CN106505620A - 一种提高双馈风机故障穿越能力的暂态重构系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高双馈风机故障穿越能力的暂态重构系统及控制方法。首先以传统DFIG为基础，构建储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，实现正常运行状态下和电网电压故障状态下储能型DFIG结构的切换；然后分析电网电压骤降和骤升时，储能型DFIG在暂态重构拓扑结构下的定子电压补偿机理及其功率流动；最后得到储能型DFIG的暂态重构拓扑结构控制方法，实现电网电压故障下DFIG的故障穿越控制。本发明不仅能够在电网正常运行情况下实现风电场输出功率的平滑控制，同时还能够在电网电压骤降或骤升的故障情况下，辅助实现DFIG的故障穿越控制，提高了储能装置在双馈风力发电系统中的应用价值和经济效益。

Description

一种提高双馈风机故障穿越能力的暂态重构系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统的运行、分析与调度领域，特别涉及一种提高双馈风机故障穿越能力的暂态重构系统及控制方法。

背景技术

随着近些年风电的迅猛发展，风电在电网中的渗透率不断增大，承担着电力系统一部分的功率平衡，但由于风电机组不具备故障穿越能力，造成各风电场发生多起大面积脱网事故，对电力系统的稳定运行造成较大威胁。其中，作为主流机型之一的双馈风机(DFIG)因其定子侧直接与电网相连，对电网电压故障特别敏感，极易发生由电网电压跌落或骤升引起的脱网事故，严重制约了DFIG的并网运行。

为了保证在电网故障情况下双馈风电机组能够不脱网连续运行，并且满足各国电网公司对风电并网的要求，国内外很多学者对DFIG的故障穿越技术进行了大量的研究。目前，故障穿越的解决方案主要分为两类：一类是在DFIG运行特性和传统控制策略的研究基础上提出的双馈变流器改进控制策略；另一类是增加硬件辅助及相应的控制策略设计。改进控制策略，如灭磁控制、引入PI-R控制器作为PI控制器的补充等，可以提高DFIG的故障穿越能力，但仍然难以满足并网导则对风电机组日益严格的入网要求。增加硬件辅助方法，如在定子侧加装动态电压恢复器(DVR)、串联耦合补偿装置(SCC)等，可有效补偿定子端电压至正常水平，提高DFIG的故障穿越能力，但显然会大幅增加系统硬件成本。

储能装置具有动态吸收多余的能量并适时释放的能力，能够很好地弥补风电的间歇性、波动性等缺点，目前，有大量研究在每台风力发电机励磁直流环节单独配置储能装置构成储能型DFIG，可以较好的风电场输出功率的波动。本文基于该储能型DFIG结构，对DFIG的故障穿越技术进行研究，不仅可以提高DFIG的故障穿越能力，同时还可以提高储能型DFIG的经济效益。

发明内容

本发明基于储能型DFIG，提出了一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构方案及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，其特征在于，以传统DFIG为基础，采用分布配置方式，将储能装置通过双向DC/DC变换器并联至DFIG双馈变流器的直流侧，构成储能型DFIG；对GSC进行暂态重构，为其新增一条与电网相连的串联接口电路(l2)，该串联接口电路由串接在DFIG机端与并网点(PCC)之间的串联变压器、制动电阻、LC滤波器和两个电力电子开关组成，其中滤波器用于消除GSC开关管产生的谐波，制动电阻用于消耗串联接口电路上的过载功率，保护GSC；为了滤除开关谐波，并联接口电路(l1)上也串接LC滤波器以及控制该支路开断的电力电子开关。

在上述的一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，正常运行状态下，储能型DFIG运行在稳态拓扑结构及稳态控制策略下；即GSC通过并联接口电路l1与电网相连，串联接口电路被旁路，此时，GSC负责维持直流母线电压的恒定，ESD调节GSC与电网之间的交换功率，可实现DFIG输出功率的平滑控制；

