CN110854912A - 一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法。该方法综合考虑了并网导则要求，风机变流器容量以及系统小干扰稳定性的影响，对有功电流与无功电流指令进行设定。本发明建立了双馈风力发电机并网系统的小信号模型，通过李雅普诺夫稳定判据分析有功电流与无功电流指令对系统稳定性的影响，从而得到能够使系统能够在电网跌落故障期间稳定运行的电流指令约束条件。本发明的小信号模型详细精确，且稳定性分析方法简洁直观，能够为弱电网环境下的双馈风力发电系统低电压穿越期间的电流指令设定提供可靠的参考。

Description

一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法

技术领域

本发明属于双馈风力发电机并网稳定性研究领域，尤其涉及一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法。

背景技术

随着风电行业的快速发展，在全世界范围内，风力发电功率占系统有功电源的比率越来越大，对电网的影响越来越不容忽视。在这样的条件下，如果电网发生故障时允许风机简单脱网，将可能导致故障电网的有功功率严重不平衡，甚至危及整个系统的安全稳定。此外，由于大型集中式风电场通常位于偏远地区，因此连接电网所需的长传输线具有高阻抗这一显著特性，导致系统的短路比(SCR)较低。

而且，由于双馈风力发电机组的转子侧变流器的容量有限，因此双馈风力发电系统对电网故障非常敏感。受传输线高阻抗的影响，当电网发生跌落故障时，锁相环与电流环都会与弱电网发生耦合，从而导致低频振荡的产生。此时，风力发电机组若仅按照并网导则的要求输出有功、无功电流，可能导致系统持续振荡甚至失稳。因此，亟需建立弱电网环境下双馈风力发电机组的小信号模型，研究双馈风电机组在弱电网跌落故障下的稳定性问题，从而给出能够使系统在电网跌落故障期间稳定运行的电流指令。针对这一问题，国内外学者已经做出了一些研究。

现有文献通过阻抗建模分析法对系统的稳定性进行研究，通过推导双馈风机及其控制系统的传递函数，得到双馈风机的输入阻抗模型。但是系统的传递函数推导过程较为复杂，且只能得到单输入单输出的传递关系，无法逐个分析系统中各环节对系统稳定性的影响。

因此，目前需要建立一种能够综合考虑双馈风机的电磁暂态过程，风机控制系统中的电流环、锁相环以及电网阻抗等因素的精确小信号模型，并且结合并网导则要求与风机变流器的容量限制，控制电流指令使系统在弱电网故障期间能够稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法。本发明可提高电网故障期间双馈风力发电系统的稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，包括以下步骤：

(1)分析双馈风机并网系统在电网跌落故障期间的小干扰稳定性，得到有功、无功电流指令的稳定拟合函数，包括以下子步骤：

(1.1)建立双馈风力发电系统的小信号模型，包括以下子步骤：

(1.1.1)求取双馈风力发电机的状态方程，可以得到：

其中，上标b代表理想同步坐标系，

为转子电流的d,q轴分量，

为定子电流的d,q轴分量，

为转子电压的d,q轴分量，

为并网电压的d,q轴分量，为定子磁链的d,q轴分量，

为转差角频率；σ为漏感系数，

L_m为定转子间互感，L_s为定子电感，L_r为转子电感；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻；ω_r为转子角频率；ω_b为电网角频率；

(1.1.2)求取锁相环的状态方程，可以得到：

其中，x_δ为锁相环的中间变量，k_ip为锁相环的积分系数，

为的q轴分量，为并网电压的稳态运行点，δ为锁相环的输出相位角，k_pp为锁相环的比例系数；

(1.1.3)求取电流环的状态方程，可以得到：

其中，上标c代表锁相环同步坐标系，

由

从理想同步坐标系转换到锁相环同步坐标系得到，

为转子电流指令值；x_rdq为电流环的中间变量；k_ii为电流环的积分系数；k_pi为电流环的比例系数；

(1.1.4)求取弱电网的状态方程，可以得到：

其中，C_f为滤波电容，

为并网电流的d,q轴分量，R_eq为电网线路电阻，L_eq为电网线路电感，u_eq为电网电压；

(1.1.5)将步骤(1.1.1)～(1.1.4)得到的状态方程依次线性化，即可得到双馈风力发电系统的小信号模型：

其中，Δx为状态变量，

为状态变量Δx的一阶微分；

x_rd、x_rq为x_rdq的d轴分量、q轴分量，i_rd、i_rq为

的d轴分量、q轴分量，u_sd、u_sq为

的d轴分量、q轴分量，i_td、i_tq为

的d轴分量、q轴分量，

为

的d轴分量、q轴分量，

为转子磁链的d,q轴分量；A为状态空间矩阵；

(1.2)基于步骤(1.1.5)建立的小信号模型，对状态空间矩阵A求取特征根，根据李雅普诺夫稳定判据分析不同的有功电流指令与无功电流指令的组合对系统稳定性的影响，得到多组使系统处于临界稳定的有功电流指令和无功电流指令。

