CN108599256A - 一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，检测当前风电机组机端电压有效值，若机端电压大于等于一定比例的额定电压，直驱式风电机组运行在正常模式下，若机端电压有效值跌落至一定比例以下时，即判定电网处于故障状态，直驱式风电机组运行在低电压穿越模式，低电压穿越模式下，电机侧变流器控制系统控制永磁同步发电机转子转速参考值从故障前转子转速值切换至故障时转子转速值；电网侧变流器控制系统切换电网侧无功电流参考值从故障前无功电流参考值切换至故障期间无功电流参考值，即电网侧变流器优先向电网发出无功电流，对电网提供一定的无功功率以帮助电网电压的恢复。
Description
技术领域
本发明属于风电场安全技术领域，具体涉及一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法。
背景技术
根据全球风能理事会(GWEC)最新发布的报告指出，2017年全球新增风电装机容量超过了52吉瓦，累计装机容量增长了10.8％，达到了539.5吉瓦，为了完成气候变化和可持续发展的目标，全球电力行业预计将于2050年实现零排放。
风电机组低电压穿越指的是当风力发电机并网点电压发生跌落时，风电机组与电网不解列，即仍然能够与电网保持并网运行，并且我国新的规程要求风电机组要向电网提供一定的无功功率来支持电网电压的恢复直至故障解除电网电压恢复，在电网电压跌落直至恢复的这个时间内风电机组完成穿越运行。针对风电机组LVRT(风电机组低电压穿越)特性的技术要求，我国目前采用的标准是GB/T 19963-2011风电场接入电力系统技术规定，其中对风电机组低电压穿越的要求是当并网点电压跌落至20％标称电压时需要保证风电机组能够保持并网连续运行625ms。
与双馈异步风力发电机和普通异步风力发电机不同的是，直驱永磁风力发电机组的优势在于它省去了传统风电系统中所必需的齿轮箱部件，风力机直接与永磁同步发电机相连，通过全功率变换将发出的电能输送至电网中。这种直驱的方式可减少因齿轮箱而造成的机组故障，所用的永磁同步发电机无需励磁，没有发电机滑环，减少了传动损失，在提高系统的运行可靠性与寿命以及减少维护成本等方面有显著的提升效果。目前直驱永磁风力发电机组最常用的是通过背靠背双全功率变流器与电网相连，两个变流器之间连接的直流环节可以实现机侧和网侧相互独立控制互不干扰，从而实现永磁同步发电机与电网工况的解耦。在传统控制方式下由机侧变流器完成对永磁同步发电机的控制，而网侧变流器则完成直流母线电压以及网侧无功功率的控制。在这种控制方式下不仅可以减弱因电网侧的扰动而对永磁同步发电机产生的影响，还可以缓冲由永磁同步发电机负载转矩变化而引起的对网侧控制的干扰。由于其减弱扰动的能力使得背靠背双PWM变流器结构在直驱永磁风电机组中得到广泛应用。
典型的直驱式风电机组系统主要包括：风力机，永磁同步发电机，电机侧变流器，电网侧变流器，升压变压器，电网以及电机侧变流器和电网侧变流器控制系统等。在直驱式风电机组中，其工作原理主要是：风力机在一定速度的流动空气作用下产生机械能，永磁同步发电机在风力机产生的机械转矩作用下开始旋转，从而将机械能转换为电能，再通过电机侧变流器、直流环节和电网侧变流器将能量输送至升压变压器最后输送至电网。
当风电机组机端电压发生跌落时，风电机组电网侧变流器侧向电网输出的有功功率Pout瞬间减小，但是由于风力机的变桨调节并不能在故障发生的瞬间进行作用，所以在故障发生的短暂瞬间内可以认为风力机输出的机械功率Ptur不变。故障发生时电网侧信息并不能及时传递到风力机及永磁同步发电机控制系统中，在故障发生这一短暂的时间内从永磁同步发电机输出至电机侧变流器的有功功率Pe不变，因此直流侧堆积了大量不平衡的能量，使得电容充电，导致直流环节直流母线电压的剧增。因此有必要采用适当的控制策略，减少直流环节堆积的不平衡能量，从而使得直流母线电压在安全范围内，以提高直驱式风电机组的低电压穿越能力。
目前工程上大多数的直驱式风电机组都在直流环节增加了Chopper(直流卸荷回路)保护，提高了直驱式风电机组的低电压穿越能力，保障了风电场的安全稳定运行。如，期刊：基于卸荷电路和无功优先控制的永磁同步风力发电机组低电压穿越研究(任永峰,胡宏彬,薛宇,等.高电压技术,2016,42(1):11-18)。然而采用Chopper保护必然会带来提高设备投入成本和维护成本，以及频繁开关Chopper回路等问题，这样就造成了不必要的经济投入。
