CN106899037A - 一种低电压穿越的双馈风机及其低电压穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电压穿越的双馈风机及低电压穿方法，双馈风机包括电动机主体、三相变压器(5)、第一变流器(1)、斩波器(2)、储能模块(3)以及变流器组，当检测到并网点电压跌落时，通过对电网电压信号的处理，得到第一变流器的输出电压参考信号，参考信号经过PI控制的电压外环和内模控制的电流内环，得到第一变流器的控制信号，实现控制第一变流器输出电压。该低电压穿越的双馈风机解决了电网电压深度跌落情况下，双馈风机无法实现低电压穿越的问题，有效控制电网故障期间双馈风机定子侧变流器、转子侧变流器和直流电容过电压，提高双馈风机低电压穿越能力。

Description

一种低电压穿越的双馈风机及其低电压穿越方法
技术领域
本发明属于双馈风机低电压穿越技术领域，更具体地，涉及一种低电压穿越的双馈风机及其低电压穿越方法。
背景技术
近年来，可再生能源发电特别是风电的迅速发展，给我们带来了更清洁的电能，同时也给电网带来了挑战。风力发电机尤其是双馈异步风力发电机(Double-Fed InductionGenerator,DFIG)，在电网发生低电压故障时，背靠背变流器会产生过电压和过电流，严重时会导致风机脱网，甚至损坏变流器。
双馈异步风力发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过背靠背变流器与电网连接，由于其可实现快捷的柔性并网、高效实现变速恒频发电等特点，在风电场中得到了广泛的应用。同时由于其背靠背变流器容量设计可以远低于风机额定容量，使得其经济性优势凸显。
双馈异步风力发电机最大的难题在于解决低电压穿越问题。一旦系统发生低电压故障，由于DFIG定子侧直接接在电网上，定子侧电压会发生突降，但是根据磁链守恒原则，定子磁链幅值不能发生突变，因此会产生交流分量与直流分量，同时在转子侧感生出过电压，这个过电压与DFIG的运行状态和电网电压跌落程度有关。从能量关系的角度看，因为电网电压跌落，风机产生的电能不能全部被电网接纳，因此有大量能量存放在背靠背变流器的直流电容，会导致直流电容产生过电压。当电网电压故障比较严重的时候，DFIG出于安全的考虑不得不脱网。
根据国家标准(GB/T 19963)的规定：风电场并网点电压跌至20％标称电压时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行625ms。目前已有的提高双馈风机低电压穿越能力的方案主要有：
1、改变DFIG风电系统的控制策略来实现风机的不脱网运行；
2、转子侧快速短接(Crowbar)保护装置实现低电压穿越；
3、动态电压恢复器方案。
4、串联SFCL-MES提高低电压穿越能力
这些方案在一定程度上都可以提供双馈风机低电压穿越能力，但是方案1在严重电压跌落时，变流器的容量限制了控制效果，无法达到不脱网运行的目的；方案2可以很好地保护变换器的安全，但是crowbar动作期间需从电网吸收大量无功功率，这不利于电网从故障中恢复；方案3的造价与成本过高；方案4虽然也是串联超导设备提高双馈风机低电压穿越能力，但是由于其采用被动接入的方式，因此对于转子侧变流器的控制效果不是很理想。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种低电压穿越的双馈风机及其低电压穿越方法，旨在解决现有的故障穿越方法不能实现在深度电压跌落时实现不脱网运行的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种有低电压穿越能力的双馈风机，包括：
