CN110571873B - 一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，属于新能源发电中双馈风力发电机组的运行与控制技术领域。为避免电网电压跌落导致双馈风力发电机组脱网运行，一方面通过改变网侧变换器控制方法，以无功补偿模式调节网侧的输出无功；另一方面考虑到电压跌落期间定子磁链的暂态特性，转子侧变换器在传统矢量控制方法的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，电压跌落期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助系统电压的恢复。针对网侧和转子侧变换器协同控制方法的研究，能够有效避免电网电压跌落导致双馈风力发电机组脱网运行，帮助系统故障电压恢复，维持电网稳定性。

Description

一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电中双馈风力发电机组的运行与控制技术领域，具体涉及在电网电压发生电压跌落现象时机组能够向系统提供一定的无功功率，加快故障电压恢复并提高机组低电压穿越能力的一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法。

背景技术

近些年来可再生能源发电得到大力推广，风力作为主要的清洁能源之一，风电系统建设规模日渐扩大，除了增加电力系统总装机容量外，其运行状态对电网电压瞬时跌落时的功率平衡和电压稳定的影响也越来越大。多数电气设备所处的自然环境恶劣，易导致电压跌落现象的发生。相关数据显示，超过60％的电压降与恶劣环境(如大风，暴雨，强降雪等)有关；电力系统中各电气设备不正常运行导致故障发生也会使电压跌落，例如配电网某输电线路发生接地短路时，对远处受电端的用户负荷会造成很大影响，不能满足其供电可靠性要求；除此之外，一些大容量设备(如大型电动机、变压器等)突然启动或投入运行时会产生严重的电流畸变，影响与该负荷所接母线的电压稳定，发生电网电压跌落现象。

事实上，电力系统受恶劣环境的影响时常发生，电网电压大多数情况下都处在波动状态，当发生电网电压跌落现象时，为保持系统运行稳定性，风电机要求继续并网运行并能支撑系统所需无功，以改善系统电压恢复过程。双馈风力发电机组组成的风电场作为重要的无功源，能够在稳定电网电压和补偿无功方面发挥一定的作用。虽然单台风机调节无功的能力有限，但是对于并网点电压小幅值波动时，由多台风机组成风电场能够提供较充足的无功来改善并网点运行的稳定性。

由于双馈风电机自身具有功率因数可调、有功无功易于控制、变流器容量小、低损耗等优点，发生电网电压跌落时对其控制策略的研究就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不需要无功补偿装置的前提下，利用双馈风力发电机组本身无功调节能力，对风电场并网点无功需求进行补偿，能够稳定并网点无功波动，缓解电网无功压力的双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，为避免电网电压跌落导致双馈风力发电机组脱网运行，按照以下步骤进行：

S1：分析电网电压跌落起始至故障切除后双馈风力发电机组暂态全过程；

S2：改变网侧变换器控制方法，在电压跌落期间改变其工作方式，运行在非单位功率因数模式下，向系统提供一定无功支撑，以无功补偿模式调节网侧的输出无功，帮助系统故障电压恢复；

S3：改进转子侧变换器控制方法，考虑电压跌落期间定子磁链的暂态特性，转子侧变换器在传统矢量控制方法的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，电压跌落期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助系统电压的恢复；

S4：在Matlab/Simulink上建立仿真模型，对双馈风力发电机组的运行特性进行分析，验证S2和S3中所述控制方法的有效性。二者相结合的矢量控制方法在电网电压跌落时，一方面向系统增发无功能有效缩短电网电压恢复时间，另一方面引入定子磁链变化项降低了转子侧电流幅值且抑制了直流侧电压过高，增强了风电机组的低电压穿越能力。

本发明技术方案的进一步改进在于：S1中，电网电压跌落起始至故障切除后，双馈风力发电机组暂态全过程具体分析推导过程如下：

忽略磁饱和现象后双馈风电机在αβ坐标系下的定转子电压和磁链方程为

其中，u_s、i_s、ψ_s、R_s、L_s是风电机定子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；u_r、i_r、ψ_r、R_r、L_r是风电机转子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；L_m是定子绕组与转子绕组间的互感；ω_r是转子转动角速度；

