CN110943484A - 一种基于统一电能质量调节器的双馈风机及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于统一电能质量调节器的双馈风机，所述双馈风机与电网之间连接一储能型统一电能质量的调节器；所述调节器包括串联逆变器SSC和并联逆变器PSC组成，两逆变器之间为一直流支路，直流支路上并联有一直流电容和DC‑DC斩波器；所述斩波器并接有超导磁储能部件；其中：所述串联逆变器SSC安装在靠近所述双馈风机的一侧，并联逆变器PSC安装在靠近电网的一侧；所述串联逆变器SSC通过LC滤波器和隔离变压器与输电线串联连接，并联逆变器PSC通过滤波电感并联在双馈风机侧的输电线上，该发明本发明提出采用负序调节器对负序电流进行控制，可以实现对二倍频震荡的明显抑制。

Description

一种基于统一电能质量调节器的双馈风机及其应用方法
技术领域
本发明涉及双馈风机设备技术领域，特别是涉及一种基于统一电能质量调节器的双馈风机保护方法。
背景技术
风力发电作为最有前景的可再生能源发电方式之一，被认为是解决全球变暖和能源枯竭的重要手段。随着风电场的规模和容量越来越大，风力发电机中最受欢迎的机型－双馈感应电机(doubly-fed induction generator，DFIG)所暴露出的问题也越来越明显。其由于风速不稳定而导致的输出功率不恒定，以及低电压穿越能力弱这两大问题亟待解决。在电网发生故障时， DFIG转子侧电压、电流受到定子侧暂态感生电动势的影响，定子和转子电流都将急剧增加，电磁转矩也会出现严重震荡。由于故障下功率不能外送，直流侧电压也将急剧增大，这些参数的越限将对DFIG本身造成严重的危害。当DFIG容量较小时，DFIG可以脱网运行。但随着风力发电机规模不断增加，如果系统发生故障时仍旧采用脱网的方式来保证自身安全，那么系统的稳定性将会收到极大的影响。
提升低电压穿越能力的方法主要分为三类，即软件方法(改进暂态控制策略)、硬件方法 (加装硬件设备)及软硬件结合方法。软件方法主要包括最经典的去磁电流控制策略，以及定子电流正向跟踪控制、定子电流反向跟踪控制和虚拟电感控制等。软件方法普遍受DFIG 转子侧逆变器(Rotor side converter,RSC)容量的限制，在电压严重跌落的情况下低电压穿越效果不能令人满意。此外，软件方法普遍需要从电网中吸收无功功率，在电网故障下会进一步降低电网电压，恶化电网环境。
硬件方案主要有转子侧Crowbar保护方案、直流卸荷电路方案、定子侧串接电阻阵列和超导限流器方案等。增加硬件设备的限流效果往往较好，但往往忽视了逆变器的控制能力，不能很好地对有功、无功功率进行规划。
软硬件结合方案包括超导限流器和暂态无功控制方案、串联网侧逆变器方案、转子侧储能方案等。这一类方案可以实现对DFIG的综合保护，但忽视了不对称电网故障(两相故障、相间短路故障、单相故障及其他电网电压不平衡扰动)下的功率震荡问题。在单相故障下， DFIG输出的有功功率震荡峰峰值可达2.0标幺值(per unit,pu)，震荡的有功功率输送到电网很可能导致电网中某些负荷设备的损坏。
统一电能质量调节器由串联逆变器和并联逆变器组成，两逆变器间由直流母线相连，用一电容进行稳压。串联逆变器类似可控电压源或DVR，可用于电网负荷侧的电压抬升；并联逆变器的行为类似可控电流源，可以调节线路电流，也可以注入有功、无功功率。
传统的统一电能质量调节器不带储能装置，因此不能对风电场输出的有功功率进行调整；部分文献提出了带储能装置的统一电能质量调节器，其常规控制一般是当配电网电压发生跌落时，UPQC串联单元补偿负载电压，并联单元发出无功功率，无功功率可用于支撑电网电压。由于这种方案不能对线路的负序电流进行控制，因此不能消除有功功率的震荡。当风电场输出功率较大时，严重的功率震荡可能导致风电场不得不脱网运行，造成停电等严重后果。
为了消除不对称电网故障下功率震荡的影响，本发明基于带超导磁储能装置的储能型统一电能质量调节器，主要对其串联和并联逆变器的控制提出改进，采用正、负序信号双重控制方法，可在非故障时期平滑双馈风机/双馈风电场的输出功率，也可在故障发生时根据三个控制目标分别消除有功、无功和电流中的震荡。现有UPQC普遍不能对负序电压、电流进行控制，只能进行整体调控，对不对称故障产生的电流和功率震荡抑制效果很弱。
发明内容
