CN108879779A - 基于定子串联动态电抗的双馈风机综合低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于定子串联动态电抗的双馈风机综合低电压穿越方法，包括：当检测到电网电压跌落时，按照暂态控制模式1进行控制，控制模式1为投入数值较大的定子串联电抗与RSC采用暂态磁链主动衰减的控制策略的综合穿越模式，模式1中大电抗的整定原则为保证故障发生后转子电流峰值不越限；实时观测暂态感应电动势的模值，当其衰减到设定阈值时，切换为控制模式2，其中的整定原则为保证电抗切换后转子电流不越限；监测电网电压恢复正常时，恢复机组的正常控制，并在延迟100ms切除串联电抗。

Description

基于定子串联动态电抗的双馈风机综合低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及双馈风机的低电压穿越方案，特别涉及一种通过动态调整定子串联电抗值来提高双馈风机低电压穿越性能的综合策略。

背景技术

不断提高的能源转型要求，日新月异的风力发电技术与丰富的风能资源使得风力发电在世界范围内得到了大力支持和发展。双馈异步风力发电机(DFIG)因变流器容量小、有功无功可独立解耦控制的特点成为目前的主流风电机型之一^[1]。然而DFIG的定子与电网直接相连，对网侧电压扰动比较敏感，其低电压穿越技术(LVRT)仍是目前研究的热点。尤其是随着风电渗透率的不断增加，大型风电机组在故障时的不间断运行能力对于系统的安全可靠性有重要意义。目前DFIG的LVRT技术研究主要分为两个层面^[2]：网侧电压小幅跌落时，通过优化控制策略来改善风电机组的运行特性，实现暂态期间风电机组的持续并网运行；网侧电压大幅跌落时，采取硬件措施以保证风电机组的运行安全，并尽可能向系统提供无功支撑。在硬件措施中，转子侧快速短接(Crowbar)是目前应用最广泛的LVRT措施。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有LVRT技术中存在以下不足：

软件控制策略方面的研究主要包括以灭磁为目的的控制策略^[3]、以限制转子过电流为主导的控制策略^[4]及暂态非线性控制器设计^[5]等，这些策略在电压小幅跌落时能起到一定的控制效果，然而受变流器容量所限，网侧电压深度跌落时仍需要配合采用硬件措施；硬件措施中主流的转子Crowbar方式虽然能抑制风机转子过电流，却难以有效解决直流母线过电压以及从系统吸收大量无功功率的问题^[6]；转子侧串联限流电阻^[7]可以实现RSC的不间断控制，却会降低转子侧变流器(RSC)的电流注入能力；其他硬件穿越方式如串联网侧变流器(SGSC)^[8]、动态电压恢复器^[9]等可以显著改善DFIG的穿越性能，然而这些设备利用率低，且与DFIG的低成本优势相悖；定子串联电抗是一种主动性能较好的穿越方式^[10-11]，却面临难以同时抑制故障过电流和充分发挥RSC暂态控制能力的矛盾，且故障结束后因切除串联电抗导致的暂态冲击也会威胁到DFIG的运行安全，因此需要对定子串联电抗方式进行深入研究与改进。

参考文献

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[10]周士琼，王倩，吕潇，等.考虑转矩失衡的定子Crowbar双馈风电机组的低电压穿越技术研究[J].电工电能新技术，2017，36(6)：22-29

[11]张琛，李征，蔡旭，等.采用定子串联阻抗的双馈风电机组低电压主动穿越技术研究[J].中国电机工程学报，2015，35(12)：2943-2951

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[13]张琛，李征，蔡旭，等.采用定子串联阻抗的双馈风电机组低电压主动穿越技术研究[J].中国电机工程学报，2015，35(12)：2943-2951

发明内容

针对现有风机低电压穿越技术的不足，本发明提出一种基于定子串联动态电抗的综合低电压穿越方法。通过在故障暂态不同阶段风机定子串联不同阻值的电抗，并配合相应的RSC控制策略，以期达到在发挥定子串联电抗穿越方式优势的同时，解决其难以同时抑制故障过电流和充分发挥RSC暂态控制能力的矛盾，同时降低电压恢复期间的电抗切除冲击，更好的实现了低电压穿越。技术方案如下：

