CN109245166A - 一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机暂态振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机组暂态振荡抑制方法，实现方法是在转子侧变流器转子电流环中的两个PI控制器后的比较端口串接虚拟阻抗作为扰动，即串入阻抗与PI控制器输出和前馈解耦计算所得的转子d、q轴电压U_rdc、U_rqc求和作为下一端口的输入。本发明由于在转子侧串联阻抗，能够增加转子侧阻尼，抑制动态扰动，缩短暂态过渡过程，从而实现故障期间双馈风电机组的持续并网，因此，不仅原理、结构简单，实现容易，而且不需要增加硬件成本，弥补了现有方法的不足。

Description

一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机暂态振荡抑制 方法

技术领域

本发明涉及一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机暂态振荡抑制方法，属于风电并网技术领域，应用于电网故障期间双馈风电机组的持续并网运行。

背景技术

随着风电并网规模和装机容量的增大，风电机组的暂态平稳过渡是一个亟待解决的问题。目前，国内外应对由电网故障(电压跌落和电压骤升)引起的暂态过电流振荡、暂态感应过电压振荡的方法，主要有两类：一是在不增加硬件的前提下，通过改进的变流器矢量控制策略，馈入相应的补偿量从而抑制暂态过电流；二是增加硬件电路，如电压跌落时转子短接撬棒保护(Crowbar)电路和直流斩波电路等，电压骤升时则采用静止无功补偿器(SVC)或在变流器直流侧增加斩波电路。

这两类方法虽然能够较为理想地解决电流、电压暂态振荡问题，但是控制结构复杂，实现难度大；同时，硬件电路的投入也大大增加了成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机暂态振荡抑制方法，既能保证电网故障条件下对磁链振荡、电流振荡、电压振荡的抑制，缩短电压跌落时的过渡过程，又能实现故障期间双馈风电机组的持续并网。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机组暂态振荡抑制方法，在转子侧变流器转子电流环中的两个PI控制器后的比较端口，串接虚拟阻抗作为扰动，将串入阻抗与PI控制器输出和前馈解耦计算，所得的转子d、q轴电压U_rdc、U_rqc求和，作为下一端口的输入。

进一步的，所述串入阻抗为相互串接的电阻和电抗，其中电阻R_a在[0.1 1]之间取值，电抗L_a在[0.01 0.1]之间取值。

进一步，所述串接虚拟阻抗作为扰动，将串入阻抗与PI控制器输出和前馈解耦计算是指：坐标变换环节，分别得到定子、转子dq轴电流分量；定子磁链计算及相应的前馈解耦计算，分别得到c相转子dq轴电压分量；功率计算，得到有功、无功参考功率；指令计算，得到转子dq轴电流分量参考值；电流环控制，得到转子dq轴电压参考值；机侧电流i_a、i_b、i_c作为输入信号，经过坐标变换环节得到转子电流dq轴分量i_rd和i_rq，再分别与转子dq轴参考电流在比较环节求和，求和结果经过两个PI环节和与其相连的比较器后，得到转子dq轴电压分量参考值，最后经过坐标变换和空间矢量脉宽调制，与机侧换流器相连形成闭环控制。

本发明的有益技术效果是：由于在转子侧串联阻抗，能够增加转子侧阻尼，抑制动态扰动，缩短暂态过渡过程，从而实现故障期间双馈风电机组的持续并网，因此，不仅原理、结构简单，实现容易，而且不需要增加硬件成本，弥补了现有方法的不足。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明做进一步的阐述。

图1为双馈异步发电机稳态等效电路图；

图2为双馈异步发电机动态等效电路图；

图3为本发明基于转子串阻抗的双馈发电机控制结构图。

具体实施方式

实施例1

一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机组暂态振荡抑制方法，在转子侧变流器转子电流环中的两个PI控制器后的比较端口，串接虚拟阻抗作为扰动，将串入阻抗与PI控制器输出和前馈解耦计算，所得的转子d、q轴电压U_rdc、U_rqc求和，作为下一端口的输入。

所述串入阻抗为相互串接的电阻和电抗，其中电阻R_a在[0.1 1]之间取值，电抗L_a在[0.01 0.1]之间取值。

下面从理论基础分析本发明的可行性。

如图1所示的转子侧参数折算到定子侧的稳态等效电路，其中L_as，L_ar为定、转子漏抗，L_m为电机励磁电感，I_s为定子绕组电流有效值，I_r为转子绕组电流有效值。

