CN108879760B - 一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法，首先，实时监测双馈式风机并网点电压，并预估转子电流是否将越限，以决定控制策略的切换时机；然后在转子侧变流器控制环节，切换至综合考虑时间尺度和电流尺度的低电压穿越控制策略，该策略严格按照风电并网规范要求，其核心在于灭磁控制和撬棒保护的配合；最后，根据并网点电压的恢复情况及时切换回空间矢量控制策略或者选择切除风机。本发明方法能够有效提高双馈式风机的低电压穿越能力，减少撬棒投切次数，避免撬棒投入期间风机从系统中吸收大量无功功率，对保障电力系统的电压稳定性有着重要的现实意义。

Description

一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及双馈风电场并网外送电能的稳定性领域，具体涉及一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法。

背景技术

目前双馈式异步风电系统凭借调速范围宽、有功和无功功率可独立调节以及所需励磁变频器容量较小等优点脱颖而出，占据风电市场的大部分份额。但是，双馈式风机由于定子直接挂网，因而对电网故障敏感；且转子经变流器与电网间接相连，使得故障后的电磁暂态过程也十分复杂。在电压跌落后，双馈式风机会出现转子电流过流和直流母线过压的暂态现象。为了防止转子侧变流器受损，常用的手段是在转子侧增加撬棒保护装置，在转子过流时闭锁变流器，在转子绕组中串入电阻使双馈式风机等效为一台异步发电机。此时，风机会从系统中吸收无功功率，不利于并网点电压恢复。如何充分利用变流器容量，通过控制策略的改进使得双馈机组能够尽可能的保持并网运行、减少撬棒投切次数并积极支援电网恢复，是近年来的研究热点，具有重要的现实意义。

发明内容

为解决上述由于双馈式风机故障特性复杂而导致的风场难以达到低电压穿越标准的问题，本发明提出一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法，能够在不损伤变流器的前提下，尽可能利用变流器过励磁上限，提高风机的低电压穿越能力，减少撬棒投切次数。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法，步骤如下：S1，实时监测双馈式风机并网点电压，并预估转子电流是否将越限，判断是否切换控制方式。

具体步骤为：S1.1，采集风机并网点的电压。

S1.2，以故障分量快速识别法获得电压的正序分量幅值和负序分量幅值，并判断是否存在故障，若存在则进行步骤S1.3。

所述故障分量快速识别法是梁一桥提出的故障分量快速识别法，用三相电流或三相电压的两个采样点，即通过当前采样值和前一时刻采样值，算出电压的正序分量幅值和负序分量幅值；并通过观察幅值的衰减判断是否有电压跌落；所述电压跌落包括对称电压跌落和不对称电压跌落。

S1.3，计算并预估转子电流是否将越限。

S1.3.1，根据步骤S1.2得到的电压正序分量幅值和负序分量幅值计算电网短路时的双馈式风机转子电流I_r；

S1.3.2，比较电网短路时的双馈式风机转子电流I_r与双馈式风机转子的设定电流I_set的大小，若I_r＞I_set则转子电流越限，将灭磁控制投入系统取代矢量控制，否则继续矢量控制。

S2，在灭磁控制下，判断撬棒保护是否作为后备保护投入。

获取双馈式风机转子的实时电流I_r′，并将实时电流I_r′与设定电流I_set作比较，若I_r′≥I_set则将撬棒保护作为后备保护投入与灭磁控制配合，直至实时电流降低I_r′＜I_set时切除撬棒保护。

S3，判断双馈式风机并网点电压的恢复情况，若电压恢复则将切除灭磁控制恢复矢量控制；若电压没恢复，则比较电压跌落时间与设定时间，若电压跌落时间超过设定时间，则切除双馈式风机；若电压跌落时间未超过设定时间，则重复步骤S1-S3。

