CN109474019B - 基于协调控制的双馈感应风机系统及其低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协调控制的双馈感应风机系统及其低电压穿越方法，其特征在于，所述包括：双馈感应风机定子绕组、双馈感应风机转子、转子侧变流器、以及串联在转子与转子侧变流器之间的电感型超导故障限流器；其中，所述故障限流器包括并联连接的超导线圈和电力电子开关。通过结合电感型超导故障限流器和改进双馈感应风机转子侧变流器控制技术，利用超导故障限流器直接限制转子过电流，减小转矩振荡，同时在故障期间利用双馈感应电机本身的无功输出，从而提高双馈感应风机的低电压穿越能力；同时，通过故障期间对转子侧变流器电流的精确控制，确定了故障限流器的关键参数整定原则，有效减少了所用超导故障限流器的阻抗值，达到节省成本。

Description

基于协调控制的双馈感应风机系统及其低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风机设备技术领域，特别涉及一种基于协调控制的双馈感应风机系统及其低电压穿越方法。

背景技术

风力发电是新能源发电中装机容量占比最大的一种发电方式。随着风电在电力系统中的渗透率的不断提高，电网故障下的风力发电机的性能对于系统稳定性变得越来越重要。常见的风力发电机组包括双馈感应发电机和永磁直驱发电机。DFIG(双馈感应风机)具有成本低，转速范围较宽，有功无功独立控制等优点。由于它的优点适用于实现电网集成，基于双馈感应发电机的风力发电机在风力发电中的应用更为普遍。

然而，由于双馈感应发电机定子端直接与电网相连导致其对电网扰动很敏感。严重的电压暂降以及由此产生的定子磁链响应的出现可能会导致转子侧变流器产生显著的电气应力，并对机械部件(例如齿轮箱)产生严重的机械应力。这种低电压运行也抑制了由双馈感应发电机产生的功率全部传输给电网，这将导致直流电压的波动大大增加。为了使双馈感应发电机满足低电压穿越要求，在出现故障的情况下必须妥善解决几个问题：第一个是由于定子磁链响应导致转子电路中出现的转子浪涌电流的问题，第二个是直流过电压的问题。这两个问题的产生都可归因于在严重电压暂降期间无法传输到电网的过度能量。提高双馈感应发电机低电压穿越能力对于电压暂降下的电网稳定性具有特殊意义。

现有低电压穿越方案主要为改进控制方案和引进新硬件。改进控制方案只适用于浅度或中度故障，难以解决深度故障下的低电压穿越问题。随着高温超导技术的发展，基于超导故障限流器的双馈风机低电压穿越方案日益具有应用前景。而通过引进超导故障限流器限制双馈感应风机故障电流，虽然能获得较好的低电压穿越性能，但没有结合双馈感应风机自身运行特征，双馈感应风机关键参数并不能完全满足低电压穿越要求，另外还将导致成本偏高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于电感型超导故障限流器和电流协调控制的双馈感应风机及其低电压穿越方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于协调控制的双馈感应风机系统，所述包括：双馈感应风机定子绕组、双馈感应风机转子、转子侧变流器、以及串联在双馈感应风机转子与转子侧变流器之间的电感型超导故障限流器；其中，所述电感型超导故障限流器包括一个超导线圈、电力电子开关，所述超导线圈与电力电子开关以并联的方式连接；

所述系统的各个部件用于通过以下步骤进行双馈感应风机系统的低电压穿越：

当系统发生故障即系统定子电压下降幅度超过百分之十时，所述电感型故障限流器断开所述电力电子开关，以使所述超导线圈接入系统中抑制故障电流；并且转子侧变流器切换为电流协调控制模式，输出去磁电流偏置转子反电动势、输出无功电流支撑电网电压，以此实现电感型故障限流器与转子侧变流器的协同作用调高所述定子电压；设置延时时间间隔，当系统故障修复即系统定子电压达到额定电压的百分之九十时，基于所述延时时间间隔闭合所述电力电子开关，以将所述电感型故障限流器中的超导线圈断开与系统的连接，并且转子侧变流器恢复至无故障的传统矢量控制模式。