(1.3)对步骤(1.2)中多组使系统处于临界稳定的有功电流指令和无功电流指令进行多项式拟合，得到以有功电流指令为因变量的稳定拟合函数f_fit；

(2)根据步骤(1.3)得到的稳定拟合函数f_fit，得到有功电流指令I_{rd_ref}与无功电流指令I_{rq_ref}的约束范围如下：

其中，I_code为根据并网导则得到的无功电流指令最小值，I_cap为双馈风机变流器容量限制的最大电流值。

进一步地，所述步骤(1.1.3)中理想同步坐标系与锁相环同步坐标系之间的转换关系如下：

F^c＝F^be^-jδ

其中，F代表物理量。

进一步地，所述步骤(1.3)中的多项式拟合为二次多项式拟合。

进一步地，所述步骤(1.3)中根据李雅普诺夫稳定判据分析不同的有功电流指令与无功电流指令的组合对系统稳定性的影响，具体为：当状态空间矩阵的特征根均具有负实部时，系统处于稳定状态；当有特征根实部为零时，该系统处于临界稳定；当有特征根具有正实部时，系统不稳定。

进一步地，所述步骤(2)中根据并网导则得到的无功电流指令最小值I_code：

I_code＝1.5×(0.9-U_r)I_N

其中，I_N为风电场额定电流，U_r为并网点电压标幺值。

本发明具有如下有益效果：本发明综合考虑了并网导则要求，风机变流器容量以及系统小干扰稳定性的影响，对有功电流与无功电流指令进行设定；本发明建立的双馈风力发电机并网系统的小信号模型详细精确，全面考虑了双馈风机的电磁暂态过程，风机控制系统中的电流环、锁相环以及电网阻抗等因素；本发明通过李雅普诺夫稳定判据分析有功电流与无功电流指令对系统稳定性影响，分析方法简洁直观；本发明为弱电网环境下的双馈风力发电系统低电压穿越期间的电流指令设置提供了可靠的参考。

附图说明

图1表示双馈风力发电机并网系统的结构示意图；

图2表示锁相环的控制结构图；

图3表示有功、无功电流指令变化时的小信号模型特征值变化轨迹图；

图4表示双馈风力发电机并网系统在弱电网跌落故障时的稳定运行区域图；

图5表示有功、无功电流指令变化时的并网电流仿真波形图。

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。

图1为双馈风力发电机并网系统的结构示意图。本发明以一台3MW，额定电压为690V的双馈风力发电机为例，其标幺化的具体参数如下：定子电感L_s为4.229p.u，转子电感L_r为4.203p.u，定转子互感L_m为3.99p.u，定子电阻R_s为0.013p.u，转子电阻R_r为0.024p.u，滤波电容C_f为0.15p.u，电网线路电阻R_eq为0p.u，电网线路电感L_eq为0.218p.u，故障电网电压u_eq为0.4p.u。

参照图1，一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，该方法包括以下步骤：

1.根据并网导则中对注入电网的无功电流要求，得到无功电流指令的限定值I_code：我国风电并网导则中规定，当风电场并网点电压处于标称电压的20％～90％区间内时，风电场应能够通过注入无功电流指令支撑电压恢复，风电场注入电力系统的动态无功电流应为：

I_r≥1.5×(0.9-U_r)I_N,(0.2≤U_r≤0.9) (1)

其中：I_r为动态无功电流，I_r的最小值即为I_code；I_N为风电场额定电流，U_r为并网点电压标幺值。

2.根据双馈风机变流器容量限制得到电流的最大值I_cap；

3.分析双馈风机并网系统在电网跌落故障期间的小干扰稳定性，得到有功、无功电流指令的稳定拟合函数，具体步骤如下：

3.1建立双馈风力发电系统的小信号模型，具体包括以下子步骤：

3.1.1求取双馈风力发电机的状态方程，下面给出推导过程：

当采用电动机惯例时，同步坐标系下的双馈风机电压方程与磁链方程可以表达为：

其中，u_sdq为并网电压的d,q轴分量，u_rdq为转子电压的d,q轴分量；R_s为定子电阻，R_r为转子电阻；i_sdq为定子电流的d,q轴分量，i_rdq为转子电流的d,q轴分量；s为微分算子；ω_b为电网角频率，ω_slip为转差角频率；为定子磁链的d,q轴分量，

