CN111313484A - 一种双馈感应风电机组连续故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈感应风电机组连续故障穿越控制方法，通过定子三相电压电流信号计算定子磁链，计算定子磁链分量ψ_{st_αβ}，进而得其幅值，从而得k_de；通过ψ_{st_αβ}变换得ψ_{st_d}、ψ_{st_q}，结合k_de可得转子灭磁电流指令值；计算机端电压连续变化时的转子无功电流指令值：计算转子电流指令值：将转子电流指令值输入转子侧变换器电流内环控制环节，得到转子侧变换器的控制电压：将控制电压进行空间矢量调制，获得机侧变换器PWM驱动信号，实现机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越控制。本方法可以增强机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越能力，实现双馈风电机组的连续故障穿越。

Description

一种双馈感应风电机组连续故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈感应风电机组连续故障穿越控制方法，以期增强机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越能力，实现双馈感应风电机组的连续故障穿越并在故障穿越过程中输出无功电流支撑电网电压，属于新能源发电领域。

背景技术

我国风能资源多分布在东北、西北和华北北部地区，这些地区的风电就地消纳能力十分有限，因此多采用高压直流输电系统远距离大容量输送电力，以解决风能资源与负荷需求区域逆向性分布的矛盾。高压直流输电系统虽在远距离大容量输电方面有明显的优势，但也引入了一些新的问题。换相失败故障是高压直流输电系统的常见故障形式。当高压直流输电系统发生换相失败时，送端交流电网电压呈现先低后高且连续变化的特性。由于双馈感应风电机组定子绕组与电网直接相连，导致其对机端电压变化异常敏感。高压直流输电系统的换相失败故障可能导致并网双馈感应风电机组脱网，这严重降低了送端电网的暂态稳定性。因此，需研究双馈感应风电机组的连续故障穿越控制方法，增强双馈感应风电机组机端电压连续变化条件下的故障穿越能力，实现换相失败故障穿越。目前，针对双馈感应风电机组的故障穿越控制，国内外学者已开展了相关研究，如已公开的下列文献：

(1)Donghai Zhu，Xudong Zou，Lu Deng，Qingjun Huang，Shiying Zhou，YongKang，“Inductance-Emulating Control for DFIG-Based Wind Turbine to Ride-Through Grid Faults，”IEEE Transactions on Power Electronics.，vol.32，no.11，pp.8514-8525，Nov.2017.

(2)Dao Zhou and Frede Blaabjerg，“Optimized Demagnetizing ControlofDFIG Power Converter for Reduced Thermal Stress During Symmetrical GridFault，”IEEE Transactions on Power Electronics.，vol.33，no.12，pp.10326-10340，Dec.2018.

文献(1)提出了虚拟电感控制策略，但所提控制策略在高电压故障穿越时的过电流抑制能力较差；文献(2)将电网电压故障期间的定子暂态直流磁链引入转子电流参考值，以实现双馈感应风电机组的故障穿越控制。但当双馈感应风电机组机端电压连续变化时，暂态直流磁链难以准确快速的测量，这严重降低了机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越能力。另外，上述控制策略均未考虑故障穿越过程中双馈感应风电机组的快速无功支撑能力。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种机端电压连续变化条件下的双馈感应风电机组故障穿越控制方法，该方法可以增强机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越能力，实现双馈风电机组的连续故障穿越，同时可在故障穿越过程中输出无功电流以支撑电网电压。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种双馈感应风电机组连续故障穿越控制方法，本方法涉及机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越控制；具体步骤如下，

1)采集双馈感应风电机组机端定子三相电压信号u_sabc和定子三相电流信号i_sabc；

2)将步骤1)采集得到的定子三相电压信号u_sabc输入数字锁相环PLL，得到双馈感应风电机组定子电压矢量的电角度θ_s和同步电角速度ω_s；

3)将步骤1)采集得到的定子三相电压信号u_sabc和定子三相电流信号i_sabc，按照下式计算定子磁链ψ_sabc：

Ψ_sabc＝∫u_sabc-R_s×i_sabc dt

式中，R_s为双馈感应风电机组定子电阻；

4)将步骤1)得到的定子三相电压信号u_sabc和步骤3)得到的定子磁链ψ_sabc经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒幅值变换，得到静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号u_sαβ和定子磁链信号ψ_sαβ；

5)根据步骤4)得到的定子电压信号u_sαβ和定子磁链信号ψ_sαβ，按照下式计算静止两相αβ坐标轴系下的定子磁链分量ψ_{st_αβ}，并采用截止频率为150Hz的低通滤波器滤除ψ_{st_αβ}的谐波成分：