而也有相关文献提到采用紧急变桨控制技术以增加桨距角的方式对发电机输出的有功功率进行抑制，但是紧急变桨技术并不能在故障发生瞬间对发电机有功进行抑制。如，2016年2月17日公开的中国专利申请第CN201510864043.9号，其公开了一种实现低电压穿越的永磁直驱同步风力发电机组及其协调控制策略，当电网电压发生跌落时，因为风力机转动惯量较大，因此存在一定的惯性致使桨距角控制系统并不能在故障发生瞬间通过增大风力机桨距角来抑制永磁同步发电机的有功输出，并且虽然此专利中直流母线电压在故障期间得到控制，但是直流母线电压没有在故障结束之前得到快速恢复。
因此目前需要一种能够在不添加任何硬件设备以及不考虑紧急变桨控制技术条件下帮助直驱式风电机组提高低电压穿越能力的方法。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，解决了现有技术中需要投入设备和维护成本高，桨距角控制启动不能及时对发电机有功输出进行抑制，以及在故障结束之前不能快速恢复直流母线电压的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：包括步骤：
步骤1：检测当前风电机组机端电压有效值，若机端电压大于等于一定比例的额定电压，直驱式风电机组运行在正常模式下，转步骤2；若机端电压有效值跌落至一定比例以下时，即判定电网处于故障状态，直驱式风电机组运行在低电压穿越模式，转步骤3；
步骤2：正常模式下，电机侧变流器控制系统完成永磁同步发电机转子转速最优控制以及永磁同步发电机输出无功功率控制，电网侧变流器控制系统完成直流母线电压控制和电网侧无功功率控制；
步骤3：低电压穿越模式下，电机侧变流器控制系统控制永磁同步发电机转子转速参考值ωg_ref从故障前转子转速值ωg0切换至故障时转子转速值ωgt；电网侧变流器控制系统切换电网侧无功电流参考值isq_ref从故障前无功电流参考值isqref切换至故障期间无功电流参考值isqref1，即电网侧变流器优先向电网发出无功电流，对电网提供一定的无功功率以帮助电网电压的恢复；
步骤4：实时检测直流母线电压Udc，若其高于额定值Udc_ref时电网侧变流器控制系统对直流母线电压进行控制，帮助机组在安全范围内运行。
前述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤2具体步骤包括：
1)电机侧变流器控制系统控制永磁同步发电机转速使其运行在最佳叶尖速比处，从而风力机输出最大机械功率，由于永磁同步发电机中交轴电感Ld和直轴电感Lq大小相同，即Ld＝Lq，因此发电机电磁转矩Te可表示为：
式中，p表示永磁同步发电机极对数，ψd表示永磁同步发电机定子磁链d轴分量，iq表示永磁同步发电机定子电流q轴分量，ψq表示永磁同步发电机定子磁链q轴分量，id表示永磁同步发电机定子电流d轴分量，ψf表示永磁同步发电机定子磁链；
永磁同步发电机输出有功功功率Pe＝Te×ωg，电机侧变流器转速外环控制用于控制转子转速保持在最大风功率追踪模式下，此时永磁同步发电机转子转速参考值ωg_ref由风能最大功率跟踪算法得到，通过与实际发电机转子转速ωg比较，得到的转速差经过电机侧变流器比例积分控制PI得到电机侧变流器q轴电流参考值iq_ref，而永磁同步发电机无功功率ud表示永磁同步发电机定子电压d轴分量，uq表示永磁同步发电机定子电压q轴分量，其中，电机侧变流器q轴电流用来控制发电机转子转速，利用电机侧变流器d轴电流对永磁同步发电机无功功率进行控制；
2)电网侧变流器控制系统中，通常将电网电压矢量Us定向于同步旋转d-q坐标系中的d轴，由于q轴超前d轴90°，因此q轴电压分量Usq为零，d轴电压分量Usd＝Us，此时电网侧输出的无功功率isq表示电网侧变流器无功电流，控制电网侧变流器无功电流分量参考值isqref为零。将直流母线电压参考值Udc_ref通过与实际电压Udc比较，得到的电压差经过比例积分控制器得到电网侧变流器有功电流参考值isd_ref，因此电网侧变流器控制系统完成直流母线电压控制和电网侧无功功率控制。
前述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤3故障时转子转速值ωgt计算过程为：
由直驱式风电机组传动机构数学模型可得：
其中，Ttur表示风力机机械转矩，Te表示永磁同步发电机电磁转矩，Jeq为永磁同步发电机转动惯量，B表示传动机构摩擦系数，ωg为永磁同步发电机转子转速，t为时间；
为消除直流环节堆积的不平衡能量使得Pe＝Pout，可得机端电压发生跌落时直驱式风电机组传动机构轴系部分功率平衡关系式：