电动机主体、三相变压器、第一变流器、斩波器、储能模块以及变流器组；
电动机主体，其设有定子和转子，其定子与电网连接，用于通过转子向电网输出电流和电压，以及通过定子向电网输出电流和电压；
三相变压器，其原边一端与电动机主体的转子连接，其副边一端与第一变流器的交流侧连接，其副边另一端连接中性点，用于将第一交流器的交流侧电压叠加至转子上；
变流器组，其转子交流侧与三相变压器的原边另一端连接，其定子交流侧与电网连接，其设有直流侧，用于根据转子控制信号调整转子输出电流与电压，以及根据定子控制信号调整定子输出电流与电压；
第一变流器的直流侧与变流器组的直流侧连接，用于通过其控制端接收第一控制信号实现改变其交流侧电压；
当电网故障时，通过第一变压器控制端接收第一控制信号使第一变压器的交流侧电压与转子故障电压相反，第一变流器的交流侧电压的幅值与转子故障电压幅值相同；
斩波器，其输入端与变流器组的直流侧并联，其输出端与储能模块并联，用于通过其控制端接收第二控制信号实现储能模块与变流器组之间能量转化。
本发明提供的低电压穿越的双馈风机，通过将第一变流器连于三相变压器副边，使得转子变流器端电压为第一变流器的交流侧电压与转子绕组电压之和，当发生故障后，通过调整第一变流器的控制端使得第一变流器交流侧电压与转子绕组故障电压相反，幅值与转子绕组故障电压幅值相同，实现抵消转子侧的过电压，同时控制斩波器的控制端以实现储能模块与直流侧电容能量转化，实现直流侧电容电压保持不变，同时稳定的背靠背变压器的直流侧电容电压为变流器提供变流条件，保持控制模块中变流器的交流侧电压稳定。
进一步地，还包括滤波单元，其输入端与变压器组的定子交流侧连接，其输出端与电网连接，用于对转子交流侧输出电压进行滤波处理。
进一步地，储能模块为超导材料制备的线圈。
作为本发明的另一方面，本发明提供一种双馈风机的低电压穿越方法，其特征在于，
当发生故障时，通过向第一变流器的控制端输入第一控制信号，使第一变流器的交流侧电压与转子故障电压相反，第一变流器的交流侧电压的幅值与转子故障电压幅值相同，实现抵消转子过电压；
通过向斩波器控制端输入第二控制信号，实现储能模块与变压器组的之间能量转化，实现保持直流侧母线电压不变。
进一步地，获得第一变换器的控制端的第一控制信号包括如下步骤：
S11对第一变流器的交流侧电压的d轴分量与转子故障电压的d轴分量进行PI控制处理，获得d轴PI控制电流；对第一变流器的交流侧电压的q轴分量与转子故障电压的q轴分量进行PI控制处理，获得q轴PI控制电流；
S12对d轴PI控制电流与第一变流器的交流侧参考电流的d轴分量进行内模控制处理，获得d轴内模控制电流；对q轴PI控制电流与第一变流器的交流侧参考电流的q轴分量进行内模控制处理，获得q轴内模控制电流；
S13将d轴内模控制电流和q轴内模控制电流进行两相坐标到三相坐标转化处理输出三相控制信号；
S14对三相控制信号进行脉冲宽度调制处理获得第一变流器的控制端的第一控制信号。
进一步地，根据公式获得转子故障电压的d轴分量，根据公式获得转子故障电压的q轴分量，其中，u*dr为转子故障电压的d轴分量，u*qr为转子故障电压的q轴分量；Lm为双馈风机定子与转子间的互感；ids为定子故障电流的d轴分量；iqs为定子故障电流的q轴分量。
进一步地，获得斩波器的控制端的第二控制信号包括如下步骤：
S21将变流器组中直流侧母线电压与变流器组中直流侧母线电压进行PI控制处理，获得电流PI控制信号；