一种基于定子串联动态电抗的双馈风机综合低电压穿越方法，包括以下几个方面：

1)当检测到电网电压跌落时，按照暂态控制模式1进行控制，控制模式1为投入数值较大的定子串联电抗与RSC采用暂态磁链主动衰减的控制策略的综合穿越模式，模式1中大电抗L₁的整定原则为保证故障发生后转子电流峰值不越限,即：

式中为故障发生后转子电流峰值，为常数，R_r为转子电阻，L_r为转子电抗，T为工频周期，U_dc为直流母线电压，s为转差率，h为电压跌落深度，L_m为定、转子间互感，U_s为定子电压，ω_slip为转差角速度，ω_r为转子角速度，L′_s＝L_s+L₁,τ′_s＝L′_s/R_s；I_{r_th}、λ分别为转子电流安全阈值和裕度系数，为的最大值；

模式1中暂态磁链主动衰减控制策略的实现方法为控制RSC输出电流与定子暂态磁链方向相反，即

式中为RSC控制电流参考值，为定子暂态磁链，k为比例系数；

2)实时观测暂态感应电动势的模值，当其衰减到设定阈值时，切换为控制模式2，其中的整定原则为保证电抗切换后转子电流不越限，的表达式如下：

其中c₁、c₂、c₃的表达式分别为：

3)控制模式2为采用在投入数值较小的定子串联电抗的同时RSC采用无功输出为主，有功输出为辅的控制策略的综合穿越模式，模式2中小电抗的整定原则为故障结束后转子电流不越限且小电抗投入期间风电机组能满足国家电网对无功输出的要求，即小电抗的L₂的整定满足如下约束：

式中I′_{r_th}为RSC的持续安全工作阈值，为故障结束后转子电流最大值，为常数，

模式2中采用的无功输出为主，有功输出为辅的控制策略体现在给定的转子电流dq轴参考值分别为：

式中i_{rd_P*}为按照最大功率跟踪控制方式确定的转子电流d轴参考值；

4)监测电网电压恢复正常时，恢复机组的正常控制，并在延迟100ms切除串联电抗。

与现有的理论技术相比，本发明提出一种基于定子串联动态电抗的综合低电压穿越策略，给出了大小电抗的合理整定方法，并实时观测转子暂态电动势确定合适的电抗切换时刻，同时在大电抗期间和小电抗期间RSC分别采用暂态磁链主动衰减控制策略和功率协调控制策略以达到加速定子暂态磁链衰减和向系统提高无功支撑的目的。本发明达到以下有益效果：

(1)满足了对转子侧变流器的保护。在故障初期投入大值电抗，保证该阶段转子电流冲击得到有效抑制，降低转子电流峰值。

(2)能够向系统提供尽可能多的无功支撑。本方案在合适时机切换为小值定子串联电抗，提高了RSC的无功电流注入能力，保证了故障期间DFIG向系统提供的无功达到要求。

(3)减小了电抗切除冲击。故障结束后一段时间切除小值定子电抗，造成的暂态冲击相对较小，更有利于故障后风电的安全恢复。

附图说明

图1磁链主动衰减策略

图2磁链主动衰减控制图

图3实施例的RSC控制框图

图4实施例的DFIG并网图

图5电抗整定(a)L1(b)L2

图6转子电流对比(a)本文穿越方案(b)Crowbar穿越方案(c)文献[13]穿越方案

图7定子电流对比(a)本文穿越方案(b)文献[13]穿越方案

图8三种方案无功对比

图9三种方案网侧电压对比

图10定子暂态磁链对比

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明提出的基于定子串联动态电抗的综合低电压穿越方法，通过理论分析给出了定子串联电抗值整定方法以及基于暂态感应电动势模值观测的电抗合理切换时刻确定方法，根据穿越阶段的不同需求设计了与硬件相配合的RSC控制策略，并在此基础上制定了大、小电抗双模式切换的低电压穿越方案：在故障发生后，DFIG由稳态控制模式切换为大电抗暂态控制模式(即阻值较大的定子电抗与暂态磁链主动衰减控制策略相结合)，保证对转子过电流得到有效抑制的同时促进定子暂态磁链快速衰减；实时在线观测暂态感应电动势的模值，当其衰减到所设定的安全阈值时进行大、小电抗的切换；切换为小电抗时采用小电抗暂态控制模式(即小电抗与功率协调控制策略相结合)，在实现为系统提供充足无功支撑的同时能抑制故障切除后转子过电流。具体方案如下

