CN110445181B - 一种通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法。该方法在并网点电压跌落至0.9倍标称值及以下时，优先通过对网侧变流器母线电压的下垂控制，提升线性调制模式下转子侧变流器的输出电压；当严重跌落故障引发转子绕组感生电压超过RSC的线性调制控制范围时，通过网侧母线电压下垂控制和RSC非线性调制相结合的策略，进一步提升RSC的输出电压，以增强对转子绕组过电压的控制能力。采用本发明的控制方法，可以有效减少转子侧撬棒电阻动作的范围和频率，更好地满足电网规范对并网风电机组故障穿越运行能力的要求。

Description

一种通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法

技术领域

本发明属于风力发电相关领域，尤其涉及一种通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法。

背景技术

近年来，随着风电机组单机容量的扩大和总装机容量在电网中所占比例的快速提高，世界各国纷纷出台风电并网导则，对并网风电机组的稳定性、可靠性提出了明确要求。电网规范要求风电机组具有低电压穿越能力，其中包括风电场在电网故障期间应提供无功电流支持。然而，电网跌落故障下，双馈风机转子侧变流器(Rotor Side Converter，RSC)为了实现自我保护易触发撬棒电阻Crowbar而被旁路，失去对风机的功率控制，如何减少Crowbar动作频率和范围已成实现低电压穿越(Low voltage ride through，LVRT)的重要内容。

需要指出的是，电网电压跌落程度较小时，可以通过适当提高网侧变流器(GridSide Converter，GSC)直流母线电压来提高RSC线性调制区的范围，从而小幅提高了双馈异步风力发电机(Doubly fed Induction Generator，DFIG)低电压穿越的能力，但由于直流母线电压需小于母线电容的击穿电压，直流母线电压不可无限制提高，无法应对大部分电压跌落故障，因此如何进一步提升故障穿越期间RSC的电压输出能力就成为双馈风机实现低电压穿越的又一关键。

空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技术在电机驱动和并网变流器控制领域得到广泛应用。该技术能在较低的开关频率下获得较好的谐波抑制效果和比正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)约高15％的基波电压，而在过调制区可以获得更高的调制电压。同时，SVPWM调制技术还有一个优点即易于实现数字和实时控制。

因此，综合分析、研究电网电压跌落期间可以利用SVPWM的过调制能力，可以调制出更高的转子补偿电压，降低转子过流程度，使DFIG正常提供无功功率，进而提出一种充分发挥过调制功能的低电压穿越方案就显得日益必要和迫切。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法。本发明可减少Crowbar动作频率和范围，进而提升双馈风机的低电压穿越运行能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法，包括以下步骤：

(1)实时检测双馈风机并网点电压u_pcc、转子电流幅值I_r和转子转速ω_r；

(2)当检测到并网点电压u_pcc≤0.9U_{pcc_N}时，令双馈风机切换至低电压穿越运行模式，否则，令双馈风机处于正常运行模式；其中U_{pcc_N}为并网点电压标称值；

所述正常运行模式下双馈风机的网侧变流器、转子侧变流器的控制设计为：网侧变流器采用传统的电压电流双闭环矢量控制，其直流母线电压指令V_{dc_ref}＝U_{dc_ref}，其中U_{dc_ref}为直流母线电压的常设值；且转子侧变流器采用功率电流双闭环矢量控制，其调制采用空间矢量脉宽调制的线性调制区，即调制比m∈(0,0.907]，记为线性调制模式；

所述低电压穿越运行模式下双馈风机的网侧变流器、转子侧变流器的控制设计如下：

(2.1)估算待控转子电压的幅值U_r：

其中，U_pcc0代表电网故障发生前双馈风机并网点电压的幅值；L_s为定子绕组的全自感，L_s＝L_m+L_σs，L_m、L_σs分别为定子绕组与转子绕组之间的互感和定子漏感；D为双馈风机并网点电压的剩余程度，D＝u_pcc/U_{pcc_N}；t₀为故障发生时刻；τ＝L_s/R_s，τ为定子绕组时间常数，R_s表示转子电阻；