式中，ω_s为双馈感应风电机组同步电角速度；

6)采用步骤5)得到的定子磁链分量ψ_{st_αβ}，按照下式计算定子磁链分量ψ_{st_αβ}的幅值|ψ_{st_αβ}|：

式中，ψ_{st_α}和ψ_{st_β}分别为定子磁链分量ψ_{st_αβ}的α轴分量和β轴分量；

7)采用步骤6)计算得到的|ψ_{st_αβ}|，按照下式计算故障期间双馈感应风电机组的灭磁控制系数k_de：

式中，L_m为双馈感应风电机组励磁电感；

8)采用电压定向的方法，将步骤5)计算得到的静止两相αβ坐标轴系下的ψ_{st_αβ}变换到同步速旋转dq坐标轴系下，得到ψ_{st_d}、ψ_{st_q}；

9)采用步骤8)计算得到的ψ_{st_d}、ψ_{st_q}和步骤7)的灭磁控制系数k_de，按照下式确定机端电压连续变化时双馈感应风电机组的转子灭磁电流指令值i_{rd_}de、i_{rq_de}；

10)采用电压定向的方法，将步骤4)得到的静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号u_sαβ变换到同步速旋转dq坐标轴系下，得到u_sd、u_sq；

11)采用步骤10)得到的u_sd和步骤9)得到的灭磁电流指令值i_{rd_de}、i_{rq_de}，按照下式，计算双馈感应风电机组机端电压连续变化时的转子无功电流指令值i_rqc：

式中，转子无功电流指令值幅值|i_rqc|按照下式计算得到：

12)按下式计算得到机端电压连续变化条件下的双馈感应风电机组转子电流指令值i_rdref、i_rqref：

13)将步骤12)得到的转子电流指令值i_rdref、i_rqref输入转子侧变换器电流内环控制环节，按照下式得到转子侧变换器的控制电压U_rd、U_rq：

式中，K_p为转子侧变换器电流内环PI控制器的比例系数，i_rd、i_rq分别为同步速旋转dq坐标轴系下的转子电流d轴分量和q轴分量，s为滑差，σ为漏感系数，L_s、L_r分别为定子侧绕组等效电感、转子侧绕组等效电感；

14)将步骤13)得到的控制电压U_rd、U_rq进行空间矢量调制，获得机侧变换器PWM驱动信号，实现机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所提控制方法可以增强双馈感应风电机组机端电压连续变化条件下的故障穿越能力，实现双馈感应风电机组的连续故障穿越和无功电流支撑，提高双馈感应风电机组机端电压连续变化条件下的故障穿越表现。

附图说明

图1为2MW双馈风电机组并网结构示意图。

图2为本发明所述双馈风电机组连续故障穿越控制框图。

图3为轻度换相失败故障时，采用本发明所提控制方法和传统灭磁控制方法测量得到的|ψ_{st_αβ}|。

图4为轻度换相失败故障时，采用本发明所提控制方法和传统灭磁控制方法的控制效果图。

图5为严重换相失败故障时，采用本发明所提控制方法和传统灭磁控制方法测量得到的|ψ_{st_αβ|}。

图6为严重换相失败故障时，采用本发明所提控制方法和传统灭磁控制方法的控制效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述。

图1为2MW双馈感应风电机组并网结构示意图。

图2为本发明所述双馈感应风电机组连续故障穿越控制框图，它包括的控制对象有：ψ_{st_αβ}分量测量模块1，数字锁相环(PLL)2，静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒幅值变换模块3，灭磁系数计算模块4，静止两相αβ坐标轴系到同步速旋转dq坐标轴系变换模块5，无功电流计算模块6，电流内环比例控制环节7，空间矢量调制模块8，机侧变换器9，电压传感器10，电流传感器11。

本发明具体实施步骤如下：

1)利用电压传感器10采集双馈感应风电机组机端定子三相电压信号u_sabc，利用电流传感器11采集定子三相电流信号i_sabc；

2)将采集得到的定子三相电压信号u_sabc输入数字锁相环(PLL)2，得到双馈感应风电机组定子电压矢量的电角度θ_s和同步电角速度ω_s；

3)将定子三相电压信号u_sabc和定子三相电流信号i_sabc输入ψ_{st_αβ}分量测量模块1，按照下式计算定子磁链ψ_sabc：

ψ_sabc＝∫u_sabc-R_s×i_sabc dt

式中，R_s为双馈感应风电机组定子电阻。

4)将定子三相电压信号u_sabc和步骤3)得到的定子磁链ψ_sabc经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒幅值变换模块3，得到静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号u_sαβ和定子磁链信号ψ_sαβ；