优选的，所述基于协调控制的双馈感应风机系统中，所述电感型超导故障限流器中还包括并联在所述超导线圈的两端金属氧化物避雷器。

优选的，所述基于协调控制的双馈感应风机系统中，所述传统矢量控制模式为转子侧变流器正常运行状态下采用得由功率外环和电流内环组成的双闭环矢量控制模式。

优选的，所述基于协调控制的双馈感应风机系统中，所述超导线圈应基于转子电流不过流的要求进行取值，其取值范围满足：

其中，L_SFCL为所述超导线圈，I_rN为转子侧变流器连续输出电流额定值，L_s、L_m分别为定子自感和互感，σL_r为转子等效暂态电感，V为定子额定电压，ω_s为电网同步角频率。

优选的，所述基于协调控制的双馈感应风机系统中，所述超导线圈基于所述取值范围的最小值进行取值，

即

优选的，所述基于协调控制的双馈感应风机系统中，所述延时时间时间应大于等于50ms。

优选的，所述基于协调控制的双馈感应风机系统中，所述电流协调控制模式基于电流协调原则设置电流协调的顺序，所述电流协调原则为去磁电流具有最高优先级，其次是无功电流，最后是有功电流。

一种基于协调控制的双馈感应风机系统低电压穿越方法，使用上述基于协调控制的双馈感应风机系统进行用于双馈感应风机系统的低电压穿越。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过结合电感型超导故障限流器和改进双馈感应风机转子侧变流器控制技术，将超导故障限流器串联在双馈感应风机转子侧，直接限制转子过电流，减小转矩振荡，同时在故障期间利用双馈感应电机本身的无功输出，从而提高双馈感应风机的低电压穿越能力；同时，通过故障期间对转子侧变流器电流的精确控制，在满足低电压穿越导则的前提下，确定了电感型超导故障限流器的关键参数整定原则，有效减少了所用超导故障限流器的阻抗值，达到节省成本的目的。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的转子侧变流器电流协调控制的结构示意图；

图2为本发明示例性实施例的一种双馈感应发电机单机-无穷大系统电路图；

图3为本发明示例性实施例的电网三相短路故障下双馈风机各项参数波形图。

图4为本发明示例性实施例的故障发生后开关S1的切换原理图。

图5为本发明示例性实施例的故障恢复后开关S1的切换原理图

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于协调控制的双馈感应风机系统(基于电感型超导故障限流器和电流协调控制的双馈感应风机系统)。所述双馈感应风机系统包括：双馈感应风机定子绕组、双馈感应风机转子、转子侧变流器、以及串联在双馈感应风机转子与转子侧变流器之间的电感型超导故障限流器；其中，所述电感型超导故障限流器包括并联连接的超导线圈L_SFCL与电力电子开关S₁，还包括一个金属氧化物避雷器R₁并联在超导线圈的两端。

并且，所述系统的各个部件用于通过以下步骤进行双馈感应风机系统的低电压穿越：

当系统发生故障即系统定子电压下降幅度超过百分之十时，所述电感型故障限流器断开所述电力电子开关，以使所述超导线圈接入系统中抑制故障电流(超导线圈与电力电子开关并联，当开关闭合时，超导线圈相当于被短路，与系统不连接；当开关开启时，超导线圈则接入系统中，作为双馈感应风机转子与转子侧变流器的连接器件)；并且转子侧变流器切换为电流协调控制模式，输出去磁电流偏置转子反电动势、输出无功电流支撑电网电压，以此实现电感型故障限流器与转子侧变流器的协同作用调高所述定子电压；设置延时时间间隔，当系统故障修复即系统定子电压达到额定电压的百分之九十时，基于所述延时时间间隔闭合所述电力电子开关，以将所述电感型故障限流器中的超导线圈断开与系统的连接，并且转子侧变流器恢复至无故障的传统矢量控制模式。

具体的，当系统稳态运行(正常运行)时，转子侧变流器为传统矢量控制。电感型超导故障限流器的可控开关(电力电子开关S₁)闭合。在检测到电网电压故障后，超导限流器可控开关迅速打开。超导故障限流器起到限制转子侧电流作用。

转子侧变流器电流协调控制请参阅图1，正常条件下，转子侧变流器正常运行采用由功率外环和电流内环组成的双闭环控制(即传统矢量控制)。外环是通过功率参考值P^* _s、Q^* _s与实际功率输出值P_S、Q_s作差，送入PI调节器，分别得到有功电流参考值和无功电流参考值i^* _rd、i^* _rq。将有功电流参考值i^* _rd和无功电流参考值i^* _rq与转子侧变流器实际输出的电流i_rd、i_rq作差，经过PI调节器，再分别加上解耦补偿项-sω_sσL_ri_rq+e_rd、sω_sσL_ri_rd+e_rq，得到dq轴参考电压V^* _d*、V^* _q，然后通过空间脉宽调制得到调制信号控制转子侧变流器。

