CN110417044A - 一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法 - Google Patents

一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，属于风电系统控制技术领域。所述方法采用网侧变流器无功补偿控制策略附加直流母线电压参考值修正控制器，并结合使用桨距角控制策略实现永磁同步风电系统的低电压穿越。提高永磁同步风电系统低电压穿越时控制有效性和控制稳定性的同时，还提高了系统的经济性与可靠性，降低了控制的难度。

Description

一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，属于风电系统控制 技术领域。
背景技术
低电压穿越是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持着并网运行，甚至能向电网提 供无功支持以支持电网的恢复，直到电网回复到正常的工作状态，“穿越”了这个低电压区域。 风电机组在并网运行时，常常发生电网电压的跌落，电网电压跌落会带给电机一系列的暂态 过程，这些暂态过程危害着风机控制系统的正常运行，严重时可导致故障的加剧，最终导致 系统其它部分的解列。因此在发生电网故障时，低电压穿越的能力是风力发电机组不间断运 行的必备条件。永磁直驱同步风力发电系统是一种新型的风力发电系统。在该系统中，风力 发电机组和电网采用背靠背双PWM变换器隔离。因此相比双馈风力发电系统，永磁直驱同 步风力发电系统的低电压穿越能力更为优越。
当电网电压跌落时，网侧逆变器的输出功率大幅度减小，而发电机侧输出功率没有变化， 这样就导致了直流母线电压的上升，从而对电力电子器件造成损害。电网电压跌落时，如果 控制直流母线电压稳定，必然导致网侧逆变器电流激增，同样也会对电力电子器件造成损害。 解决这种问题的办法是在直流环节增加储能电路或者耗能电路，这样在电网电压跌落时，将 多余能量消耗掉或者储存起来，防止直流母线电压超过额定值。还有一些方法研究了永磁同 步发电机各个部分的控制方法，并且结合桨距角控制来提高低电压的穿越能力。这些方法都 增大了系统控制的难度，并且降低了系统的经济型、可靠性。
发明内容
本发明为了解决传统控制方法控制难度大，经济性和可靠性低的问题，提出了一种基于 永磁直驱同步风电系统低电压穿越的协调控制方法。所采取的技术方案如下：
一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，所述方法采用网侧变流器无功 补偿控制策略附加直流母线电压参考值修正控制器，并结合使用桨距角控制策略实现永磁同 步风电系统的低电压穿越。
进一步地，所述方法的具体步骤包括：
步骤一、对永磁直流风电系统进行建模，获得永磁直流风电系统模型；
步骤二、当电网正常运行阶段，所述永磁直流风电系统模型的机侧变流器采用速度外环 电流内环的控制模式，所述机侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述机侧变流器q轴电流参 考值由速度外环给定，所述桨距角设置为0；所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器采用电 压外环电流内环控制模式，直流母线电压采用网侧变流器电压稳定，并且所述网侧变流器的q 轴电流参考值设置为0。
步骤三、当电网电压跌落后，在所述永磁直流风电系统模型中增加直流母线电压参考值 修正控制器；所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器采用电流单环控制模式，其中，所述 网侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述网侧变流器的q轴参考值设定为所述永磁直流风电 系统模型中包含的电力电子器件允许的最大值；所述永磁直流风电系统模型的风机采用桨距 角控制方法，用以恒定速度增大桨距角；所述机侧变流器采用电压外环电流内环的控制模式， 其中，所述网侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述网侧变流器的q轴电流参考值由电压外 环给定；
步骤四、所述电网电压恢复后，所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器恢复为电压外 环电流内环控制模式，所述永磁直流风电系统模型的机侧变流器采用最大风能追踪控制模式， 所述直流母线电压参考值通过直流母线电压参考值修正控制器的惯性环节恢复，所述桨距角 通过恒定速度恢复为0。