1、满足多方面穿越要求的大、小电抗参数整定方法

风电机组的低电压穿越要求主要包括抑制转子过电流，提供充足无功输出以及加速暂态磁链衰减等内容。本发明在理论分析电抗取值对风机低电压穿越性能影响的基础上，给出了能兼顾各方面穿越要求的电抗取值方法。

(1)大电抗取值整定方法

故障发生电压跌落初期，因定子磁链不能突变会在转子绕组中感应产生了很大的暂态电动势，进而导致转子过电流，威胁RSC的运行安全，快速抑制转子冲击电流是首要考虑的。大电抗(下记作L₁)的整定应保证转子电流不越限，即：

式中为故障发生后转子电流峰值，为常数，R_r为转子电阻，L_r为转子电抗，T为工频周期，U_dc为直流母线电压，s为转差率，h为电压跌落深度，L_m为定、转子间互感，U_s为定子电压，ω_slip为转差角速度，ω_r为转子角速度，L′_s＝L_s+L₁,τ′_s＝L′_s/R_s。I_{r_th}、λ分别为转子电流安全阈值和裕度系数，为的最大值。

由公式(1)整定所得的定子串联电抗数值较大，能够有效抑制转子故障过电流。但传统定子串联电抗研究中往往采用故障期间大电抗一直投入的方式，这会带来诸多弊端：

①削弱了变流器的功率控制能力。在定子电压定向方式下，有功、无功功率与转子电流d、q轴分量之间的关系为：

式中P_s为定子输出有功功率，Q_s为定子输出无功功率，i_rd为转子电流d轴分量，i_rq为转子电流q轴分量，ω₁为同步角速度。

由上式可以看出L₁的串入等效增大了L_s。同等功率输出将需要更大的转子控制电流注入，严重故障时往往超出RSC的可控电流范围，不利于穿越期间DFIG的无功输出。

②因电抗切除产生暂态冲击大。L₁越大故障恢复期间切除串联电抗产生的冲击越强，这种冲击也容易造成转子过电流，威胁RSC的运行安全。

③降低暂态磁链衰减速率。定子开路时间常数为L_s/R_s，定子电抗L₁的串入等效增大了L_s，减缓了暂态磁链的衰减速度，延长了DFIG的暂态持续过程。

为了有效解决上述问题，可以在在转子过电流得到很好抑制后切换为数值较小的电抗，小电抗的取值同样应该按照穿越要求来整定，如下节。

(2)小电抗取值整定方法

切换为小电抗的主要目的解决大电抗投入的种种弊端，尤其是影响无功输出能力的弊端，因此小电抗的取值应保证双馈风机充足的无功电流注入能力。同时，小电抗应一直投入直到故障切除后一段时间，即小电抗的取值应保证故障切除后转子过电流不越限。

①小电抗取值上限整定分析

小电抗的取值应保证双馈风机充足的无功输出。根据规定^[12]，可得小电抗(L₂)的取值上限应该满足：

式中I′_{r_th}为RSC的持续安全工作阈值。

②小电抗取值下限整定分析

由式(8)可知L₂越大，同样无功输出所需要的转子控制电流注入会更大；反之，同样的转子电流控制输出的无功功率更少，因此希望L₂取值小以提高RSC功率控制能力。但故障结束后网侧电压恢复仍然会导致转子过电流，此时L₂应该保持串入状态以抑制恢复过电流，且L₂不能过小，否则抑制过电流能力不足。因此小电抗取值下限应由故障结束转子过电流不超过安全阈值确定。即L₂的取值下限应满足：