S22对电流PI控制信号进行脉冲宽度调制处理获得斩波器的控制端的第二控制信号。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的低电压穿越的双馈风机，利用第一变流器串联在双馈风机转子侧，当电网发生低电压故障时，第一变流器产生一个足够大的励磁电压，来抵消转子侧的感生电压，同时由储能模块吸收大量电能，避免直流侧电容的过电压，提高双馈风机的低电压穿越能力。解决了电网电压深度跌落情况下，双馈风机无法实现低电压穿越的问题，保证在网侧电压跌落到0时依旧可以保障风机不脱网运行。且在故障期间第一变流器可以为双馈风机提供无功支持，不会吸收电网无功功率。
2、本发明提供的电压穿越方法，根据转子故障电压与第一变流器交流侧电压作比较后经过PI控制的电压外环得到PI控制电流，再通过采用内模控制的电流内环，最后经过PWM控制得到第一控制信号，可以实现无误差跟踪，实现第一变流器的交流侧电压为转子故障电压幅值相同的反电势，进而消除转子中的过电压。
附图说明
图1为本发明提供的低电压穿越的双馈风机的拓扑结构图；
图2本发明提供的双馈风机的低电压穿越方法的实施例的控制策略图；
图3为低电压穿越与不具备低电压的双馈风机在低电压故障中的定子侧与转子侧电压对比图；
其中，图3(a)为低电压穿越的双馈风机定子侧变流器的电压图，图3(b)为不具备低电压穿越的双馈风机定子侧变流器的电压图，图3(c)为低电压穿越的双馈风机转子侧变流器的电压图，图3(d)为不具备低电压穿越的双馈风机转子侧变流器的电压图；
图4为低电压穿越与不具备低电压的馈风机在低电压故障中的直流电压对比图。
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例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明提供的有低电压穿越能力的双馈风机的拓扑结构图，低电压穿越的双馈风机包括电动机主体、三相变压器5、第一变流器1、斩波器2、储能模块3以及变流器组。
变流器组包括转子侧变流器6和定子侧变流器7，转子变流器6的交流侧与三相变压器5的原边另一端连接，转子变流器6的直流侧定子侧变流器7的直流侧连接，转子侧变压器6与定子侧变压器7共用电容4，定子侧变流器7的交流侧与滤波单元8输入端连接，滤波单元8输出端与电网连接。转子变流器6的交流侧作为变流器组的转子交流侧，转子变流器6的直流侧作为变流器组的直流侧，定子变流器7的交流侧作为变流器组的定子交流侧。通过转子变流器6的控制端接收转子控制信号，调整转子交流侧输出电流与电压，实现控制定子绕组输出的有功功率和无功功率。通过定子变流器7的控制端接收定子控制信号，调整定子交流侧输出电流与电压，实现控制电网侧的输入电流为正弦波以及控制输入功率因素。滤波单元8用于对定子变流器7的交流侧电压进行滤波处理。
斩波器2的输入端与变流器组中直流侧并联，斩波器2的输出端与储能模块3并联，第一变流器1的直流侧与变流器组中直流侧连接，且第一变流器1与转子变流器共用电容4，第一变流器1的交流侧与三相变压器5的副边一端连接，三相变压器5副边的另一端连接中性点，三相变压器5的原边一端与转子连接。
通过三相变压器5对第一变流器1的交流侧电压与转子电压进行叠加处理，使得变压器组的转子交流侧电压由第一变流器1的交流侧电压和转子电压共同决定。即：
ur＝urc+uc
其中，ur为转子变流器的交流侧端电压，urc为转子电压，uc为第一变流器的交流侧电压。
储能模块通过斩波器与变流器组中电容构成充放电回路，通过控制斩波器的控制端的第二控制信号，可以实现调节储能模块与变流器组中电容之间电能的交换，实现保持变流器组直流侧母线电压稳定。
储能模块为超导材料制成的线圈，在该状态下的线圈没有焦耳热，能够实现无损耗储能。
