CN107425539A - 电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法 - Google Patents

电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，本方法包含对双馈风电机组转子侧变换器和网侧变换器的控制。通过对双馈风电机组转子侧变换器的控制，能够抑制机组电磁转矩二倍频波动，从而实现了双馈风电系统的不脱网安全稳定运行，同时在考虑变换器容量基础上能够输出满足电网导则要求的最小无功电流，从而提高了故障期间电网的暂态电压水平。通过对双馈风电机组网侧变换器的控制，能够抑制直流母线电压二倍频波动，不仅提高了直流母线电容的使用寿命，而且与转子侧变换器协调控制能够有效抑制机组输出有功和无功功率二倍频波动，从而改善了其并网电能质量。本方法综合考虑了变换器容量以及机组运行工况，有效提高了双馈风电机组的故障穿越能力及其所并电网的电能质量。

Description

电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术，具体涉及一种双馈风电机组在电网不对称故障下的增强故障穿越控制方法，属于新能源发电领域。
背景技术
目前，双馈风电机组因其具有变速恒频运行、变换器容量小等优点，已成为风力发电系统中的主流机型之一。然而，由于其定子绕组直接与电网相连，使得机组的抗电网扰动特别是抗电网电压跌落性能较差。相比于电网对称短路故障，电网不对称短路故障在实际系统中发生的概率更大。当电网发生不对称跌落故障时，双馈风电机组的转子绕组将出现过电压和过电流，这将进一步造成转子侧变换器和直流侧电容的损坏。同时，电网负序电压和负序电流的出现将会引起机组电磁转矩及输出功率的二倍频波动，严重威胁风电机组的安全稳定运行及所并电网的电能质量。因此，为了提高双馈风电机组在电网不对称故障下的低电压穿越能力及风电机组所并电网的电能质量，需进一步对不对称电网故障条件下双馈风电系统的低电压穿越控制方法进行深入研究。目前，针对双馈风电机组的不对称故障穿越技术，国内外学者已开展了相关研究，如已公开的下列文献：
(1)杨淑英，陈刘伟，孙灯悦，等.非对称电网故障下的双馈风电机组低电压穿越暂态控制策略[J].电力系统自动化，2014，38(18)：13-19.
(2)Xiao Shuai,Yang Geng,Zhou Honglin,et al.An LVRT control strategybased on flux linkage tracking for DFIG-based WECS[J].IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2013,60(7):2820-2832.
(3)Christian Wessels,Fabian Gebhardt,Friedrich Wilhelm Fuchs.Faultride-through of a DFIG wind turbine using a dynamic voltage restorer duringsymmetrical and asymmetrical grid faults[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2011,26(3):807-815.
文献(1)提出在电网不对称故障期间通过向双馈风电机组转子侧注入与定子磁链暂态直流分量和负序分量方向相反的暂态电流和负序电流以减小故障期间转子电压的冲击。然而，注入的转子暂态电流和负序电流可能会进一步加重故障期间转子中的过电流。文献(2)提出了一种暂态磁链跟踪控制方法，在电网不对称故障下通过控制双馈风电机组转子磁链跟踪定子磁链以降低转子电流冲击。但该方法导致电网不对称故障期间双馈风电系统需从电网吸收无功功率，进而加深故障跌落程度。文献(3)提出在电网不对称故障期间通过增加使用动态电压恢复器以补偿双馈风电系统并网点电压，从而进一步改善电网不对称跌落故障下双馈风电机组的运行性能，但硬件设备的使用必然会增加整个系统的成本。
在电网不对称故障期间，由于电网负序电压和系统负序电流的出现，必然会对双馈风电机组的运行性能产生严重影响。因此，在不增加额外的硬件设备基础上，充分利用双馈风电机组中变流器的可控能力，研究电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，从而保障双馈风电机组不脱网安全稳定运行并且向电网提供无功支撑，以进一步提高电网暂态电压水平，对增强双馈风电系统的故障穿越能力及其所并电网的电能质量具有重要的现实意义。
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不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，本方法充分利用双馈风电机组中转子侧变换器和网侧变换器的电流裕量来抑制机组电磁转矩和直流母线电压二倍频波动，并向电网提供满足电网导则要求的最小无功电流，从而提高双馈风电机组故障穿越能力及其并网电能质量。
本发明的技术方案是这样实现的：
电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，本方法涉及对双馈风电机组转子侧变换器和网侧变换器的控制；
(A)双馈风电机组转子侧变换器的控制步骤为：
A1)采集双馈风电机组所处位置的风机叶片旋转角速度ω1；基于最大风能跟踪原理，根据叶片旋转角速度ω1和双馈风电机组参数计算其捕获的最大有功功率PDFIG；
A2)采集双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc、转子侧变换器输出三相电流信号irabc、直流母线电压udc以及转子转速ωr；
A3)将采集到的双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc经过数字锁相环得到双馈风电机组并网点正序电压矢量的电角度θg和同步电角速度ωs；
A4)将步骤A2)获得的双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标系下的电压信号，即ugα、ugβ；
A5)将步骤A4)所得静止两相αβ坐标系下的电压信号ugα、ugβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换，再经过2ωs陷波器滤波，得到电网不对称故障条件下双馈风电机组并网点三相电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴电压分量，即