Ptur表示风力机输出的机械功率，Pe表示永磁同步发电机发出的有功功率，Pout表示从电网侧变流器流出至电网的有功功率；
公式(3)两边同时乘以dt并进行积分可得：
假设当t＝0时刻直驱式风电机组机端电压发生三相对称跌落故障，此时故障发生瞬间转子转速参考值重新给定，在故障t时刻下转子转速ωgt为：
前述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤3中，故障期间无功电流参考值isqref1计算方法为：
isqref1＝Kd(0.9-Ugrid)IN Kd≥1.5 (6)
其中，IN表示直驱式风力发电机组额定电流，Kd表示增益系数，Ugrid表示直驱式风电机组机端电压；
加设限流环，可得电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref最大为：
其中，Ismax表示电网侧变流器最大耐受值，is_qref表示电网侧变流器交轴电流参考值。
前述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤4具体步骤包括：
1)实时检测直流母线电压Udc，若其高于额定值Udc_ref时，根据直驱式风电机组机端电压跌落期间直流环节能量关系以及基尔霍夫电流定理，当流入直流环节和流出直流环节的功率不平衡时直流环节电流关系式为：
Ig-Is＝Idc (8)
根据故障期间风力发电传动机构机轴系不平衡能量关系式(3)以及电网侧变流器输出的有功功率表达式代入式(8)中直流环节电流关系式中可得：
其中，isd表示电网侧变流器直轴电流，isq表示电网侧变流器交轴电流，usd表示机端电压直轴分量，usq表示机端电压交轴分量，C表示直流侧电容；
2)在电网侧变流器控制中，直流母线电压的控制作用是产生电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref，进而作用于电网侧电流内环控制中的电网侧有功电流控制，因此根据式(9)电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref计算式表达为：
其中，Kup和Kui表示电网侧变流器PI控制环节的比例和积分系数，Udc_ref表示直流环节直流母线电压参考值。
前述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：直驱式风电机组包括：风力机、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流环节、电网侧变流器、升压变压器、电网及控制系统，所述风力机与所述永磁同步发电机的转子相连，所述永磁同步发电机的定子依次经过所述电机侧变流器、直流环节以及电网侧变流器连接到所述升压变压器，所述升压变压器并入电网；电机侧变流器和电网侧变流器分别由六个绝缘栅双极晶体管组成，直流环节包含一个电容；所述控制系统包括电机侧变流器控制系统以及电网侧变流器控制系统，所述电机侧变流器控制系统作用于电机侧变流器，所述电网侧变流器控制系统作用于电网侧变流器。
本发明具有的有益效果：在不增加任何硬件设备条件下，当直驱式风电机组机端电压发生跌落时，本发明利用永磁同步发电机转子转速调节对永磁同步发电机发出的有功功率进行抑制，使得永磁同步发电机有功输出能够跟踪上网侧变流器的有功输出，快速控制直流母线电压在安全范围内，直流母线电压在短时间内恢复到故障前的安全稳定值，并重新分配有功电流和无功电流参考值，利用电网侧变流器对电网提供一定的无功支撑，帮助电网故障电压的恢复。
附图说明
图1是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法的直驱式风电机组结构图；
图2是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法的发电机转子转速调节控制示意图；
图3是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法的电网侧变流器无功优先控制示意图；
图4是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法的直流母线电压控制示意图；
图5是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法在电网电压故障时的机端电压有效值示意图。
