CN111509773A - 适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，克服现有技术在弱网条件下双馈风机的故障穿越、并网不稳定的问题，包括故障穿越条件下功角失稳时控制策略的切换、控制策略参数计算两个部分。本发明利用有功电流‑频率下垂和无功电流‑电压下垂控制风机端口的电压角度和幅值，可使风电场的外特性从PQ节点（基于传统矢量控制）改变为Vθ节点，能在不对称故障下提供满足电网标准的无功电流，降低电网的不对称度，加强故障清除后的电压稳定性，并能在暂态过程中发生功角失稳时，将Park变换角度切换成锁相环角度，避免功角失稳带来的系统稳定性问题。

Description

适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其是涉及一种能在电网故障下提供满足电网标准的无功电流、增强电网暂态稳定性、有效防止故障清除后的电网电压再次跌落甚至崩溃并加强故障清除后的电压稳定性的适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法。
背景技术
近年来，随着风电接入规模的不断扩大、渗透率地不断提高，电网强度逐渐降低，弱电网条件下风电场的故障穿越性能会直接影响的暂态稳定性和电压稳定性。
现有的研究成果中,有关加强风电场故障穿越能力及优化性能的研究主要分为以下两大类：
1、增加额外的硬件设备和装置
如静止同步补偿器、储能装置、限流装置、直流电路中的chopper电阻和串联网侧变换器等,从而加快双馈电机的灭磁速度,提高其无功电流响应速度；
2、优化风电机组本身的控制算法
如优化传统矢量控制或虚拟同步控制。
现有研究成果具有以下缺点：
1、通过增加额外的硬件设备和装置
硬件改造成本太高，且无法改变基于传统矢量控制的风电场外特性，无法充分发挥风机的主观能动性；本发明不需要另外安装其他辅助设备，降低建设成本，能在电网故障下提供满足电网标准的无功电流，增强电网电压暂态稳定性，故障清除后系统能迅速恢复稳定；
2、矢量控制
采用传统矢量控制的风电场接入PCC点时表现为PQ节点。电网越弱，节点PQ的电压稳定裕度越低；
3、传统虚拟同步控制
虚拟同步控制拥有频率自调节功能，当给定有功功率增加(或当电网频率突然降低)时，系统功角也随之被拉大,可能造成功角失稳，从而导致风机故障脱网；
4、陷波器
采用陷波器会进一步加剧故障中电网电压的不对称度，使故障更为严重。
现有并网标准中的风电场故障穿越相关指标是以强电网作为假设条件，且双馈机组通常采用增加额外的硬件设备、装置或优化风电机组本身的控制算法来实现弱网故障穿越，因此仅仅按照上述方法提供无功电流并不能保证弱电网下风电场的电压稳定性，且利用单一的虚拟同步控制或者功率下垂控制方式，不能保证风机并网点外特性改变的同时避免功角失稳带来的系统稳定性问题。
例如，在中国专利文献上公开的“一种基于同步调相机的风电场故障穿越控制方法”，其公告号CN109066789A，实时检测风电场并网点交流电压值，判定发生电压跌落故障时，启动同步调相机；将并网点交流电压标幺值与额定标幺值作差，对差值限幅后，进行PI控制，得到处理后的差值；将处理后的差值与电压额定标幺值相加，得到同步调相机中励磁机的输入值，励磁机通过根据输入值的改变改变同步调相机的输出无功功率，拉升并网点电压，直至电压跌落故障消除，关闭同步调相机，完成故障穿越。该发明仅仅采用同步调相一种方法，按照上述方法并不能保证弱电网下风电场的电压稳定性，且利用单一的同步调相控制方式，不能保证风机并网点外特性改变的同时避免功角失稳带来的系统稳定性问题。
发明内容
本发明是为了提高弱网条件下电压源型双馈风机故障穿越性能、解决并网稳定问题，提供一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法。主要包括故障条件下功角失稳时控制策略切换和控制策略参数计算两个部分，该方法可使风电场的外特性从PQ节点(基于传统矢量控制)改变为Vθ节点，在电网故障时进行故障穿越，可以提供满足电网标准的无功电流，增强电网电压暂态稳定性，在系统功角失稳时切换控制策略能够避免功角失稳导致的系统不稳定，并且有效防止故障清除后的电网电压再次跌落甚至崩溃，加强故障清除后的电压稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，包括以下步骤：
S1：采集电网电压有效值，判断是否满足故障穿越条件，若否进入S2，是则进入S3；
S2：正常运行状态的电压源控制模式下的控制参数计算，进入S7；
S3：判断当前是否为故障穿越电压源控制模式，若是进入S4，否则进入S5；