为转子磁链的d,q轴分量；L_s为定子电感，L_r为转子电感，L_m为定转子间互感。

通过式(2)、(3)联立可以得到：

其中，σ为漏感系数，

ω_r为转子角频率；

的上标b代表在理想同步坐标系下的i_rdq、i_sdq、u_rdq、u_sdq、

ω_slip。

3.1.2锁相环的控制结构参照图2，求取锁相环的状态方程，可以得到：

其中，x_δ为锁相环的中间变量，δ为锁相环的输出相位角；k_ip为锁相环的积分系数，k_ip＝40；k_pp为锁相环的比例系数，k_pp＝60；

为并网电压的稳态运行点，

为并网电压u_sdq的q轴分量。

3.1.3求取电流环的状态方程，可以得到：

其中，x_rdq为电流环的中间变量；i_rdq ^*为转子电流指令值，

由

从理想同步坐标系转换到锁相环同步坐标系得到，k_ii为电流环的积分系数，k_ii＝15；k_pi为电流环的比例系数，k_pi＝20。

需要注意的是，关于理想同步坐标系与锁相环同步坐标系之间的转换关系，具体推导步骤如下：

F^c＝F^be^-jδ (7)

其中，F代表电压，电流等物理量。

将等式两边同时进行线性化即可得到：

3.1.4求取弱电网的状态方程，可以得到：

其中，C_f为滤波电容，

为并网电流的d,q轴分量，R_eq为电网线路电阻，L_eq为电网线路电感，u_eq为电网电压。

3.1.5将步骤3.1.1～3.1.4得到的状态方程依次线性化，即可得到双馈风力发电系统的小信号模型：

其中，Δx为状态变量，

为状态变量Δx的一阶微分；

x_rd、x_rq为x_rdq的d、q轴分量，

为的d、q轴分量，i_rd、i_rq为

的d、q轴分量，u_sd、u_sq为

的d、q轴分量，i_td、i_tq为

的d、q轴分量；A为状态空间矩阵，其中各项参数为双馈风机及电网的额定参数。

3.2基于步骤3.1.5建立的小信号模型，对其状态空间矩阵A求取特征根，根据李雅普诺夫稳定判据分析不同的有功与无功电流指令的组合对系统稳定性的影响，即当状态空间矩阵的特征根全部具有负实部时，系统处于稳定状态；当有特征根实部为零时，该系统处于临界稳定；否则，该系统不稳定。得到数组使系统处于临界稳定时的有功、无功电流指令。

3.3根据步骤3.2得到的数组有功、无功电流指令进行二次多项式拟合，得到的函数即为无功电流指令的以有功电流指令为因变量的稳定拟合函数f_fit＝1.1115x²+3.2837x+2.5928。

图3(a)为有功电流指令变化时的小信号模型特征值变化轨迹，参照图3(a)，当有功电流指令增大时，系统的特征值移向虚轴的右半平面。由此可知，减小注入电网的有功电流有利于双馈风力发电系统在电网电压发生跌落故障期间的稳定运行。同理，图3(b)为无功电流指令变化时的小信号模型特征值变化轨迹，分析了无功电流指令对特征值的影响。从图中可以看出，当无功电流指令增大时，特征值也向虚轴的右半平面移动。也就是说，系统的稳定性随着无功电流指令的增加而降低。然而，电网规范要求双馈风力发电机必须输出相应的无功电流以支持发生电压骤降的故障电网的恢复。因此，在弱电网发生故障的情况下，应谨慎设定无功电流指令。

4.结合步骤1～3所得到的有功、无功电流指令的限制条件，最终得到使系统能够在电网跌落故障期间稳定运行的有功、无功电流指令。参照图4，可以看出，以电网电压跌落至0.4p.u为例，步骤(1)中的中国并网导则要求输出无功电流不小于0.75p.u，而风机变流器的容量一般在1.2p.u以内，然后结合小干扰稳定分析得到的稳定拟合函数，即可得到有功与无功电流指令的约束范围：

其中，I_{rd_ref}、I_{rq_ref}分别表示有功、无功电流指令，f_fit表示满足系统小信号稳定的有功、无功电流指令的拟合函数。

图5为有功、无功电流指令变化时的并网电流仿真波形。由图5(a)可知，有功与无功电流电流指令开始分别设置为0.35p.u和-0.75p.u。然后在4s时，有功电流指令增加到0.8p.u，无功电流指令保持不变。此时，并网电流开始发生振荡，双馈风机系统出现失稳现象。

同理，图5(b)为无功电流指令改变时并网电流的仿真结果。在仿真开始时，有功与无功电流指令同样设置为0.35p.u和-0.75p.u。然后在4s时刻使无功电流指令增加到-1.05p.u，而有功电流指令保持不变。如图5(b)所示，定子电流在短暂的运行之后依旧发生振荡，双馈风机系统失稳。仿真结果表明，当电网电压下降时，减少有功和无功参考电流有利于DFIG系统的稳定，这与图4理论分析结果相吻合。

