CN108649610A - 一种dfig低电压穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DFIG低电压穿越方法，包括以下步骤：在检测转子侧过电流或直流母线过电压时，首先整定crowbar电阻值可调范围，一方面要使crowbar电阻值足够大，使得转子电流能够迅速衰减且峰值小于RSC电流限制值，另一方面电阻值不能过大，过大的电阻值会导致转子侧电压超过RSC的电压限制值；接着根据Ps、Qs随ψs的变化再次实时整定调节crowbar的电阻值。本发明既保护了励磁变流器和转子绕组，又限制了DFIG从电网吸收的无功功率大小，有效地维护了定子侧电压的稳定性，增强了crowbar电路转子侧励磁电流调节的自适应性，从而显著提高机组的低电压穿越能力。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及一种双馈异步发电机(DFIG，Doubly-FedInduction Generator)低电压穿越方法，具体地说，涉及一种基于自适应crowbar阻值的DFIG低电压穿越(LVRT,Low Voltage Ride Through)方法。
背景技术
随着风电等新能源并网容量的持续增加，如何在电网故障条件下，使风力发电机不脱网，从而保持电力系统的安全稳定运行，是备受关注的研究课题。这个课题的核心问题就是如何提高风电机组的低电压穿越能力。
DFIG是目前风力发电的主流机型，本发明方案主要针对该风电机型。当前的低电压穿越技术主要有三种方案：一是采用转子短路保护技术，即在转子侧装有crowbar电路；二是引入新型拓扑结构；三是采用合理的励磁控制算法。前两种方案实际是在转子上或定子上附加旁路装置，是硬件方法，后一种方法是优化励磁控制策略，是软件方法。采用硬件的方法，需要增加系统的成本和控制的复杂性，电力电子器件通态损耗大，动作时间长，对电网恢复正常运行所起的积极作用有限；而采用软件的方法，由于风电的随机性和间歇性，加上控制系统的响应时间较长，往往控制信号形成执行后，已经滞后于运行状态的变化，实时性较差。
本发明结合硬件和软件方法，对转子侧crowbar电路采用自适应电阻，也就是说，采用具有滑动电阻器的crowbar电路和新的控制策略，使得该滑动电阻能根据不同工况和运行需要，自动调节电阻的大小，从而调节转子励磁电流，较大幅度调节无功功率输出，确保机端电压的稳定，有力提高了DFIG的低电压穿越能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DFIG低电压穿越方法。该方法在全面分析DFIG定子和转子的电枢反应的基础上，得到了转子电流与定子无功功率和电压的解析关系，对转子侧crowbar电路进行了改进，提出了一种基于自适应crowbar阻值的DFIG低电压穿越方法。该方法要求对定子和转子的状态参量进行在线监测和计算，利用计算结果作用于计算软件，实时确定crowbar电路直流侧电阻Rcb的大小，从而快速地将直流侧电压限制在允许范围内。既保护了励磁变流器和转子绕组，又限制了DFIG从电网吸收的无功功率大小，有效地维护了定子侧电压的稳定性，增强了crowbar电路转子侧励磁电流调节的自适应性，从而显著提高机组的低电压穿越能力。
其具体技术方案为：
一种DFIG低电压穿越方法，包括以下步骤：
步骤1、基于双馈异步风力发电机电枢反应约束关系，推导得出励磁电流及控制量表达式(详细参数关系见公式1至13)；
步骤2、在考虑变流器安全及撬棒保护特性的基础上，推导得出crowbar电阻的整定约束表达式(见公式14)；
步骤3、当监测到转子过电流或直流母线过电压时，对crowbar电阻的范围进行整定(见公式15)；
步骤4、接着根据励磁电流与有功、无功功率及机端电压的约束关系，在考虑有功、无功功率最优输出及已有crowbar电阻范围的基础上，对crowbar阻值再次进行具体整定，并启动crowbar电路投入(见公式15至19)。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)在分析DFIG的电枢反应关系基础上，给出了励磁电流控制机端电压的表达式，可利用软件实现控制，为由电压实时值推导出应该输入的励磁电流值提供参考，从而提高DFIG并网运行的电压稳定性；并推论了装设自适应crowbar电阻，通过选择合理的阻值变化范围和关键点的合适阻值，可以有效抑制电压跌落的进一步发展。