表示并网点电压u_pcc的初始相位；ω₁表示双馈风机并网点电压u_pcc的角转速；s为转差率，

(2.2)取步骤(2.1)待控转子电压的幅值U_r最大值，得到待控转子电压的峰值U_rmax：

(2.3)根据步骤(2.2)获得的待控转子电压的峰值U_rmax设定直流母线电压控制方式和转子侧变流器的调制模式，包括以下子步骤：

(2.3.1)计算网侧变流器采用传统的电压电流双闭环矢量控制，且转子侧变流器采用线性调制模式时转子侧变流器输出相电压的峰值U_RSCmax1：

(2.3.2)计算网侧变流器采用母线电压下垂控制，且转子侧变流器采用线性调制模式时，转子侧变流器输出相电压的峰值U_RSCmax2：

其中，k为直流母线电压的下垂系数；

(2.3.3)计算网侧变流器采用母线电压下垂控制，且转子侧变流器采用非线性调制模式时，转子侧变流器输出相电压的峰值U_RSCmax3：

所述非线性调制模式为转子侧变流器调制采用空间矢量调制的过调制区，调制比m∈(0.907,0.951]；

(2.3.4)根据步骤(2.2)得到的待控转子电压的峰值U_rmax的归属范围，确定网侧变流器、转子侧变流器的控制设计：

(a)当U_RSCmax1＜U_rmax≤U_RSCmax2时，网侧变流器采用母线电压下垂控制，直流母线电压指令V_{dc_ref}设置为

V_{dc_ref}＝{1+k·(1-D)}U_{dc_ref} (6)

且转子侧变流器采用线性调制模式；

(b)当U_RSCmax2＜U_rmax≤U_RSCmax3时，网侧变流器采用母线电压下垂控制，直流母线电压指令V_{dc_ref}设置同式(6)，且转子侧变流器采用非线性调制模式；

(c)当U_rmax＞U_RSCmax3时，网侧变流器、转子侧变流器的控制设计与步骤(b)相同，但需判断转子侧变流器是否过流，包括以下两种情况：

(c1)如过流条件不存在，转子侧变流器控制双馈风机按照风电并网规范要求向故障电网注入无功电流；

(c2)如过流条件存在，则闭锁转子侧变流器脉冲，同时启动转子侧撬棒电阻硬件保护，待过流条件消失后，重启转子侧变流器，闭锁转子侧撬棒电阻，转子侧变流器控制双馈风机按照风电并网规范要求向电网注入无功电流。

进一步地，所述直流母线电压的常设值U_{dc_ref}为1050V或1200V。

进一步地，所述双馈风机并网点电压的剩余程度D∈[0.2,0.9]。

进一步地，所述直流母线电压的下垂系数的范围为0.09≤k≤0.11。

进一步地，所述步骤(c)中过流条件为转子电流幅值I_r＞1.5I_rN，其中I_rN为转子侧变流器额度电流。

本发明的有益效果是：本发明的核心思想是通过GSC母线电压下垂控制和RSC过调制区的合理运用，提升双馈风电机组抵御电网电压跌落故障诱发的过压冲击的能力，当电压跌落幅度较小时，通过GSC母线电压下垂控制可显著提升线性调制模式下的RSC电压输出能力，且该控制不会引入转子谐波电压；当电压跌落幅度较大时，通过GSC母线电压下垂控制和非线性调制模式的运用，大幅提升RSC电压输出能力；本发明可以有效减小转子侧Crowbar动作的范围和频率，更好地满足电网规范对风电机组故障穿越运行能力的要求，具有如下特点：

1)GSC母线电压指令的动态优化；

2)RSC调制模式随转子感生电压的灵活切换；

3)GSC母线电压下垂和RSC调制模式的协同控制。

附图说明

图1表示本发明方法的控制流程图；

图2表示采用低电压穿越方法前后转子可控电压的区域；其中，图2(B)为图2(A)的局部放大。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

本发明的一种双馈风电机组通过调制设计和母线电压下垂控制实现低电压穿越的方法流程图如图1所示；双馈风电机组，简称双馈风机或DFIG；本发明包括以下步骤：

1.实时检测双馈风机并网点电压u_pcc、转子电流幅值I_r和转子转速ω_r；

2.当检测到并网点电压u_pcc跌落至0.9倍并网点电压标称值U_{pcc_N}或以下，即u_pcc≤0.9U_{pcc_N}时，令双馈风机切换至低电压穿越运行模式；否则，令双馈风机处于正常运行模式，所述正常运行模式为最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式；