在电网电压故障状态下，储能型DFIG运行在暂态重构拓扑结构及暂态控制策略下；即GSC通过串联接口电路l1与电网相连，此时，储能装置(ESD)、GSC和串联接口电路构成储能型串联动态电压恢复器(ESD-DVR)，在暂态控制策略下，ESD-DVR实现对定子电压进行补偿，阻隔电网电压骤变对DFIG的影响，同时ESD代替GSC，负责维持直流母线电压的恒定，从而提高储能型DFIG的低电压穿越能力；当电网电压恢复正常时，储能型DFIG由暂态运行模式切换至稳态运行模式。

一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，以传统DFIG为基础，构建储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，实现正常运行状态下和电网电压故障状态下储能型DFIG结构的切换；

步骤2，分析电网电压骤降和骤升时，储能型DFIG在暂态重构拓扑结构下的定子电压补偿机理及其功率流动；

步骤3，基于步骤1所得到的储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，根据步骤2分析得到的定子电压补偿机理，得到储能型DFIG的暂态重构拓扑结构控制方法，实现电网电压故障下DFIG的故障穿越控制。

在上述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，所述的步骤2中，电网电压故障下，储能型DFIG的定子电压补偿机理及其功率流动的具体分析如下：

当检测到电网电压正序分量低于0.9p.u或高于1.1p.u时，储能型DFIG将通过电力电子开关的控制实现故障穿越暂态重构，即由稳态拓扑结构切换至暂态重构拓扑结构；此时，ESD-DVR将通过串联接口电路实现对定子电压的补偿，将其抬升并维持至故障前电网电压，从而可阻隔电网电压骤降或骤升对DFIG的影响；相应的，ESD-DVR所需提供的补偿电压为

U_com＝U_{g_pre}-U_g＝ΔU_g1+ΔU_g2 式一

式中，U_{g_pre}为故障前电网电压，以同步速ω_s旋转，电网故障时跌落为U_g，可知，U_g包含以同步速ω_s旋转的正序电压分量和以-ω_s旋转的负序电压分量(不对称故障下)，即U_g＝U_g1+U_g2，ΔU_g1＝U_{g_pre}-U_g1为正序电压跌落，ΔU_g2＝-U_g2；因此，ΔU_g1、ΔU_g2即为ESD-DVR所需提供的补偿电压正序分量和负序分量；

由于故障过程中，ESD-DVR对DFIG定子电压进行实时补偿，DFIG定子电压维持不变，DFIG可以按照常规控制策略进行有功、无功功率调节；

设定DFIG运行在单位功率因数状态(即Φ₁＝0)，设故障时定子正序电压跌落深度为d，忽略串联变压器的损耗，则故障期间，ESD-DVR输出或吸收的有功功率可以表示为：

由式可知，ESD-DVR吸收或者输出的有功功率主要由正序电压跌落深度和故障前DFIG定子输出功率决定；

当DFIG运行在超同步运行状态时，转子侧功率由发电机流向直流侧电容；当电网电压发生跌落时，由式可知，ESD-DVR将从电网吸收功率并流向直流侧电容；此时，并联接在DFIG直流侧电容的ESD，将吸收转子功率和DVR功率以维持直流侧电容电压的恒定，避免了两侧流入功率造成直流侧电容电压泵升，将威胁电容的安全运行；由于GSC额定功率通常为风电机组额定功率的30-35％，严重电网电压跌落情况下，ESD-DVR吸收的功率将大于GSC的额定功率，此时，制动电阻将被触发自动投入消耗部分DVR吸收的功率，保证GSC的运行安全；

当DFIG运行在次同步运行状态时，转子侧功率由直流侧电容流向发电机；当电网电压发生瞬态骤升时，由式可知ESD-DVR将向电网输出功率；此时，ESD将释放出功率满足转子侧和ESD-DVR的功率需求，维持直流侧功率平衡，从而维持直流侧电压恒定，避免了两侧流出功率引起直流侧电压急剧降低，造成RSC或者GSC过调制，无法实现DFIG的高电压故障穿越。