S4：判断是否功角失稳，若是进入S5，否则进入S6；
S5：故障穿越电流源控制模式下的控制参数计算，进入S7；
S6：故障穿越电压源控制模式下的控制参数计算，进入S7；
S7：根据控制参数，计算d、q轴转子控制电压，并且反变换为转子三相控制电压，进行转子侧变流器发波控制。
本发明主要包括故障条件下功角失稳时控制策略的切换和控制策略参数计算两个部分。
作为优选，所述S1故障穿越条件具体包括：三相电网电压有效值的最小值小于低压穿越门限，或者三相电网电压有效值最大值大于高压穿越门限。
作为优选，所述S4具体判断方式为：θn＞90°，θ表示dq旋转坐标系相对于αβ静止坐标系的角度，θn为当前θ值，即当前Park变换角度。
在故障穿越的过程中，当发生虚拟功角失稳时，需要改变控制策略，将电压源故障穿越控制模式切换到电流源故障穿越控制模式下。
作为优选，所述S2中正常的电压源控制模式包括以下步骤：
S21：当前运行模式设置为稳态下的电压源控制；
S22：计算Park变换角频率和定子电压参考值；
S23：计算下一时刻的Park变换值θn+1；
S24：计算转子电流d、q轴参考值。
作为优选，所述S5具体包括以下步骤：
S51：当前运行模式设置为故障穿越下的电流源控制；
S52：计算Park变换角频率和转子电流参考值；
Figure BDA0002465958090000031
Figure BDA0002465958090000032
Figure BDA0002465958090000033
Figure BDA0002465958090000034
其中ωpll为锁相环输出电网角速度，ω0为电网的基准旋转角速度，
Figure BDA0002465958090000035
为q轴定子电压，KP和KI为锁相环PI调节器控制参数，
Figure BDA0002465958090000036
分别是d、q轴转子电流参考值，Vg为电网电压幅值，
Figure BDA0002465958090000037
为低压穿越门限值，
Figure BDA0002465958090000038
为高压穿越门限值，K为动态无功电流比例系数，Kl为定转子电流比值，
Figure BDA0002465958090000039
为定子有功功率指令，
Figure BDA00024659580900000310
分别为d、q轴最大转子电流，
Figure BDA00024659580900000311
为转子最大允许输出电流；
S53：计算下一时刻的Park变换θ值；
θn+1＝θn+(ω0+ωpll)Δt
其中Δt为计算步长。
作为优选，所述S6包括以下步骤：
S61：当前运行模式设置为故障穿越下的电压源控制；
S62：计算Park变换角频率和定子电流、定子电压参考值；
ωpll＝ω0+(KP+KI/s)Vsq
Figure BDA0002465958090000041
Figure BDA0002465958090000042
Figure BDA0002465958090000043
Figure BDA0002465958090000044
V′g＝min(Vg,Vbase)
Figure BDA0002465958090000045
ωpll为锁相环输出电网角速度，ω0为电网的基准旋转角速度，ω′*为VSG控制环节的输出旋转角速度差值，
Figure BDA0002465958090000046
和
Figure BDA0002465958090000047
分别为定子有功、无功电流参考值，
Figure BDA0002465958090000048
分别为d、q轴最大定子电流，
Figure BDA0002465958090000049
为定子允许最大电流，K为动态无功电流比例系数，isd、isq分别为d、q轴定子电流，Kω为一次调频系数，J和D分别表示虚拟惯量系数和虚拟阻尼系数，Kq为下垂控制比例系数，Vg为电网电压幅值，Vbase为电网电压标准值，Vs ref为定子电压参考值；
S63：计算下一时刻的Park变换θ值；
θn+1＝θn+(ω0+ω′*)Δt
S64：计算转子电流d、q轴参考值；
Figure BDA00024659580900000410
Figure BDA00024659580900000411
其中
Figure BDA00024659580900000412
分别为d、q轴转子电流参考值，Vsd和Vsq分别为d、q轴定子电压，Vs ref为定子电压参考值，KPd、KId、KPq、KIq为d、q轴PI调节器参数。
作为优选，所述S7包括如下步骤：
S71：计算d、q轴转子控制电压；
Figure BDA0002465958090000051