所述正常运行模式下双馈风机的网侧变流器(GSC)、转子侧变流器(RSC)的控制设计如下：

1.1网侧变流器GSC采用传统的电压电流双闭环矢量控制，其直流母线电压指令V_{dc_ref}＝U_{dc_ref}，其中U_{dc_ref}为直流母线电压的常设值；对于兆瓦级双馈风电机组，U_{dc_re} ^f通常设定为1050V或1200V；

1.2转子侧变流器RSC采用功率电流双闭环矢量控制，其调制采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的线性调制区，即调制比m∈(0,0.907]，记为线性调制模式；采用线性调制模式时转子侧变流器RSC输出相电压的峰值U_RSCmax1为：

其中U_RSC为RSC输出相电压的幅值；

式(1)表明，采用线性调制模式时转子侧变流器RSC输出相电压的峰值U_RSCmax1为直流母线电压指令V_{dc_ref}值的

所述低电压穿越运行模式下双馈风机的网侧变流器(GSC)、转子侧变流器(RSC)的控制设计如下：

2.1首先估算待控转子电压的幅值U_r：

其中，U_pcc0代表电网故障发生前双馈风机并网点电压的幅值；L_s为定子绕组的全自感，L_s＝L_m+L_σs，L_m、L_σs分别为定子绕组与转子绕组之间的互感和定子漏感；D为双馈风机并网点电压的剩余程度，D＝u_pcc/U_{pcc_N}，且D∈[0.2,0.9]；t₀为故障发生时刻；τ＝L_s/R_s，τ为定子绕组时间常数，R_s表示转子电阻；

表示并网点电压u_pcc的初始相位；ω₁表示双馈风机并网点电压u_pcc的角转速；s为转差率，

从式(2)可以看出，电网故障发生后的待控转子电压(转子绕组感生电压)由两部分组成：第一部分由定子磁链强迫分量决定，约为故障后电网电压的s倍；第二部分由定子磁链的自由分量决定，约为电网电压跌落幅度的(1-s)倍。显然，电压跌落幅度越大，待控转子电压越大。

2.2取步骤2.1待控转子电压的幅值U_r最大值，得到待控转子电压的峰值U_rmax：

2.3根据步骤2.2获得的待控转子电压的峰值U_rmax设定直流母线电压控制方式和转子侧变流器RSC的调制模式，包括以下子步骤：

2.3.1)计算网侧变流器GSC采用母线电压下垂控制，且转子侧变流器RSC采用线性调制模式时转子侧变流器RSC输出相电压的峰值U_RSCmax2：

其中，k为直流母线电压的下垂系数，k＝(U_dcmax-U_{dc_ref})/{U_{dc_ref}(1-D_min)}，其中U_dcmax为直流母线电压的保护阈值，D_min为D的最小值，D为双馈风机并网点电压的剩余程度，D＝u_pcc/U_{pcc_N}，且D∈[0.2,0.9]；对于普通兆瓦级双馈风电机组，可令0.09≤k≤0.11；

2.3.2)转子侧变流器RSC调制采用空间矢量调制(SVPWM)的过调制区，调制比m∈(0.907,0.951]，记为非线性调制模式；故网侧变流器GSC采用母线电压下垂控制，且转子侧变流器RSC采用非线性调制模式时，转子侧变流器RSC输出相电压的峰值U_RSCmax3：

2.3.3)根据步骤2.2得到的待控转子电压的峰值U_rmax的归属范围，确定网侧变流器(GSC)、转子侧变流器(RSC)的控制设计：

a)当U_RSCmax1＜U_rmax≤U_RSCmax2时，网侧变流器GSC采用母线电压下垂控制，直流母线电压指令V_{dc_ref}设置为

V_{dc_ref}＝{1+k·(1-D)}U_{dc_ref} (6)