在上述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，所述步骤3中的具体控制方法是：

步骤3.1，为了准确识别电网故障以及便于定子电压的补偿，电网发生短路故障时，须准确提取电网电压正序分量U_g1和负序分量U_g2(不对称故障下)；设故障情况下三相静止ABC坐标系下电网实时电压为U_ga、U_gb、U_gc，按式可将其转换到两相静止αβ坐标系下，得到αβ坐标系下电网电压如式：

其中，分别为t＝0时刻，电网电压正序分量U_g1和负序分量U_g2与α轴(A轴)之间的初始夹角；

根据式，T/4的延时后，电网电压将变为

结合式四和式五，可以得到电网电压正负序分量在αβ坐标系下可分别表示如下：

为了更简单表示上述关系，可对式和采用矩阵形式进行表示：

通过锁相环(PLL)可提取得到t＝0时刻d轴与α轴之间的夹角为θ，则式中αβ坐标系下的电网电压正、负序分量可分别转换为正序和负序dq坐标系下，如下式所示：

同理可提取得到定子电压的正负序分量的实时值U_s1dq和U_s2dq；

步骤3.2，根据步骤3.1提取得到的电网电压正负序分量，设计系统运行模式切换的控制方法；由式九可以获得电网电压正序分量大小，即

当电网电压正序分量U_g1跌落到0.9p.u.以下或者骤升到1.1p.u.以上时，储能型DFIG进行故障穿越暂态重构，GSC控制器切换到暂态电压补偿模式，当故障切除后，当电压恢复到区间(0.9p.u.,1.1p.u.)时，储能型DFIG恢复到稳态运行模式，因此可建立相应逻辑判断模块，实现GSC并联稳态运行模式和暂态串联电压补偿模式之间的切换控制，即

步骤3.3，在暂态重构拓扑结构下，对储能型DFIG的故障穿越控制方法进行设计，使其通过串联接口电路l2对储能型DFIG提供定子电压补偿，实现故障穿越控制。

在上述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，所述步骤3.3的具体控制方法是：步骤3.3.1，由式一可知，ESD-DVR所需提供的补偿电压包含正序分量和负序分量；在正序同步旋转dq坐标系下，补偿电压的正负序分量分别为直流量和频率为100Hz的交流量，而在负序旋转dq坐标系下，补偿电压的正序分量为交流量，负序分量为直流量；由于PI控制器只能对直流量进行调节，在正序同步旋转dq坐标系下，PI控制器无法同时实现对补偿电压正序分量和负序分量的控制；因此，在正、负序同步旋转坐标系下分别采用PI控制器实现对补偿电压正序分量和负序分量的独立控制，并对ESD-DVR输出正负序电压采用直接电压控制策略；

根据步骤3.1的正负序电压提取方法，可提取得到定子电压正负序分量的实时值分别为U_s1dq和U_s2dq，则在双序dq坐标系下，补偿电压正负序分量的指令值和实时值分别为

在(dq)⁺坐标系和(dq)^-坐标下，ESD-DVR输出电压的正负分量(U_com1dq)和负序分量(U_com2dq)分别与相应正序电压参考值(U^* _com1dq)和负序电压参考值(U^* _com2dq)进行比较，经PI控制器调节后分别得到ESD-DVR的正负序调制电压(U_f1dq，U_f2dq)，再经坐标变换投影到三相静止坐标轴系下，其合成电压空间矢量经限幅后作为GSC输电电压的控制信号，产生变流器的触发脉冲；

步骤3.3.2，本专利采用基于双层电容器(EDLC)的储能装置，其通过双向DC/DC变换器与DFIG的直流电容并联；故障期间，ESD主要以维持直流母线电压恒定为目标，通过对DC/DC变换器控制EDLC吸收或输出有功功率维持直流侧功率平衡，进而调节直流电容电压恒定；

当RSC和GSC流向直流侧的功率增大导致直流母线电压上升时，DC/DC变换器工作于降压模式，将直流侧功率储存在EDLC中；当直流侧向RSC和GSC输出的功率增大导致直流母线电压下降时，DC/DC变换器工作于升压模式，EDLC释能，以补偿直流母线电压；