将式(2)代入式(1)可得转子电压方程为

其中，

由式(4)可知，定子磁链ψ_s暂态变化会在转子侧感应出反电动势E_r，其与转子电流I_r密切相关；

假设在t＝0时，风电系统受外部不利影响作用发生电网电压跌落，t＝t₁时该作用消失，此期间的定子电压u_s变化过程表达式为

其中，u_g是电网电压，d是电网电压跌落幅度；ω₁是风电机同步转动角速度；

考虑到风电场装设的风电机单台容量一般都是兆瓦级，其定子电阻R_s值很小，分析定子磁链暂态过程时可忽略，由式(1)中定子电压方程可得定子磁链方程为

风电机组暂态全过程主要是分析电磁暂态过程，包括电网电压跌落瞬间和不利因素排除后电压恢复的过渡过程，考虑到定子磁链ψ_s是逐渐衰减的，可将ψ_s看成包含稳态分量ψ_sf和暂态衰减分量ψ_sn，稳态分量ψ_sf随当前电网电压的变化而变化，以同步角速度ω₁转动，由式(5)、式(6)可得风电机定子磁链稳态分量ψ_sf为

前面已提到定子磁链是逐渐衰减的，稳态分量ψ_sf幅值与电网电压成正比，可知定子磁链暂态分量ψ_sn是随时间变化并逐渐衰减的，应用换路原理ψ_s(t_{_})＝ψ_s(t₊)，可得定子磁链暂态分量ψ_sn为

其中，τ_s是衰减时间常数，

根据式(7)、式(8)可得定子磁链ψ_s暂态全过程表达式为

由式(8)可知，t＝t₁时故障消失后定子磁链暂态分量ψ_sn的幅值是逐渐衰减的，其幅值大小不仅与电压跌落幅度d相关，还与时刻t₁密切相关，当t＝t₁时，ψ_sn取得最大值

由于风电机在电压跌落期间会产生内部损耗，暂态分量ψ_sn随时间是振荡衰减的，故在振荡初始时其幅值可取到最大值与最小值，根据式(10)可知，在t₁＝0.5T＝0.01s(K为正整数；T为同步周期，即T＝0.02s)时ψ_sn幅值最大，即定子磁链振荡幅值也大；在t₁＝T＝0.02s时ψ_sn幅值最小，即定子磁链振荡幅值也小。

本发明技术方案的进一步改进在于：S2中，改变网侧变换器控制方法，在电压跌落期间改变其工作方式，运行在非单位功率因数模式下，是采用在设计网侧变换器时将STATCOM与网侧变换器的电路结构相结合，当电压跌落时切换为无功补偿运行模式，即工作在非单位功率因数模式下，检测并网点处无功分量然后馈送到变换器输入端，实时调节变换器输出无功，向系统提供一定的无功以帮助电网电压的恢复；其具体分析过程如下：

在电压跌落暂态过程中，为分析STATCOM的工作方式，可认为此期间其仅存在吸收或者发出无功的状态，设P＝0,δ＝0，此时有

其中，u₁是电网侧的线电压；u₂是STATCOM交流侧的线电压；X是电网与相连STATCOM之间的等效电抗。u₂、X的值均已折算到电网侧；

由式(11)可知，当u₂＜u₁时，Q＞0，此时STATCOM从电网吸收无功功率；反之，当u₂＞u₁时，Q＜0，此时STATCOM向电网发出无功功率，因此，STATCOM吸收或者发出无功取决于所连电网的运行状态，其工作方式根据电网功率流动方向进行改变；

STATCOM控制电路中直流侧有一直流电容C，C值选取方法为：

直流电容C的无功容量Q_C与STATCOM的额定无功Q_N之比K_C在1.0附近，即

其中，ω₀是交流侧电压的角频率；u_dc0是STATCOM没有无功输出状态下直流侧电容电压。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中，在设计转子侧变换器时考虑到电压跌落期间定子磁链的暂态特性，在传统矢量控制策略的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，主要是针对机组转子电压数学表达式处理上，推导得到电压跌落时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程，可在电压恢复期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助电网电压的恢复，具体分析过程如下：

(1)双馈风电机组dq旋转坐标系下的数学模型

前面已经对风电机在电网电压跌落起始至故障切除后的暂态全过程进行了分析推导，将式(1)与式(2)定转子电压和磁链方程进行坐标变换可得如下方程：

定子电压方程

转子电压方程

定、转子磁链方程

(2)转子侧矢量控制方法

发生电网电压跌落现象时，由于风电机定子绕组与转子绕组之间存在互感，使得定子磁链的暂态过渡过程要同时受自身电磁特性和转子侧变换器施加的励磁电压影响，传统的矢量控制策略能够保证电网正常运行时候的电压稳定，但推导风电机数学模型的过程中认为定子磁链保持恒定，使得在发生电网电压跌落现象时对系统的控制效果很不理想，当电网电压跌落时，与大电网相连的发电机端电压会随之骤降，导致定子磁链的调节器饱和，此时应用传统定子磁链定向矢量控制策略会出现较大偏差，对转子电流幅值过高的抑制作用大大降低，将影响整个控制系统的性能，所以，为抑制在发生电网电压跌落时风电机的转子电流过大，推导转子侧转换器控制策略时不能忽略定子磁链的暂态过程，且定子磁链是逐渐衰减的；