A6)将步骤A2)获得的转子侧变换器输出三相电流信号irabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标系下的电流信号，即irα、irβ；
A7)将步骤A6)所得静止两相αβ坐标系下的电流信号irα、irβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换，再经过2ωs陷波器滤波，得到转子侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴分量，即
A8)采用双馈风电机组并网点正序电压d轴定向方式，根据步骤A1)获得的双馈风电机组总的输出有功功率PDFIG和步骤A5)获得的双馈风电机组并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴分量 为了抑制双馈风电机组电磁转矩二倍频波动，转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值如下所示：
式中， Ls、Lm分别为双馈风电机组定子绕组全电感以及定转子绕组之间的互感；Ps＝ωs(kW)1/3(PDFIG)2/3/N为双馈风电机组定子侧输出有功功率；为风力机有关的常数，其中ρ为空气密度，Rw为风轮半径，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比；N为齿轮箱增速比；为双馈风电机组定子侧按照电网导则的最低无功电流要求输出的无功功率；
A9)将步骤A8)获得的双馈风电机组转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值以及转子侧变换器允许运行的最大电流Irmax输送至转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块，确定转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值
A10)将步骤A9)计算得到的转子侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至转子侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下输出电压的正、负序dq轴分量
式中，Kp1和τi1分别为转子侧变换器正序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Kp2和τi2分别为转子侧变换器负序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；ωslip+＝ωs-ωr为正转转差角频率；ωslip-＝-ωs-ωr为反转转差角频率；Lr为双馈风电机组转子绕组全电感；为风电机组的漏磁系数；
A11)将步骤A10)得到的转子侧变换器正、负序控制电压dq轴分量分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标系下正、负序控制电压
A12)将步骤A11)得到的转子侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制产生转子侧变换器PWM驱动信号，以抑制双馈风电机组电磁转矩二倍频波动；
(B)双馈风电机组网侧变换器的控制步骤为：
B1)采集双馈风电机组网侧变换器输出三相电流信号igabc；
B2)将步骤B1)获得的网侧变换器输出三相电流信号igabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标系下的电流信号，即igα、igβ；
B3)将步骤B2)所得静止两相αβ坐标系下的电流信号igα、igβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换，再经过2ωs陷波器滤波，得到网侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴分量，即
B4)根据步骤A5)获得的双馈风电机组并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴分量为了抑制双馈风电机组直流母线电压二倍频波动，网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值如下所示：
式中：Pg、Qg分别为双馈风电机组网侧变换器输出有功、无功功率；Pesin2、Pecos2分别为双馈风电机组电磁功率正、余弦二倍频波动分量；Pssin2、Pscos2分别为双馈风电机组定子输出有功功率正、余弦二倍频波动分量；PXsin2、PXcos2分别为双馈风电机组网侧变换器并网电抗器上消耗的有功功率正、余弦二倍频波动分量；
B5)将步骤B4)获得的双馈风电机组网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值以及网侧变换器允许运行的最大电流Igmax输送至网侧变换器正、负序电流参考值计算模块，确定网侧变换器正、负序dq轴电流参考值
B6)将步骤B5)计算得到的网侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至网侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下输出电压的正、负序dq轴分量
式中，Kp3和τi3分别为网侧变换器正序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Kp4和τi4分别为网侧变换器负序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Lg为双馈风电机组网侧变换器并网电抗器的电感值；
B7)将步骤B6)得到的网侧变换器正、负序控制电压dq轴分量分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标系下正、负序控制电压
B8)将步骤B7)得到的网侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制产生网侧变换器PWM驱动信号，以抑制双馈风电机组直流母线电压二倍频波动。
所述的步骤A9)包含以下步骤：
A9.1)基于步骤A8)获得的双馈风电机组转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值再根据转子侧变换器允许运行的最大电流Irmax，可得双馈风电机组转子侧变换器总的电流参考值需满足如下式所示的约束条件：