当电网正常运行时，调整第一变流器1的控制端的第一控制信号，让第一变流器1的交流侧电压来抵消由于第一变流器1、斩波器2以及储能模块3的接入而引起的电气参数变化，通过调整斩波器2的控制端的第二控制信号，达到调整储能模块内电流的目的。
当电网故障后，调整第一变压器1的控制端的第一控制信号，让第一变流器的交流侧电压与转子故障电压相反，变流器的交流侧电压的幅值与转子故障电压幅值相同。调整斩波器控制端的第二控制信号，实现控制储能模块与变流器组之间能量转化，保持变流器组中电容的电压稳定，实现双馈电机低电压穿越。
本发明提供的低电压穿越的双馈风机，通过第一变流器向转子侧提供一个与转子故障电压同样大小的反电动势，可以抑制转子侧的过电压，从而抑制转子侧过电流和定子侧过电压。同时通过斩波器实现储能模块与变流器组电容之间能量转换，实现保持变流器组电容电压不变，稳定的电容电压为交流直流变流器提供变流条件，保持第一变流器的交流侧电压稳定，实现双馈电机低电压穿越。
从能量的角度来讲，双馈风机正常运行时，双馈风机中电动机主体产生的电能通过定子侧直接传送给电网，同时也可通过双馈风机变流组输送给电网；电网低电压故障期间，如果双馈风机不脱网，依旧产生大量电能，此时双馈风机通过定子侧输送电能至电网的能力大幅下降甚至无法输送，因此双馈风能通变流器组大量储存在变流器组直流侧电容中，造成过电压与过电流。故障期间，低电压穿越的双馈风机产生的风能通过转子侧和变流器组的直流侧输送至储能模块中，被储能模块快速吸收并储存，因此，可以有效抑制低电压故障造成的双馈风机过电压过电流，实现双馈风机低电压穿越。
根据磁链守恒原则，对双馈风机的电压电流关系做拉普拉斯变换，获得定子电流，根据定子电流和转子电流获得转子侧电压。当电网电压发生跌落时，转子过电压主要由定子的过电流感生，也感生出转子过电流，因此故障瞬间不考虑转子的工况，认为转子开路，即转子电流为零，那么，转子侧故障电压可以表示为：
式中，u*dr为转子故障电压的d轴分量，u*qr为转子故障电压的q轴分量；Lm为双馈风机定子与转子间的互感；ids为定子故障电流的d轴分量；iqs为定子故障电流的q轴分量。
图4为本发明提供的双馈风机的电压穿越方法的实施例的控制策略图，包括如下步骤：
当发生故障时，通过向第一变流器的控制端输入第一控制信号，使第一变流器的交流侧电压与转子故障电压相反，第一变流器的交流侧电压的幅值与转子故障电压幅值相同，实现抵消转子过电压；
通过向斩波器控制端输入第二控制信号，实现储能模块与变压器组的之间能量转化，实现保持直流侧母线电压不变。
根据步骤S11到步骤S14获得第一变流器的控制端的第一控制信号。
S11根据公式获得转子故障电压d轴分量，根据公式获得转子故障电压q轴分量。
对第一变流器的交流侧电压的d轴分量urd与转子故障电压的d轴分量u*rd进行PI控制处理，获得d轴PI控制电流ird。
对第一变流器的交流侧电压的q轴分量urq与转子故障电压的q轴分量u*rq进行PI控制处理，获得q轴PI控制电流irq。
S12对d轴PI控制电流ird与第一变流器的交流侧参考电流的d轴分量i*rd进行内模控制处理，获得d轴内模控制电流；其中，第一变流器的交流侧参考电流的d轴分量i*rd为零。
对q轴PI控制电流irq与第一变流器的交流侧参考电流的q轴分量i*rq进行内模控制处理，获得q轴内模控制电流；其中，第一变流器的交流侧参考电流的q轴分量i*rq为零。
S13将d轴内模控制电流和q轴内模控制电流进行两相坐标到三相坐标转化处理输出三相控制信号。
S14对三相控制信号进行脉冲宽度调制处理获得第一变流器的控制端的第一控制信号。
通过向第一变流器控制端输入第一控制信号使第一变流器的交流侧电压与转子故障电压相反，交流侧电压的幅值与转子故障电压幅值相同，实现抵消转子侧的过电压。