在基于定子磁链定向的传统矢量控制方法中，相关参数均已由abc静止坐标系经派克变换转换到dq0旋转坐标系下，此时规定定子磁链保持恒定并与d轴完全重合，即认为定子磁链的微分项

可是，在发生电网电压跌落现象时，由前面对风电机暂态全过程分析可知，定子磁链ψ_s包含稳态分量ψ_sf和暂态分量ψ_sn，因暂态分量ψ_sn是振荡衰减的，导致定子磁链矢量不能精确定向在d轴上且电子磁链的微分项

根据式(15)得定子电流表达式

将式(17)代入式(13)得定子电压表达式

将式(17)代入式(16)得转子侧磁链表达式

将式(19)代入式(14)得转子电压表达式

通过列写数学表达式对风电机的暂态过渡过程进行理论分析，推导得到在系统发生电压跌落现象时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程，由式(20)可以设计出改进的矢量控制器，其中Δu_dr、Δu_qr为交叉耦合项；

风电机向系统输送无功的大小受转子电流d轴分量控制，同样对转子电流q轴分量调节可以控制风电机电磁转矩的大小，因此，转子电流d、q轴分量参考值分别为

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

1、本发明针对风电机组变换器传统控制方法不能充分发挥其自身特性的问题，对网侧和转子侧变换器控制方法进行改进，通过检测并网点电压来调节网侧变换器无功分量，使其在电压跌落期间切换至无功补偿模式，支撑系统一定无功；对转子侧变换器考虑电压跌落期间定子磁链暂态过程，增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，稳定直流侧电压和抑制转子侧过电流以帮助电网电压恢复，改进的矢量控制方法不仅能改善双馈风力发电机组运行特性，稳定直流侧电压，在一定程度上也可起到就地无功补偿的作用，另一方面引入定子磁链变化项降低了转子侧电流幅值且抑制了直流侧电压过高，增强了风电机组的低电压穿越能力。

2、本发明针对风力发电系统发生电网电压跌落现象时直流侧过电压、转子侧过电流以及电压恢复期间需向系统提供一定无功支撑的问题，提出了一种改进的双馈风力发电机组矢量控制方法。该矢量控制方法是在传统控制的基础上推导得到，没有外加硬件设备，在系统稳定运行状态下与传统控制具有同样的作用，为提高风电系统低电压穿越能力提供了一种新的思路。

3、本发明在不需要无功补偿装置的前提下，利用双馈风力发电机组本身无功调节能力，对风电场并网点无功需求进行补偿，能够稳定并网点无功波动，缓解电网无功压力，向系统增发无功能有效缩短电网电压恢复时间。

附图说明

图1：STATCOM与电网相连简化电路；

图2：网侧变换器控制框图；

图3：网侧变换器无功附加控制图；

图4：转子侧变换器矢量控制框图；

图5：直流侧电压仿真波形图；

图6：定子a相电流仿真波形；

图7：转子a相电流仿真波形；

图8：转子d轴电流仿真波形；

图9：转子q轴电流仿真波形；

图10：定子侧输出有功功率；

图11：网侧变换器输出有功功率；

图12：定子侧输出无功功率；

图13：网侧变换器输出无功功率；

图14：机侧输出有功功率；

图15：机侧输出无功功率。

具体实施方式

本发明公开了一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，具体的说是一种通过分析电网电压跌落起始至故障切除后双馈风力发电机组暂态全过程，改变网侧变换器控制方法，再考虑电压跌落期间定子磁链的暂态特性，转子侧变换器在传统矢量控制方法的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，对风电场并网点无功需求进行补偿，能够稳定并网点无功波动，缓解电网无功压力的方法。

本发明中提到的STATCOM是静止同步补偿器的英文缩写，Static SynchronousCompensator,简称STATCOM，是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统(FACTS)的重要组成部分。STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功电源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。

一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，为避免电网电压跌落导致双馈风力发电机组脱网运行，按照以下步骤进行：