综上所述，本发明所公开的一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，综合考虑了并网导则要求，风机变流器容量以及系统小干扰稳定性的影响，对有功电流与无功电流指令进行设定。全面考虑了双馈风机的电磁暂态过程，风机控制系统中的电流环、锁相环以及电网阻抗等因素，建立了双馈风力发电机并网系统的精确小信号模型，通过李雅普诺夫稳定判据分析有功电流与无功电流指令对系统稳定性影响，从而对有功电流与无功电流指令进行设定，能够有效提高电网故障期间双馈风力发电系统的稳定性。

Claims (5)

1.一种弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分析双馈风机并网系统在电网跌落故障期间的小干扰稳定性，得到有功、无功电流指令的稳定拟合函数，包括以下子步骤：

(1.1)建立双馈风力发电系统的小信号模型，包括以下子步骤：

(1.1.1)求取双馈风力发电机的状态方程，可以得到：

其中，上标b可以代表理想同步坐标系，

为转子电流的d,q轴分量，

为定子电流的d,q轴分量，

为转子电压的d,q轴分量，

为并网电压的d,q轴分量，

为定子磁链的d,q轴分量，

为转差角频率；σ为漏感系数，

L_m为定转子间互感，L_s为定子电感，L_r为转子电感；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻；ω_r为转子角频率；ω_b为电网角频率。(1.1.2)求取锁相环的状态方程，可以得到：

其中，x_δ为锁相环的中间变量，k_ip为锁相环的积分系数，

为

的q轴分量，

为并网电压的稳态运行点，δ为锁相环的输出相位角，k_pp为锁相环的比例系数。

(1.1.3)求取电流环的状态方程，可以得到：

其中，上标c可以代表锁相环同步坐标系，

可以由从理想同步坐标系转换到锁相环同步坐标系得到，

为转子电流指令值；x_rdq为电流环的中间变量；k_ii为电流环的积分系数；k_pi为电流环的比例系数。

(1.1.4)求取弱电网的状态方程，可以得到：

其中，C_f为滤波电容，

为并网电流的d,q轴分量，R_eq为电网线路电阻，L_eq为电网线路电感，u_eq为电网电压；

(1.1.5)将步骤(1.1.1)～(1.1.4)得到的状态方程依次线性化，即可得到双馈风力发电系统的小信号模型：

其中，Δx为状态变量，

为状态变量Δx的一阶微分；

x_rd、x_rq为x_rdq的d轴分量、q轴分量，i_rd、i_rq为的d轴分量、q轴分量，u_sd、u_sq为

的d轴分量、q轴分量，i_td、i_tq为

的d轴分量、q轴分量，

为

的d轴分量、q轴分量，

为转子磁链的d,q轴分量；A为状态空间矩阵；

(1.2)基于步骤(1.1.5)建立的小信号模型，对状态空间矩阵A求取特征根，根据李雅普诺夫稳定判据分析不同的有功电流指令与无功电流指令的组合对系统稳定性的影响，得到多组使系统处于临界稳定的有功电流指令和无功电流指令；

(1.3)对步骤(1.2)中多组使系统处于临界稳定的有功电流指令和无功电流指令进行多项式拟合，得到以有功电流指令为因变量的稳定拟合函数f_fit；

(2)根据步骤(1.3)得到的稳定拟合函数f_fit，得到有功电流指令I_{rd_ref}与无功电流指令I_{rq_ref}的约束范围如下：

其中，I_code为根据并网导则得到的无功电流指令最小值，I_cap为双馈风机变流器容量限制的最大电流值。

2.如权利要求1所述弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，其特征在于，所述步骤(1.1.3)中理想同步坐标系与锁相环同步坐标系之间的转换关系如下：

F^c＝F^be^-jδ

其中，F代表物理量。

3.如权利要求1所述弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，其特征在于，所述步骤(1.3)中的多项式拟合为二次多项式拟合。

4.如权利要求1所述弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，其特征在于，所述步骤(1.3)中根据李雅普诺夫稳定判据分析不同的有功电流指令与无功电流指令的组合对系统稳定性的影响，具体为：当状态空间矩阵的特征根均具有负实部时，系统处于稳定状态；当有特征根实部为零时，该系统处于临界稳定；当有特征根具有正实部时，系统不稳定。

5.如权利要求1所述弱网环境下双馈风机故障穿越期间电流指令控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据并网导则得到的无功电流指令最小值I_code：

I_code＝1.5×(0.9-U_r)I_N

其中，I_N为风电场额定电流，U_r为并网点电压标幺值。

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