DC/DC变换器控制策略具体是：DC/DC采用电压电流双闭环控制结构，外环为直流母线电压控制器，将直流母线电压测量值U_dc与直流母线电压参考值U_dcref进行比较，两者偏差通过PI电压调节器产生EDLC电流参考值；内环EDLC电流控制器将与EDLC电流测量值进行比较，两者偏差经过PI电流调节器，为DC/DC变换器的IGBT开关产生门控信号，开关器件g1和g2的门控信号互补；通过g1和g2的导通控制实现EDLC的储能和释放能量，即当g1导通，g2关闭时，DC/DC变换器工作于升压运行状态；当g1关闭，g2导通时，DC/DC变换器工作于降压运行状态；DC/DC变换器即是通过调节两个开关导通的占空比来控制EDLC储存和释放的能量，从而维持直流母线电压的恒定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：1、充分发挥了储能装置能够快速吸收和释放功率的技术优势，使其不仅能够在电网正常运行情况下实现风电场输出功率的平滑控制，同时还能够在电网电压骤降或骤升的故障情况下，辅助实现DFIG的故障穿越控制，提高了储能装置在双馈风力发电系统中的应用价值和经济效益。2、在该暂态拓扑结构及其控制方法下，能够自动实现DFIG的低电压和高电压穿越控制，并取得较好效果。

附图说明

图1为储能型DFIG的故障穿越暂态重构拓扑结构。

图2为ESD-DVR拓扑结构图。

图3a为电网电压骤降下补偿电压向量图。

图3b为电网电压骤升下补偿电压向量图。

图4a为储能型DFIG故障穿越暂态拓扑结构功率流图(超同步运行状态)。

图4b为储能型DFIG故障穿越暂态拓扑结构功率流图(次同步运行状态)。

图5为系统运行模式切换控制策略。

图6为ESD-DVR正、负序电压补偿控制策略。

图7为ESD的拓扑结构图及DC/DC变换器控制策略。

图8a为暂态重构控制方案下的电压波形(故障期间传统控制方案下的定子电压)。

图8b为暂态重构控制方案下的电压波形(ESD-DVR补偿电压)。

图8c为暂态重构控制方案下的电压波形(定子电压)。

图9a为暂态重构控制方案和传统控制方案下的暂态特性对比(转子电流)。

图9b为暂态重构控制方案和传统控制方案下的暂态特性对比(直流母线电压(kV))。

图9c为暂态重构控制方案和传统控制方案下的暂态特性对比(定子有功功率)。

图9d为暂态重构控制方案和传统控制方案下的暂态特性对比(转子转速)。

图10a为故障期间暂态重构方案下的系统潮流(注入电网的有功功率)。

图10b为故障期间暂态重构方案下的系统潮流(DVR吸收的有功功率)。

图10c为故障期间暂态重构方案下的系统潮流(流入GSC的有功功率)。

图10d为故障期间暂态重构方案下的系统潮流(转子有功功率)。

图10e为故障期间暂态重构方案下的系统潮流(ESD吸收的有功功率)。

图11a为三相电压骤升时的电压波形(电网电压)。

图11b为三相电压骤升时的电压波形(DVR补偿电压)。

图11c为电压对比。

图11d为三相电压骤升时的电压波形(定子电压)。

图12a为三相电压骤升时暂态重构控制方案和传统控制方案的仿真结果对比(注入电网的有功功率)。

图12b为三相电压骤升时暂态重构控制方案和传统控制方案的仿真结果对比(直流母线电压)。

图12c为三相电压骤升时暂态重构控制方案和传统控制方案的仿真结果对比(转子电流)。

图12d为三相电压骤升时暂态重构控制方案和传统控制方案的仿真结果对比(转子转速)。

图13为三相电压骤升时的DFIG-ESD功率潮流。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本专利分别在以下两种故障情况下验证了该控制方法在提高DFIG故障穿越能力方面的有效性：1)两相接地，电压跌落故障；2)三相电压骤升故障。本专利选取了传统的不附加方案的DFIG控制方法作为对比方案，以验证本文所提策略的优越性。具体情况如下：