A9.2)若满足A9.1)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
式中，为转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块输出的正、负序dq轴电流参考值；
A9.3)若不满足A9.1)中的约束条件，则判断双馈风电机组转子侧变换器总的电流参考值是否满足如下式所示的约束条件：
式中，为双馈风电机组并网点电压不平衡度；
A9.4)若满足A9.3)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
A9.5)若不满足A9.3)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
所述的步骤B5)包含以下步骤：
B5.1)基于步骤B4)获得的双馈风电机组网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值再根据网侧变换器允许运行的最大电流Igmax，可得双馈风电机组网侧变换器总的电流参考值需满足如下式所示的约束条件：
B5.2)若满足B5.1)中的约束条件，则网侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照步骤B4)所述输出，即
B5.3)若不满足B5.1)中的约束条件，则网侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过对双馈风电机组转子侧变换器的控制，能够抑制机组电磁转矩二倍频波动，从而实现了双馈风电系统的不脱网安全稳定运行，同时在考虑变换器容量基础上能够输出满足电网导则要求的最小无功电流，从而提高了故障期间电网的暂态电压水平。通过对双馈风电机组网侧变换器的控制，能够抑制直流母线电压二倍频波动，不仅提高了直流母线电容的使用寿命，而且与转子侧变换器协调控制能够有效抑制机组输出有功和无功功率二倍频波动，从而改善了其并网电能质量。
总之，通过对双馈风电机组转子侧变换器和网侧变换器的控制，在充分考虑变换器容量和机组运行工况基础上，得到双馈风电机组转子侧变换器和网侧变换器的正、负序dq轴电流给定指令，使得双馈风电机组能够抑制机组电磁转矩和直流母线电压二倍频波动，同时能够输出满足电网导则要求的最小无功电流，并且能够抑制机组输出有功和无功功率二倍频波动，从而显著增强了双馈风电机组在电网不对称故障下的低电压穿越能力及其所并电网的电能质量。
附图说明
图1为双馈风电机组接入电力系统的结构示意图。
图2为本发明所述双馈风电机组的不对称故障穿越控制方法框图。
图3为双馈风电机组转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块。
图4为双馈风电机组网侧变换器正、负序电流参考值计算模块。
图5为并网点电压不平衡度为20％时采用最大风能跟踪控制策略下双馈风电机组的仿真波形。
图6为并网点电压不平衡度为20％时采用本发明控制方法下双馈风电机组的仿真波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。
图1为双馈风电机组接入电力系统的结构示意图，双馈风电机组通过公共点(point of common coupling，PCC)接入大电网。电网不对称故障时，双馈风电机组充分利用其转子侧变换器和网侧变换器，在保证抑制机组电磁转矩和直流母线电压二倍频波动的同时，向电网提供满足电网导则要求的最小无功电流，以提高双馈风电机组故障穿越能力和并网电能质量。
参见图2，本发明电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，它包括的控制对象有：双馈风电机组(double-fed induction generator，DFIG)1，直流链电容2，转子侧变换器(rotor side converter，RSC)3，网侧变换器(grid side converter，GSC)4，空间矢量调制模块5和6，电压传感器7，电流传感器8和9，转子侧变换器电流参考值计算模块10，网侧变换器电流参考值计算模块11，陷波器12和13，正向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块14和15，反向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块16和17，静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块18和19，静止两相αβ坐标系到正向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换模块20和21，静止两相αβ坐标系到反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换模块22和23，锁相环(phase locked loop，PLL)24，转子转速测量模块25，风机叶片转速测量模块26。
本发明具体实施步骤如下：
(A)双馈风电机组转子侧变换器的控制步骤为：
A1)利用风机叶片转速测量模块26采集双馈风电机组所处位置的风机叶片旋转角速度ω1；基于最大风能跟踪原理，根据叶片旋转角速度ω1和双馈风电机组参数计算其捕获的最大有功功率PDFIG；
A2)利用电压传感器7采集双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc和直流母线电压udc，利用电流传感器9采集转子侧变换器输出三相电流信号irabc，利用转子转速测量模块25采集转子转速ωr；
A3)将采集到的双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc经过数字锁相环(PLL)24得到双馈风电机组并网点正序电压矢量的电角度θg和同步电角速度ωs；
A4)将步骤A2)获得的双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块19，转换为静止两相αβ坐标系下的电压信号，即ugα、ugβ；
A5)将步骤A4)所得静止两相αβ坐标系下的电压信号ugα、ugβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换模块21、23，再经过2ωs陷波器12滤波，得到电网不对称故障条件下双馈风电机组并网点三相电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴电压分量，即