且转子侧变流器RSC采用线性调制模式；

b)当U_RSCmax2＜U_rmax≤U_RSCmax3时，网侧变流器GSC采用母线电压下垂控制，直流母线电压指令V_{dc_ref}设置同式(6)；且转子侧变流器RSC采用非线性调制模式；

c)当U_rmax＞U_RSCmax3时，网侧变流器(GSC)、转子侧变流器(RSC)的控制设计与步骤b)相同，但需判断转子侧变流器RSC是否过流；所述过流条件为转子电流幅值I_r＞1.5I_rN，其中I_rN为转子侧变流器RSC额度电流；包括以下两种情况：

c1)如过流条件不存在，转子侧变流器RSC控制双馈风机DFIG按照风电并网规范要求向故障电网注入无功电流；

c2)如过流条件存在，则闭锁转子侧变流器RSC脉冲，同时启动转子侧撬棒电阻Crowbar硬件保护，待过流条件消失后，重启转子侧变流器RSC，闭锁转子侧撬棒电阻Crowbar，转子侧变流器RSC控制双馈风机DFIG按照风电并网规范要求向电网注入无功电流。

该步骤的目的是顾及转子侧Crowbar的底线防护作用，防止RSC过电流的发生。这里RSC过流条件设置为1.5倍额定电流，也可以根据风机变流器的实际过流阈值而改变。

RSC采用非线性调制的实质是充分利用变流器过调制区，亦即空间矢量调制六边形内切圆与外接圆之间的非线性调制区域，以尽可能提升RSC输出电压水平，进而增强对转子感生电压的可控性。需要指出的是，采用非线性调制会在一定程度上增加转子谐波电压，进而产生转子谐波电流。但考虑非线性调制区作用时间较短，且与抑制过电压的效益相比，转子谐波电流的影响完全可以忽略不计。

步骤1-2共同构成本发明的一种双馈风电机组通过调制设计和母线电压下垂控制实现低电压穿越的方法。

图2表示采用本发明的低电压穿越方法前后转子可控电压的区域仿真模型。其中U_r表示电网故障发生后转子电压的幅值；U_rmax0、U_rmax1、U_rmax2分别表示采用传统低电压穿越控制方式、仅采用本发明的母线电压下垂控制方式和同时采用本发明的过调制设计和母线电压下垂控制方式下RSC输出线电压的峰值；在发生故障后，根据(3)式不难发现，DFIG运行在超同步状态(s<0)时，转子电压幅值最大值发生在t＝0时刻，因此转子电压幅值最大值为：

为方便计算，仿真模型中

取值为1，

取值为0，U_pcc0取值为690sqrt(2/3)V。

在正常模式和采用传统低电压穿越控制方式时，直流母线电压指令V_{dc_ref}设定为V_{dc_ref}＝U_{dc_ref}，在采用本发明的母线电压下垂控制方式和同时采用本发明的过调制设计和母线电压下垂控制方式直流母线电压指令设置为V_{dc_ref}＝{1+k·(1-D)}U_{dc_ref}。为方便计算，仿真模型中k取0.1，U_{dc_ref}取1050V。

根据图2(A)，可见U_rmax0、U_rmax1和U_rmax2三个平面有较大差距，U_rmax1平面略高于U_rmax0平面，U_rmax2平面则远高于U_rmax0平面，且U_r平面在U_rmax2平面之上的部分很小，说明采用本发明方法可抵御绝大部分电压跌落故障且抵御效果要远好于采用传统低电压穿越控制方法。根据图2(B)，电压跌落发生之后，仅采用本发明的母线电压下垂控制方式比采用传统低电压穿越控制方式控制范围高了7％左右，而同时采用本发明的过调制设计和母线电压下垂控制方式比采用传统低电压穿越控制方式控制范围高了13％左右，有效提升了双馈风电机组抵御电网电压跌落故障诱发的过压冲击的能力，减小转子侧Crowbar动作的范围和频率，提高了DFIG的无功功率输出能力。

Claims (5)

1.一种通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)实时检测双馈风机并网点电压u_pcc、转子电流幅值I_r和转子转速ω_r；

(2)当检测到并网点电压u_pcc≤0.9U_{pcc_N}时，令双馈风机切换至低电压穿越运行模式，否则，令双馈风机处于正常运行模式；其中U_{pcc_N}为并网点电压标称值；