1)低电压穿越控制的仿真算例

故障前系统运行在超同步运行状态，转差率s＝-0.2。电网在t＝5s发生AB两相接地故障，PCC点故障相电压跌落85％，且故障持续时间为300ms。由于故障持续时间很短，风速变化很小，因此假设风速恒定。

附图8(a)为故障期间电网电压波形，当检测到电网故障发生时，DFIG从稳态运行模式切换到暂态运行模式，ESD-DVR输出电压补偿电网电压的跌落(见附图8(b))，因此DFIG定子电压维持在故障前水平，如附图8(c)所示。

传统控制方案下，在电网电压开始跌落和恢复过程中，定子电压的剧烈变化，将会感应出较高的转子暂态电流。如附图9(a)所示，故障发生时，转子电流增大为4p.u.，超过了RSC的电流上限，将对变流器造成严重损伤。同时，感应出的转子电流波动较大，不利用DFIG的正常运行。另外，如附图9(b)所示，转子暂态电流经RSC流入直流侧后，将直流侧的电压抬升至1.4p.u。而采用本文所提出的暂态重构方案时，转子回路中的暂态转子电流得到了有效的控制，转子电流最高仅为1.7p.u.(见附图9(a))，且电流振荡较小，完全在RSC的电流承受范围内。相应地，直流侧电压也未超过其电压上限,如附图9(b)所示。

附图9(c)给出了两种控制方案下的DFIG有功输出波形。由附图9(c)可知，传统控制方案下，定子有功输出下降为0.52p.u.，引起了机械转矩和电磁转矩间的严重不平衡以及机组转速的上升。而采用DVR补偿后，DFIG在故障期间基本不受电网故障的影响，有功输出发生短暂波动后即可恢复，大大增加了DFIG在故障期间功率控制的灵活性。相应地，如附图9(d)所示，由于有功输出的快速恢复，机组的不平衡转矩消失，DFIG机组的转速也不会发生变化。

附图10给出了采用ESD-DVR补偿控制后故障期间的有功潮流变化。由附图10(a)、(b)可知，故障期间，DFIG注入电网的有功功率减少，剩余的风电功率经DVR输送到网侧变流器。由附图10(c)可以发现，DVR吸收的功率超过了GSC的额定容量，但是由于制动电阻的存在，经制动电阻吸收部分功率后，流经GSC的功率将下降为0.35p.u.。

2)高电压穿越控制的仿真算例

切除大负荷以及并入大容量的电容时均可能导致电网电压上升，而本专利所提出的控制方法还可以解决电网电压升高的问题。仿真时，设置t＝5s时，电网电压上升至1.25p.u.，并持续300ms，故障过程中风速为9.2m/s且保持不变。

正常情况下，GSC作为网侧变流器，与储能装置协调控制DFIG的有功输出。当检测到电网电压上升至1.1p.u.时，储能型DFIG系统将切换至暂态运行模式，ESD-DVR将对DFIG定子电压进行补偿，此时ESD-DVR补偿的电压为负值，ESD-DVR向电网输出功率。通过ESD-DVR的补偿，DFIG定子电压可基本维持不变。附图11给出了电网电压，ESD-DVR补偿电压以及定子电压的有效值。

由附图12(d)可知，在传统控制方案下，故障发生时，电网电压上升，DFIG定子侧将会受到有功冲击，此时DFIG转速从0.94p.u.下降到0.91p.u.，以补偿功率不平衡。而采用本专利所提的储能型DFIG补偿控制后，由于ESD-DVR的电压补偿，定子侧功率能够快速恢复到正常工作范围，而不会导致功率不平衡，因此故障消失后DFIG亦不会受到故障的影响，而能继续正常并网运行。采用定子电压补偿后，DFIG的转速也得到了有效的控制，能够在故障过程中维持在正常范围内。

