值；UA-ref为电网电压幅值的给定值。
进一步地，本发明的步骤S4中注入的无功电流的计算公式为：
Ireactive＝2×(D-0.1)×IN
其中，Ireactive为向电网注入的无功电流；D为电网电压跌落深度，0.1≤D≤0.9；IN为风力发电机组额定电流。
本发明产生的有益效果是：本发明的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，采用软件来实现低电压穿越，不需要额外增加硬件电路对变流器进行保护，大大减小了绕线式无刷双馈发电机系统的成本；本方法在故障期间根据电网电压跌落的深度，通过发电机向电网注入无功电流来帮助电网电压的恢复，极大的提高了绕线式无刷双馈风力发电机低电压穿越能力；采用软件进行低电压穿越，避免了采用额外增加硬件电路来实现低电压穿越过程中从电网吸收大量的无功功率，因而与额外增加硬件电路来实现故障穿越的方案相比，更有利于帮助电网电压的恢复；并且本方法采用软件来实现低电压穿越，与额外增加硬件电路来实现故障穿越的方案相比，控制方式更为灵活、方便，不存在硬件电路的切换，在低电压穿越过程中，机侧变流器一直在工作，没有失控。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，包括以下步骤：
S1、电网电压幅值和跌落深度计算：对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值大于或等于电网电压幅值的给定，则表明电网电压正常，绕线式无刷双馈风力发电机按照正常的控制策略运行；
如果电网电压幅值小于电网电压幅值的给定，则表明电网出现了故障，电网电压出现了跌落，同时计算出电网电压跌落深度；
S2、如果电网出现了跌落，则将发电机的控制策略从正常控制策略切换到低电压穿越控制策略；
S3、实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的阈值进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的阈值，则执行步骤S2；
如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的阈值，根据电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复；
S4、对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值小于电网电压幅值的给定，则表明电网故障仍未消失，则执行步骤S3；
如果电网电压幅值大于或等于电网电压幅值的给定，则表明电网故障已经消失，电压恢复正常，则执行步骤S5；
S5、实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的阈值进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的阈值，则执行步骤S2；
如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的阈值，则将绕线式无刷双馈发电机的低电压穿越控制策略切换到正常的控制策略。
步骤S2中低电压穿越控制策略具体为：
低电压穿越控制策略采用控制绕组电流环进行控制，实时检测无刷双馈发电机功率绕组电流和控制绕组电流，并将功率绕组电流和控制绕组电流进行坐标变换，变换到同步旋转坐标系下得到其dq分量，将功率绕组电流dq分量取反后作为控制绕组电流环指令，从而对控制绕组过电流进行抑制。
功率绕组电流dq分量的计算公式为：
其中，ipa,ipb,ipc为功率绕组三相电流测量值，ipd,ipq同步旋转坐标系下功率绕组电流的dq分量,θp为功率绕组磁链角，由锁相环得到；
控制绕组电流dq分量的计算公式为：
ica,icb,icc为功率绕组三相电流测量值，icd,icq同步旋转坐标系下控制绕组电流的dq分量,θslip＝θp-pθr,p为电机极对数，θr为转子位置角，可以直接测量；
控制绕组电流环指令分别满足：icd *＝-ipd,icq *＝-ipq,其中icd *，icq *分别为控制绕组电流dq分量指令值。
步骤S3中实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流的方法具体为：
将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的2倍进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的2倍，则重复步骤2，如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的2倍，则根据电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复。
在本发明的另一个具体实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤1，对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值大于或等于563×(1-10％)V，则表明电网电压正常，绕线式无刷双馈风力发电机按照正常的控制策略运行，如果电网电压幅值小于563×(1-10％)V，则表明电网出现了故障，电网电压出现了跌落，同时计算出电网电压跌落深度；
其计算公式如下：
其中，D为电网电压跌落深度，0.1≤D≤0.9；UA-test为电网电压幅值的实际值；UA-ref为电网电压幅值的给定值。
步骤2，如果电网出现了跌落，则将发电机的控制策略从正常控制策略切换到低电压穿越控制策略，低电压穿越控制策略采用控制绕组电流环进行控制，实时检测无刷双馈发电机功率绕组电流和控制绕组电流，并将功率绕组电流和控制绕组电流进行坐标变换，变换到同步旋转坐标系下得到其dq分量，将功率绕组电流dq分量取反后作为控制绕组电流环指令，从而对控制绕组过电流进行抑制。
步骤3，实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的2倍进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的2倍，则重复步骤2，如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的2倍，则根据步骤1中所计算的电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复。注入的无功电流的计算公式如下：