为了消除不对称电网故障下功率震荡的影响，本发明基于带超导磁储能装置的储能型统一电能质量调节器，主要对其串联和并联逆变器的控制提出改进，采用正、负序信号双重控制方法，可在非故障时期平滑双馈风机/双馈风电场的输出功率，也可在故障发生时根据三个控制目标分别消除有功、无功和电流中的震荡。现有UPQC普遍不能对负序电压、电流进行控制，只能进行整体调控，对不对称故障产生的电流和功率震荡抑制效果很弱。
本发明提出采用负序调节器对负序电流进行控制，可以实现对二倍频震荡的明显抑制。当电网发生故障时，串联逆变器能够更精确地补偿故障电压，从而保护DFIG；并联逆变器工作在三种不同的控制目标时，可以分别对有功、无功和电网电流中出现的二倍频震荡进行明显抑制。
本发明采用如下技术方案予以实施：
一种具有储能型统一电能质量的双馈风机系统，双馈风机DFIG与电网之间连接一储能型统一电能质量的调节器；所述调节器包括串联逆变器SSC和并联逆变器PSC组成，两逆变器之间为一直流支路，直流支路上并联有一直流电容和DC-DC斩波器；所述斩波器并接有超导磁储能部件；其中：
所述串联逆变器SSC安装在靠近所述双馈风机的一侧，并联逆变器PSC安装在靠近电网的一侧；所述串联逆变器SSC通过LC滤波器和隔离变压器与输电线串联连接，并联逆变器PSC通过滤波电感并联在双馈风机侧的输电线上。
本发明还可以采用如下技术方案予以实施：
S1、建立具有储能型统一电能质量的双馈风机系统；
S2、当电网未发生故障时，所述并联逆变器PSC采用如下公式在风速波动下平滑DFIG 输出有功功率：
Figure BDA0002324449790000031
其中，正序调节器的两个参考信号根据目标2，设置为
Figure BDA0002324449790000032
Figure BDA0002324449790000033
Figure BDA0002324449790000034
负序调节器的两个参考信号ipdq- -*为0。
S3、当电网出现不平衡故障时，所述串联逆变器SSC采用如下公式提升双馈风机端电压；
Figure BDA0002324449790000035
S4、当电网出现不平衡故障时，所述并联逆变器PSC采用如下公式，根据目标选择，分别消除电网电流、有功功率和无功功率的震荡；
Figure BDA0002324449790000036
其中，ωg是DFIG机端电压角频率，Lssc是滤波电感值。
所述步骤S3中当电网出现不平衡故障时，通过对并联逆变器PSC信号控制采用如下公式建立双馈风机控制系统：
Figure BDA0002324449790000041
有益效果
1、本发明提供统一电能质量调节器的双馈风机保护系统，即(Unified PowerQuality Conditioner, UPQC)。在正常运行时，利用并联逆变器进行输出功率的调节，可以解决双馈风机由于风速波动而导致的输出功率不稳定问题。
2、本发明提供统一电能质量调节器的双馈风机保护系统，在电网电压跌落时，串联逆变器动作，其工作原理类似可控电压源或动态电压恢复器(Dynamic VoltageRestorage,DVR)，提升双馈风机/风电场的机端电压；并联逆变器根据预先设定的控制策略，可分别工作于消除电网电流、电网有功功率、电网无功功率震荡的模式。
3、通过正常情况下并联逆变器的平滑输出功率功能，以及故障下串联逆变器的升压功能和并联逆变器的震荡消除功能，大大提升DFIG低电压穿越的可靠程度，并提高了电网对于新能源发电的可接受度。
附图说明
图1为本发明基于统一电能质量调节器的双馈风机保护系统结构示意图。
图2为本发明中电能质量调节器的信号处理和电流指令计算图。
图3为本发明涉及的正负序分离原理图。
图4为本发明在平滑双馈风机输出功率方面的效果图。
图5为本发明在不对称电网故障下提升DFIG低电压穿越的效果图。
图6为本发明在不对称电网故障下消除功率震荡的效果图
图7为本发明基于统一电能质量调节器和双重控制的DFIG保护方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出详细说明：
1.不平衡故障下DFIG的震荡机理分析
DFIG输出的复功率在定子dq旋转坐标系下可以表示为：
Figure BDA0002324449790000042
其中第一个下标d表示DFIG，第二个下标dq分别表示定子dq旋转坐标系中的d轴和q 轴分量。在式(1)中，复功率的部和虚部分别是有功和无功功率。则有功和无功功率可以表示为：
Figure BDA0002324449790000051