2)可根据表达式通过软件控制励磁电流或电压幅值和相角的调控，对机组无功功率进行调节，可以满足机端电压及电力系统稳定性的要求。
3)自适应crowbar阻值可削弱电压跌落时无功功率的震荡以及减少机组吸收的无功，故障恢复期间，除考虑撬棒准确切除时间外，还可根据风电机组吸收无功的表达式通过软件精准控制无功补偿，防止电压再次跌落。所有这些均为改进风电机组的无功控制及低电压穿越技术提供了理论依据和方法。
附图说明
图1是0≤ψ≤90°的电枢反应；
图2是ψ＝0°的电枢反应；
图3是ψ＝90°的电枢反应；
图4是ψ＝ψ0的电枢反应；
图5是电压跌落瞬间电枢反应；
图6是无功功率随时间和crowbar电阻变化的关系；
图7是有功功率随时间和crowbar电阻变化的关系；
图8是电网电压跌落50％时分别采用定电阻和自适应电阻的无功功率变化情况，其中，图8(a)是定电阻，图8(b)是自适应电阻；
图9是电网电压跌落80％时分别采用定电阻和自适应电阻的无功功率，其中，图9(a)是定电阻，图9(b)是自适应电阻；
图10是双馈异步风力发电机结构示意图；
图11是基于自适应电阻的DFIG低电压穿越方法流程图；
图12是电压跌落期时不同电阻下DFIG输出的无功随时间变化曲线；
图13是电机发出无功最大值随转差率的变化曲线；
图14是故障切除后不同电阻下DFIG吸收无功功率随时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
(1)DFIG电枢反应分析
作为一种新型的异步风力发电机，电枢反应是电磁特性和工作的基础，本发明对DFIG电枢反应进行了全面分析。
电枢反应是定子和转子间的相互电磁作用，主要体现在电枢磁动势对主极基波磁场的作用和影响，其性质(助磁、去磁或交磁)将取决于电枢基波磁动势与转子励磁基波磁动势的空间相对位置。这一相对位置仅与励磁电动势和电枢电流之间的相位角ψ有关。理论上讲，相位差可在(-90°,90°)范围内连续变化，简单起见，这里只讨论0≤ψ≤90°的情况，其它情况与此类似。
由两相同步旋转坐标系下双馈异步发电机的惯例数学模型可知，
式中：us、ur分别为定子电压和转子电压；ψs、ψr分别为定子磁链和转子磁链；is、ir分别为定子电流和转子电流；ωr分别为转子转速；Ls、Lr、Lm分别为定子电抗、转子电抗和互感；rs、rs分别为定子电阻和转子电阻，Rcr为crowbar电阻。
电磁相量关系为：
由于转子磁通超前转子电势90°，故转子电势方向确定的情况下时可以确定转子磁通的方向。由公式可得且与转子磁通方向一致。假设定子电流的方向，由公式(1)可进行向量合成运算，确定转子电流方向，进而可知转子电流大小。由公式可得与在同一方向，数值上相差倍数Ns，同理与在同一方向。由和进行向量合成，可得合成磁势的大小和方向。
利用Park变换，随意选取的一个相角，首先固定利用转子电势与定子电流同相，又知电势滞后于产生它的磁通90°，得出的方向。当定子电流与转子电势相位差为0≤ψ≤90°时，电势滞后于产生它的磁通90°，得出的方向。将沿所在直线与垂直于所在直线分解，沿所在直线的分量产生的电枢磁势使气隙合成磁势偏转一个角度，而沿垂直于所在直线的分量使得气隙合成磁势随着ψ的增大而先助磁后去磁。
1)ψ＝0时，电枢磁动势不像同步发电机只有交轴分量，而是与转子磁动势呈现小于90°的夹角，起到交磁和助磁的作用，如图2所示。
2)ψ＝90°时，电枢磁动势只有直轴分量，与转子磁动势反向，起去磁作用，如图3所示。
由此可见，必定存在一个ψ值(定义为ψ0)，使得电枢磁动势与转子磁动势垂直，只起到交磁作用，相量关系如图4所示。
若转子与电枢磁势垂直，则转子与定子电流垂直，又电势滞后于产生它的磁通90°，所以图中三个标注的角度均为ψ0；又由公式(1)可推出：
所以当转子电流和定子电流一定时，0≤ψ≤ψ0时电枢反应起交磁和助磁作用，ψ0＜ψ≤90°时电枢反应起交磁和去磁作用，因为直轴电枢磁场对转子磁场起去磁或加磁作用，所以此时维持恒定电压所需的励磁电流，必须有相应增加或减少，而励磁电流的变化又会引起ψ0的变化，于是可由实时的ψ值推出应该输入的励磁电流值，使得实时的ψ＝ψ0，即可维持电压的恒定。
假设在图4时发生电网电压全部跌落，在跌落瞬间，由于转子侧变流器的容量限制和直流电容的支撑作用，转子侧电势不发生突变，而定子侧由于存在较多感性元件，电流也不能突变。又由于转子电阻和瞬态电感很小，则转子侧电流将会很大，因此，转子磁势起到很强的去磁作用，会进一步促进电压的跌落。电压跌落时，电枢反应相量系如图5所示。