图6是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法在机端电压发生跌落时永磁同步发电机转子转速图；
图7是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法在机端电压发生跌落时永磁同步发电机输出有功功率图；
图8是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法在机端电压发生跌落时直流环节直流母线电压图；
图9是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法在机端电压发生跌落时电网侧变流器输出无功功率图；
图10是一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法在机端电压发生跌落时电网侧变流器输出有功功率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于转速调节的实现低电压穿越的直驱式风电机组包括：风力机、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流环节、电网侧变流器、升压变压器、电网及控制系统，所述风力机与所述永磁同步发电机的转子相连，所述永磁同步发电机的定子依次经过所述电机侧变流器、直流环节以及电网侧变流器连接到所述升压变压器，所述升压变压器并入电网。电机侧变流器和电网侧变流器通常分别由六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成，直流环节包含一个电容。
所述控制系统包括电机侧变流器控制系统以及电网侧变流器控制系统，所述电机侧变流器控制系统作用于电机侧变流器，所述电网侧变流器控制系统作用于电网侧变流器。
图1中，Ig表示从电机侧变流器流出至直流环节的电流，Is表示从直流环节流入至电网侧变流器的电流，Idc表示直流环节的电流，Ptur表示风力机输出的机械功率，Pe表示永磁同步发电机发出的有功功率，Pdc表示直流环节电容两端的功率，Pout表示从电网侧变流器流出至电网的有功功率，Ugrid表示直驱式风电机组机端电压，Udc表示直流环节处电容两端电压，即直流母线电压，Ls表示电网侧变流器输出侧电感。
一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，包括步骤：
步骤1：检测当前风电机组机端电压有效值，若机端电压大于等于90％额定电压，直驱式风电机组运行在正常模式下，转步骤2；若机端电压有效值跌落至90％以下时，即判定电网处于故障状态，直驱式风电机组运行在低电压穿越模式，转步骤3；
步骤2：正常模式下，电机侧变流器控制系统主要完成永磁同步发电机转子转速最优控制以及永磁同步发电机输出无功功率控制，电网侧变流器控制系统主要完成直流母线电压控制和电网侧无功功率控制；
步骤3：低电压穿越模式下，电机侧变流器控制系统中，控制永磁同步发电机转子转速参考值从故障前转子转速值ωg0切换至故障时转子转速值ωgt；电网侧变流器控制系统中，切换电网侧无功电流参考值isq_ref从故障前无功电流参考值isqref切换至故障期间无功电流参考值isqref1，即电网侧变流器优先向电网发出无功电流，对电网提供一定的无功功率以帮助电网电压的恢复；
步骤4：实时检测直流母线电压Udc，若其高于额定值Udc_ref时电网侧变流器控制系统对直流母线电压进行控制，帮助机组在安全范围内运行。
所述步骤2具体步骤包括：
1)电机侧变流器控制系统可以控制永磁同步发电机转速使其运行在最佳叶尖速比处，从而达到风力机输出最大机械功率的目的。由于发电机转子转速受风力机机械转矩Ttur和发电机电磁转矩Te共同影响，而风力机机械转矩Ttur由风力机机械部分参数获得，因而可以建立转子转速和发电机电磁转矩Te的关系，由于目前常用的隐极式永磁同步发电机中交轴电感Ld和直轴电感Lq大小相同，即Ld＝Lq，因此发电机电磁转矩Te可表示为：
式中，p表示永磁同步发电机极对数，ψd表示永磁同步发电机定子磁链d轴分量，iq表示永磁同步发电机定子电流q轴分量，ψq表示永磁同步发电机定子磁链q轴分量，id表示永磁同步发电机定子电流d轴分量，ψf表示永磁同步发电机定子磁链；