进一步地，步骤三所述的直流母线电压参考值修正控制器中的惯性环节的传输模型表示 为：
其中，K是惯性环节增益，T是惯性时间常数；所述直流母线电压参考值修正控制器中 设置惯性环节的增益和时间常数，直流母线电压参考值udc *在风机穿越的最大时长0.625s提升 至标准值的1.1倍。
进一步地，步骤三所述桨距角控制方法为：在风速一定的情况下，通过增大风机桨距角 来减少风机捕获功率。
进一步地，在所述永磁同步风电系统保持并网运行时所经历的低电压持续时长为0.625s 时，桨距角的调节速度为5～10(°)/s，在低电压期间桨叶节距角的最大调节范围为0～6.25°。
进一步地，所述永磁同步风电系统正常工作时，控制桨距角保持在为0度附近，从而使风 机捕获到最大风能；当电网电压跌落时，以最大调节速度调节桨叶节距角，使风力机所捕获 的风能迅速减小；当电网电压恢复时刻，再调节桨叶节距角为零。
本发明有益效果：
本发明提出的一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法通过采用网侧无功 补偿的控制策略、直流母线电压参考值修正控制策略，并结合采用了桨距角控制策略保证了 在电网电压跌落期间直流母线电压和网侧电流被控制在合理的范围之内。本发明提出的一种 基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法省去了传统控制方法中需要增加的结构与 原件的环节，在提高永磁同步风电系统低电压穿越时控制有效性和控制稳定性的同时，还提 高了系统的经济性与可靠性，降低了控制的难度。
附图说明
图1为本发明所述控制方法的系统总控制框图。
图2为本发明所述直流母线电压参考值变化曲线的示意图。
图3为电压跌落30％时系统仿真曲线图。
图4为电网电压跌落70％时系统仿真曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，所述方法采用网侧变流器无功 补偿控制策略附加直流母线电压参考值修正控制器，并结合使用桨距角控制策略实现永磁同 步风电系统的低电压穿越。
其中，网侧无功补偿控制策略的内容为：当电网运行在正常状态时，我们采用传统矢量 控制。当电压跌落时，采用机侧电压环稳定直流母线电压，此时网侧变流器向电网馈入恒定 的无功功率，风电机的机电暂态过程会吸收一部分不平衡能量。对于网侧变流器，当电网运 行正常时，采用直流电压外环电流内环的控制策略。这种情况下，有功电流参考值igd *由电压 外环给定，以维持直流母线电压的稳定；而无功功率参考值igq *恒为零，以实现单位功率因数 控制。当电网电压跌落时，将有功电流参考值igd *设为零，无功功率参考值igq *设为网侧变流 器的电流上限imax。此时，网侧变流器向电网馈入足够的无功电流以支持电网电压恢复。对 于机侧变流器，在电网运行正常时，d轴电流isd *恒为零，q轴分量控制转矩，isq *由速度外环 给定。当电网电压跌落时，机侧变流器代替网侧变流器控制直流母线电压。isd *依旧保持为零， isq *维持直流母线电压的稳定。此时，电压跌落期间的不平衡能量由同步发电机的机电暂态过 程来承担。由于同步发电机转子的转动惯量较大，风机的转速不会出现剧烈的波动。
直流母线电压参考值修正控制器的控制过程为：如果不平衡能量全部由转子承担，转矩 的波动会对风机的机械轴系产生较大冲击，应该设法减少风机转子承担的不平衡能量。考虑 udc具有一定的变化裕度，可以附加直流母线电压参考值修正控制器，低压暂态期间改变直流 电压参考值，在容许的范围内提高udc，使直流电容储能以分担一部分不平衡能量。考虑到器 件绝缘的耐受能力和防止变流器有功电流的越限，应在最大电压信号附加惯性环节到直流电 压给定端。图2为直流母线电压参考值变化曲线。
桨距角控制策略的具体原理为：风机捕获的功率可以表示为如下：
其中ρ为空气密度，v为风速，Cp为风能利用系数，β为桨距角，λ为叶尖速比，叶尖速比 的定义如下：
其中ωm为风机旋转速度，R为风力机的桨叶半径。
风能利用系数表示如下：
由式(4)可知，风速一定的情况下，通过增大风机桨距角减少风机捕获功率Pm，从而减小 不平衡能量。系统保持并网运行时所经历的低电压持续时长为0.625s，桨距角的调节速度为 5～10(°)/s，在低电压期间桨叶节距角的最大调节范围为0～6.25°。因此，在不同风速下，增大 桨距角能有效减少风机捕获风能。正常工作时，控制桨距角保持在为0度附近，从而使风机捕 获到最大风能。当电网电压跌落时，以最大调节速度调节桨叶节距角，使风力机所捕获的风 能迅速减小。当电网电压恢复时刻，再调节桨叶节距角为零。
