CN107026472B - 一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法，当变频器进入高电压穿越后，给定电流不通过外环控制器输出，由内环控制器直接给定，当退出高电压穿越后，给定电流由外环控制器输出。本发明通过快速转子电流控制，有效抑制转子过流，避免Crowbar因转子过流而开通，减小电磁转矩的振荡幅度；本发明能够快速从电网吸收无功电流，帮助电网电压恢复；高电压穿越期间尽最大能力发出有功功率，抑制超速的同时，提升了机组发电量。

Description

一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法

技术领域

本发明属于风力发电、电力电子技术领域，尤其是涉及一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法。

背景技术

电网高电压对机侧变频器的影响，与电网低电压的影响原理类似，均是由于电机的感应作用，使得转子感应电动势升高，从而导致转子过流等一系列反应。根据电科院关于高电压穿越的征求意见稿，变流器高电压穿越标准：电网电压低于1.1p.u.时可长期运行，介于1.1～1.15p.u.时可持续运行10s，介于1.15～1.2p.u.时可持续运行2s，介于1.2～1.25p.u.时可持续运行1s，介于1.25～1.3p.u.时可持续运行200ms。针对电网高电压时变频器机侧的特性以及电科院的标准要求，需设计有效完善的高电压穿越控制方法，保证机组不脱网并顺利通过高电压穿越。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法，通过快速转子电流控制，有效抑制转子过流，避免Crowbar因转子过流而开通，减小电磁转矩的振荡幅度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法，当变频器进入高电压穿越后，给定电流不通过外环控制器输出，由内环控制器直接给定，当退出高电压穿越后，给定电流由外环控制器输出。

进一步的，所述进入高电压穿越的条件为

USP>1.18*U_n或

USP>1.05*U_n且δ＞5％；

退出高电压穿越的条件为

USP<1.12*U_n且

USP<1.02*U_n或δ＜3％，

其中USP为电网正序电压幅值，δ为不平衡度，U_n为电网额定电压幅值。

进一步的，在高电压穿越期间，所述由内环控制器直接给定的给定电流包括有功电流给定和无功电流给定，所述有功电流给定方法具体包括：

①高电压穿越期间采用无功优先的控制方式，有功电流给定受到无功电流给定的限制，

式中Irq_ref_₁为转子有功电流给定值，Ir__MAX为转子电流限幅值， Ird_ref为转子无功电流给定值。

②受到网侧发出有功电流能力的限制，网侧有功电流给定值限制为：

式中Igd_ref为网侧无功电流给定值，I_{g_MAX}为网侧电流限幅值，I_{gq_limit}为网侧有功电流最大给定值；

折算到转子侧，则转子有功电流给定值为：

式中Ls、Lm、K为电机参数，s为转差率；

③受到机侧控制能力的影响，尤其是不平衡电压骤升时，由于负序电压的影响，转子电流负序分量较大，为了避免过流开通Crowbar，需要限制有功电流的发出，当电压骤升到1.25倍时，转子不发出有功电流；当电压骤升到1.15倍时，转子有功电流保持高电压穿越前的值；当电压骤升为 1.15～1.25倍时，按照线性插值给定转子有功电流，设计的转子有功电流给定值为：

式中U为当前测量电压幅值，Un为额定电压幅值，I_{rq0_ref}为记录的高电压穿越零时刻的转子有功电流给定值。

④受到高电压穿越前转子有功电流的限制，保证高电压穿越期间发出的有功功率小于等于高电压穿越前的有功功率，由于电压升高，因此转子有功电流给定需与电压倍率反比降低，

综合上述四个方面的边界限制，高电压穿越期间转子有功电流给定按照下式计算：

I_{rq_ref}＝MIN(|I_{rq_ref_1}|,|I_{rq_ref_2}|,|I_{rq_ref_3}|,|I_{rq_ref_4}|)

I_{rq_ref}为最终的转子有功电流给定值，MIN为求最小值运算。

进一步的,所述无功电流给定包括如下步骤，

定义机组发出的总无功电流为I_d，网侧发出的无功电流为I_gd，定子发出的无功电流为I_sd，根据KCL定律，存在如下关系：

I_d＝I_gd+I_sd

转子电流与定子电流的关系为：

进一步推导：

折算到转子侧，则转子无功电流给定值为：

总无功电流I_d参照电科院标准，设定为电网电压在1.1倍为发出无功电流的起点电压，当电网电压为1.3倍时，发出机组额定电流的无功电流，

则高电压穿越期间转子无功电流给定值为：

式中U为当前测量电压幅值，U_n为电网额定电压幅值，K为定转子变比， I_n为机组额定电流，I_{gd_ref}为网侧无功电流给定值，ω_s为2*50*PI，L_m和L_s为电机参数。