A6)将步骤A2)获得的转子侧变换器输出三相电流信号irabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块18，转换为静止两相αβ坐标系下的电流信号，即irα、irβ；
A7)将步骤A6)所得静止两相αβ坐标系下的电流信号irα、irβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换模块20、22，再经过2ωs陷波器13滤波，得到转子侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴分量，即
A8)采用双馈风电机组并网点正序电压d轴定向方式，根据步骤A1)获得的双馈风电机组总的输出有功功率PDFIG和步骤A5)获得的双馈风电机组并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴分量 为了抑制双馈风电机组电磁转矩二倍频波动，转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值如下所示：
式中， Ls、Lm分别为双馈风电机组定子绕组全电感以及定转子绕组之间的互感；Ps＝ωs(kW)1/3(PDFIG)2/3/N为双馈风电机组定子侧输出有功功率；为风力机有关的常数，其中ρ为空气密度，Rw为风轮半径，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比；N为齿轮箱增速比；为双馈风电机组定子侧按照电网导则的最低无功电流要求输出的无功功率。
A9)将步骤A8)获得的双馈风电机组转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值以及转子侧变换器允许运行的最大电流Irmax输送至转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块10，确定转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值
A10)将步骤A9)计算得到的转子侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至转子侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下输出电压的正、负序dq轴分量
式中，Kp1和τi1分别为转子侧变换器正序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Kp2和τi2分别为转子侧变换器负序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；ωslip+＝ωs-ωr为正转转差角频率；ωslip-＝-ωs-ωr为反转转差角频率；Lr为双馈风电机组转子绕组全电感；为风电机组的漏磁系数；
A11)将步骤A10)得到的转子侧变换器正、负序控制电压dq轴分量分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块14、16，得到静止两相αβ坐标系下正、负序控制电压
A12)将步骤A11)得到的转子侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制模块5产生转子侧变换器PWM驱动信号，以抑制双馈风电机组电磁转矩二倍频波动。
(B)双馈风电机组网侧变换器的控制步骤为：
B1)利用电流传感器8采集双馈风电机组网侧变换器输出三相电流信号igabc；
B2)将步骤B1)获得的网侧变换器输出三相电流信号igabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块19，转换为静止两相αβ坐标系下的电流信号，即igα、igβ；
B3)将步骤B2)所得静止两相αβ坐标系下的电流信号igα、igβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换模块21、23，再经过2ωs陷波器12滤波，得到网侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴分量，即
B4)根据步骤A5)获得的双馈风电机组并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴分量为了抑制双馈风电机组直流母线电压二倍频波动，网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值如下所示：
式中：Pg、Qg分别为双馈风电机组网侧变换器输出有功、无功功率；Pesin2、Pecos2分别为双馈风电机组电磁功率正、余弦二倍频波动分量；Pssin2、Pscos2分别为双馈风电机组定子输出有功功率正、余弦二倍频波动分量；PXsin2、PXcos2分别为双馈风电机组网侧变换器并网电抗器上消耗的有功功率正、余弦二倍频波动分量；
B5)将步骤B4)获得的双馈风电机组网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值以及网侧变换器允许运行的最大电流Igmax输送至网侧变换器正、负序电流参考值计算模块11，确定网侧变换器正、负序dq轴电流参考值
B6)将步骤B5)计算得到的网侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至网侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下输出电压的正、负序dq轴分量
式中，Kp3和τi3分别为网侧变换器正序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Kp4和τi4分别为网侧变换器负序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Lg为双馈风电机组网侧变换器并网电抗器的电感值；
B7)将步骤B6)得到的网侧变换器正、负序控制电压dq轴分量分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换模块15、17，得到静止两相αβ坐标系下正、负序控制电压
B8)将步骤B7)得到的网侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制模块6产生网侧变换器PWM驱动信号，以抑制双馈风电机组直流母线电压二倍频波动。