S1、分析电网电压跌落起始至故障切除后双馈风力发电机组暂态全过程。

S2：改变网侧变换器控制方法，在电压跌落期间改变其工作方式，运行在非单位功率因数模式下，向系统提供一定无功支撑，以无功补偿模式调节网侧的输出无功，帮助系统故障电压恢复；具体的是，是采用在设计网侧变换器时将静止同步补偿器与网侧变换器的电路结构相结合，当电压跌落时切换为无功补偿运行模式，即工作在非单位功率因数模式下，检测并网点处无功分量然后馈送到变换器输入端，实时调节变换器输出无功，向系统提供一定的无功以帮助电网电压的恢复。

S3：改进转子侧变换器控制方法，考虑电压跌落期间定子磁链的暂态特性，转子侧变换器在传统矢量控制方法的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，电压跌落期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助系统电压的恢复；具体的是，在设计转子侧变换器时考虑到电压跌落期间定子磁链的暂态特性，在传统矢量控制策略的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，主要是针对机组转子电压数学表达式处理上，推导得到电压跌落时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程，可在电压恢复期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助电网电压的恢复。

S4：在Matlab/Simulink上建立仿真模型，对双馈风力发电机组的运行特性进行分析，验证S2和S3中所提控制方法的有效性，二者相结合的矢量控制方法在电网电压跌落时，一方面向系统增发无功能有效缩短电网电压恢复时间，另一方面引入定子磁链变化项降低了转子侧电流幅值且抑制了直流侧电压过高，增强了风电机组的低电压穿越能力。

下面结合图1～15及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，为避免电网电压跌落导致双馈风力发电机组脱网运行，按照以下步骤进行：

S1：首先分析电网电压跌落起始至故障切除后双馈风力发电机组暂态全过程。

考虑到当系统发生电网电压跌落现象时，风电机组定子侧与大电网侧直接相连，其运行状态会受到影响，导致定子电压和定子磁链随电网电压跌落而发生改变。故在研究电机暂态运行特性时必须考虑磁链的动态改变，并且磁链是逐渐衰减的。本发明先对电机发生电压跌落起始至故障切除后的暂态过程列写数学表达式，为接下来网侧变换器和转子侧变换器控制方法略分析建立基础。

具体分析推导过程如下：

忽略磁饱和现象后双馈风电机在αβ坐标系下的定转子电压和磁链方程为

其中，u_s、i_s、ψ_s、R_s、L_s是风电机定子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；u_r、i_r、ψ_r、R_r、L_r是风电机转子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；L_m是定子绕组与转子绕组间的互感；ω_r是转子转动角速度。

将式(2)代入式(1)可得转子电压方程为

其中，

由式(4)可知，定子磁链ψ_s暂态变化会在转子侧感应出反电动势E_r，其与转子电流I_r密切相关。

假设在t＝0时，风电系统受外部不利影响作用发生电网电压跌落，t＝t₁时该作用消失，此期间的定子电压u_s变化过程表达式为

其中，u_g是电网电压，d是电网电压跌落幅度；ω₁是风电机同步转动角速度。

考虑到风电场装设的风电机单台容量一般都是兆瓦级，其定子电阻R_s值很小，分析定子磁链暂态过程时可忽略。由式(1)中定子电压方程可得定子磁链方程为

风电机组暂态全过程主要是分析电磁暂态过程，包括电网电压跌落瞬间和不利因素排除后电压恢复的过渡过程。考虑到定子磁链ψ_s是逐渐衰减的，可将ψ_s看成包含稳态分量ψ_sf和暂态衰减分量ψ_sn。稳态分量ψ_sf随当前电网电压的变化而变化，以同步角速度ω₁转动，由式(5)、式(6)可得风电机定子磁链稳态分量ψ_sf为

前面已提到定子磁链是逐渐衰减的，稳态分量ψ_sf幅值与电网电压成正比，可知定子磁链暂态分量ψ_sn是随时间变化并逐渐衰减的。应用换路原理ψ_s(t_{_})＝ψ_s(t₊)，可得定子磁链暂态分量ψ_sn为

其中，τ_s是衰减时间常数，

根据式(7)、式(8)可得定子磁链ψ_s暂态全过程表达式为

由式(8)可知，t＝t₁时故障消失后定子磁链暂态分量ψ_sn的幅值是逐渐衰减的，其幅值大小不仅与电压跌落幅度d相关，还与时刻t₁密切相关。当t＝t₁时，ψ_sn取得最大值