相对于现有技术，本发明所述的一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法具有以下优势：

(1)本发明通过快速转子电流控制，有效抑制转子过流，避免Crowbar 因转子过流而开通，减小电磁转矩的振荡幅度；

(2)本发明能够快速从电网吸收无功电流，帮助电网电压恢复；

(3)高电压穿越期间尽最大能力发出有功功率，抑制超速的同时，提升了机组发电量。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法的控制框图；

图2a为本发明未使能高电压穿越机侧控制方法的1.3倍电网电压平衡骤升时的三相转子电流；

图2b为本发明使能高电压穿越机侧控制方法的1.3倍电网电压平衡骤升时的三相转子电流；

图2c为本发明未使能高电压穿越机侧控制方法的1.3倍电网电压不平衡骤升时的三相转子电流；

图2d为本发明使能高电压穿越机侧控制方法的1.3倍电网电压不平衡骤升时的三相转子电流。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法，

如图1所示双馈变频器的控制框图，在正常的工作过程中，由外环控制输出给定电流，包括Idr*(无功电流给定)和Iqr*(有功电流给定)，经过PI控制器输出反馈电压，当进入高电压穿越时，由内环控制器直接给定 Irq_ref，当退出高电压穿越后，给定电流由外环控制器输出。具体过程如下：

首先判断是否进入高电压穿越状态，

高电压穿越进入退出条件为：

平衡电压骤升时，电压幅值较高，但无负序电压；不平衡电压骤升时，电压幅值相对较低，但负序电压很大。无论电压幅值高还是负序电压大，均会使得转子感应电动势升高，影响机侧控制，严重时会出现转子过流。高电压穿越标志的快速置位，机侧控制的快速切入显得至关重要。为了兼顾平衡电压骤升和不平衡电压骤升的影响，采用正序电压结合不平衡度的方法，对高电压穿越进入和退出进行判断。

通过正负序分解计算出电网正序电压幅值USP、负序电压幅值USN，不平衡度δ。

进入高电压穿越的条件有两个：一是正序电压大于一定值；二是不平衡度大于一定值，同时正序电压超于额定电压值。并考虑电网电压幅值和不平衡度的正常运行范围，且进入和退出条件须有一定的滞环。

高电压穿越进入和退出条件如下：

进入高电压穿越：USP＞1.18*U_n或USP＞1.05*U_n且δ＞5％；

退出高电压穿越：USP＜1.12*U_n且USP＜1.02*U_n或δ＜3％。

Un为电网额定电压幅值。

高电压穿越期间转子有功电流的给定方法：

①高电压穿越期间采用无功优先的控制方式，有功电流给定受到无功电流给定的限制，

式中Irq_ref_₁为转子有功电流给定值，I_{r_MAX}为转子电流限幅值，I_{rd_ref}为转子无功电流给定值。

②受到网侧发出有功电流能力的限制，网侧有功电流给定值限制为：

式中I_{gd_ref}为网侧无功电流给定值，I_{g_MAX}为网侧电流限幅值，I_{gq_limit}为网侧有功电流最大给定值。

折算到转子侧，则转子有功电流给定值为：

式中Ls、Lm、K为电机参数，s为转差率。

③受到机侧控制能力的影响，尤其是不平衡电压骤升时，由于负序电压的影响，转子电流负序分量较大，为了避免过流开通Crowbar，需要限制有功电流的发出。当电压骤升到1.25倍时，转子不发出有功电流；当电压骤升到1.15倍时，转子有功电流保持高电压穿越前的值；当电压骤升为 1.15～1.25倍时，按照线性插值给定转子有功电流。

设计的转子有功电流给定值为：

式中U为当前测量电压幅值，Un为额定电压幅值，I_{rq0_ref}为记录的高电压穿越零时刻的转子有功电流给定值。

④受到高电压穿越前转子有功电流的限制，保证高电压穿越期间发出的有功功率小于等于高电压穿越前的有功功率，由于电压升高，因此转子有功电流给定需与电压倍率反比降低。

综合上述四个方面的边界限制，高电压穿越期间转子有功电流给定按照下式计算：

I_{rq_ref}＝MIN(|I_{rq_ref_1}|,|I_{rq_ref_2}|,|I_{rq-ref_3}|,|I_{rq_ref_4}|)

I_{rq_ref}为最终的转子有功电流给定值，MIN为求最小值运算。

高电压穿越期间转子无功电流的给定方法：

定义机组发出的总无功电流为I_d，网侧发出的无功电流为I_gd，定子发出的无功电流为I_sd，根据KCL定律，存在如下关系：

I_d＝I_gd+I_sd

转子电流与定子电流的关系为：

进一步推导：

折算到转子侧，则转子无功电流给定值为：

总无功电流I_d参照电科院标准，设定为电网电压在1.1倍为发出无功电流的起点电压，当电网电压为1.3倍时，发出机组额定电流的无功电流，

则高电压穿越期间转子无功电流给定值为：

式中U为当前测量电压幅值，U_n为电网额定电压幅值，K为定转子变比， I_n为机组额定电流，I_{gd_ref}为网侧无功电流给定值，ω_s为2*50*PI，L_m和L_s为电机参数。