本发明所述的转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块10见图3，具体实施步骤如下所示：
A9.1)基于步骤A8)获得的双馈风电机组转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值再根据转子侧变换器允许运行的最大电流Irmax，可得双馈风电机组转子侧变换器总的电流参考值需满足如下式所示的约束条件：
A9.2)若满足A9.1)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
式中，为转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块输出的正、负序dq轴电流参考值；
A9.3)若不满足A9.1)中的约束条件，则判断双馈风电机组转子侧变换器总的电流参考值是否满足如下式所示的约束条件：
式中，为双馈风电机组并网点电压不平衡度；
A9.4)若满足A9.3)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
A9.5)若不满足A9.3)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
本发明所述的网侧变换器正、负序电流参考值计算模块11见图4，具体实施步骤如下所示：
B5.1)基于步骤B4)获得的双馈风电机组网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值再根据网侧变换器允许运行的最大电流Igmax，可得双馈风电机组网侧变换器总的电流参考值需满足如下式所示的约束条件：
B5.2)若满足B5.1)中的约束条件，则网侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照步骤B4)所述输出，即
B5.3)若不满足B5.1)中的约束条件，则网侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
本发明在电网不对称故障下实现了双馈风电机组的增强低电压穿越控制，通过充分利用双馈风电机组转子侧变换器和网侧变换器电流裕量，能够显著提高双馈风电机组的不脱网安全稳定运行能力及其所并电网的电能质量。对于双馈风电机组，故障初始及恢复阶段其转子侧Crowbar电路投入，将转子侧变换器旁路从而保护转子侧变换器；故障持续阶段，转子侧Crowbar电路切出且转子侧变换器恢复对双馈风电机组的控制。在考虑变换器容量及机组运行工况基础上，通过对双馈风电机组转子侧变换器的控制，能够抑制机组电磁转矩二倍频波动，同时能够输出满足电网导则要求的最小无功电流；通过对双馈风电机组网侧变换器的控制，能够抑制直流母线电压二倍频波动，并且与转子侧变换器协调控制能够有效抑制机组输出有功和无功功率二倍频波动。通过上述控制方法实现了双馈风电机组在电网不对称故障下的不脱网安全稳定运行，同时也显著改善了其并网电能质量。
图5为并网点电压不平衡度为20％时采用最大风能跟踪控制策略下双馈风电机组的仿真波形。图6为并网点电压不平衡度为20％时采用本发明控制方法下双馈风电机组的仿真波形。与图5相比较，采用本发明提出的控制方法不仅能够抑制机组电磁转矩和直流母线电压二倍频波动，保证了机组安全稳定运行，同时能够输出满足电网导则要求的最小无功电流，使得公共点暂态电压水平得到显著提高，此外，还能够有效抑制机组输出有功和无功功率二倍频波动，有效改善了机组并网电能质量。
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 (3)

1.电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，其特征在于：本方法涉及对双馈风电机组转子侧变换器和网侧变换器的控制；
(A)双馈风电机组转子侧变换器的控制步骤为：
A1)采集双馈风电机组所处位置的风机叶片旋转角速度ω1；基于最大风能跟踪原理，根据叶片旋转角速度ω1和双馈风电机组参数计算其捕获的最大有功功率PDFIG；
A2)采集双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc、转子侧变换器输出三相电流信号irabc、直流母线电压udc以及转子转速ωr；
A3)将采集到的双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc经过数字锁相环得到双馈风电机组并网点正序电压矢量的电角度θg和同步电角速度ωs；
A4)将步骤A2)获得的双馈风电机组并网点三相电压信号ugabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标系下的电压信号，即ugα、ugβ；
A5)将步骤A4)所得静止两相αβ坐标系下的电压信号ugα、ugβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换，再经过2ωs陷波器滤波，得到电网不对称故障条件下双馈风电机组并网点三相电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴电压分量，即
A6)将步骤A2)获得的转子侧变换器输出三相电流信号irabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标系下的电流信号，即irα、irβ；
A7)将步骤A6)所得静止两相αβ坐标系下的电流信号irα、irβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换，再经过2ωs陷波器滤波，得到转子侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴分量，即
A8)采用双馈风电机组并网点正序电压d轴定向方式，根据步骤A1)获得的双馈风电机组总的输出有功功率PDFIG和步骤A5)获得的双馈风电机组并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴分量 为了抑制双馈风电机组电磁转矩二倍频波动，转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值如下所示：