在故障发生后，超导故障限流器由无故障时的非感性耦合切换为限制阻抗(超导线圈接入系统开始限制阻抗)，此时L_SFCL＝L₂，限制故障电流，同时转子侧变流器切换为去磁电流控制。定子自由磁链观测中，先由磁链计算

到三相定子磁链，通过低通滤波器得到定子磁链自由分量，经dq变换得到磁链dq轴自由分量的ψ_sdn、ψ_sqn，再乘以系数

得到转子去磁电流的参考信号i^* _rdn、i^* _rqn。通过选取合适的超导电感值，使其幅值满足

其中，I_rN为转子侧变流器连续输出电流额定值。

由并网导则可知，在故障发生后双馈感应风机需要产生正序无功电流支撑电网电压。无功参考信号由0切换为暂态控制器，机端参考电压V^* _s减去机端实际电压V_s得到PI控制器的输入，输出为风电机组需要向系统注入的无功功率Q^* _s，通过PI控制器得到转子侧变流器无功电流补偿参考信号i^* _{rq_comp}，其满足

转子侧q轴总电流为去磁q轴电流与正序无功电流补偿项之和。考虑在浅度电压暂降时，双馈感应风机仍需发出有功功率。采用有功功率按风机定子正序等比例降低，即有功功率参考值P^* _s乘以风机定子电压正序值V_s ⁺，再与实际功率输出值P_S作差，得到正序有功电流参考值i^* _rd。

同时，转子侧变流器正序有功电流上限为

为保护双馈风机和满足并网导则，本发明设定的电流协调原则为去磁电流优先级最高，其次是无功电流，在浅度故障下可以输出有功电流。

为实现dq轴上交流参考信号的精确跟踪，两个参考信号除了输入原有PI控制器中，还要经过两个前馈暂态电流模块

得到两个前馈暂态补偿项，两控制信号相加后，经SPWM调制得到转子侧变流器开关信号。基于串联分压原理，超导故障限流器能够限制故障转子电流，增大转子侧等效漏感，减小去磁电流幅值，增加转子侧变流器无功容量，减小电磁转矩震荡，提升风电机组端电压并保护风电机组机械元件，从而增强风电机组的低电压穿越能力。

请参阅图2，图2是本发明所提低电压穿越协调控制方案应用于风机-无穷大系统的电路图。

请参阅图3，图3为电网三相短路故障导致双馈感应发电机出口电压降低80％下的风机各项参数波形图。故障在t＝0.1s发生，t＝0.2s清除。由图5可以看出在采用所提的协调控制策略下，定子和转子电流峰值分别1.59和1.65p.u.(per unit，标幺值)，均小于其最大允许电流值2.0p.u.。直流电压波动小于其额定值的20％。电磁转矩峰值和峰峰值均被限制在2.0p.u.内。而且可以看到，故障期间风机出口处输出的总无功功率为0.22p.u.，有助于电网电压恢复。由此，双馈感应发电机在故障期间各参数均满足低电压穿越要求，证明本发明提供的低电压穿越协调控制可以有效提高双馈感应发电机的低电压穿越能力。

图4示出了本发明示例性实施例的故障发生后开关S₁的切换原理图。当检测到定子电压降低超过10％后(即U_S<0.9U_SN时，U_S为实际测得的定子电压，U_SN为额定电压值)开关S₁断开。当系统发生故障即系统定子电压下降幅度超过百分之十时，所述电感型故障限流器断开所述电力电子开关，以切换至限制阻抗模式抑制故障电流；并且转子侧变流器切换为电流协调控制模式，输出去磁电流偏置转子反电动势、输出无功电流支撑电网电压，以此实现电感型故障限流器与转子侧变流器的协同作用调高所述定子电压；

图5示出了本发明示例性实施例的故障恢复后开关S₁的切换原理图。当检测到定子电压恢复至额定电压的90％后，为了使双馈感应风机有较平滑的恢复过程，避免转子过电流的出现，开关S₁的开断信号延时50ms(延时间隔，大于等于50ms)，之后当检测到转子电流过零(Ira＝0、Irb＝0、Irc＝0)时(避免电感型超导线圈上的操作过电压)，开关S₁闭合。设置延时时间间隔，当系统故障修复即系统定子电压达到额定电压的百分之九十时，基于所述延时时间间隔闭合所述电力电子开关，以将所述电感型故障限流器切换回无故障时的非感性耦合模式，并且转子侧变流器恢复至双闭环控制模式。