此时电磁转矩Te仅与q轴电流iq有关，由于永磁同步发电机输出有功功功率Pe＝Te×ωg，因此可以建立电机侧q轴电流与转子转速的关系。电机侧变流器转速外环控制用于控制转子转速保持在最大风功率追踪模式下，此时永磁同步发电机转子转速参考值ωg_ref由风能最大功率跟踪算法得到，通过与实际发电机转子转速ωg比较，得到的转速差经过电机侧变流器比例积分控制PI得到电机侧变流器q轴电流参考值iq_ref，而永磁同步发电机无功功率ud表示永磁同步发电机定子电压d轴分量，uq表示永磁同步发电机定子电压q轴分量，其中电机侧变流器q轴电流已经用来控制发电机转子转速，所以可以利用电机侧变流器d轴电流对永磁同步发电机无功功率进行控制。综上可知，电机侧变流器控制系统完成永磁同步发电机转子转速控制和永磁同步发电机发电机无功功率控制；
2)电网侧变流器控制系统中，通常将电网电压矢量Us定向于同步旋转d-q坐标系中的d轴，由于q轴超前d轴90°，因此q轴电压分量Usq为零，d轴电压分量Usd＝Us，此时电网侧输出的无功功率isq表示电网侧变流器无功电流；为保证直驱式风电机组额定功率得到充分利用，控制电网侧输出的无功功率为零，此时控制电网侧变流器无功电流分量参考值isqref为零，而电网侧变流器输出的有功功率Pout＝UdcIdc与直流母线电压有关，为稳定直流母线电压，将直流母线电压参考值Udc_ref通过与实际电压Udc比较，得到的电压差经过比例积分控制器得到电网侧变流器有功电流参考值isd_ref。因此电网侧变流器控制系统主要完成直流母线电压控制和电网侧无功功率控制。
所述步骤3具体步骤包括：
1)电机侧变流器控制系统中，调节永磁同步发电机转子转速，将转子转速参考值ωg_ref从故障前转子转速值ωg0切换至故障时转子转速值ωgt，控制策略如图2所示，ωgt计算过程为：
由直驱式风电机组传动机构数学模型可得：
其中，Ttur表示风力机机械转矩，Te表示永磁同步发电机电磁转矩，Jeq为永磁同步发电机转动惯量，B表示传动机构摩擦系数，ωg为永磁同步发电机转子转速，t为时间；
当忽略传动机构轴系部分损耗以及电机侧变流器和电网侧变流器IGBT开关损耗时，此时为消除直流环节堆积的不平衡能量使得Pe＝Pout，可得机端电压发生跌落时直驱式风电机组传动机构轴系部分功率平衡关系式：
此时对直驱式风电机组传动机构轴系部分功率平衡关系式两边同时乘以dt并进行积分可得：
假设当t＝0时刻直驱式风电机组机端电压发生三相对称跌落故障，此时故障发生瞬间转子转速参考值重新给定，在故障t时刻下转子转速ωgt为：
因此切换故障期间转子转速参考值为ωgt，在故障期间调节永磁同步发电机转子转速，能够对故障期间永磁同步发电机的有功输出进行抑制，从而减小了直流环节堆积的不平衡能量。
2)电网侧变流器控制系统中，电网侧变流器无功电流参考值isq_ref从故障前无功电流参考值isqref切换至故障期间无功电流参考值isqref1，即电网侧变流器优先向电网发出无功电流，对电网提供一定的无功功率以帮助电网电压的恢复，控制策略如图3所示，其中ωs表示电网同步电角速度：
故障期间无功电流参考值isqref1计算方法为：
为满足GB/T 19963-2011风电场接入电力系统技术规定要求风电机组低电压穿越期间利用电网侧变流器对电网提供无功电流isqref1大小为：
isqref1＝Kd(0.9-Ugrid)IN Kd≥1.5 (6)
其中，IN表示直驱式风力发电机组额定电流，Kd表示增益系数。
同时，为保证低电压穿越期间直驱式风电机组电网侧变流器输出的电流不超过变流器耐受值，保护变流器不被损坏，对电网侧变流器电流进行限制，加设限流环，可得电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref最大为：
其中，Ismax表示电网侧变流器最大耐受值，is_qref表示电网侧变流器交轴电流参考值。
因此切换故障期间电网侧变流器无功电流参考值为isqref1，利用电网侧变流器向电网发出无功电流，以满足国标要求对电网提供一定的无功功率帮助电网电压的恢复。
所述步骤4具体步骤包括：
1)实时检测直流母线电压Udc，若其高于额定值Udc_ref时，根据直驱式风电机组机端电压跌落期间直流环节能量关系以及基尔霍夫电流定理，如图1所示，当流入直流环节和流出直流环节的功率不平衡时直流环节电流关系式可得：
Ig-Is＝Idc (8)
根据故障期间风力发电传动机构机轴系不平衡能量关系式(3)以及电网侧变流器输出的有功功率表达式代入式(8)中直流环节电流关系式中可得：
其中，isd表示电网侧变流器直轴电流，isq表示电网侧变流器交轴电流，即电网侧变流器无功电流，usd表示机端电压直轴分量，usq表示机端电压交轴分量，C表示直流侧电容。