所述正常运行模式下双馈风机的网侧变流器、转子侧变流器的控制设计为：网侧变流器采用传统的电压电流双闭环矢量控制，其直流母线电压指令V_{dc_ref}＝U_{dc_ref}，其中U_{dc_ref}为直流母线电压的常设值；且转子侧变流器采用功率电流双闭环矢量控制，其调制采用空间矢量脉宽调制的线性调制区，即调制比m∈(0,0.907]，记为线性调制模式；

所述低电压穿越运行模式下双馈风机的网侧变流器、转子侧变流器的控制设计如下：

(2.1)估算待控转子电压的幅值U_r：

其中，U_pcc0代表电网故障发生前双馈风机并网点电压的幅值；L_s为定子绕组的全自感，L_s＝L_m+L_σs，L_m、L_σs分别为定子绕组与转子绕组之间的互感和定子漏感；D为双馈风机并网点电压的剩余程度，D＝u_pcc/U_{pcc_N}；t₀为故障发生时刻；τ＝L_s/R_s，τ为定子绕组时间常数，R_s表示转子电阻；

表示并网点电压u_pcc的初始相位；ω₁表示双馈风机并网点电压u_pcc的角转速；s为转差率，

(2.2)取步骤(2.1)待控转子电压的幅值U_r最大值，得到待控转子电压的峰值U_rmax：

(2.3)根据步骤(2.2)获得的待控转子电压的峰值U_rmax设定直流母线电压控制方式和转子侧变流器的调制模式，包括以下子步骤：

(2.3.1)计算网侧变流器采用传统的电压电流双闭环矢量控制，且转子侧变流器采用线性调制模式时转子侧变流器输出相电压的峰值U_RSCmax1：

(2.3.2)计算网侧变流器采用母线电压下垂控制，且转子侧变流器采用线性调制模式时，转子侧变流器输出相电压的峰值U_RSCmax2：

其中，k为直流母线电压的下垂系数；

(2.3.3)计算网侧变流器采用母线电压下垂控制，且转子侧变流器采用非线性调制模式时，转子侧变流器输出相电压的峰值U_RSCmax3：

所述非线性调制模式为转子侧变流器调制采用空间矢量调制的过调制区，调制比m∈(0.907,0.951]；

(2.3.4)根据步骤(2.2)得到的待控转子电压的峰值U_rmax的归属范围，确定网侧变流器、转子侧变流器的控制设计：

(a)当U_RSCmax1＜U_rmax≤U_RSCmax2时，网侧变流器采用母线电压下垂控制，直流母线电压指令V_{dc_ref}设置为

V_{dc_ref}＝{1+k·(1-D)}U_{dc_ref} (6)

且转子侧变流器采用线性调制模式；

(b)当U_RSCmax2＜U_rmax≤U_RSCmax3时，网侧变流器采用母线电压下垂控制，直流母线电压指令V_{dc_ref}设置同式(6)，且转子侧变流器采用非线性调制模式；

(c)当U_rmax＞U_RSCmax3时，网侧变流器、转子侧变流器的控制设计与步骤(b)相同，但需判断转子侧变流器是否过流，包括以下两种情况：

(c1)如过流条件不存在，转子侧变流器控制双馈风机按照风电并网规范要求向故障电网注入无功电流；

(c2)如过流条件存在，则闭锁转子侧变流器脉冲，同时启动转子侧撬棒电阻硬件保护，待过流条件消失后，重启转子侧变流器，闭锁转子侧撬棒电阻，转子侧变流器控制双馈风机按照风电并网规范要求向电网注入无功电流。

2.根据权利要求1所述通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法，其特征在于，所述直流母线电压的常设值U_{dc_ref}为1050V或1200V。

3.根据权利要求1所述通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法，其特征在于，所述双馈风机并网点电压的剩余程度D∈[0.2,0.9]。

4.根据权利要求1所述通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法，其特征在于，所述直流母线电压的下垂系数的范围为0.09≤k≤0.11。

5.根据权利要求1所述通过调制和母线下垂实现双馈风机低电压穿越的方法，其特征在于，所述步骤(c)中过流条件为转子电流幅值I_r＞1.5I_rN，其中I_rN为转子侧变流器额度电流。

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