根据步骤S21至步骤S22获得斩波器的控制端的第二控制信号。
S21将变流器组中直流侧母线参考电压Idc-set与背靠背变流器中直流侧母线电压Idc进行PI控制处理，获得电流PI控制信号；其中，变流器组中直流侧母线参考电压为双馈风机正常工作时变流器组中直流侧母线工作电压。
S22对电流PI控制信号进行脉冲宽度调制处理获得斩波器的控制端的第二控制信号。
通过向斩波器控制端输入第二控制信号，使斩波器实现储能模块与变流器组中直流侧电容之间能量转化，实现直流侧电容电压保持不变，进而实现变流器组中母线电压保持不变。
本发明中提供的双馈风机电压穿越方法的实施例中，根据定子电流、定子与转子互感获得转子故障电压，根据转子故障电压与第一变流器交流侧电压作比较后经过PI控制的电压外环得到PI控制电流，再通过采用内模控制的电流内环，最后经过PWM控制得到第一控制信号，可以实现无误差跟踪，实现第一变流器的交流侧电压为转子故障电压幅值相同的反电势，进而消除转子中的过电压。
通过将变流器组中直流侧母线参考电压与变流器中直流侧母线电压进行PI控制处理，经过PWM转化得到第二控制信号，可以实现无误差跟踪，实现背靠背直流侧电容电压保持稳定，进而实现变流器组中母线电压保持不变。
通过上述控制，第一变流器产生的励磁电压抵消转子侧过电压，同时用储能模块吸收风机产生的风能，有效控制转子侧、定子侧过电压和直流电容过电压问题。
本发明基于软件MATLAB\simulink仿真验证，电网电源是120kV的理想三相电源，电网电压频率是60Hz，过120kV/25kV变压器后再通过30km的传输线路，然后经过25kV/575V变压器与风机相连。
双馈风机采用最大风能追踪的控制策略，背靠背变流器采用定子电压定向的控制策略，网侧变流器主要用以保持直流母线电压的稳定、保证输入电流正弦和控制输入功率因数，转子侧变流器主要用以对DFIG定子输出有功、无功功率。仿真模拟电网电压跌落到0的极端情况，仿真参数见下表：
表1双馈风机仿真参数
符号 名称 大小
容量 1.5MW
系统频率 60Hz
定子阻抗 0.016p.u.
定子漏感 0.16p.u.
转子阻抗 0.016p.u.
转子漏感 0.16p.u.
磁化电感 2.9p.u
基准容量 1.5/0.9MVA
基准频率 60Hz
575V
1975V
图3(a)为低电压穿越的双馈风机定子侧变流器的电压图，图3(b)为不具备低电压穿越的双馈风机定子侧变流器的电压图，图3(c)为低电压穿越的双馈风机转子侧变流器的电压图，图3(d)为不具备低电压穿越的双馈风机转子侧变流器的电压图。从图3(a)至图3(d)可以得出，不具备低电压穿越的双馈风机在电网电压故障瞬间，定子侧过电压和转子侧过电压均超过正常运行值4倍以上，而本发明提供的低电压穿越的双馈风机的定子侧的过电压和转子侧的过电压均限制在两倍正常值左右，有明显的抑制效果。
图4为低电压穿越的双馈风机和不具备低电压穿越的双馈风机的背靠背变流器直流侧电容电压对比图，在电网电压跌落瞬间，不具备低电压穿越双馈风机背靠背变流器直流母线过电压接近2500V，而提出的低电压穿越双馈风机背靠背变流器直流母线过电压小于1500V，抑制效果明显。
综上所述，本发明提供的低电压穿越的双馈风机解决了电网电压深度跌落情况下，双馈风机无法实现低电压穿越的问题，在网侧电压跌落到0时依旧可以保障风机不脱网运行，有效控制电网故障期间双馈风机定子侧变流器、转子侧变流器和直流电容过电压，提高双馈风机低电压穿越能力。且在故障期间第一变流器可以为双馈风机提供无功支持，不会吸收电网无功功率。
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 (7)