Figure BDA0002324449790000052
其中下标d0,dcos2和dsin2分别表示有功、无功功率中的直流分量和2倍频震荡。在正常情况下和对称故障下，Pdcos2,Pdsin2,Qdcos2,Qdsin2均为0；不对称故障下，Pdcos2,Pdsin2,Qdcos2, Qdsin2不为0，因此有功和无功功率中会出现二倍频震荡。
2.储能型UPQC的结构和功能
具有快速响应能力的各种类型的储能装置(Energy storage device,ESD)均可用于储能型UPQC中，例如超导磁储能(Superconducting magnetic energy storage,SMES)、超级电容器和钒氧化还原电池等。本发明使用SMES作为储能装置，其具有存储效率高、功率密度高、使用寿命长的特点。储能型UPQC的结构图如图1所示。储能型UPQC主要由串联逆变器SSC 和并联逆变器PSC组成，两逆变器之间为一直流支路，直流支路上并联有一直流电容和 DC-DC斩波器。超导磁储能装置并联在斩波器上。SSC安装在靠近双馈风机的一侧，而PSC安装在靠近电网的一侧。SSC通过LC滤波器和隔离变压器与输电线串联连接，而PSC通过滤波电感并联在双馈风机侧的输电线上。
1)SSC
SSC由于其串联的电路结构，根据串联分压原理，可以快速补偿电网故障时的电压跌落。 DFIG机端电压Vs、SSC补偿电压Vc与电网电压Vg之间的关系可表示为：
Vs＝Vg+Vc (4)
根据式(4)，当发生故障时，SSC可以通过调节Vc，来提高DFIG的机端电压。
2)PSC
DFIG侧、PSC侧和电网侧的电流、有功功率和无功功率的关系可表示为：
Figure BDA0002324449790000053
其中，下标g、d、p分别表示电网侧、DFIG侧和PSC侧。由于PSC并联的电路结构，根据并联分流原理，PSC在故障时对DFIG机端电压的补偿能力很弱。但是PSC可以调节输电线路电流，调节DFIG输送至电网的有功和无功功率Pd和Qd。
3.控制系统
整体而言，在储能型UPQC的控制系统中，SSC主要用于电网故障时提升DFIG机端电压，而PSC主要用于在风速波动下平滑DFIG输出有功功率，在电网不平衡故障时消除电网电流及网侧有功和无功功率的振荡。
为了精确消除不平衡电网故障下电压/电流负分量引起的振荡，有必要引入负序调节器。这样，参考信号将由两个部分组成：一个是同步于角频率ωs的正序分量，另一个是同步于角频率-ωs的负序分量。此外，在增加负序调节器后，可作为控制变量的信号的数目从两个(vd */id * and vq */iq *)增加到4个(vd+ +*/id+ +*,vq+ +*/iq+ +*,vd- -*/id- -*和vq- -*/iq- -*)。在SSC和PSC的控制策略中均采用了正、负序分量的双重控制，如图2所示。电压/电流信号的正负序分解方法如图3 所示。
如图3所示，电网电压Vg和双馈风机机端电压Vs由电压互感器测量得到，双馈风机侧电流id、SSC侧电流ic和PSC侧电流ip分别由电流互感器测量得到。测得的实际信号经dq变换，以及图3所示的电压/电流信号正负序分解，可得双馈风机机端电压Vs的正负序实际信号 Vsd+ +,Vsq+ +,Vsd- -和Vsq- -，电网电压Vg正负序实际信号Vgd+ +,Vgq+ +,Vgd- -和Vgq- -，以及双馈风机侧电流id正负序实际信号idd+ +,idq+ +,idd- -和idq- -，SSC侧电流ic正负序实际信号icd+ +,icq+ +,icd- -和icq- -，PSC侧电流ip正负序实际信号ipd+ +,ipq+ +,ipd- -和ipq- -。
(1)SSC控制
如图2所示，双重控制下SSC输入的实际信号为Vsd+ +,Vsq+ +,Vsd- -和Vsq- -。
其中，参考信号Vsd+ +*和Vsq+ +*是跌落前的电压信号，在采用电网电压Vg定向于d轴的控制下，参考信号Vsd+ +*＝Vg，而Vsq+ +*＝0，此外负序参考信号Vsd- -*和Vsq- -*为0。
由于LC滤波器的分压分流作用，为了使SSC的控制更加精确，有必要在控制器中对LC 滤波器的电压、电流进行补偿。补偿项如下：
Figure BDA0002324449790000061
Figure BDA0002324449790000062