2)如图4所示，在电网侧变流器控制中，直流母线电压的控制作用是产生电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref，进而作用于电网侧电流内环控制中的电网侧有功电流控制，因此根据式(9)电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref计算式表达为：
其中，Kup和Kui表示电网侧变流器PI控制环节的比例和积分系数，Udc_ref表示直流环节直流母线电压参考值。
根据式(10)可将永磁同步发电机输出有功功率变化信息和电网侧变流器输出有功功率变化信息反映到网侧变流器d轴电流分量中，进而帮助直流母线电压的快速恢复。根据图4所示的直流母线电压控制可以帮助对直流母线电压进行控制，帮助机组在安全范围内运行。s为拉普拉斯算子。
为验证本发明提出的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法的正确性和有效性，本文基于PSCAD/EMTDC仿真软件对电网电压发生三相对称跌落算例进行仿真。电网故障发生前，直驱式风电机组运行在额定风速下，系统以单位功率因数状态运行，系统仿真参数如下：风力机空气密度为1.225kg/m3，风力机叶片半径为38.5m；永磁同步发电机额定功率为2.5MW，额定电压为690V，定子电阻0.017p.u.，定子漏抗0.064p.u.，直轴电抗0.55p.u.，交轴电抗1.11p.u.，直流环节电容50mF，直流环节直流母线电压1.2kV。在4s秒时，电网电压发生三相对称跌落故障，跌落深度为80％，持续时间为625ms，4.625s时电网电压恢复。如图5为直驱式风电机组机端电压有效值。如图6、图7、图8、图9所示为电网电压发生跌落故障时，永磁同步发电机转子转速得到调节，永磁同步发电机输出的有功功率收到了抑制，直流环节直流母线电压控制在安全范围内，电网侧变流器输出的无功功率对电网提供了一定的无功支撑，对比图7和图10可知故障期间永磁同步发电机输出有功功率可以跟踪上电网侧变流器输出有功功率的变化，因而减小了直流环节堆积的不平衡能量，帮助直驱式风电机组提高了低电压穿越能力。
Claims (6)
1.一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：包括步骤：
步骤1：检测当前风电机组机端电压有效值，若机端电压大于等于一定比例的额定电压，直驱式风电机组运行在正常模式下，转步骤2；若机端电压有效值跌落至一定比例以下时，即判定电网处于故障状态，直驱式风电机组运行在低电压穿越模式，转步骤3；
步骤2：正常模式下，电机侧变流器控制系统完成永磁同步发电机转子转速最优控制以及永磁同步发电机输出无功功率控制，电网侧变流器控制系统完成直流母线电压控制和电网侧无功功率控制；
步骤3：低电压穿越模式下，电机侧变流器控制系统控制永磁同步发电机转子转速参考值ωg_ref从故障前转子转速值ωg0切换至故障时转子转速值ωgt；电网侧变流器控制系统切换电网侧无功电流参考值isq_ref从故障前无功电流参考值isqref切换至故障期间无功电流参考值isqref1，即电网侧变流器优先向电网发出无功电流，对电网提供一定的无功功率以帮助电网电压的恢复；
步骤4：实时检测直流母线电压Udc，若其高于额定值Udc_ref时电网侧变流器控制系统对直流母线电压进行控制，帮助机组在安全范围内运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤2具体步骤包括：
1)电机侧变流器控制系统控制永磁同步发电机转速使其运行在最佳叶尖速比处，从而风力机输出最大机械功率，由于永磁同步发电机中交轴电感Ld和直轴电感Lq大小相同，即Ld＝Lq，因此发电机电磁转矩Te可表示为：
式中，p表示永磁同步发电机极对数，ψd表示永磁同步发电机定子磁链d轴分量，iq表示永磁同步发电机定子电流q轴分量，ψq表示永磁同步发电机定子磁链q轴分量，id表示永磁同步发电机定子电流d轴分量，ψf表示永磁同步发电机定子磁链；
永磁同步发电机输出有功功功率Pe＝Te×ωg，电机侧变流器转速外环控制用于控制转子转速保持在最大风功率追踪模式下，此时永磁同步发电机转子转速参考值ωg_ref由风能最大功率跟踪算法得到，通过与实际发电机转子转速ωg比较，得到的转速差经过电机侧变流器比例积分控制PI得到电机侧变流器q轴电流参考值iq_ref，而永磁同步发电机无功功率ud表示永磁同步发电机定子电压d轴分量，uq表示永磁同步发电机定子电压q轴分量，其中，电机侧变流器q轴电流用来控制发电机转子转速，因而利用电机侧变流器d轴电流对永磁同步发电机无功功率进行控制；