Ireactive＝2×(D-0.1)×IN
其中，Ireactive为向电网注入的无功电流；D为电网电压跌落深度，0.1≤D≤0.9；IN为风力发电机组额定电流。
步骤4，对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值小于电网电压幅值的给定，则表明电网故障仍未消失，则重复步骤3；如果电网电压幅值大于或等于电网电压幅值的给定，则表明电网故障已经消失，电压恢复正常，则执行步骤5。
步骤5，实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的2倍进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的2倍，则重复步骤2，如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的2倍，则将绕线式无刷双馈发电机的低电压穿越控制策略切换到正常的控制策略。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、电网电压幅值和跌落深度计算：对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值大于或等于电网电压幅值的给定值，则表明电网电压正常，绕线式无刷双馈风力发电机按照正常的控制策略运行；
如果电网电压幅值小于电网电压幅值的给定值，则表明电网出现了故障，电网电压出现了跌落，同时计算出电网电压跌落深度；
S2、如果电网出现了跌落，则将发电机的控制策略从正常控制策略切换到低电压穿越控制策略；
S3、实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的阈值进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的阈值，则执行步骤S2；
如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的阈值，根据电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复；
S4、对电网电压进行实时检测，并实时计算出其幅值，将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值小于电网电压幅值的给定值，则表明电网故障仍未消失，则执行步骤S3；
如果电网电压幅值大于或等于电网电压幅值的给定值，则表明电网故障已经消失，电压恢复正常，则执行步骤S5；
S5、实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流，将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的阈值进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的阈值，则执行步骤S2；
如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的阈值，则将绕线式无刷双馈发电机的低电压穿越控制策略切换到正常的控制策略。
2.根据权利要求1所述的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，其特征在于，步骤S2中低电压穿越控制策略具体为：
低电压穿越控制策略采用控制绕组电流环进行控制，实时检测无刷双馈发电机功率绕组电流和控制绕组电流，并将功率绕组电流和控制绕组电流进行坐标变换，变换到同步旋转坐标系下得到其dq分量，将功率绕组电流dq分量取反后作为控制绕组电流环指令，从而对控制绕组过电流进行抑制。
3.根据权利要求2所述的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，其特征在于，功率绕组电流dq分量的计算公式为：
其中，ipa,ipb,ipc为功率绕组三相电流测量值，ipd,ipq同步旋转坐标系下功率绕组电流的dq分量,θp为功率绕组磁链角，由锁相环得到；
控制绕组电流dq分量的计算公式为：
ica,icb,icc为控制绕组三相电流测量值，icd,icq同步旋转坐标系下控制绕组电流的dq分量,θslip＝θp-pθr,p为电机极对数，θr为转子位置角，可以直接测量；
控制绕组电流环指令分别满足：icd *＝-ipd,icq *＝-ipq,其中icd *，icq *分别为控制绕组电流dq分量指令值。
4.根据权利要求1所述的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，其特征在于，步骤S3中实时检测无刷双馈发电机控制绕组电流的方法具体为：
将控制绕组电流的幅值与控制绕组额定电流的2倍进行比较，如果控制绕组电流幅值大于或等于控制绕组额定电流的2倍，则重复步骤2，如果控制绕组电流幅值小于控制绕组额定电流的2倍，则根据电网电压的跌落深度，计算出应该向电网注入的无功电流的大小，并将其作为控制绕组电流环指令，通过机侧变流器向电网注入无功电流帮助电网电压的恢复。
5.根据权利要求1所述的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，其特征在于，步骤S1中电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较的方法具体为：
将计算出的电网电压的幅值与电网电压幅值的给定值进行比较，如果电网电压幅值大于或等于563×(1-10％)V，则表明电网电压正常，绕线式无刷双馈风力发电机按照正常的控制策略运行，如果电网电压幅值小于563×(1-10％)V，则表明电网出现了故障，电网电压出现了跌落，同时计算出电网电压跌落深度。
6.根据权利要求1所述的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，其特征在于，电网电压跌落深度的计算公式为：
其中，D为电网电压跌落深度，0.1≤D≤0.9；UA-test为电网电压幅值的实际值；UA-ref为电网电压幅值的给定值。
7.根据权利要求1所述的绕线式无刷双馈风力发电机组的低电压穿越方法，其特征在于，步骤S4中注入的无功电流的计算公式为：
Ireactive＝2×(D-0.1)×IN
其中，Ireactive为向电网注入的无功电流；D为电网电压跌落深度，0.1≤D≤0.9；IN为风力发电机组额定电流。
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