其中，ωs是DFIG机端电压角频率，Cssc和Lssc是LC滤波器的电容、电感值。icdq+ +和icdq- -是SSC支路上的电流。考虑电流电压之间的比例-积分(P-I)关系，最终SSC的正、负序输出电压信号Vcdq+ +*和Vcdq- -*可以表示为：
Figure BDA0002324449790000071
需要注意的是，由于SSC的四个控制信号Vsd+ +*,Vsq+ +*,Vsd- -*和Vsq- -*均被用于控制电压稳定，因此SSC已经没有额外的可用控制信号来进行其他注入功率和电流的调控，这也是PSC 必须存在的理由之一。
(2)DC-DC斩波器控制
与三相电压源型逆变器(SSC、PSC均属于三相电压源型逆变器)相比，DC-DC斩波器通常只能执行一个控制目标。DC-DC斩波器的功能是保持储能型UPQC的直流侧电压。在图2中给出了DC-DC逆变器的控制方案。PI控制器的输入信号是通过比较参考信号V* dc和实际信号Vdc获得的误差信号。可变占空比ΔD∈[-0.5,0.5]可由PI控制器通过限幅模块产生。PWM的最终占空比D∈[0，1]可以通过将ΔD和偏移量0.5相加来计算得到。
(3)PSC控制
a)双重控制下PSC的基本控制
PSC的双重控制也已在图2中给出。PSC的四个控制信号为ipd+ +,ipq+ +,ipd- -和ipq- -。
其中，四个参考信号的确定方法由b)小节给出。
通过计算这些参考信号，PSC可以实现关于振荡消除的多个控制算法。由于滤波电感的存在，PSC也需要在其控制器中中添加补偿项，这与SSC中的控制类似。参考式(6)～(8)，PSC 的输出信号可表示为：
Figure BDA0002324449790000072
其中，ωg是DFIG机端电压角频率，Lssc是滤波电感值。
b)PSC的输入信号设计
在电网受到不平衡扰动时，有功和无功功率中主要存在一种震荡频率为2ωs的震荡。PSC 可作为控制信号的4个电流分量分别为ipd+ +,ipq+ +,ipd- -和ipq- -。因此，PSC可以根据电网对功率需求的不同，来分别实现三种控制目标：
目标1：消除电网电流的震荡，以保证输入到电网的电流中无谐波分量；
目标2：消除电网侧输出有功功率的震荡；
目标3：消除电网侧输出无功功率的震荡。
基于建立的不平衡网络下的DFIG模型，可以计算PSC的参考信号。根据式(1)～(3)，可以推出Pg0,Qg0,Pgcos2,Pgsin2,Qgcos2,和Qgsin2分别表示为：
Figure BDA0002324449790000081
为了简化整个控制系统，将电网电压Vg定向于d轴，这意味着：Vgd+ +＝Vg,Vgq+ +＝0。考虑到Pg0,Qg0是有功、无功功率的直流分量，因此在电网不对称故障下，Pg0,Qg0可以被认为是两个常数。
目标1：恒定的电网电流
恒定的电网电流意味着igd- -＝0且igq- -＝0。则PSC的四个正负序参考信号ipd+ +*,ipq+ +*,ipd- -*, ipq- -*可以通过下式求解：
Figure BDA0002324449790000082
目标2：恒定的有功功率
恒定的网侧有功功率意味着Pgcos2＝Pgsin2＝0。则PSC的四个正负序参考信号ipd+ +*,ipq+ +*, ipd- -*,ipq- -*可以通过下式求解：
Figure BDA0002324449790000083
求出矩阵A的逆矩阵，带入公式，可得如下结论：
Figure BDA0002324449790000091
其中：
Figure BDA0002324449790000092
目标3：恒定的无功功率
恒定的网侧无功功率意味着Qgcos2＝Qgsin2＝0。则PSC的四个正负序参考信号ipd+ +*,ipq+ +*, ipd- -*,ipq- -*可以通过下式求解：
Figure BDA0002324449790000093
Figure BDA0002324449790000094
在电网未受到故障扰动时，PSC采用目标2进行平滑有功功率的控制，以解决风速波动导致的双馈风机输出功率不稳定问题。所述并联逆变器PSC采用公式(9)在风速波动下平滑 DFIG输出有功功率。其中，正序调节器的两个参考信号参照公式(13)中的ipdq+ +*进行设置，负序调节器的两个参考信号ipdq- -*为0。
4.仿真结果分析
(1)正常运行时平滑DFIG输出有功功率