Claims (7)

1.一种基于协调控制的双馈感应风机系统，其特征在于，包括：双馈感应风机定子绕组、双馈感应风机转子、转子侧变流器、以及串联在双馈感应风机转子与转子侧变流器之间的电感型超导故障限流器；其中，所述电感型超导故障限流器包括一个超导线圈及电力电子开关，所述超导线圈与电力电子开关以并联的方式连接；

通过以下步骤进行双馈感应风机系统的低电压穿越：

当系统发生故障即系统定子电压下降幅度超过额定电压的百分之十时，所述电感型超导故障限流器断开所述电力电子开关，以使所述超导线圈接入系统中抑制故障电流；并且转子侧变流器切换为电流协调控制模式，输出去磁电流偏置转子反电动势、输出无功电流支撑电网电压，以此实现电感型超导故障限流器与转子侧变流器的协同作用调高所述定子电压；设置延时时间，当系统故障修复即系统定子电压达到额定电压的百分之九十时，基于所述延时时间闭合所述电力电子开关，以将所述电感型超导故障限流器中的超导线圈断开与系统的连接，并且转子侧变流器恢复至无故障的传统矢量控制模式；

其中，所述电流协调控制模式基于电流协调原则设置电流协调的顺序，所述电流协调原则为去磁电流具有最高优先级，其次是无功电流，最后在浅度故障下输出有功电流；当系统故障发生后，电感型超导故障限流器接入系统中，由无故障时的非感性耦合状态切换为限制阻抗状态，限制故障电流；同时转子侧变流器切换为去磁电流控制；定子自由磁链观测中，先由下式计算三相定子磁链：

通过低通滤波器得到定子磁链自由分量，经dq变换得到磁链dq轴自由分量的ψ_sdn、ψ_sqn，均分别乘以系数

得到转子侧变流器去磁电流的参考信号i^* _rdn、i^* _rqn；此时通过选取合适的超导线圈电感值，使转子侧变流器去磁电流幅值满足

其中，I_rN为转子侧变流器连续输出电流额定值；

由并网导则可知，在故障发生后双馈感应风机需要产生正序无功电流支撑电网电压；此时无功参考信号由0切换为暂态控制器，机端参考电压V^* _s减去机端实际电压V_s得到PI控制器的输入，输出为风电机组需要向系统注入的无功功率Q^* _s，通过PI控制器得到转子侧变流器无功电流补偿参考信号i^* _{rq_comp}，其满足：

转子侧q轴总电流为去磁q轴电流与正序无功电流补偿项之和；在浅度电压暂降时，采用有功功率按风机定子正序等比例降低，将有功功率参考值P^* _s乘以风机定子电压正序值V_s ⁺，再与实际功率输出值P_S作差，得到转子侧变流器正序有功电流参考值i^* _rd；所述转子侧变流器正序有功电流上限为：

其中，所述L_SFCL为所述超导线圈电感值，I_rN为转子侧变流器连续输出电流额定值，L_s、L_m分别为定子自感和互感，σL_r为转子等效暂态电感。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电感型超导故障限流器中还包括并联在所述超导线圈的两端金属氧化物避雷器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传统矢量控制模式为转子侧变流器正常运行状态下采用得由功率外环和电流内环组成的双闭环矢量控制模式。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超导线圈应基于转子电流不过流的要求进行取值，其取值范围满足：

其中，L_SFCL为所述超导线圈电感值，I_rN为转子侧变流器连续输出电流额定值，L_s、L_m分别为定子自感和互感，σL_r为转子等效暂态电感，V为定子额定电压，ω_s为电网同步角频率。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述超导线圈基于所述取值范围的最小值进行取值，

即

其中，L_SFCL为所述超导线圈电感值，I_rN为转子侧变流器连续输出电流额定值，L_s、L_m分别为定子自感和互感，σL_r为转子等效暂态电感，V为定子额定电压，ω_s为电网同步角频率。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述延时时间应大于等于50ms。

7.一种基于协调控制的双馈感应风机系统低电压穿越方法，其特征在于，使用根据权利要求1至6中任一项所述的基于协调控制的双馈感应风机系统进行用于双馈感应风机系统的低电压穿越。