本发明通过监测并网点电压并预估转子电流是否越限，以确定控制的切换时机，并通过灭磁控制和撬棒保护相配合的方式进行控制，减少撬棒投切次数，避免撬棒投入期间风机从系统中吸收大量无功功率，有效提高双馈式风机的低电压穿越能力，对保障电力系统的电压稳定性有着重要的现实意义。而撬棒保护装置在整个低电压穿越过程中充当一个后备保护的角色，在灭磁控制不足以限制过流时对变流器予以保护，以转子电流为判据，当转子电流过流时，撬棒投入，当转子电流降低至设定值时，撬棒切除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统流程图。

图2为本发明转子侧变流器控制回路图。

图3是本发明灭磁控制逻辑图。

图4为本发明灭磁电流分配图。

图5为本发明在转子电流参考值给定环节引入转子电流的比例-微分负反馈图。

图6为本发明LVRT控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法，步骤如下：

S1，实时监测双馈式风机并网点电压，并预估转子电流是否将越限，判断是否切换控制方式。

S1.1，采集风机并网点的电压。

S1.2，以故障分量快速识别法获得电压的正序分量幅值和负序分量幅值，并判断是否存在故障，若存在则进行步骤S1.3。

所述故障分量快速识别法是梁一桥提出的故障分量快速识别法，用三相电流或三相电压的两个采样点，即通过当前采样值和前一时刻采样值，算出电压的正序分量幅值和负序分量幅值；并通过观察幅值的衰减判断是否有电压跌落；所述电压跌落包括对称电压跌落和不对称电压跌落。

S1.3，计算并预估转子电流是否将越限。

S1.3.1，根据步骤S1.2得到的电压正序分量幅值和负序分量幅值计算电网短路时的双馈式风机转子电流I_r；

S1.3.2，比较电网短路时的双馈式风机转子电流I_r与双馈式风机转子的设定电流I_set的大小，若I_r＞I_set则转子电流越限，将灭磁控制投入系统取代矢量控制，否则继续矢量控制。

S2，在灭磁控制下，判断撬棒保护是否作为后备保护投入。

获取双馈式风机转子的实时电流I_r′，并将实时电流I_r′与设定电流I_set作比较，若I_r′≥I_set则将撬棒保护作为后备保护投入与灭磁控制配合，直至实时电流降低I_r′＜I_set时切除撬棒保护；

S3，判断双馈式风机并网点电压的恢复情况，若电压恢复则将切除灭磁控制恢复矢量控制；若电压没恢复，则比较电压跌落时间与设定时间，若电压跌落时间超过设定时间，则切除双馈式风机；若电压跌落时间未超过设定时间，则重复步骤S1-S3。

下面以一个具体事例对本发明的理念进行说明

一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法，包括以下步骤：

步骤1：

根据风机并网点电压特征，快速辨识电网故障，向控制策略切换开关提供指令信号。

电压跌落可分为对称电压跌落和不对称电压跌落两种，其中对称电压跌落仅含正序分量，可以方便的通过dq坐标系下的幅值衰减来判断。不对称跌落由于含有负序分量，在dq坐标系下含近2倍工频谐波分量，无法简单判断。

我国学者梁一桥在2003年提出一种故障分量快速识别法，此种新型时域正、负序解耦算法仅用三相电流(电压)两个采样点，即当前采样值和前一时刻采样值，即可算出正、负序分量幅值。此策略下的响应速度取决于两个采样点之间的时间，采样频率越高，此算法的延时(1/T_sample)就越短。对于提高控制策略介入速度、维持风机平稳并网均有重要意义。所以本发明采用梁一桥提出的一种故障分量快速识别法进行故障分析。

步骤2：

双馈式异步电机定子侧的电磁暂态过程，简单地说，电网发生电压跌落后，DFIG由于定子磁链不能突变，会存在负序分量和直流衰减分量。这两个分量由于相对转子的转速分别为(2-s)ω_s和ω_r，使得转子侧感应电动势幅值最大可达稳态下3～5倍！

利用步骤1得出的电压正、负序分量幅值，根据电网短路时的双馈式风机转子电流计算方法，可以预估在控制策略不发生改变的情况下，转子电流过流的可能性。

在判别时，假定转子侧变流器控制策略维持功率追踪控制，其控制回路如图2所示。

同时计及定子磁链暂态过渡与变流器控制系统对转子电流的影响，可得到电网短路后的转子电流动态方程及其解。

步骤3：

若步骤2判别风机在此电压跌落程度下，将出现转子电流越限情况，则此时转子侧变流器切换至低电压穿越控制。本策略核心在于多尺度贯序配合特性，充分参考了风电并网运行规范，灭磁控制具体原理如下：