Figure BDA0002465958090000052
Vcomd,q是转子电压的补偿项，Ls和Lm分别为定子侧电感值和定转子互感值，ψsd和ψsq分别为d、q轴定子磁链分量，ψrd和ψrq分别为d、q轴转子磁链分量，Rs为定子侧电阻，ωr为转子旋转角速度；
S72：将d、q轴转子控制电压Vcomd、Vcomq根据Park变化角度θ进行反Park变换和反Clark变换，得到三相转子控制电压，进行脉冲控制。
因此，本发明具有如下有益效果：
1.当双馈风机处于故障穿越过程中，若暂态过程中发生功角失稳时，本方法将Park变换角度从有功下垂功角切换为锁相环角度，可以极大程度的避免功角失稳带来的系统稳定性问题；
2.在弱网条件下，系统故障时，基于虚拟同步控制的双馈机组利用有功电流-频率下垂和无功电流-电压下垂控制风机端口的电压角度和幅值，使风电场的外特性从PQ节点改变为Vθ节点，这种方法能够改善弱电网下风电场的电压稳定性，实现故障穿越；
3.在弱网条件下故障条件时，方法能够提供满足电网标准的无功电流，支撑电压，增强电压稳定性，并且加强故障清除后的电压稳定性。
附图说明
图1是本发明的工作流程图。
图2是在一个循环内的控制策略流程图。
图3是本发明转子侧控制示意图。
图中：1、控制策略 2、转子侧变流器 3、电网侧变流器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
本实施例为一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，如图1-2所示，包括以下步骤：
S1：采集电网电压有效值，判断是否满足故障穿越条件，若否进入S2，是则进入S3。
其中，S1故障穿越条件具体包括：三相电网电压有效值的最小值小于低压穿越门限，或者三相电网电压有效值最大值大于高压穿越门限。
S2：正常运行状态的电压源控制模式下的控制参数计算，进入S7。
其中，S2中正常的电压源控制模式包括以下步骤：
S21：当前运行模式设置为稳态下的电压源控制；
S22：计算Park变换角频率和定子电压参考值；
S23：计算下一时刻的Park变换值θn+1，θ表示dq旋转坐标系相对于αβ静止坐标系的角度；
S24：计算转子电流d、q轴参考值。
S3：判断当前是否为故障穿越电压源控制模式，若是进入S4，否则进入S5。
在故障穿越的过程中，当发生虚拟功角失稳时，需要改变控制策略，将电压源故障穿越控制模式切换到电流源故障穿越控制模式下。
S4：判断是否功角失稳，若是进入S5，否则进入S6。
其中，S4具体判断方式为：θn＞90°，θn为当前Park变换角度。
S5：故障穿越电流源控制模式下的控制参数计算，进入S7。
其中，S5具体包括以下步骤：
S51：当前运行模式设置为故障穿越下的电流源控制；
S52：计算Park变换角频率和转子电流参考值；
Figure BDA0002465958090000061
Figure BDA0002465958090000062
Figure BDA0002465958090000063
Figure BDA0002465958090000064
其中ωpll为锁相环输出电网角速度，ω0为电网的基准旋转角速度，
Figure BDA0002465958090000065
为q轴定子电压，KP和KI为锁相环PI调节器控制参数，
Figure BDA0002465958090000066
分别是d、q轴转子电流参考值，Vg为电网电压幅值，
Figure BDA0002465958090000067
为低压穿越门限值，
Figure BDA0002465958090000068
为高压穿越门限值，K为动态无功电流比例系数，Kl为定转子电流比值，Ps ref为定子有功功率指令，
Figure BDA0002465958090000069
分别为d、q轴最大转子电流，
Figure BDA00024659580900000610
为转子最大允许输出电流；
S53：计算下一时刻的Park变换θ值；
θn+1＝θn+(ω0+ωpll)Δt
其中Δt为计算步长。
S6：故障穿越电压源控制模式下的控制参数计算，进入S7。
其中，S6包括以下步骤：
S61：当前运行模式设置为故障穿越下的电压源控制；
S62：计算Park变换角频率和定子电流、定子电压参考值；
ωpll＝ω0+(KP+KI/s)Vsq
Figure BDA0002465958090000071
Figure BDA0002465958090000072
Figure BDA0002465958090000073
Figure BDA0002465958090000074
V′g＝min(Vg,Vbase)
Figure BDA0002465958090000075
