CN109378860A - 一种双馈风力发电系统低电压穿越控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双馈风力发电系统低电压穿越控制方法，故障期间向PCC注入满足电网导则要求的无功电流，并计算转子无功电流指令保证向PCC注入的总无功电流IGq和总有功电流IGd满足计算网侧变流器有功电流指令和无功电流指令在保证输出电网导则要求的无功电流的前提下，计算转子有功电流指令将控制电流指令和送入转子电流环控制器，将控制电流指令和送入网侧电流环控制器即可。本发明有效解决了电网故障下尤其是弱电网故障下双馈风力发电系统的失稳问题，提升了双馈风力发电系统的稳定运行能力及所连电网的电压质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种改进的双馈风力发电系统低电压穿越控制方法，以期提高故障下双馈风力发电系统的稳定性，解决故障过程中尤其是弱电网故障过程中双馈风力发电系统出现的振荡和失步问题。
背景技术
随着能源和环境问题日益严峻，风力发电技术得到了广泛的关注和长足发展。由于风能分布的原因，大规模风电场一般位于比较偏远地区，经长传输线路连接到电网，导致电网强度减弱，给电网的稳定运行带来了不利影响。尤其是当电网发生故障时，由于控制器和长传输线路的相互作用，使得风力发电系统可能会出现振荡或失步的问题，甚至会造成风力发电系统大规模脱网，严重影响了所并电网的安全性和稳定性。因此，提高电网故障下风力发电系统的稳定性是目前大规模风电发展关键问题之一。目前国内外学者已展开了相关研究，如已公开的下列文献：
(1)Jiabing Hu,Bo Wang,Weisheng Wang,Haiyan Tang,Yongning Chi,and QiHu.Small Signal Dynamics of DFIG-Based Wind Turbines During Riding ThroughSymmetrical Faults in Weak AC Grid[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2017,32(2):720-730.
(2)Yazan M.Alsmadi,Longya Xu,Frede Blaabjerg,Alejandro J.Pina Ortega,Almoataz Y.Abdelaziz,Aimeng Wang,and Zaid Albataineh.Detailed Investigationand Performance Improvement of the Dynamic Behavior of Grid-Connected DFIG-Based Wind Turbines under LVRT Conditions[J].IEEE Transactions on IndustryApplications,2018,54(5):4795-4812.
文献(1)分析了锁相环及电流环控制参数等多种因素对弱电网严重故障下双馈风力发电系统稳定性的影响，并没有涉及有效的提高故障期间双馈系统运行稳定性的控制策略。文献(2)探寻了不同故障类型下双馈风电系统的暂态特性和动态行为并提出了改进的控制策略，但是文章主要集中在如何降低故障时转子侧的暂态过电流，并未考察故障持续期间系统的动态稳定性问题。弱电网严重故障会为双馈控制系统带来不良的动态影响，这种不良动态在控制器与线路阻抗的相互作用下可能会导致双馈风力发电系统失稳，甚至从电网解列。同时，故障期间的风电系统的失稳会进一步影响故障清除后电网的稳定性，可能会使得故障清除后电网电压再次跌落，甚至崩溃。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种改进的双馈风力发电系统低电压穿越控制方法，该方法在不增加硬件设备的基础上，增强电网故障期间风力发电系统的动态稳定性。本方法可保证故障期间双馈风力发电系统输出满足电网导则要求的无功电流，并根据PCC和故障点之间线路的感抗和电阻配比一定有功电流，不仅可以有效提高电网故障期间风力发电系统动态稳定性，还可以降低故障期间因功率不平衡引起的转子升速，减小机械传动轴系的压力，提高其使用寿命。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种双馈风力发电系统低电压穿越控制方法，用于提高电网故障下尤其是弱电网严重故障下双馈风力发电系统的稳定性，解决故障过程中双馈风力发电系统出现的振荡和失步问题，其特征在于：本方法涉及对双馈风力发电系统输出有功电流和无功电流的指令配比；
(A).故障期间双馈风力发电系统的转子侧变换器(RSC)有功电流指令和无功电流指令计算，具体计算步骤为：
A1)故障期间向PCC注入满足电网导则要求的无功电流，则转子无功电流指令为
式中，Us为双馈风力发电系统并网点电压，IN为双馈风力发电系统额定电流，ψsq为定子磁链q轴分量，Ls和Lm分别为定子侧绕组等效电感和等效互感；
A2)保证向PCC注入的总无功电流IGq和总有功电流IGd满足下面的条件
式中，IGq＝Igq+Isq；IGd＝Igd+Isd；Isd和Isq分别为双馈风力发电系统定子输出有功和无功电流，Igd和Igq分别为双馈风力发电系统网侧变换器输出有功和无功电流，XL和RL分别为PCC到故障点传输线路的等效感抗和电阻；
A3)网侧变流器有功电流指令和无功电流指令为
式中，和Udc分别为直流母线电压给定和反馈，kp和ki分别为网侧变流器有功电流指令计算模块PI控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；
A4)在保证输出电网导则要求的无功电流的前提下，根据步骤A1)、A2)和A3)计算得到转子有功电流指令为
如果计算出的满足则
式中，IM为双馈风力发电系统转子最大输出电流；