双馈风机的转子侧变流器是风机并网外送电能的核心，用以实现对双馈风机的功率解耦控制，从而实现对风力发电机及整个风电系统的运行控制。双馈式风电系统的主要运行目标如下：

(1)在变速恒频前提下实现最大风能追踪，其关键是对双馈式感应发电机转速(即有功功率)的控制；

(2)对双馈式感应发电机输出无功功率进行控制，从而控制输入功率因数，以保证电网的稳定运行。

对双馈式感应发电机转子电压方程进行变换，可得：

式中，

表示发电机的漏磁系数，ω_slip＝ω₁-ω_r表示转差电角速度。

基于电网电压定向的矢量控制条件，即将坐标系d轴定向于发电机定子电压矢量上，并忽略定子电阻R_s，得到双馈式感应发电机定子输出功率与转子d、q轴电流之间的关系：

双馈式感应发电机的有功、无功功率获得了解耦，即可通过控制转子电流d轴分量控制其有功功率，实现最大风能追踪，通过控制转子电流q轴分量控制发电机输入电网的无功，保证电网的平稳运行。

然而在电压跌落下，如果双馈式风机仍然以最大风力追踪为目标，即有功功率参考值不发生改变，由上式可知转子电流参考值必然上升，不考虑转子侧变流器容量限制，转子电流增大的倍数将与定子电压跌落程度互为倒数。因此，各国学者均试图在最大化利用变流器容量的前提下，通过控制策略的改进实现低电压穿越。

综合比较各种低电压穿越控制策略，向大为等率先提出灭磁控制的思路，随后又有其他学者进行了改进，仿真结果表明对转子电流有较好的抑制效果。

本方法采用改进的灭磁控制，其原理如下：

定子磁链中的负序分量和直流衰减分量是导致转子过流的主因，转子侧变流器等效为一个受控电压源，目的在于控制转子电流。因此，从削弱定子磁链负序分量和直流衰减分量出发，改进原有的控制策略，提出灭磁控制，其控制逻辑如图3所示。

磁链观测部分通过检测机端电压和定子电流，计算出定子磁链中的负序和直流分量大小；灭磁控制是其核心环节，根据抵消定子磁链中负序和直流衰减分量的要求，为转子电流控制器提供转子电流参考值；转子电流控制器为P控制器或者PI控制器，为RSC提供转子电压参考值，实现脉冲调制。

在确定灭磁控制环节的设计时，一般建议抵消负序分量的60％，并考虑到转子电流不能过流(2.0p.u)。其灭磁电流分配原则如图4所示，图4中，

灭磁控制对故障发生和清除后的暂态过程都有涉及。在四种故障类型下仿真分析了低电压穿越的可行域，在转子电流不超过2.0p.u和转子励磁电压不超过0.43p.u的前提下，实现了80％三相对称电压跌落下的穿越运行。缺点在于，由实验结果可看出，在故障期间，转子电流随着定子磁链衰减直流分量的衰减逐步减小至零，全部的变流器容量用于抵消负序磁链和直流衰减磁链，对电网电压恢复没有提供无功支撑；此外，电磁转矩在故障期间有振荡，影响机组寿命。

灭磁电流的计算严重依赖于定子磁链观测的有效性和电机参数的精确性。此外，灭磁控制不符合风电并网规范。针对这两个问题，有关学者提出一种基于虚拟阻抗的改进控制。

其改进主要有以下两方面：

第一个改进是在转子电流参考值给定环节引入转子电流的比例-微分负反馈，如图5所示。

图5中，C(s)代表转子电流修正环节；A(s)表示转子侧变流器传递函数，增益为K；G(s)表示由电机方程决定的传递函数。F(s)即为引入的比例-微分负反馈。

G(s)＝1/(R_r+sL_σ)，F(s)＝R_f+s·L_f，通过传递函数分析可得虚线框内等效传递函数为：G′(s)＝K/[(R_r+KR_f+s(L_σ+KL_f)]。这等效为转子侧等效电路中电阻和电感均增加了！这就是虚拟阻抗的物理本质。