其中转子、定子磁链表达式为

ψ_r＝L_m(I_s+I_r)+L_arI_r＝L_mI_s+L_rI_r (1)

ψ_s＝L_m(I_s+I_r)+L_asI_r＝L_mI_r+L_sI_s (2)

式中：L_s、L_r分别为定子电抗和转子电抗。

定子磁链与定子电压的关系为：

V_s-R_sI_s＝jω_sψ_s (3)

ψ_s＝(V_s-R_sI_s)/jω_s (4)

式中：V_s为频率为f_s的定子端电压、R_s为定子电阻、ω_s为定子绕组电压电流的角频率，j为复数虚部单位。实际情况中，定子电阻很小可忽略不计，则稳态定子磁链表达式为ψ_s＝V_s/jω_s。

以三相电压对称下降为例进行分析；同时建立图2所示的双馈风机的稳态电路。

式中，i_as、i_bs、i_cs是a、b、c三相定子电流的瞬时值；v_as、v_bs、v_cs为a、b、c三相定子端电压瞬时值；ψ_as、ψ_bs、ψ_cs是a、b、c三相定子磁链。

对式(5)、(6)、(7)进行Clarke变换，可得到用空间矢量形式表示的双馈感应电机电压方程：

上标“s”和“r”指矢量已分别变换到定子和转子参考坐标系，i_s、i_r为定、转子电流瞬时值。其中Clarke变换矩阵T为：

由定子磁链产生的转子坐标系下转子感应电动势为：

在定子静止坐标系中，其等效表达式为：

式中，ω_m为转子角频率。电压跌落前后定子磁链表达式为：

式中，是定子电压初始值，即稳态时的定子电压；τ_s＝L_s/R_s是定子时间常数；由于磁链不能突变，则上面两个表达式在t＝0时取值一样，可得到：

故可得到转子坐标系下的定子磁链为：

式中ω_r为转子绕组电压电流角频率。

式(16)说明：三相电压跌落过程中，定子磁链幅值以定子时间常数从初始值指数衰减至零，存在一个振荡过程。将式(16)代入式(11)，可得：

式(17)表明转子磁链的振荡将会导致转子感应电压的振荡。同时，转子端电压最大值产生于跌落时，即t＝0时刻。若忽略1/τ_s项，则有：

式中：ω_m为转子角频率,从上述表达式可以看出暂态时，转子上的感应电动势与(1-s)成比例；稳态时，该感应电动势值为其幅值与转差率s成正比。双馈感应电机转差率介于-0.25～0.25之间，可以推出电压跌落时刻的转子感应电动势幅值比正常运行时高出3～5倍。该振荡的转子过电压会影响到转子侧变换器的正常运行，通常会导致变换器饱和进而失去对电流的控制，因此，为了保证故障期间双馈风电机组的持续稳定运行，必须对磁链、电流、电压振荡加以控制。

对式(5)～(7)进行Clarke变换，并以转子电流为状态变量，转子电压为输入变量，可得到双馈感应发电机转子电流的状态方程。

式中，i_αr、i_βr为α、β坐标系下转子端电压，σ＝1-L_m ²/L_sL_r为漏感系数，ω_m为转子角频率；由该表达式可以求出其特征方程为：

由式(20)可以求出阻尼系数ξ和自然振荡频率ω_n分别为：

当电网电压跌落时，发电机将进入暂态过程，转子侧电流将会产生振荡，由上述表达式可以看出，随着转子侧电阻的增加，发电机转子侧的阻尼系数也加增大，从而一定程度上抑制转子电流、转子感应电压振荡。但是，随着转子侧电阻的增加，转子电压会进一步增大，对稳态运行造成严重影响；同时，电阻在高频时不具备动态扰动抑制作用，故需在转子侧串连电感。

以定、转子磁链为状态变量，并进行dq分解，可得到DTIG的状态空间模型

式中，ω_s为定子绕组电压电流角频率，ω_r为转子绕组电压电流角频率；由式(22)可求出定、转子磁链特征值。

L_s＝L_as+L_m (26)

L_r＝L_ar+L_m (27)