传统控制方案中，一般采用PI控制，为了补偿定子电压，GSC会增大其调制系数，控制网侧冗余的有功功率流向直流侧，以保持直流侧电压恒定。但是采用这种补偿方式，将导致组成GSC的反向并联的二极管正向导通，使得部分功率回流至GSC，即直流侧将从电网吸收能量。如附图12(b)所示，采用传统的控制方案时，最终将导致直流侧电压上升至1.36p.u.，且故障过程中，直流侧过电压将一直存在，为保护直流侧电容，最终有可能导致DFIG脱网运行。但是，采用储能型DVR控制后，GSC将向电网注入反向电压，以保持定子电压恒定，使得故障过程中直流侧电压维持在安全范围内，最终可避免传统控制中的直流侧过电压。另外，如附图12(c)所示，与传统控制方案相比，采用储能型DVR控制后，转子暂态电流的振荡程度也得到了有效的抑制，且能较快地恢复到平稳水平。因此，本文所提出的故障穿越控制策略亦能有效提高DFIG高电压穿越能力。

附图13给出了电压上升故障下的有功输出波形。故障发生前，DFIG运行在超同步状态，转子励磁电流从直流侧流向转子回路。故障发生时，如附图13所示，GSC作为DVR动作，向电网注入反向电压，以维持定子电压恒定。在GSC向电网补偿电网电压的同时，储能系统向转子回路和GSC提供了0.13p.u.有功功率，其中GSC向电网注入约0.1p.u.的有功功率。因为有了GSC的注入功率，DFIG-ESD系统最终的有功输出从0.4p.u.提高至0.5p.u.。故障过程中，转子功率由储能系统提供。

根据上述仿真算例结果可以看出，本发明能够在电网电压骤降或骤升情况下，实现储能型DFIG的系统模式切换及其低电压穿越控制和高电压穿越控制，使DFIG的转子及直流侧的暂态特性能够维持在正常范围。同时，储能装置在DFIG的暂态控制中得到了充分的利用，提高了储能装置的经济效益，具有重要的现实意义和良好的应用前景。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，其特征在于，以传统DFIG为基础，采用分布配置方式，将储能装置通过双向DC/DC变换器并联至DFIG双馈变流器的直流侧，构成储能型DFIG；对GSC进行暂态重构，为其新增一条与电网相连的串联接口电路(l2)，该串联接口电路由串接在DFIG机端与并网点(PCC)之间的串联变压器、制动电阻、LC滤波器和两个电力电子开关组成，其中滤波器用于消除GSC开关管产生的谐波，制动电阻用于消耗串联接口电路上的过载功率，保护GSC；为了滤除开关谐波，并联接口电路(l1)上也串接LC滤波器以及控制该支路开断的电力电子开关。

2.根据权利要求1所述的一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，其特征在于，正常运行状态下，储能型DFIG运行在稳态拓扑结构及稳态控制策略下；即GSC通过并联接口电路l1与电网相连，串联接口电路被旁路，此时，GSC负责维持直流母线电压的恒定，ESD调节GSC与电网之间的交换功率，可实现DFIG输出功率的平滑控制；

在电网电压故障状态下，储能型DFIG运行在暂态重构拓扑结构及暂态控制策略下；即GSC通过串联接口电路l1与电网相连，此时，储能装置(ESD)、GSC和串联接口电路构成储能型串联动态电压恢复器(ESD-DVR)，在暂态控制策略下，ESD-DVR实现对定子电压进行补偿，阻隔电网电压骤变对DFIG的影响，同时ESD代替GSC，负责维持直流母线电压的恒定，从而提高储能型DFIG的低电压穿越能力；当电网电压恢复正常时，储能型DFIG由暂态运行模式切换至稳态运行模式。

3.一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，以传统DFIG为基础，构建储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，实现正常运行状态下和电网电压故障状态下储能型DFIG结构的切换；

步骤2，分析电网电压骤降和骤升时，储能型DFIG在暂态重构拓扑结构下的定子电压补偿机理及其功率流动；

步骤3，基于步骤1所得到的储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，根据步骤2分析得到的定子电压补偿机理，得到储能型DFIG的暂态重构拓扑结构控制方法，实现电网电压故障下DFIG的故障穿越控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，电网电压故障下，储能型DFIG的定子电压补偿机理及其功率流动的具体分析如下：