1.一种低电压穿越的双馈风机，其特征在于，包括：电动机主体、三相变压器(5)、第一变流器(1)、斩波器(2)、储能模块(3)以及变流器组；
所述电动机主体，其设有定子和转子，其定子与电网连接，用于通过转子向电网输出电流和电压，以及通过定子向电网输出电流和电压；
所述三相变压器(5)，其原边一端与所述电动机主体的转子连接，其副边一端与所述第一变流器(1)的交流侧连接，其副边另一端连接中性点，用于将第一交流器(1)的交流侧电压叠加至转子上；
所述变流器组，其转子交流侧与所述三相变压器(5)的原边另一端连接，其定子交流侧与电网连接，其设有直流侧，用于根据转子控制信号调整转子输出电流与电压，以及根据定子控制信号调整定子输出电流与电压；
所述第一变流器(1)的直流侧与所述变流器组的直流侧连接，用于通过其控制端接收第一控制信号实现改变其交流侧电压；
当电网故障时，所述通过第一变压器控制端接收第一控制信号使第一变压器的交流侧电压与转子故障电压相反，所述第一变流器的交流侧电压的幅值与转子故障电压幅值相同；
所述斩波器(2)，其输入端与所述变流器组的直流侧并联，其输出端与储能模块(3)并联，用于通过其控制端接收第二控制信号实现所述储能模块(3)与所述变流器组之间能量转化。
2.如权利要求1所述的双馈电机，其特征在于，还包括滤波单元(8)，其输入端与所述变压器组的定子交流侧连接，其输出端与电网连接，用于对转子交流侧输出电压进行滤波处理。
3.如权利要求1或2所述的双馈电机，其特征在于，所述储能模块为超导材料制备的线圈。
4.一种基于权利要求1所述的双馈风机的低电压穿越方法，其特征在于，包括如下步骤：
当发生故障时，通过向所述第一变流器的控制端输入第一控制信号，使所述第一变流器的交流侧电压与转子故障电压相反，所述第一变流器的交流侧电压的幅值与转子故障电压幅值相同，实现抵消转子过电压；
通过向斩波器控制端输入第二控制信号，实现储能模块与变压器组的之间能量转化，实现保持直流侧母线电压不变。
5.一种如权利要求4所述的低电压穿越方法，其特征在于，获得所述第一变换器的控制端的第一控制信号包括如下步骤：
S11对第一变流器的交流侧电压的d轴分量与转子故障电压的d轴分量进行PI控制处理，获得d轴PI控制电流；对第一变流器的交流侧电压的q轴分量与转子故障电压的q轴分量进行PI控制处理，获得q轴PI控制电流；
S12对所述d轴PI控制电流与第一变流器的交流侧参考电流的d轴分量进行内模控制处理，获得d轴内模控制电流；对所述q轴PI控制电流与第一变流器的交流侧参考电流的q轴分量进行内模控制处理，获得q轴内模控制电流；
S13将所述d轴内模控制电流和所述q轴内模控制电流进行两相坐标到三相坐标转化处理输出三相控制信号；
S14对所述三相控制信号进行脉冲宽度调制处理获得所述第一变流器的控制端的第一控制信号。
6.如权利要求5所述的低电压穿越方法，其特征在于，根据公式获得转子故障电压的d轴分量，根据公式获得转子故障电压的q轴分量，其中，u*dr为转子故障电压的d轴分量，u*qr为转子故障电压的q轴分量；Lm为双馈风机定子与转子间的互感；ids为定子故障电流的d轴分量；iqs为定子故障电流的q轴分量。
7.如权利要求4至6任一项所述的低电压穿越方法，其特征在于，获得所述斩波器的控制端的第二控制信号包括如下步骤：
S21将变流器组中直流侧母线电压与变流器组中直流侧母线电压进行PI控制处理，获得电流PI控制信号；
S22对所述电流PI控制信号进行脉冲宽度调制处理获得所述斩波器的控制端的第二控制信号。
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