式中，L_as、L_ar分别定、转子漏抗。在实际工程中，定、转子电阻比定、转子电感高出一个数量级。将式(25)、(26)、(27)代入定、转子磁链特征值表达式可知：当转子电感增加时，定子磁链特征值虚部绝对值基本不变，实部绝对值增大；同时，转子磁链特征值虚部绝对值也基本不变，实部大大增加。

这表明：当转子侧电感增大时，定子侧的阻尼增大，将加速定子磁链的衰减，当电网电压跌落时，定子磁链直流分量耦合到转子侧的交流分量衰减将加快，使得电网电压跌落时转子电流的暂态振荡过程缩短，同时也使得转子感应过电压振荡的时间大大缩短。转子侧电感的串入，既提高了对高频动态扰动的抑制能力，同时也减小了对双馈发电机稳态运行特性的影响。

实施例2

如图3所示，基于转子串阻抗的双馈发电机控制结构图。从结构图中可以看出，基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机暂态振荡抑制方法主要包括坐标变换，分别得到定子、转子dq轴电流分量；定子磁链计算及相应的前馈解耦计算，分别得到c相转子dq轴电压分量；功率计算，得到有功、无功参考功率；指令计算，得到转子dq轴电流分量参考值；电流环控制，得到转子dq轴电压参考值；空间矢量脉宽调制等环节。机侧电流i_a、i_b、i_c作为输入信号，经过坐标变换环节得到转子电流dq轴分量i_rd和i_rq，再分别与转子dq轴参考电流在比较环节求和，求和结果经过两个PI环节和与其相连的比较器后，得到转子dq轴电压分量参考值，最后经过坐标变换和空间矢量脉宽调制后与机侧换流器相连形成闭环控制。

本发明的实现方法是在转子侧变流器转子电流环中的两个PI控制器后的比较端口，将虚拟阻抗作为扰动与PI控制器输出和前馈解耦计算所得的转子d、q轴电压u_rdc、u_rqc求和，作为下一端口的输入。阻抗的大小只需要使转子侧变流器的输出电压和输出电流不超过最大允许值即可，电阻R_a在闭区间[0.1 1]取值，电抗L_a在闭区间[0.01 0.1]取值。

电网发生故障时(电压跌落或上升)，双馈风力发电机将进入暂态过程，定子磁链、转子电压将发生振荡，引起转子感应过电压振荡。串入虚拟阻抗后，通过调节阻抗值的大小可以改善电流内环控制系统的扰动传递函数的幅频特性，使系统在低频和高频时都具有良好的扰动抑制能力。本发明采用转子侧串联阻抗策略能够增加转子侧阻尼，当电网发生故障时，随着虚拟电抗的接入转子侧阻尼的增大，抑制动态扰动，缩短暂态过渡过程，很好地抑制转子电流、转子电压的振荡，保证双馈风电机组的持续并网运行，实现故障期间双馈风电机组的持续并网。本发明不仅原理、结构简单，实现容易，也不需要增加硬件成本，弥补了传统方法的不足。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机组暂态振荡抑制方法，其特征在于：在转子侧变流器转子电流环中的两个PI控制器后的比较端口，串接虚拟阻抗作为扰动，将串入阻抗与PI控制器输出和前馈解耦计算，所得的转子d、q轴电压U_rdc、U_rqc求和，作为下一端口的输入。

2.根据权利要求1所述的基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机组暂态振荡抑制方法，其特征在于：所述串入阻抗为相互串接的电阻和电抗，其中电阻R_a在[0.1 1]之间取值，电抗L_a在[0.01 0.1]之间取值。

3.根据权利要求1所述的基于转子串虚拟阻抗的双馈风力发电机组暂态振荡抑制方法，其特征在于：所述串接虚拟阻抗作为扰动，将串入阻抗与PI控制器输出和前馈解耦计算是指：坐标变换环节，分别得到定子、转子dq轴电流分量；定子磁链计算及相应的前馈解耦计算，分别得到c相转子dq轴电压分量；功率计算，得到有功、无功参考功率；指令计算，得到转子dq轴电流分量参考值；电流环控制，得到转子dq轴电压参考值；机侧电流i_a、i_b、i_c作为输入信号，经过坐标变换环节得到转子电流dq轴分量i_rd和i_rq，再分别与转子dq轴参考电流在比较环节求和，求和结果经过两个PI环节和与其相连的比较器后，得到转子dq轴电压分量参考值，最后经过坐标变换和空间矢量脉宽调制，与机侧换流器相连形成闭环控制。