ωpll为锁相环输出电网角速度，ω0为电网的基准旋转角速度，ω′*为VSG控制环节的输出旋转角速度差值，
Figure BDA0002465958090000076
和
Figure BDA0002465958090000077
分别为定子有功、无功电流参考值，
Figure BDA0002465958090000078
分别为d、q轴最大定子电流，
Figure BDA0002465958090000079
为定子允许最大电流，K为动态无功电流比例系数，isd、isq分别为d、q轴定子电流，Kω为一次调频系数，J和D分别表示虚拟惯量系数和虚拟阻尼系数，Kq为下垂控制比例系数，Vg为电网电压幅值，Vbase为电网电压标准值，Vs ref为定子电压参考值；
S63：计算下一时刻的Park变换θ值；
θn+1＝θn+(ω0+ω′*)Δt
S64：计算转子电流d、q轴参考值；
Figure BDA00024659580900000710
Figure BDA00024659580900000711
其中
Figure BDA00024659580900000712
分别为d、q轴转子电流参考值，Vsd和Vsq分别为d、q轴定子电压，Vs ref为定子电压参考值，KPd、KId、KPq、KIq为d、q轴PI调节器参数。
S7：根据控制参数，计算d、q轴转子控制电压，并且反变换为转子三相控制电压，进行转子侧变流器发波控制。
其中，S7包括如下步骤：
S71：计算d、q轴转子控制电压；
Figure BDA0002465958090000081
Figure BDA0002465958090000082
Vcomd,q是转子电压的补偿项，Ls和Lm分别为定子侧电感值和定转子互感值，ψsd和ψsq分别为d、q轴定子磁链分量，ψrd和ψrq分别为d、q轴转子磁链分量，Rs为定子侧电阻，ωr为转子旋转角速度；
S72：将d、q轴转子控制电压Vcomd、Vcomq根据Park变化角度θ进行反Park变换和反Clark变换，得到三相转子控制电压，进行脉冲控制。
本发明适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制。包括故障条件下功角失稳时控制策略切换和控制策略参数计算两个部分，可使风电场的外特性从PQ节点(基于传统矢量控制)改变为Vθ节点，可以在电网故障下提供满足电网标准的无功电流，增强电网电压暂态稳定性，在系统功角失稳时切换控制策略能够避免功角失稳导致的系统不稳定，并且有效防止故障清除后的电网电压再次跌落甚至崩溃，加强故障清除后的电压稳定性。
当双馈风机处于故障穿越过程中，若暂态过程中发生功角失稳时，本方法将Park变换角度从有功下垂功角切换为锁相环角度，可以极大程度的避免功角失稳带来的系统稳定性问题；在弱网条件下，系统故障时，基于虚拟同步控制的双馈机组利用有功电流-频率下垂和无功电流-电压下垂控制风机端口的电压角度和幅值，使风电场的外特性从PQ节点改变为Vθ节点，这种方法能够改善弱电网下风电场的电压稳定性，实现故障穿越；在弱网条件下电网故障时，方法能够提供满足电网标准的无功电流，增强电网电压稳定性。通过控制转子电流参考值dq轴分量、变流器输出的转子侧电压dq分量在控制单元中产生驱动信号，最终实现转子侧变流器的控制。
实施例2：
本实施例是对实施例1的补充，如图3所示，转子侧变流器2分别与电网侧变流器3、DFIG风机和控制策略1相连接，电网侧变流器3还与电网相连接，电网与DFIG风机相连接，转子侧变流器2输出的转子侧电压的dq分量在控制策略1中产生驱动信号，最终实现转子侧变流器2的控制。
上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集电网电压有效值，判断是否满足故障穿越条件，若否进入S2，是则进入S3；
S2：正常运行状态的电压源控制模式下的控制参数计算，进入S7；
S3：判断当前是否为故障穿越电压源控制模式，若是进入S4，否则进入S5；
S4：判断是否功角失稳，若是进入S5，否则进入S6；
S5：故障穿越电流源控制模式下的控制参数计算，进入S7；
S6：故障穿越电压源控制模式下的控制参数计算，进入S7；
S7：根据控制参数，计算d、q轴转子控制电压，并且反变换为转子三相控制电压，进行转子侧变流器发波控制。
2.根据权利要求1所述的一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，所述S1故障穿越条件具体包括：三相电网电压有效值的最小值小于低压穿越门限，或者三相电网电压有效值最大值大于高压穿越门限。