式中为故障结束后转子电流最大值，为常数，

2、基于暂态感应电动势模值实时观测的电抗切换方法

大电抗到小电抗的切换时刻应按照切换后转子电流不越限的原则确定。小电抗抑制故障电流的能力相对弱，电抗的过早切换仍可能导致转子电流超过RSC安全阈值。由于产生转子过电流的根本原因是转子电动势暂态衰减分量，因此可以在线观测该分量的大小，当其衰减到可以保证切换后转子电流不越限时进行电抗切换。即通过分析合理切换时刻对应的转子暂态电动势的值，将确定切换时刻的问题转化为观测转子暂态电动势是否达到切换阈值的问题。本发明提出了基于暂态感应电动势模值实时观测的大、小电抗切换方法，所提方法可以在保证转子电流不越限的前提下尽快实现电抗切换。

为确保切换后转子电流不越限，可以观测暂态感应电动势的模值当小于给定值切换，可以保证转子电流不越限。经推导，的表达式如下：

其中c₁、c₂、c₃的表达式分别为：

3、软硬件结合的暂态控制模式设计

定子串联动态电抗穿越方式不需要闭锁RSC，因此故障过程可以采用暂态控制策略来提高穿越性能。故障初始阶段，穿越的主要目标是抑制转子过电流并尽快进入小电抗阶段，因此在故障发生后本发明设计了大电抗+暂态磁链主动衰减控制的暂态控制模式1；当切换为小电抗阶段时，RSC保证充足的无功输出以及故障切除后转子过电流不越限，因此设计了小电抗+功率协调控制的暂态控制模式2。本方法专利通过对穿越期间两种软硬件结合暂态控制模式的设计运用，兼顾了各方面的低电压穿越要求，实现较好的低电压穿越性能。

(1)大电抗+暂态磁链主动衰减控制的暂态控制模式

故障初始阶段，投入大电抗虽然抑制转子过电流效果好，但是降低了RSC的功率控制能力，该阶段进行无功输出控制效果一般。由于过高的转子暂态电动势导致的转子过电流是投入大电抗的根本原因，因此该阶段RSC应采用加速暂态磁链衰减的控制策略以尽快度过此暂态阶段而切换到小电抗阶段，从而尽可能发挥RSC的功率控制能力，向电网提高无功支撑。本文采用暂态磁链主动衰减控制策略，即控制暂态电流分量与定子暂态磁链方向相反，如图1所示。图中为定子磁链暂态分量，为在转子侧感应产生的转子暂态电动势，为RSC提供控制电压。

设计暂态磁链主动衰减控制如图2所示。其中k(k>0)为比例系数，即满足可推导得暂态磁链的表达式为

k>0时暂态磁链衰减加快，且k越大暂态磁链衰减越快，但k过大时会超过RSC的注入电流限制，可能出现积分饱和现象，控制性能恶化。k＝0时，为0，暂态磁链按转子开路的定子时间常数衰减。k<0时，|k|增大反而会降低暂态磁链衰减速度；甚至当k＜-1/L_m，暂态磁链增幅振荡，可能导致系统失稳。因此，应综合考虑k的取值。

(2)小电抗+功率协调控制的暂态控制模式

低电压穿越要求DFIG在保证自身运行安全的同时尽可能向系统提供无功支撑，帮助网侧电压恢复，穿越期间更关注的是DFIG的无功输出而非有功输出。因此切换到小电抗L₂运行时，RSC应采用无功输出为主，有功输出为辅的控制策略。无功电流的参考值由(4)确定，有功电流参考值i_rd__ref应在最大功率跟踪控制参考值i_rd__P*的基础上考虑RSC限幅控制：

4、定子串联动态电抗综合穿越方案

综上，本发明提出的基于定子串联动态电抗的双馈风机综合低电压穿越方案的控制框图如图3所示，具体步骤如下：

(1)检测到电网电压跌落时，按照模式1控制(L₁投入，RSC采用暂态磁链主动衰减的控制策略)。

(2)观测暂态电动势模值，当其衰减到时，切换为控制模式2(此时L₂投入，RSC采用无功输出为主，有功为辅的控制策略)。

(3)当监测到电网电压恢复时，恢复机组的正常控制，并在延迟100ms切除串联电抗[¹³]。

某含DFIG风电场的单机无穷大系统如图4所示。设置0.05s时风机并网点发生三相接地短路故障，电压跌落至0.2，持续625ms。本文对所提穿越方案进行仿真，并与Crowbar穿越方案、文献[13]中定子串联电抗方案进行对比分析。Crowbar策略为转子电流大于I_r≥2(pu)投入，I_r≤1(pu)切除，定子串联电抗按照文献[13]中策略进行仿真。