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式中， Ls、Lm分别为双馈风电机组定子绕组全电感以及定转子绕组之间的互感；Ps＝ωs(kW)1/3(PDFIG)2/3/N为双馈风电机组定子侧输出有功功率；为风力机有关的常数，其中ρ为空气密度，Rw为风轮半径，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比；N为齿轮箱增速比；为双馈风电机组定子侧按照电网导则的最低无功电流要求输出的无功功率；
A9)将步骤A8)获得的双馈风电机组转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值以及转子侧变换器允许运行的最大电流Irmax输送至转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块，确定转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值
A10)将步骤A9)计算得到的转子侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至转子侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下输出电压的正、负序dq轴分量
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式中，Kp1和τi1分别为转子侧变换器正序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Kp2和τi2分别为转子侧变换器负序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；ωslip+＝ωs-ωr为正转转差角频率；ωslip-＝-ωs-ωr为反转转差角频率；Lr为双馈风电机组转子绕组全电感；为风电机组的漏磁系数；
A11)将步骤A10)得到的转子侧变换器正、负序控制电压dq轴分量分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标系下正、负序控制电压
A12)将步骤A11)得到的转子侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制产生转子侧变换器PWM驱动信号，以抑制双馈风电机组电磁转矩二倍频波动；
(B)双馈风电机组网侧变换器的控制步骤为：
B1)采集双馈风电机组网侧变换器输出三相电流信号igabc；
B2)将步骤B1)获得的网侧变换器输出三相电流信号igabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标系下的电流信号，即igα、igβ；
B3)将步骤B2)所得静止两相αβ坐标系下的电流信号igα、igβ经过静止两相αβ坐标系到正向、反向同步角速度旋转坐标系的恒功率坐标变换，再经过2ωs陷波器滤波，得到网侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正序、负序dq轴分量，即
B4)根据步骤A5)获得的双馈风电机组并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴分量为了抑制双馈风电机组直流母线电压二倍频波动，网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值如下所示：
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式中：Pg、Qg分别为双馈风电机组网侧变换器输出有功、无功功率；Pesin2、Pecos2分别为双馈风电机组电磁功率正、余弦二倍频波动分量；Pssin2、Pscos2分别为双馈风电机组定子输出有功功率正、余弦二倍频波动分量；PXsin2、PXcos2分别为双馈风电机组网侧变换器并网电抗器上消耗的有功功率正、余弦二倍频波动分量；
B5)将步骤B4)获得的双馈风电机组网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值以及网侧变换器允许运行的最大电流Igmax输送至网侧变换器正、负序电流参考值计算模块，确定网侧变换器正、负序dq轴电流参考值
B6)将步骤B5)计算得到的网侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至网侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下输出电压的正、负序dq轴分量
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式中，Kp3和τi3分别为网侧变换器正序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Kp4和τi4分别为网侧变换器负序控制系统中电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数；Lg为双馈风电机组网侧变换器并网电抗器的电感值；
B7)将步骤B6)得到的网侧变换器正、负序控制电压dq轴分量分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标系到静止两相αβ坐标系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标系下正、负序控制电压
B8)将步骤B7)得到的网侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制产生网侧变换器PWM驱动信号，以抑制双馈风电机组直流母线电压二倍频波动。
2.根据权利要求1所述的电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，其特征在于，所述的步骤A9)包含以下步骤：
A9.1)基于步骤A8)获得的双馈风电机组转子侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值再根据转子侧变换器允许运行的最大电流Irmax，可得双馈风电机组转子侧变换器总的电流参考值需满足如下式所示的约束条件：
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A9.2)若满足A9.1)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
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式中，为转子侧变换器正、负序电流参考值计算模块输出的正、负序dq轴电流参考值；