由于风电机在电压跌落期间会产生内部损耗，暂态分量ψ_sn随时间是振荡衰减的，故在振荡初始时其幅值可取到最大值与最小值。根据式(10)可知，在t₁＝0.5T＝0.01s(K为正整数；T为同步周期，即T＝0.02s)时ψ_sn幅值最大，即定子磁链振荡幅值也大；在t₁＝T＝0.02s时ψ_sn幅值最小，即定子磁链振荡幅值也小。

通过上述分析可知，电网电压跌落程度相同，而故障期间经历的时间不同，即故障消失时刻不同，会对定子磁链振荡幅值大小产生影响。并且，电网电压跌落下分析风电机运行特性时不能忽略磁链的变化，由式(3)和式(4)可知定子磁链动态变化会对转子电压产生影响，故对转子侧变换器控制策略进行研究时要考虑磁链的变化。接下来将对双馈风力发电机组的矢量控制策略进行分析，补偿电网电压跌落暂态期间系统对无功需求，以加快系统故障电压恢复。

为了提高发生电网电压跌落现象时系统的暂态稳定性，本发明中对机组网侧变换器和转子侧变换器控制策略均做了改进。

S2：改变网侧变换器控制方法

双馈风力发电机组网侧变换器在单位功率因数模式下运行，电网电压跌落时不能向系统提供无功支撑。风电场中为补偿系统所需无功，通常在并网点额外装设无功补偿装置实现对系统的就地补偿，如STATCOM、并联电抗器、调相机等。本发明将STATCOM与网侧变换器的电路结构相结合，当电压跌落时，检测并网点处无功分量然后馈送到变换器输入端，实时调节变换器输出无功，向系统提供一定的无功以帮助电网电压的恢复。

在电压跌落暂态过程中，为分析STATCOM的工作方式，可认为此期间其仅存在吸收或者发出无功的状态，设P＝0,δ＝0。此时有

其中，u₁是电网侧的线电压；u₂是STATCOM交流侧的线电压；X是电网与相连STATCOM之间的等效电抗。u₂、X的值均已折算到电网侧。

由式(11)可知，当u₂＜u₁时，Q＞0，此时STATCOM从电网吸收无功功率；反之，当u₂＞u₁时，Q＜0，此时STATCOM向电网发出无功功率。因此，STATCOM吸收或者发出无功取决于所连电网的运行状态，其工作方式根据电网功率流动方向进行改变。

不管是网侧变换器还是STATCOM电路，在发生电压跌落现象时，支撑系统的无功都是一定的，即存在无功补偿范围限制，补偿容量的大小基本取决于额定容量，其将直接影响对系统的无功补偿效果。结合STATCOM控制方法与网侧变换器控制方法，设计网侧变换器具体控制框图，如图2所示。

系统发生电压跌落现象时，在稳定直流侧母线电压的基础上，考虑到网侧变换器因其自身容量限制使其无功补偿有一定范围，对网侧变换器无功控制参考值输出范围进行相应限制，设计网侧变换器电压无功控制框图，如图3所示。

此外，STATCOM控制电路中直流侧有一重要器件直流电容C，相比于交流电容的应用，直流电容在稳定直流侧母线电压方面发挥着很大作用。根据理论分析，C值的选取应该是很宽裕的，但结合实际情况会发现C取值不宜过大，除考虑到STATCOM的造价会随之增加外，对STATCOM的稳定运行也会产生严重影响，例如当C太大时，会导致无功、电容电压和STATCOM出口端电压的振荡。并且，C取值也不宜过小，除考虑到电容上的储能会随之减小外，发生电网电压跌落现象时STATCOM对系统的无功补偿效果会大大降低，其出口端电压不能保证系统的稳定运行。因此，直流电容C的取值就显得尤为重要了，一方面要考虑到电网电压跌落期间STATCOM向系统输出一定无功，C两端电压波动幅度维持在±5％范围内；另一方面要考虑到STATCOM实际运行情况，在保证系统稳定运行的基础上留有一定补偿裕度并力求经济性最佳。故C值选取方法为：