引入虚拟阻抗有两个好处，一是抵消同样大小的定子磁链负序分量和直流衰减分量所需的灭磁电流幅值更小；二是降低了灭磁电流对电机参数的灵敏度。

第二个改进在于转子侧电流参考值不再只含灭磁电流，还包含助于电网电压恢复的无功电流。在电压跌落过后，经故障识别模块快速由正常矢量控制切换至LVRT控制器。LVRT控制器如图6所示。

仿真结果验证了基于以上两个改进的控制策略优点。在100％电压跌落下，若不考虑无功补偿，仿真结果表明该控制策略能更好的抑制转子电流过流，但转子励磁电压增大不少，对RSC提出更严苛的电压容量要求。两者之间有着矛盾，作者在仿真中经过反复修改虚拟阻抗值，得出差强人意的仿真结果。在加入无功支撑功能后，转子电流进一步增大，并在定子磁链直流分量衰减完毕后，定转子电流并不是衰减至0，而是输出无功电流，验证了无功支撑策略的有效性。

撬棒保护装置在整个低电压穿越过程中充当一个后备保护的角色，以转子电流为判据，当转子电流过流时，撬棒投入，当转子电流降低至设定值时，撬棒切除。在灭磁控制不足以限制过流时对变流器予以保护。

步骤4：

若0.625s后风机并网点电压仍然低于0.2p.u，认为电网发生永久性故障，为防止风机转子侧变流器长期过励磁运行，切除风机。否则，若电压恢复，矢量控制重新介入。

上面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 (1)

1.一种减少双馈式风机撬棒投切次数的多尺度低穿配合方法，其特征在于，步骤如下：

S1，实时监测双馈式风机并网点电压，并预估转子电流是否将越限，判断是否切换控制方式；

S2，在灭磁控制下，判断撬棒保护是否作为后备保护投入；

获取双馈式风机转子的实时电流I_r′，并将实时电流I_r′与设定电流I_set作比较，若I_r′≥I_set则将撬棒保护作为后备保护投入与灭磁控制配合，直至实时电流降低I_r′＜I_set时切除撬棒保护；

S3，判断双馈式风机并网点电压的恢复情况，若电压恢复则将切除灭磁控制恢复矢量控制；若电压没恢复，则比较电压跌落时间与设定时间，若电压跌落时间超过设定时间，则切除双馈式风机；若电压跌落时间未超过设定时间，则重复步骤S1-S3；

在步骤S1中，具体步骤如下：S1.1，采集风机并网点的电压；

S1.2，以故障分量快速识别法获得电压的正序分量幅值和负序分量幅值，并判断是否存在故障，若存在则进行步骤S1.3；

S1.3，计算并预估转子电流是否将越限；

S1.3.1，根据步骤S1.2得到的电压正序分量幅值和负序分量幅值计算电网短路时的双馈式风机转子电流I_r；

S1.3.2，比较电网短路时的双馈式风机转子电流I_r与双馈式风机转子的设定电流I_set的大小，若I_r＞I_set则转子电流越限，将灭磁控制投入系统取代矢量控制，否则继续矢量控制；

采用改进的灭磁控制，其原理如下：

定子磁链中的负序分量和直流衰减分量是导致转子过流的主因，转子侧变流器等效为一个受控电压源，目的在于控制转子电流；因此，从削弱定子磁链负序分量和直流衰减分量出发，改进原有的控制策略，提出灭磁控制；

磁链观测部分通过检测机端电压和定子电流，计算出定子磁链中的负序和直流分量大小；灭磁控制是其核心环节，根据抵消定子磁链中负序和直流衰减分量的要求，为转子电流控制器提供转子电流参考值；转子电流控制器为P控制器或者PI控制器，为RSC提供转子电压参考值，实现脉冲调制。

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