所述基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法的具体步骤包括：
步骤一、对永磁直流风电系统进行建模，获得永磁直流风电系统模型；
步骤二、当电网正常运行阶段，所述永磁直流风电系统模型的机侧变流器采用速度外环 电流内环的控制模式，所述机侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述机侧变流器q轴电流参 考值由速度外环给定，所述桨距角设置为0；所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器采用电 压外环电流内环控制模式，直流母线电压采用网侧变流器电压稳定，并且所述网侧变流器的q 轴电流参考值设置为0。
步骤三、当电网电压跌落后，在所述永磁直流风电系统模型中增加直流母线电压参考值 修正控制器；所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器采用电流单环控制模式，其中，所述 网侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述网侧变流器的q轴参考值设定为所述永磁直流风电 系统模型中包含的电力电子器件允许的最大值；所述永磁直流风电系统模型的风机采用桨距 角控制方法，用以恒定速度增大桨距角；所述机侧变流器采用电压外环电流内环的控制模式， 其中，所述网侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述网侧变流器的q轴电流参考值由电压外 环给定；
步骤四、所述电网电压恢复后，所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器恢复为电压外 环电流内环控制模式，所述永磁直流风电系统模型的机侧变流器采用最大风能追踪控制模式， 所述直流母线电压参考值通过直流母线电压参考值修正控制器的惯性环节恢复，所述桨距角 通过恒定速度恢复为0。
图1为系统的总控制框图，在图1中，igd *和igq *是网侧dq轴电流参考值，isd *和isq *是机 侧dq轴电流参考值。虚线表示低电压期间的控制策略，实线表示电网稳定运行时的控制策略。 机侧与网侧dq轴电流参考值如表1所示。
表1机侧与网侧dq轴电流参考值表
其中，步骤三所述的直流母线电压参考值修正控制器中的惯性环节的传输模型表示为：
公式(1)中，K是惯性环节增益，T是惯性时间常数；所述直流母线电压参考值修正控 制器中设置惯性环节的增益和时间常数，直流母线电压参考值udc *在风机穿越的最大时长 0.625s提升至标准值的1.1倍。
步骤三所述桨距角控制方法为：在风速一定的情况下，通过增大风机桨距角来减少风机 捕获功率。
为了验证所提出的方法的有效性根据上述控制方法，在MATLAB/Simulink环境下搭建永 磁直驱风电系统低电压穿越的控制模型。运行仿真模型，在电网电压跌落30％与跌落70％的 情况下得到两组仿真数据。
仿真条件为：空气密度ρ＝1.225kg/m3，叶轮半径R＝3.5m，发电机额定功率P＝2.2kW，转 动惯量J＝25.66kg·m2，磁通Ψf＝0.45Wb，定子电阻Rs＝2.4Ω，额定风速为13m/s，电网相电压为 220V，直流母线电压容限为770V。风速保持12m/s不变。在0.2s时发生电压跌落，在0.5s时电 网电压恢复。
图3是电网跌落30％情况下低电压穿越控制策略的仿真。可以看到，当电网电压正常时， 系统稳定运行，直流母线电压稳定在700V左，网侧a相电压电流相位相同，实现了单位功 率因数控制。若忽略损耗，馈入电网的有功功率与风机捕获能量相等，而无功功率为0。
在0.2s时电网电压跌落，桨叶节距角以10°/s的速度增加，伴随着桨距角的增加，风能 利用系数逐渐降低，风机捕获的能量逐渐减少。网侧有功功率在电压跌落后稳定在0W左右， 网侧变流器向电网馈入恒定的无功功率，支持电网电压的恢复。发电机转子转速不断增大， 其暂态过程承担了大部分的不平衡能量。由于附加了参考值修正环节，直流母线电压跟随参 考值的增加而增加，电容也分担了一部分不平衡能量。
当0.5s时电网电压恢复，桨叶节距角也以10°/s的速度恢复为0。发电机转速逐渐减小，恢 复到最优转速。风能利用系数也恢复到最大值附近。直流母线电压也跟随参考值恢复到700V。 由于发电机转速恢复过程中释放能量，在此过程中网侧电流比稳定状态下略大。观察a相网侧 电压电流相位相同，我们可以看到系统实现了单位功率因数控制。