直流电容C的无功容量Q_C与STATCOM的额定无功Q_N之比K_C在1.0附近，即

其中，ω₀是交流侧电压的角频率；u_dc0是STATCOM没有无功输出状态下直流侧电容电压。

S3：改进转子侧变换器控制方法

(1)双馈风电机dq旋转坐标系下的数学模型

前面已经对风电机在电网电压跌落起始至故障切除后的暂态全过程进行了分析推导，将式(1)与式(2)定转子电压和磁链方程进行坐标变换可得如下方程。

定子电压方程

转子电压方程

定、转子磁链方程

(2)转子侧矢量控制方法

发生电网电压跌落现象时，由于风电机定子绕组与转子绕组之间存在互感，使得定子磁链的暂态过渡过程要同时受自身电磁特性和转子侧变换器施加的励磁电压影响。传统的矢量控制策略能够保证电网正常运行时候的电压稳定，但推导风电机数学模型的过程中认为定子磁链保持恒定，使得在发生电网电压跌落现象时对系统的控制效果很不理想。当电网电压跌落时，与大电网相连的发电机端电压会随之骤降，导致定子磁链的调节器饱和，此时应用传统定子磁链定向矢量控制策略会出现较大偏差，对转子电流幅值过高的抑制作用大大降低，将影响整个控制系统的性能。所以，为抑制在发生电网电压跌落时风电机的转子电流过大，推导转子侧转换器控制策略时不能忽略定子磁链的暂态过程，且定子磁链是逐渐衰减的。

在基于定子磁链定向的传统矢量控制方法中，相关参数均已由abc静止坐标系经派克变换转换到dq0旋转坐标系下，此时规定定子磁链保持恒定并与d轴完全重合，即认为定子磁链的微分项

可是，在发生电网电压跌落现象时，由前面对风电机暂态全过程分析可知，定子磁链ψ_s包含稳态分量ψ_sf和暂态分量ψ_sn，因暂态分量ψ_sn是振荡衰减的，导致定子磁链矢量不能精确定向在d轴上且电子磁链的微分项

根据式(15)得定子电流表达式

将式(17)代入式(13)得定子电压表达式

将式(17)代入式(16)得转子侧磁链表达式

将式(19)代入式(14)得转子电压表达式

通过列写数学表达式对风电机的暂态过渡过程进行理论分析，推导得到在系统发生电压跌落现象时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程。由式(20)可以设计出改进的矢量控制器，其中Δu_dr、Δu_qr为交叉耦合项。

风电机向系统输送无功的大小受转子电流d轴分量控制，同样对转子电流q轴分量调节可以控制风电机电磁转矩的大小。因此，转子电流d、q轴分量参考值分别为

设计改进的转子侧变换器控制框图见图4。

S4：在Matlab/Simulink上建立仿真模型，对双馈风力发电机组的运行特性进行分析

为了验证网侧变换器与转子侧变换器改进控制策略协同作用的准确性，在Matlab/Simulink上建立仿真模型，对双馈风力发电机组的运行特性进行分析验证，机组模型主要参数如表1所示。

表1双馈风力发电机模型主要参数表

Table.1Main parameters of doubly fed wind motor model

其它模型仿真参数：电网并网点电压690V，电网频率50Hz，直流侧母线电压参考值1200V。

当风速保持稳定时，用一台容量为1.5MW的风电机建模仿真分析，在1s时刻电网电压幅值向下跌落20％，在1.625s时故障切除电压恢复。改进矢量控制策略前后双馈风电机运行特性仿真结果，如图5～15所示。

图5是直流侧电压仿真波形，电压跌落期间由于直流侧输入功率大于输出功率，导致功率不平衡，多余能量将会使得直流侧电压迅速上升至峰值。和传统矢量控制相比可知，本发明提出的转子侧变换器和网侧变换器控制策略协同作用时，能够在电网电压跌落期间以及故障切除后稳定直流母线电压，减小电压波动幅值，缩短电压暂态过程，有利于加快风电系统跌落电压的恢复。

图6～图9是定子电流和转子电流的仿真波形。由图6可知，定子侧与电网侧直接相连，定子电流在电压跌落时含有逐渐衰减的非周期分量，其幅值变大。由图7可知，和传统矢量控制相比转子电流的波动幅度有所降低，正弦度较好，谐波含量少，这说明改进控制算法后在发生电压跌落现象时转子过电流得到有效抑制。由图8、图9可知，在电网电压跌落期间，转子d、q轴电流会发生波动，尤其是q轴电流波动幅度较大，改进控制策略后转子d、q轴电流波形得到明显改善。另外，本发明中转子侧电流均在变换器过电流能力的限制范围以内。但当电网电压深度跌落时，转子过电流将超过其变换器过电流极限，严重损坏电力设备。为实现系统的稳定运行，必须增加额外的硬件电路与风电机自身控制补偿无功相配合以保护风力发电系统，提高风电系统运行稳定性。