(2)调节crowbar电阻Rcr可以调节DFIG无功输出
发生短路故障时，端电压由Us0跌落至pUs0(p为电压跌落程度，0≤p＜1)，定子电流急剧增大。又根据磁链守恒原理，故障瞬间磁链不能产生突变，发生故障时定子磁链中将感应出直流分量(三相对称故障)和负序分量(三相不对称故障)，其切割转子线圈绕组将在转子中产生很大的感应电动势，因而导致转子电流增大。下面根据方程对其进行分析，由方程(1)可得关于转子电流的一阶微分方程：
其中，令E即为转子切割定子磁链感应出的感应电动势,其大小与转子切割定子磁场的速度成正比
因此故障前、后感应电动势分别为：
将(3)式转换到两相静止坐标系下,当检测到故障，crowbar投入运行以后，ur＝-Rcrir，解微分方程可以的得到，
又因为转子磁链在故障瞬间不发生突变，故可以采用故障前转子磁链的运行状态分析求解故障时的转子磁链的初始状态。采用定子矢量定向控制方式，可得初始条件为ψsq＝0
可以推出:
t＝0时，ir(0)＝ird+jirq代入(6)可以求得C(0)
式中-jωrσLr＝rn，令Rreq＝rn+rr+Rcr、Lreq＝σLr
分析可知，(7)式第一项为工频交流稳态周期分量，第二项为与定子衰减速度相同的直流衰减分量，第三项为以转子暂态衰减时间常数衰减的直流衰减分量。转子过电流主要是由定子磁链直流分量感应所得反电动势在转子绕组中产生的直流分量。
将ir经过陷波器以后，滤除直流分量，仅对交流分量进行分析控制，则
转换到转子旋转坐标系中得：
则ir在转子旋转坐标系下的d轴和q轴分量分别为：
DFIG定子侧的有功功率Ps由转子电流q轴分量控制，定子侧无功功率Qs由转子电流d轴分量控制。此时，DFIG输出的有功和无功功率为
在发生故障后的某一时刻t，ψs为固定值,可以通过监测计算得到，根据(9)～(12)式可知，采用固定crowbar电阻时，由于功率与Rreq的关系基本固定，只随时间和磁链的变化而变化，所以很难在整个故障过程中实现有功功率和无功功率的最优输出；而采用自适应crowbar电阻时，通过采用适当的控制策略可以实现crowbar电阻大小的实时控制，所以在发生故障的暂态过程中，更容易使定子侧的有功输出和无功输出功率输出达到最优，以服务于低电压穿越的需要。
结合电枢反应分析和公式(12)，也可理解为Rreq和时间的共同作用，改变了相角θ，从而改变了电枢反应时的去磁效应，保持了机端电压的稳定性。因此有利于低电压穿越能力的提高。
(3)自适应crowbar电阻控制策略
当检测转子侧过电流或直流母线过电压时，首先对crowbar电路卸荷电阻进行整定，整定主要基于两个方面的因素，一方面电阻值应足够大，为使得转子过电流能够迅速衰减，同时转子电流的峰值应小于RSC所能承受的最大电流；另一方面，过大的卸荷电阻值将导致转子侧电压超过RSC所能承受的最大值。综上所述，crowbar卸荷电阻整定阻值应满足下式：
由式(14)式可得crowbar电路卸荷电阻值整定范围为：
在crowbar上述整定范围内求解此时有功功率和无功功率的最值，然后整定crowbar电阻值，调节自适应crowbar电阻实现无功支撑和有功功率的功率最优化。
具体方法和流程如图11所示。
效果分析及验证
电压跌落时，定子A相电流为：
其中，A为比例系数；Um为定子电压幅值；ωs为转差角速度；ωr为转子旋转电角速度；ω1为定子同步旋转角速度ωs＝ω1-ωr；为定子电压空间矢量初始相位；α为定子直流分量衰减系数α＝Rs/Ls(s)≈Rs/L′s；X′s为定子暂态电抗；Xs为定子电抗；T′r为瞬态时间常数T′r＝L′r/Rr，由于从检测故障到撬棒保护投入仅几ms，忽略该暂态过渡过程影响，近似认为转子绕组在短路瞬间经撬棒电阻短接，则Rr＝rr+Rcr。
撬棒保护投入时，机组无功功率可近似认为由两部分组成：主磁场快速衰减，向系统发出无功功率，记为Q+；双馈发电机异步运行后，从系统中吸收无功功率，记为Q-。利用叠加原理可得机组发出以及从系统吸收的无功。其中Q+可由上述电流求得：
式中，
故机组在电压跌落期间发出无功功率Q为：
Q＝Q+-Q- (19)
DFIG算例参数如表1所示。
表1 DFIG参数
Table 1.Parameter of the DFIG