当进入高电压穿越，即检测到高电压穿越标志位后，根据上述的转子无功电流给定原则，无功电流给定值由当前值阶跃到上述中计算的转子无功电流给定值。等效于机侧通过快速发出无功电流，增大电机转子漏感上的压降，转子逆变器的过调制被快速抑制，同时也降低了电压骤升时带来的电机转子电压骤升幅度，进而抑制转子过流，避免了Crowbar的导通。

针对1.3倍电网电压平衡骤升工况，仿真验证本发明所提的高穿机侧控制方法的效果，如附图2a和附图2b所示为三相转子电流。如附图2a，未施加高穿机侧控制方法时，电压骤升瞬间转子电流最大可到1500A，Crowbar 可能因转子过流触发开通；如附图2b，施加高穿机侧控制方法时，电压骤升瞬间转子电流被很好的抑制到安全范围内。

针对1.3倍电网电压不平衡骤升工况，仿真验证本发明所提的高穿机侧控制方法的效果，如附图2c和附图2d所示为三相转子电流。如附图2c，未施加高穿机侧控制方法时，电压骤升瞬间转子电流最大可到1400A，Crowbar 可能因转子过流触发开通；如附图2d，施加高穿机侧控制方法时，电压骤升瞬间转子电流被很好的抑制到安全范围内。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法，其特征在于：当变频器进入高电压穿越后，给定电流不通过外环控制器输出，由内环控制器直接给定，当退出高电压穿越后，给定电流由外环控制器输出；

在高电压穿越期间，所述由内环控制器直接给定的给定电流包括有功电流给定和无功电流给定，所述有功电流给定方法具体包括：

①高电压穿越期间采用无功优先的控制方式，有功电流给定受到无功电流给定的限制，

式中Irq_ref_₁为转子有功电流给定值，Ir__MAX为转子电流限幅值，Ird_ref为转子无功电流给定值；

②受到网侧发出有功电流能力的限制，网侧有功电流给定值限制为：

式中Igd_ref为网侧无功电流给定值，I_{g_MAX}为网侧电流限幅值，I_{gq_limit}为网侧有功电流最大给定值；

折算到转子侧，则转子有功电流给定值为：

式中Ls、Lm、K为电机参数，K为双馈电机定转子变比，s为转差率；

③受到机侧控制能力的影响，不平衡电压骤升时，由于负序电压的影响，转子电流负序分量较大，为了避免过流开通Crowbar，需要限制有功电流的发出，当电压骤升到1.25倍时，转子不发出有功电流；当电压骤升到1.15倍时，转子有功电流保持高电压穿越前的值；当电压骤升为1.15～1.25倍时，按照线性插值给定转子有功电流，设计的转子有功电流给定值为：

式中U为当前测量电压幅值，Un为额定电压幅值，I_{rq0_ref}为记录的高电压穿越零时刻的转子有功电流给定值；

④受到高电压穿越前转子有功电流的限制，保证高电压穿越期间发出的有功功率不大于高电压穿越前的有功功率，由于电压升高，因此转子有功电流给定需与电压倍率反比降低，

综合上述四个方面的边界限制，高电压穿越期间转子有功电流给定按照下式计算：

I_{rq_ref}＝MIN(|I_{rq_ref_1}|,|I_{rq_ref_2}|,|I_{rq_ref_3}|,|I_{rq_ref_4}|)

Irq_ref为最终的转子有功电流给定值，MIN为求最小值运算。

2.根据权利要求1所述的一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法，其特征在于：所述进入高电压穿越的条件为

USP>1.18*U_n或

USP>1.05*U_n且δ＞5％；

退出高电压穿越的条件为

USP<1.12*U_n且

USP<1.02*U_n或δ＜3％，

其中USP为电网正序电压幅值，δ为不平衡度，U_n为电网额定电压幅值。

3.根据权利要求1所述的一种双馈变频器高电压穿越机侧控制方法，其特征在于：所述无功电流给定包括如下步骤，

定义机组发出的总无功电流为I_d，网侧发出的无功电流为I_gd，定子发出的无功电流为I_sd，根据KCL定律，存在如下关系：

I_d＝I_gd+I_sd

转子电流与定子电流的关系为：

进一步推导：

折算到转子侧，则转子无功电流给定值为：

总无功电流I_d参照电科院标准，设定为电网电压在1.1倍为发出无功电流的起点电压，当电网电压为1.3倍时，发出机组额定电流的无功电流，

则高电压穿越期间转子无功电流给定值为：

式中U为当前测量电压幅值，Un为电网额定电压幅值，K为定转子变比，In为机组额定电流，Igd_ref为网侧无功电流给定值，ωs为2*50*PIrad/s，Lm和Ls为电机参数，PI为圆周率。

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