当电网电压跌落时，对风电机无功输出影响比较明显，本发明主要通过网侧变换器在电压跌落期间切换至无功补偿运行模式来提供系统电压恢复所需无功。由图10、图11可知，发生电压跌落现象时，风电机定子侧与网侧变换器输出有功变化情况基本相同，仅在跌落与切除时刻产生变化后便迅速恢复稳定。由图12、图13可知，转子侧变换器和网侧变换器协同作用时能在电压跌落期间支撑系统所需无功，改善了因电压跌落导致的定子侧无功变化，网侧变换器检测无功电压分量向系统输送无功的作用显著。从图13可以看出，在网侧变换器无功补偿限制范围以内，能支撑系统一定无功，电网电压稳定后网侧变换器便迅速转换到初始运行状态，维持系统的正常运行。

图14、图15是风电机机侧发出的有功与无功变化情况。在电网电压跌落期间，机侧输出的有功功率与正常运行情况下输出有功基本相同，变化不是很明显。但对于机侧输出的无功功率，改进后的输出无功在电压跌落期间与改进前相比变化明显，正常运行情况下吸收少量无功功率，而电网电压跌落期间将转为向系统输出一定的无功，补偿系统电压恢复所需无功。当故障切除后机侧输出功率恢复原来正常运行状态下的波形，通过电压跌落期间机侧输出一定无功，有利于加快系统故障电压恢复。

综上所述，针对风力发电系统发生电网电压跌落现象时直流侧过电压、转子侧过电流以及电压恢复期间需向系统提供一定无功支撑的问题，本发明提出了一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法。在设计网侧变换器时结合STATCOM工作方式，电压跌落期间切换为无功补偿运行模式，工作在非单位功率模式下以保证电网无功需求；在设计转子侧变换器时考虑到定子磁链的暂态特性，在传统矢量控制方法的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，电压恢复期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助系统电压恢复。该矢量控制方法是在传统控制的基础上推导得到，没有外加硬件设备，在系统稳定运行状态下与传统控制具有同样的作用，为提高风电系统低电压穿越能力提供了一种新的思路。

Claims (2)

1.一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，为避免电网电压跌落导致双馈风力发电机组脱网运行，其特征在于：按照以下步骤进行：

S1：分析电网电压跌落起始至故障切除后双馈风力发电机组暂态全过程；

电网电压跌落起始至故障切除后，双馈风力发电机组暂态全过程具体分析推导过程如下：

忽略磁饱和现象后双馈风电机在αβ坐标系下的定转子电压和磁链方程为

其中，u_s、i_s、ψ_s、R_s、L_s是风电机定子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；u_r、i_r、ψ_r、R_r、L_r是风电机转子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；L_m是定子绕组与转子绕组间的互感；ω_r是转子转动角速度；

将式(2)代入式(1)得转子电压方程为

其中，

由式(4)知，定子磁链ψ_s暂态变化会在转子侧感应出反电动势E_r，其与转子电流i_r密切相关；

假设在t＝0时，风电系统受外部不利影响作用发生电网电压跌落，t＝t₁时该作用消失，此期间的定子电压u_s变化过程表达式为

其中，u_g是电网电压，d是电网电压跌落幅度；ω₁是风电机同步转动角速度；

考虑到风电场装设的风电机单台容量一般都是兆瓦级，其定子电阻R_s值很小，分析定子磁链暂态过程时能忽略，由式(1)中定子电压方程得定子磁链方程为

风电机组暂态全过程主要是分析电磁暂态过程，包括电网电压跌落瞬间和不利因素排除后电压恢复的过渡过程，考虑到定子磁链ψ_s是逐渐衰减的，能将ψ_s看成包含稳态分量ψ_sf和暂态衰减分量ψ_sn，稳态分量ψ_sf随当前电网电压的变化而变化，以同步角速度ω₁转动，由式(5)、式(6)得风电机定子磁链稳态分量ψ_sf为

定子磁链是逐渐衰减的，稳态分量ψ_sf幅值与电网电压成正比，知定子磁链暂态分量ψ_sn是随时间变化并逐渐衰减的，应用换路原理ψ_s(t_-)＝ψ_s(t₊)，得定子磁链暂态分量ψ_sn为

其中，τ_s是衰减时间常数，

根据式(7)、式(8)得定子磁链ψ_s暂态全过程表达式为

由式(8)知，t＝t₁时故障消失后定子磁链暂态分量ψ_sn的幅值是逐渐衰减的，其幅值大小不仅与电压跌落幅度d相关，还与时刻t₁密切相关，当t＝t₁时，ψ_sn取得最大值