串联大电抗与转子电流峰值关系如图5(a)所示，因此本发明取L₁＝1.44(pu)。同样方法可以做出小电抗与故障结束后转子电流峰值的关系如图5(b)所示。将相关参数带入式(4)，可得L₂≤0.962(pu)。因此应满足0.675(pu)≤L₂≤0.962(pu)。因此本发明取L₂＝0.675(pu)。将相关仿真参数带入式(5)得合理切换时刻对应的暂态电动势E^r _max＝0.42776(pu)。因此应在线观测暂态电动势,当其衰减到0.42776(pu)时进行电抗切换能够满足切换后转子电路不越限的要求。

从图6可以看出，三种方案均能抑制故障过转子电流。本文穿越方案首先抑制转子暂态电流并加速其衰减，然后进行穿越期间的功率协调控制，效果比较理想。Crowbar方式虽然能抑制故障过电流，但对首峰抑制效果较差，故障后第一周波转子电流超过了RSC的安全阈值。文献[13]中方案虽然能有效抑制转子过电流，但由于故障结束后切除电抗数值较大，转子电流过冲超过了RSC的安全阈值。

跌落深度为0.8时穿越期间定子无功注入电流应达到1.05(pu)。从图7可以看出本文所提方案达到了此目标，而文献[13]方案的无功输出效果一般。

从图8可以看出小电抗阶段(0.216s-0.675s)本文所提穿越方案的无功输出效果明显好于其它两种方案，因此会有更好的定子端电压支撑效果，这在图9中得到了验证。

图10给出了大电抗阶段是否采用磁链主动衰减控制的定子暂态磁链对比。可以看出采用磁链主动衰减控制可以更快切换到小电抗阶段，从而尽早提供无功支撑。

Claims (1)

1.一种基于定子串联动态电抗的双馈风机综合低电压穿越方法，包括以下几个方面：

1)当检测到电网电压跌落时，按照暂态控制模式1进行控制，控制模式1为投入数值较大的定子串联电抗与RSC采用暂态磁链主动衰减的控制策略的综合穿越模式，模式1中大电抗L₁的整定原则为保证故障发生后转子电流峰值不越限,即：

式中为故障发生后转子电流峰值，为常数，R_r为转子电阻，L_r为转子电抗，T为工频周期，U_dc为直流母线电压，s为转差率，h为电压跌落深度，L_m为定、转子间互感，U_s为定子电压，ω_slip为转差角速度，ω_r为转子角速度，L'_s＝L_s+L₁,τ′_s＝L′_s/R_s；I_{r_th}、λ分别为转子电流安全阈值和裕度系数，为的最大值；

模式1中暂态磁链主动衰减控制策略的实现方法为控制RSC输出电流与定子暂态磁链方向相反，即

式中为RSC控制电流参考值，为定子暂态磁链，k为比例系数；

2)实时观测暂态感应电动势的模值，当其衰减到设定阈值时，切换为控制模式2，其中的整定原则为保证电抗切换后转子电流不越限，的表达式如下：

其中c₁、c₂、c₃的表达式分别为：

3)控制模式2为采用在投入数值较小的定子串联电抗的同时RSC采用无功输出为主，有功输出为辅的控制策略的综合穿越模式，模式2中小电抗的整定原则为故障结束后转子电流不越限且小电抗投入期间风电机组能满足国家电网对无功输出的要求，即小电抗的L₂的整定满足如下约束：

式中I′_{r_th}为RSC的持续安全工作阈值，为故障结束后转子电流最大值，为常数， τ″_s＝L″_s/R_s；

模式2中采用的无功输出为主，有功输出为辅的控制策略体现在给定的转子电流dq轴参考值分别为：

式中i_{rd_P*}为按照最大功率跟踪控制方式确定的转子电流d轴参考值；

4)监测电网电压恢复正常时，恢复机组的正常控制，并在延迟100ms切除串联电抗。