当检测到电网电压正序分量低于0.9p.u或高于1.1p.u时，储能型DFIG将通过电力电子开关的控制实现故障穿越暂态重构，即由稳态拓扑结构切换至暂态重构拓扑结构；此时，ESD-DVR将通过串联接口电路实现对定子电压的补偿，将其抬升并维持至故障前电网电压，从而可阻隔电网电压骤降或骤升对DFIG的影响；相应的，ESD-DVR所需提供的补偿电压为

U_com＝U_{g_pre}-U_g＝ΔU_g1+ΔU_g2 式一

式中，U_{g_pre}为故障前电网电压，以同步速ω_s旋转，电网故障时跌落为U_g，可知，U_g包含以同步速ω_s旋转的正序电压分量和以-ω_s旋转的负序电压分量(不对称故障下)，即U_g＝U_g1+U_g2，ΔU_g1＝U_{g_pre}-U_g1为正序电压跌落，ΔU_g2＝-U_g2；因此，ΔU_g1、ΔU_g2即为ESD-DVR所需提供的补偿电压正序分量和负序分量；

由于故障过程中，ESD-DVR对DFIG定子电压进行实时补偿，DFIG定子电压维持不变，DFIG可以按照常规控制策略进行有功、无功功率调节；

设定DFIG运行在单位功率因数状态(即Φ₁＝0)，设故障时定子正序电压跌落深度为d，忽略串联变压器的损耗，则故障期间，ESD-DVR输出或吸收的有功功率可以表示为：

由式可知，ESD-DVR吸收或者输出的有功功率主要由正序电压跌落深度和故障前DFIG定子输出功率决定；

当DFIG运行在超同步运行状态时，转子侧功率由发电机流向直流侧电容；当电网电压发生跌落时，由式可知，ESD-DVR将从电网吸收功率并流向直流侧电容；此时，并联接在DFIG直流侧电容的ESD，将吸收转子功率和DVR功率以维持直流侧电容电压的恒定，避免了两侧流入功率造成直流侧电容电压泵升，将威胁电容的安全运行；由于GSC额定功率通常为风电机组额定功率的30-35％，严重电网电压跌落情况下，ESD-DVR吸收的功率将大于GSC的额定功率，此时，制动电阻将被触发自动投入消耗部分DVR吸收的功率，保证GSC的运行安全；

当DFIG运行在次同步运行状态时，转子侧功率由直流侧电容流向发电机；当电网电压发生瞬态骤升时，由式可知ESD-DVR将向电网输出功率；此时，ESD将释放出功率满足转子侧和ESD-DVR的功率需求，维持直流侧功率平衡，从而维持直流侧电压恒定，避免了两侧流出功率引起直流侧电压急剧降低，造成RSC或者GSC过调制，无法实现DFIG的高电压故障穿越。

5.根据权利要求1所述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3中的具体控制方法是：

步骤3.1，为了准确识别电网故障以及便于定子电压的补偿，电网发生短路故障时，须准确提取电网电压正序分量U_g1和负序分量U_g2(不对称故障下)；设故障情况下三相静止ABC坐标系下电网实时电压为U_ga、U_gb、U_gc，按式可将其转换到两相静止αβ坐标系下，得到αβ坐标系下电网电压如式：