A5)将步骤A1)和A4)得到的控制电流指令和送入转子电流环控制器，将步骤A3)的控制电流指令和送入网侧电流环控制器，即可提高故障过程中双馈型风力发电系统的稳定性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明有效解决了电网故障下尤其是弱电网故障下双馈风力发电系统的失稳问题，提升了双馈风力发电系统的稳定运行能力及所连电网的电压质量，同时为故障消除后系统的有功功率的快速恢复提供了保证，也为电网调度指令提供了指导性建议。
附图说明
图1为双馈型风电系统接入电力系统的结构示意图。
图2为本发明电网故障下双馈型风电系统的控制框图。
图3(a)和(b)分别为电网电压跌落到32％时，采用传统控制策略和采用本发明控制方法时双馈型风电系统的仿真波形对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。
图1为200MVA双馈型风电系统接入电力系统的结构示意图，双馈型风电系统通过公共连接点接入大电网。
图2表示本发明在电网故障下双馈型风电系统的控制框图，它包括的控制对象有：转子侧变换器1，网侧变换器2，转子q轴电流参考值计算模块3，网侧电流参考值计算模块4，转子d轴电流参考值计算模块5，转子电流环控制模块6，网侧电流环控制模块7。
本发明的具体实施步骤如下：
(A).故障期间双馈型风力发电系统的转子侧变换器(RSC)有功电流指令和无功电流指令计算，具体计算步骤为：
A1)故障期间向PCC注入满足电网导则要求的无功电流，经转子q轴电流参考值计算模块3得到转子无功电流指令为
式中，Us为双馈风力发电系统并网点电压，IN为双馈风力发电系统额定电流，ψsq为定子磁链q轴分量，Ls和Lm分别为定子侧绕组等效电感和等效互感；
A2)保证向PCC注入的总无功电流IGq和总有功电流IGd满足下面的条件
式中，IGq＝Igq+Isq；IGd＝Igd+Isd；Isd和Isq分别为双馈风力发电系统定子输出有功和无功电流，Igd和Igq分别为双馈风力发电系统网侧变换器输出有功和无功电流，XL和RL分别为PCC到故障点传输线路的等效感抗和电阻；
A3)由网侧电流参考值计算模块4计算网侧变流器有功电流指令和无功电流指令值为
式中，和Udc分别为直流母线电压给定和反馈，kp和ki分别为网侧变流器有功电流指令计算模块PI控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；
A4)在保证输出电网导则要求的无功电流的前提下，根据步骤A1)、A2)和A3)，由转子d轴电流参考值计算模块5计算得到转子有功电流指令为
如果计算出的满足则
式中，IM为双馈风力发电系统转子最大输出电流；
A5)将步骤A1)和A4)得到的控制电流指令和送入转子电流环控制模块6，将步骤A3)的控制电流指令和送入网侧电流环控制模块7，即可提高故障过程中双馈型风力发电系统的稳定性。
本发明效果说明：
图3(a)和(b)分别给出了电网电压跌落到32％时，采用传统控制策略和采用本发明控制方法时双馈型风电系统的仿真波形对比图。Usabc为双馈风力发电系统并网点三相电压，Usd、Usq为双馈风力发电系统并网点电压dq轴分量，Ird、Irq为双馈风电系统转子电流dq轴分量，Isd、Isq为双馈风电系统定子电流dq轴分量。图3(a)为采用传统控制策略时的仿真波形图，图中1.0s～1.1s为电网发生故障。由图中可以看出当电网发生故障时，双馈风电系统失稳，不仅无法输出满足电网导则要求的无功电流，而且威胁了电网的安稳运行，严重时会使风电场脱网。图3(b)为采用本发明所提控制策略时的仿真波形图。从图中可以看出，电网电压故障条件下，通过合理的配比有功电流有效的增强了双馈风电系统的动态稳定性，提高了其所连电网的安全稳定运行水平。
综上，本发明所述的一种改进的双馈风力发电系统低电压穿越控制方法在可以保证双馈风电系统在电网故障时稳定运行，具有如下有益效果：1)电网故障情况下，在保证输出满足电网导则要求的无功电流的同时，显著提高了双馈风力发电系统的动态稳定性，有效解决了故障期间双馈系统的振荡和失步问题；2)严重故障期间仍可向电网输出有功功率，有效的抑制了故障期间转子增速，保护了传动轴系的运行安全，提高了其使用寿命，降低了运维成本，并提高了故障消除后系统的稳定性。
最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (1)
1.一种双馈风力发电系统低电压穿越控制方法，其特征在于：本方法通过对双馈风力发电系统输出有功电流和无功电流的指令配比实现，具体步骤如下，
A1)故障期间向电网公共连接点注入满足电网导则要求的无功电流，则转子无功电流指令为
式中，Us为双馈风力发电系统并网点电压，IN为双馈风力发电系统额定电流，ψsq为定子磁链q轴分量，Ls和Lm分别为定子侧绕组等效电感和等效互感；
A2)保证向电网公共连接点注入的总无功电流IGq和总有功电流IGd满足下面的条件
式中，IGq＝Igq+Isq；IGd＝Igd+Isd；Isd和Isq分别为双馈风力发电系统定子输出有功电流和无功电流，Igd和Igq分别为双馈风力发电系统网侧变换器输出有功电流和无功电流，XL和RL分别为电网公共连接点到故障点传输线路的等效感抗和等效电阻；
A3)网侧变流器有功电流指令和无功电流指令为
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A4)在保证输出电网导则要求的无功电流的前提下，根据步骤A1)、A2)和A3)计算得到转子有功电流指令为
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式中，IM为双馈风力发电系统转子最大输出电流；
A5)将步骤A1)和A4)得到的转子无功电流指令和转子有功电流指令送入转子电流环控制器，将步骤A3)的网侧变流器有功电流指令和无功电流指令送入网侧电流环控制器，即可提高电网故障过程中双馈型风力发电系统的稳定性。
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