5)采用步骤4)得到的定子电压信号u_sαβ和定子磁链信号ψ_sαβ，按照下式计算静止两相αβ坐标轴系下的定子磁链分量ψ_{st_αβ}，并采用截止频率为150Hz的低通滤波器滤除ψ_{st_αβ}的高频成分：

式中，ω_s为双馈感应风电机组同步电角速度。

6)将步骤5)得到的定子磁链分量ψ_{st_αβ}输入灭磁系数计算模块4，按照下式，计算故障期间双馈感应风电机组的灭磁控制系数k_de：

式中，L_m为双馈感应风电机组励磁电感，|ψ_{st_αβ}|由下式计算得到：

式中，ψ_{st_α}和ψ_{st_β}分别为定子磁链分量ψ_{st_αβ}的α轴分量和β轴分量；

7)采用电压定向的方法，将步骤5)得到的定子磁链ψ_{st_αβ}分量输入静止两相αβ坐标轴系到同步速旋转dq坐标轴系变换模块5，得到同步速旋转dq坐标轴系下的ψ_{st_d}、ψ_{st_q}；

8)采用步骤7)计算得到的ψ_{st_d}、ψ_{st_q}和步骤6)的灭磁控制系数k_de，按照下式确定机端电压连续变化时双馈感应风电机组的转子灭磁电流指令值i_{rd_de}、i_{rq_de}；

9)采用电压定向的方法，将步骤4)得到的u_sαβ输入静止两相αβ坐标轴系到同步速旋转dq坐标轴系变换模块5，得到同步速旋转dq坐标轴系下的u_sd、u_sq；

10)将步骤8)得到的灭磁电流指令值i_{rd_de}、i_{rq_de}和步骤9)得到的定子电压d轴分量u_sd输入无功电流计算模块6，按照下式，计算得到双馈感应风电机组机端电压连续变化时的无功电流指令值i_rqc：

式中，无功电流指令值幅值|i_rqc|按照下式计算得到：

11)按下式计算得到机端电压连续变化条件下的双馈感应风电机组转子电流指令值i_rdref、i_rqref：

12)将步骤11)得到的转子电流指令值i_rdref、i_rqref输入电流内环比例控制环节7，按照下式，得到转子侧变换器的控制电压U_rd、U_rq：

式中，K_p为机端电压连续变化时电流内环PI控制器的比例系数，i_rd、i_rq分别为同步速旋转dq坐标轴系下的转子电流d轴分量和q轴分量，s为滑差，σ为漏感系数，L_s、L_r分别为定子侧绕组等效电感、转子侧绕组等效电感；

13)将步骤12)得到的控制电压U_rd、U_rq输入空间矢量调制模块8，产生机侧变换器9的PWM驱动信号，实现机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越控制。

本发明效果说明：以双馈感应风电机组接入相控换流式高压直流输电系统为例，当高压直流输电系统发生换相失败故障后，将造成双馈感应风电机组的机端电压连续变化。图3和图5分别为轻度和重度换相失败故障时，采用本发明所提控制方法和采用传统灭磁控制方法测量得到的ψ_{st_αβ}。在图3和图5中，ψ_{st_αβ}为静止两相αβ坐标轴系下定子磁链ψ_st分量理论值，ψ_{st_αβ1}和ψ_{st_αβ2}分别为采用本发明所提方法和传统灭磁控制方法测量得到的静止两相αβ坐标轴系下的定子磁链ψ_st分量。图4(a)和图4(b)分别为轻度换相失败故障时，采用本发明所提控制方法和传统灭磁控制方法的控制效果图。图6(a)和图6(b)分别为严重换相失败故障时，采用本发明所提控制方法和传统灭磁控制方法的控制效果图。