2)电网侧变流器控制系统中，通常将电网电压矢量Us定向于同步旋转d-q坐标系中的d轴，由于q轴超前d轴90°，因此q轴电压分量Usq为零，d轴电压分量Usd＝Us，此时电网侧输出的无功功率isq表示电网侧变流器无功电流；控制电网侧变流器无功电流分量参考值isqref为零，将直流母线电压参考值Udc_ref通过与实际电压Udc比较，得到的电压差经过比例积分控制器得到电网侧变流器有功电流参考值isd_ref，因此电网侧变流器控制系统完成直流母线电压控制和电网侧无功功率控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤3故障时转子转速值ωgt计算过程为：
由直驱式风电机组传动机构数学模型可得：
其中，Ttur表示风力机机械转矩，Te表示永磁同步发电机电磁转矩，Jeq为永磁同步发电机转动惯量，B表示传动机构摩擦系数，ωg为永磁同步发电机转子转速，t为时间；
为消除直流环节堆积的不平衡能量使得Pe＝Pout，可得机端电压发生跌落时直驱式风电机组传动机构轴系部分功率平衡关系式：
其中，Ptur表示风力机输出的机械功率，Pe表示永磁同步发电机发出的有功功率，Pout表示从电网侧变流器流出至电网的有功功率；
公式(3)两边同时乘以dt并进行积分可得：
假设当t＝0时刻直驱式风电机组机端电压发生三相对称跌落故障，此时故障发生瞬间转子转速参考值重新给定，在故障t时刻下转子转速ωgt为：
4.根据权利要求1所述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤3中，故障期间无功电流参考值isqref1计算方法为：
isqref1＝Kd(0.9-Ugrid)IN Kd≥1.5 (6)
其中，IN表示直驱式风力发电机组额定电流，Kd表示增益系数，Ugrid表示直驱式风电机组机端电压；
加设限流环，可得电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref最大为：
其中，Ismax表示电网侧变流器最大耐受值，is_qref表示电网侧变流器交轴电流参考值。
5.根据权利要求3所述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤4具体步骤包括：
1)实时检测直流母线电压Udc，若其高于额定值Udc_ref时，根据直驱式风电机组机端电压跌落期间直流环节能量关系以及基尔霍夫电流定理，当流入直流环节和流出直流环节的功率不平衡时直流环节电流关系式为：
Ig-Is＝Idc (8)
根据故障期间风力发电传动机构机轴系不平衡能量关系式(3)以及电网侧变流器输出的有功功率表达式代入式(8)中直流环节电流关系式中可得：
其中，isd表示电网侧变流器直轴电流，isq表示电网侧变流器交轴电流，usd表示机端电压直轴分量，usq表示机端电压交轴分量，C表示直流侧电容；
2)在电网侧变流器控制中，直流母线电压的控制作用是产生电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref，进而作用于电网侧电流内环控制中的电网侧有功电流控制，因此根据式(9)电网侧变流器直轴电流参考值isd_ref计算式表达为：
其中，Kup和Kui表示电网侧变流器PI控制环节的比例和积分系数，Udc_ref表示直流环节直流母线电压参考值。
6.根据权利要求1所述的一种基于转速调节的直驱式风电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：直驱式风电机组包括：风力机、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流环节、电网侧变流器、升压变压器、电网及控制系统，所述风力机与所述永磁同步发电机的转子相连，所述永磁同步发电机的定子依次经过所述电机侧变流器、直流环节以及电网侧变流器连接到所述升压变压器，所述升压变压器并入电网；电机侧变流器和电网侧变流器分别由六个绝缘栅双极晶体管组成，直流环节包含一个电容；所述控制系统包括电机侧变流器控制系统以及电网侧变流器控制系统，所述电机侧变流器控制系统作用于电机侧变流器，所述电网侧变流器控制系统作用于电网侧变流器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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