基于公式(13)及(17)-(19)，代入相应参数，可以得到图6、图7所示功率曲线。
可以看到无功功率随crowbar电阻值变化的曲线呈现出快速递增，缓慢下降的趋势，随着时间的增长，无功功率的峰值点对应的crowbar电阻值逐渐增大。这说明为保证无功功率输出最大化，crowbar电阻值应随着crowbar电阻投入时间的增加而变大；有功功率随crowbar电阻值变化的曲线呈现出单调递减的趋势，变化率逐渐减小。在Rcr在[0.1,0.3]的范围内其快速递减，在[0.3,0.5]的范围内其缓慢递减。
仿真实验
基于上述理论分析，为检测自适应crowbar电路对DFIG实现LVRT的作用并研究其对DFIG故障后动态特性的影响，在MATLAB/SIMULINK中搭建相应的仿真模型。故障前DFIG工作处于稳定状态，电网在0.1s时发生三相对称故障，crowbar电路立即投入动作并闭锁RSC，在0.2s将其切除并恢复RSC对DFIG的控制，0.4秒切除故障。
由仿真结果可以看出，DFIG在crowbar投入后由于主磁场迅速衰减会发出无功功率，但进入稳态以后由于DFIG工作于普通异步感应电机状态开始从电网吸收无功。而随着Crowbar电路电阻值的增加，稳态时DFIG从电网中吸收的无功明显减少，与理论分析吻合。
对比图8和图9可以看出采用自适应Crowbar电阻时，主磁场衰减变化率明显减小，无功功率可以实现快速的更大范围的无功支撑。
在开放式仿真试验机上运行，结果表明：阻值由0.04降到0.004时，无功功率的最大值会稍减少，但响应时间和震荡的削弱程度几乎相同。所以，应根据系统运行方式和运行状态的需要，选择合适的阻值自适应范围及关键点的阻值。波形如图12所示。
模拟DFIG的转速随风速变化，转差率在一个范围内变动，本发明使用的1.5MW的机组额定转速为1500r/min，转子转速在[780,1750]范围内变动，所以转差率在[-0.17,0.48]内变动。由于Q主要是由主磁场衰减发出的无功功率组成，所以当定子短路电流取得最大值时无功功率可近似取得最大值，于是对isA对t求导，求得取得极大值的条件：t≈Tr。取t＝Tr，选取电阻值为0.04的Crowbar，可得发电机发出的无功随转差率变化的关系，如图13所示。
当故障切除电压回到初始值后，crowbar装置还没切除前，电机依然处于异步电动机状态，将从系统中吸收大量无功。故障切除时可以等效为恢复电压产生的全响应，设在t0时切除故障，电流可用公式(20)表达，
式中
则电机吸收的无功功率为，
由图4可知电机输出无功在0.08s以后就接近零了，可设故障在0.08s切除，电机吸收的无功更多。通过计算，可得故障切除后发电机吸收无功功率随时间变化的关系，如图14所示。这为机端无功动态补偿和Crowbar自适应电阻大小配合提供了依据。
故障切除后电机吸收的无功功率会在短时间内升至平稳值，所以除了考虑撬棒的投切时间，也可以精准的补充电机所吸收的无功功率，同时由于不同crowbar阻值电机吸收的无功也不同，故为了减少电机吸收的无功，可按需使阻值平滑变动。
本发明的DFIG低电压穿越方法，无功功率调节具有自适应性和实时性，能根据运行工况和电网安全稳定运行的需要，采用软件和硬件相结合的方法，控制Crowbar自适应电阻的大小，从而控制励磁电流及无功输出，为DFIG机端电压稳定及低电压穿越能力提供有力支撑。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种DFIG低电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于双馈异步风力发电机电枢反应约束关系，推导得出励磁电流及控制量表达式；
步骤2、在考虑变流器安全及撬棒保护特性的基础上，推导得出crowbar电阻的整定约束表达式；
步骤3、当监测到转子过电流或直流母线过电压时，对crowbar电阻的范围进行整定；
步骤4、接着根据励磁电流与有功、无功功率及机端电压的约束关系，在考虑有功、无功功率最优输出及已有crowbar电阻范围的基础上，对crowbar阻值再次进行具体整定，并启动crowbar电路投入。
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Non-Patent Citations (1)
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