A9.3)若不满足A9.1)中的约束条件，则判断双馈风电机组转子侧变换器总的电流参考值是否满足如下式所示的约束条件：
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式中，为双馈风电机组并网点电压不平衡度；
A9.4)若满足A9.3)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>+</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>max</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;delta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>q</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>+</mo> <mo>*</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>q</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>+</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>s</mi> </msub> <msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>d</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1.5</mn> <mo>(</mo> <mn>0.9</mn> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>d</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>d</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>/</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>D</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mo>-</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>-</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>+</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>q</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>+</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>q</mi> <mo>-</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>-</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>+</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>q</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>+</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
A9.5)若不满足A9.3)中的约束条件，则转子侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
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3.根据权利要求1所述的电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法，其特征在于，所述的步骤B5)包含以下步骤：
B5.1)基于步骤B4)获得的双馈风电机组网侧变换器在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的正、负序dq轴电流参考值再根据网侧变换器允许运行的最大电流Igmax，可得双馈风电机组网侧变换器总的电流参考值需满足如下式所示的约束条件：
<mrow> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>g</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>d</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>+</mo> <mo>*</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>q</mi> <mo>+</mo> </mrow> <mrow> <mo>+</mo> <mo>*</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>d</mi> <mo>-</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mo>*</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>q</mi> <mo>-</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mo>*</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>max</mi> </mrow> </msub> </mrow>
B5.2)若满足B5.1)中的约束条件，则网侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照步骤B4)所述输出，即
B5.3)若不满足B5.1)中的约束条件，则网侧变换器正、负序dq轴电流参考值按照如下所述输出：
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