在正常运行过程中主要依靠PSC来平滑风速波动对于DFIG输出功率的影响。图4给出了25秒的模拟风速[图4(a)]，以及电网侧、PSC侧和DFIG侧的输出功率[图4(b)]响应特性。如图4(a)所示，风速在8m/s到18m/s之间变化，从而导致DFIG的输出功率从0.8pu到1.2pu 上下波动。在PSC的调节下，输送到电网侧的功率可以被维持在1.0pu，如图4(b)所示。
(2)不对称故障下SSC对DFIG关键参数的保护效果
假定一个单相短路故障在t＝0.1s时刻发生在无穷大电网处，故障深度为80％，故障相为 A相，图5给出了SSC电压补偿后DFIG关键参数的响应特性。从图5中可以看出，电磁转矩的峰-峰值(Tem)、直流母线电压(Vdc)的峰值和转子电流的均方根峰值(Ir-rms)可分别从未加保护时的2.71pu、1.08pu和2.27pu限制到有SSC保护时的0.32pu、1.01pu和1.14pu。因此，在SSC的协助下，所有关键参数都被限制在其最大可接受值范围内(分别为2.5pu、1.1pu和 2.0pu)。
(3)不对称故障下PSC对功率震荡的抑制效果
为了避免不平衡的输出有功、无功功率引起对电网的不良影响，可以利用PSC来消除有功和无功振荡。图6给出了不对称电网故障下消除功率震荡的效果图。作为比较，图中除了给出目标1～3的响应特性外，还展示了未加保护的情况。图6中包括电网电流[图6(a)]，有功功率[图6(b)]、无功功率[图6(c)]的响应特性，还有控制信号(ipd- -*,ipq- -*)和误差信号((ipdq- -*-ipdq- -)) 的响应特性[图6(d)]和[图6(e)]。PSC输出电流的响应特性也在图6(f)中给出。在0.1～0.2s内， PSC与输电线路无能量转换，在0.2～0.3s、0.3～0.4s、0.4～0.5s时，控制PSC分别工作在控制目标1、2、3。当PSC工作在目标1时，igdq- -*为零，以抑制电网电流震荡。尽管由于SSC在增强端子电压方面的有效性而几乎抑制了60Hz的振荡，但是PSC工作在目标1时仍然可以消除如图中所示的高频谐波。目标2和3则可以分别彻底地消除有功和无功功率的震荡。图 6(d)和图6(e)表明，误差信号在0.2～0.5s期间几乎等于零，这意味着实际信号ipd- -和ipq- -能够精确跟踪参考信号ipd- -*和ipq- -*。

Claims (3)

1.一种基于统一电能质量调节器的双馈风机，所述双馈风机DFIG与电网之间连接一储能型统一电能质量的调节器；其特征在于，所述调节器包括串联逆变器SSC和并联逆变器PSC组成，两逆变器之间为一直流支路，直流支路上并联有一直流电容和DC-DC斩波器；所述斩波器并接有超导磁储能部件；其中：
所述串联逆变器SSC安装在靠近所述双馈风机的一侧，并联逆变器PSC安装在靠近电网的一侧；所述串联逆变器SSC通过LC滤波器和隔离变压器与输电线串联连接，并联逆变器PSC通过滤波电感并联在双馈风机侧的输电线上。
2.根据权利要求1所述的一种基于统一电能质量调节器的双馈风机引用方法，其特征在于，
S1、建立具有储能型统一电能质量的双馈风机系统；
S2、当电网未发生故障时，所述并联逆变器PSC采用如下公式在风速波动下平滑DFIG输出有功功率：
Figure FDA0002324449780000011
其中，正序调节器的两个参考信号根据目标2，设置为
Figure FDA0002324449780000012
Figure FDA0002324449780000013
Figure FDA0002324449780000014
负序调节器的两个参考信号
Figure FDA0002324449780000016
为0。
S3、当电网出现不平衡故障时，所述串联逆变器SSC采用如下公式提升双馈风机端电压；
Figure FDA0002324449780000015
S4、当电网出现不平衡故障时，所述并联逆变器PSC采用如下公式，根据目标选择，分别消除电网电流、有功功率和无功功率的震荡；
Figure FDA0002324449780000021
其中，ωg是DFIG机端电压角频率，Lssc是滤波电感值。
3.根据权利要求2所述的一种基于统一电能质量调节器的双馈风机应用方法，其特征在于，所述步骤S2中当电网出现不平衡故障时，通过对并联逆变器PSC信号控制采用如下公式建立双馈风机控制系统：
Figure FDA0002324449780000022
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