从图3和图5可以看出，与传统灭磁控制方法相比，本发明所提控制方法可以准确快速的测量双馈感应风电机组机端电压连续变化条件下的定子磁链ψ_st分量，因此，本发明所提连续故障穿越控制方法可以提高机端电压连续变化条件下的双馈感应风电机组故障穿越能力。从图4可以看出，在轻度换相失败故障期间采用本发明所提控制方法时，双馈感应风电机组的转子电流被控制在1p.u.以内，转子侧变换器没有过载状态。另外，由于故障穿越期间灭磁控制系数k_de可以根据双馈感应风电机组的运行状态灵活选择，使得故障穿越期间双馈感应风电机组在快速衰减暂态直流磁链的同时可以根据机端电压幅值输出动态无功电流支撑电网电压。这表明本发明所提连续故障穿越控制方法可以提高机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越表现。从图6可以看出，在严重换相失败故障期间采用本发明所提控制方法时的最大转子电流幅值为1.78p.u.。采用传统灭磁控制方法时的最大转子电流幅值为2.1p.u.，这超出了转子侧变换器的电流限值并可能导致功率开关器件的损坏。图6表明本发明所提双馈感应风电机组连续故障穿越控制方法可以显著提高机端电压连续变化条件下的双馈感应风电机组故障穿越能力。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种双馈感应风电机组连续故障穿越控制方法，本方法涉及机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越控制；其特征在于：具体步骤如下，

1)采集双馈感应风电机组机端定子三相电压信号u_sabc和定子三相电流信号i_sabc；

2)将步骤1)采集得到的定子三相电压信号u_sabc输入数字锁相环PLL，得到双馈感应风电机组定子电压矢量的电角度θ_s和同步电角速度ω_s；

3)将步骤1)采集得到的定子三相电压信号u_sabc和定子三相电流信号i_sabc，按照下式计算定子磁链ψ_sabc：

ψ_sabc＝∫u_sabc-R_s×i_sabc dt

式中，R_s为双馈感应风电机组定子电阻；

4)将步骤1)得到的定子三相电压信号u_sabc和步骤3)得到的定子磁链ψ_sabc经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒幅值变换，得到静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号u_sαβ和定子磁链信号ψ_sαβ；

5)根据步骤4)得到的定子电压信号u_sαβ和定子磁链信号ψ_sαβ，按照下式计算静止两相αβ坐标轴系下的定子磁链分量ψ_{st_αβ}，并采用截止频率为150Hz的低通滤波器滤除ψ_{st_αβ}的谐波成分：

式中，ω_s为双馈感应风电机组同步电角速度；

6)采用步骤5)得到的定子磁链分量ψ_{st_αβ}，按照下式计算定子磁链分量ψ_{st_αβ}的幅值|ψ_{st_αβ}|：

式中，ψ_{st_α}和ψ_{st_β}分别为定子磁链分量ψ_{st_αβ}的α轴分量和β轴分量；

7)采用步骤6)计算得到的|ψ_{st_αβ}|，按照下式计算故障期间双馈感应风电机组的灭磁控制系数k_de：

式中，L_m为双馈感应风电机组励磁电感；

8)采用电压定向的方法，将步骤5)计算得到的静止两相αβ坐标轴系下的ψ_{st_αβ}变换到同步速旋转dq坐标轴系下，得到ψ_{st_d}、ψ_{st_q}；

9)采用步骤8)计算得到的ψ_{st_d}、ψ_{st_q}和步骤7)的灭磁控制系数k_de，按照下式确定机端电压连续变化时双馈感应风电机组的转子灭磁电流指令值i_{rd_de}、i_{rq_de}；

10)采用电压定向的方法，将步骤4)得到的静止两相αβ坐标轴系下的定子电压信号u_sαβ变换到同步速旋转dq坐标轴系下，得到u_sd、u_sq；

11)采用步骤10)得到的u_sd和步骤9)得到的灭磁电流指令值i_{rd_de}、i_{rq_de}，按照下式，计算双馈感应风电机组机端电压连续变化时的转子无功电流指令值i_rqc：

式中，转子无功电流指令值幅值i_rqc按照下式计算得到：

12)按下式计算得到机端电压连续变化条件下的双馈感应风电机组转子电流指令值i_rdref、i_rqref：

13)将步骤12)得到的转子电流指令值i_rdref、i_rqref输入转子侧变换器电流内环控制环节，按照下式得到转子侧变换器的控制电压U_rd、U_rq：

式中，K_p为转子侧变换器电流内环PI控制器的比例系数，i_rd、i_rq分别为同步速旋转dq坐标轴系下的转子电流d轴分量和q轴分量，s为滑差，σ为漏感系数，L_s、L_r分别为定子侧绕组等效电感、转子侧绕组等效电感；

14)将步骤13)得到的控制电压U_rd、U_rq进行空间矢量调制，获得机侧变换器PWM驱动信号，实现机端电压连续变化条件下双馈感应风电机组的故障穿越控制。

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