其中，分别为t＝0时刻，电网电压正序分量U_g1和负序分量U_g2与α轴(A轴)之间的初始夹角；

根据式，T/4的延时后，电网电压将变为

结合式四和式五，可以得到电网电压正负序分量在αβ坐标系下可分别表示如下：

为了更简单表示上述关系，可对式和采用矩阵形式进行表示：

通过锁相环(PLL)可提取得到t＝0时刻d轴与α轴之间的夹角为θ，则式中αβ坐标系下的电网电压正、负序分量可分别转换为正序和负序dq坐标系下，如下式所示：

同理可提取得到定子电压的正负序分量的实时值U_s1dq和U_s2dq；

步骤3.2，根据步骤3.1提取得到的电网电压正负序分量，设计系统运行模式切换的控制方法；由式九可以获得电网电压正序分量大小，即

当电网电压正序分量U_g1跌落到0.9p.u.以下或者骤升到1.1p.u.以上时，储能型DFIG进行故障穿越暂态重构，GSC控制器切换到暂态电压补偿模式，当故障切除后，当电压恢复到区间(0.9p.u.,1.1p.u.)时，储能型DFIG恢复到稳态运行模式，因此可建立相应逻辑判断模块，实现GSC并联稳态运行模式和暂态串联电压补偿模式之间的切换控制，即

步骤3.3，在暂态重构拓扑结构下，对储能型DFIG的故障穿越控制方法进行设计，使其通过串联接口电路l2对储能型DFIG提供定子电压补偿，实现故障穿越控制。

6.根据权利要求1所述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3.3的具体控制方法是：步骤3.3.1，由式一可知，ESD-DVR所需提供的补偿电压包含正序分量和负序分量；在正序同步旋转dq坐标系下，补偿电压的正负序分量分别为直流量和频率为100Hz的交流量，而在负序旋转dq坐标系下，补偿电压的正序分量为交流量，负序分量为直流量；由于PI控制器只能对直流量进行调节，在正序同步旋转dq坐标系下，PI控制器无法同时实现对补偿电压正序分量和负序分量的控制；因此，在正、负序同步旋转坐标系下分别采用PI控制器实现对补偿电压正序分量和负序分量的独立控制，并对ESD-DVR输出正负序电压采用直接电压控制策略；

根据步骤3.1的正负序电压提取方法，可提取得到定子电压正负序分量的实时值分别为U_s1dq和U_s2dq，则在双序dq坐标系下，补偿电压正负序分量的指令值和实时值分别为

在(dq)⁺坐标系和(dq)^-坐标下，ESD-DVR输出电压的正负分量(U_com1dq)和负序分量(U_com2dq)分别与相应正序电压参考值(U^* _com1dq)和负序电压参考值(U^* _com2dq)进行比较，经PI控制器调节后分别得到ESD-DVR的正负序调制电压(U_f1dq，U_f2dq)，再经坐标变换投影到三相静止坐标轴系下，其合成电压空间矢量经限幅后作为GSC输电电压的控制信号，产生变流器的触发脉冲；

步骤3.3.2，本专利采用基于双层电容器(EDLC)的储能装置，其通过双向DC/DC变换器与DFIG的直流电容并联；故障期间，ESD主要以维持直流母线电压恒定为目标，通过对DC/DC变换器控制EDLC吸收或输出有功功率维持直流侧功率平衡，进而调节直流电容电压恒定；

当RSC和GSC流向直流侧的功率增大导致直流母线电压上升时，DC/DC变换器工作于降压模式，将直流侧功率储存在EDLC中；当直流侧向RSC和GSC输出的功率增大导致直流母线电压下降时，DC/DC变换器工作于升压模式，EDLC释能，以补偿直流母线电压；

DC/DC变换器控制策略具体是：DC/DC采用电压电流双闭环控制结构，外环为直流母线电压控制器，将直流母线电压测量值U_dc与直流母线电压参考值U_dcref进行比较，两者偏差通过PI电压调节器产生EDLC电流参考值；内环EDLC电流控制器将与EDLC电流测量值进行比较，两者偏差经过PI电流调节器，为DC/DC变换器的IGBT开关产生门控信号，开关器件g1和g2的门控信号互补；通过g1和g2的导通控制实现EDLC的储能和释放能量，即当g1导通，g2关闭时，DC/DC变换器工作于升压运行状态；当g1关闭，g2导通时，DC/DC变换器工作于降压运行状态；DC/DC变换器即是通过调节两个开关导通的占空比来控制EDLC储存和释放的能量，从而维持直流母线电压的恒定。