由于风电机在电压跌落期间会产生内部损耗，暂态分量ψ_sn随时间是振荡衰减的，故在振荡初始时其幅值能够取到最大值与最小值，根据式(10)知，在t₁＝0.5T＝0.01s时ψ_sn幅值最大，T为同步周期，即T＝0.02s，即定子磁链振荡幅值也大；在t₁＝T＝0.02s时ψ_sn幅值最小，即定子磁链振荡幅值也小；

S2：改变网侧变换器控制方法，在电压跌落期间改变其工作方式，运行在非单位功率因数模式下，向系统提供一定无功支撑，以无功补偿模式调节网侧的输出无功，帮助系统故障电压恢复；

S3：改进转子侧变换器控制方法，考虑电压跌落期间定子磁链的暂态特性，转子侧变换器在传统矢量控制方法的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，电压跌落期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助系统电压的恢复；

在设计转子侧变换器时考虑到电压跌落期间定子磁链的暂态特性，在传统矢量控制策略的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，主要是针对机组转子电压数学表达式处理上，推导得到电压跌落时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程，在电压恢复期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助电网电压的恢复，具体分析过程如下：

(1)双馈风电机组dq旋转坐标系下的数学模型

对风电机在电网电压跌落起始至故障切除后的暂态全过程进行了分析推导，将式(1)与式(2)定转子电压和磁链方程进行坐标变换得如下方程：

定子电压方程

转子电压方程

定、转子磁链方程

(2)转子侧矢量控制方法

发生电网电压跌落现象时，由于风电机定子绕组与转子绕组之间存在互感，使得定子磁链的暂态过渡过程要同时受自身电磁特性和转子侧变换器施加的励磁电压影响，为抑制在发生电网电压跌落时风电机的转子电流过大，推导转子侧转换器控制策略时不能忽略定子磁链的暂态过程，且定子磁链是逐渐衰减的；

在基于定子磁链定向的传统矢量控制方法中，相关参数均已由abc静止坐标系经派克变换转换到dq0旋转坐标系下，此时规定定子磁链保持恒定并与d轴完全重合，即认为定子磁链的微分项

可是，在发生电网电压跌落现象时，由前面对风电机暂态全过程分析知，定子磁链ψ_s包含稳态分量ψ_sf和暂态分量ψ_sn，因暂态分量ψ_sn是振荡衰减的，导致定子磁链矢量不能精确定向在d轴上且电子磁链的微分项

根据式(15)得定子电流表达式

将式(17)代入式(13)得定子电压表达式

将式(17)代入式(16)得转子侧磁链表达式

将式(19)代入式(14)得转子电压表达式

通过列写数学表达式对风电机的暂态过渡过程进行理论分析，推导得到在系统发生电压跌落现象时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程，由式(20)能够设计出改进的矢量控制器，其中Δu_dr、Δu_qr为交叉耦合项；

风电机向系统输送无功的大小受转子电流d轴分量控制，同样对转子电流q轴分量调节能够控制风电机电磁转矩的大小，因此，转子电流d、q轴分量参考值分别为

S4：在Matlab/Simulink上建立仿真模型，对双馈风力发电机组的运行特性进行分析，验证S2和S3中所述控制方法的有效性，二者相结合的矢量控制方法在电网电压跌落时，一方面向系统增发无功能有效缩短电网电压恢复时间，另一方面引入定子磁链变化项降低了转子侧电流幅值且抑制了直流侧电压过高，增强了风电机组的低电压穿越能力。

2.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，其特征在于：S2中，改变网侧变换器控制方法，在电压跌落期间改变其工作方式，运行在非单位功率因数模式下，是采用在设计网侧变换器时将STATCOM与网侧变换器的电路结构相结合，当电压跌落时切换为无功补偿运行模式，即工作在非单位功率因数模式下，检测并网点处无功分量然后馈送到变换器输入端，实时调节变换器输出无功，向系统提供一定的无功以帮助电网电压的恢复；其具体分析过程如下：

在电压跌落暂态过程中，为分析STATCOM的工作方式，认为此期间其仅存在吸收或者发出无功的状态，设P＝0,δ＝0，此时有

其中，u₁是电网侧的线电压；u₂是STATCOM交流侧的线电压；X是电网与相连STATCOM之间的等效电抗，u₂、X的值均已折算到电网侧；

由式(11)知，当u₂＜u₁时，Q＞0，此时STATCOM从电网吸收无功功率；反之，当u₂＞u₁时，Q＜0，此时STATCOM向电网发出无功功率，因此，STATCOM吸收或者发出无功取决于所连电网的运行状态，其工作方式根据电网功率流动方向进行改变；

STATCOM控制电路中直流侧有一直流电容C。

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