图4是电网跌落70％情况下低电压穿越控制策略的仿真曲线。由图4可知，系统电网电 压跌落70％时，系统的仿真结果与电压跌落30％时的情况有如下异同：由于电压跌落时网侧 变流器仅仅向电网馈入无功而不馈入有功，所以不平衡能量不受电压跌落程度的影响。对于 不同程度的电压跌落，风能利用系数变化趋势，转速变化趋势，直流母线电压变化趋势，以 及电网恢复后网侧电流变化趋势都相同。所不同的是由于电压跌落程度的不同，馈入电网的 无功功率也不同。
由以上分析可得，电压跌落时采用网侧无功补偿的控制策略，极大地简化了控制的难度， 提高了永磁直驱风电系统的低电压穿越性能。本文的控制目标可以通过提出的方法实现。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的 人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应 该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，其特征在于，所述方法采用网侧变流器无功补偿控制策略附加直流母线电压参考值修正控制器，并结合使用桨距角控制策略实现永磁同步风电系统的低电压穿越。
2.根据权利要求1所述基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，其特征在于，所述方法的具体步骤包括：
步骤一、对永磁直流风电系统进行建模，获得永磁直流风电系统模型；
步骤二、当电网正常运行阶段，所述永磁直流风电系统模型的机侧变流器采用速度外环电流内环的控制模式，所述机侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述机侧变流器q轴电流参考值由速度外环给定，所述桨距角设置为0；所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器采用电压外环电流内环控制模式，直流母线电压采用网侧变流器电压稳定，并且所述网侧变流器的q轴电流参考值设置为0；
步骤三、当电网电压跌落后，在所述永磁直流风电系统模型中增加直流母线电压参考值修正控制器；所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器采用电流单环控制模式，其中，所述网侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述网侧变流器的q轴参考值设定为所述永磁直流风电系统模型中包含的电力电子器件允许的最大值；所述永磁直流风电系统模型的风机采用桨距角控制方法，用以恒定速度增大桨距角；所述机侧变流器采用电压外环电流内环的控制模式，其中，所述网侧变流器的d轴电流参考值设置为0，所述网侧变流器的q轴电流参考值由电压外环给定；
步骤四、所述电网电压恢复后，所述永磁直流风电系统模型的网侧变流器恢复为电压外环电流内环控制模式，所述永磁直流风电系统模型的机侧变流器采用最大风能追踪控制模式，所述直流母线电压参考值通过直流母线电压参考值修正控制器的惯性环节恢复，所述桨距角通过恒定速度恢复为0。
3.根据权利要求2所述基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，其特征在于，步骤三所述的直流母线电压参考值修正控制器中的惯性环节的传输模型表示为：
其中，K是惯性环节增益，T是惯性时间常数；所述直流母线电压参考值修正控制器中设置惯性环节的增益和时间常数，直流母线电压参考值udc *在风机穿越的最大时长0.625s提升至标准值的1.1倍。
4.根据权利要求2所述基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，其特征在于，步骤三所述桨距角控制方法为：在风速一定的情况下，通过增大风机桨距角来减少风机捕获功率。
5.根据权利要求2或4所述基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，其特征在于，在所述永磁同步风电系统保持并网运行时所经历的低电压持续时长为0.625s时，桨距角的调节速度为5～10(°)/s，在低电压期间桨叶节距角的最大调节范围为0～6.25°。
6.根据权利要求5所述基于永磁同步风电系统低电压穿越的协调控制方法，其特征在于，所述永磁同步风电系统正常工作时，控制桨距角保持在为0度附近，从而使风机捕获到最大风能；当电网电压跌落时，以最大调节速度调节桨叶节距角，使风力机所捕获的风能迅速减小；当电网电压恢复时刻，再调节桨叶节距角为零。
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