3.根据权利要求1所述的一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，所述S4具体判断方式为：θn＞90°，θ表示dq旋转坐标系相对于αβ静止坐标系的角度，θn为当前θ值，即当前Park变换角度。
4.根据权利要求1所述的一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，所述S2中正常的电压源控制模式包括以下步骤：
S21：当前运行模式设置为稳态下的电压源控制；
S22：计算Park变换角频率和定子电压参考值；
S23：计算下一时刻的Park变换值θn+1；
S24：计算转子电流d、q轴参考值。
5.根据权利要求1所述的一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，所述S5具体包括以下步骤：
S51：当前运行模式设置为故障穿越下的电流源控制；
S52：计算Park变换角频率和转子电流参考值；
Figure FDA0002465958080000021
Figure FDA0002465958080000022
Figure FDA0002465958080000023
Figure FDA0002465958080000024
其中ωpll为锁相环输出电网角速度，ω0为电网的基准旋转角速度，
Figure FDA0002465958080000025
为q轴定子电压，KP和KI为锁相环PI调节器控制参数，
Figure FDA0002465958080000026
分别是d、q轴转子电流参考值，Vg为电网电压幅值，
Figure FDA0002465958080000027
为低压穿越门限值，
Figure FDA0002465958080000028
为高压穿越门限值，K为动态无功电流比例系数，Kl为定转子电流比值，
Figure FDA0002465958080000029
为定子有功功率指令，
Figure FDA00024659580800000210
分别为d、q轴最大转子电流，
Figure FDA00024659580800000211
为转子最大允许输出电流；
S53：计算下一时刻的Park变换θ值；
θn+1＝θn+(ω0+ωpll)Δt
其中Δt为计算步长。
6.根据权利要求1所述的一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，所述S6包括以下步骤：
S61：当前运行模式设置为故障穿越下的电压源控制；
S62：计算Park变换角频率和定子电流、定子电压参考值；
ωpll＝ω0+(KP+KI/s)Vsq
Figure FDA00024659580800000212
Figure FDA00024659580800000213
Figure FDA00024659580800000214
Figure FDA00024659580800000215
V′g＝min(Vg,Vbase)
Figure FDA00024659580800000216
ωpll为锁相环输出电网角速度，ω0为电网的基准旋转角速度，ω′*为VSG控制环节的输出旋转角速度差值，
Figure FDA0002465958080000031
和
Figure FDA0002465958080000032
分别为定子有功、无功电流参考值，
Figure FDA0002465958080000033
分别为d、q轴最大定子电流，
Figure FDA0002465958080000034
为定子允许最大电流，K为动态无功电流比例系数，isd、isq分别为d、q轴定子电流，Kω为一次调频系数，J和D分别表示虚拟惯量系数和虚拟阻尼系数，Kq为下垂控制比例系数，Vg为电网电压幅值，Vbase为电网电压标准值，
Figure FDA0002465958080000035
为定子电压参考值；
S63：计算下一时刻的Park变换θ值；
θn+1＝θn+(ω0+ω′*)Δt
S64：计算转子电流d、q轴参考值；
Figure FDA0002465958080000036
Figure FDA0002465958080000037
其中
Figure FDA0002465958080000038
分别为d、q轴转子电流参考值，Vsd和Vsq分别为d、q轴定子电压，
Figure FDA0002465958080000039
为定子电压参考值，KPd、KId、KPq、KIq为d、q轴PI调节器参数。
7.根据权利要求1所述的一种适用于弱电网的电压源型风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，所述S7包括如下步骤：
S71：计算d、q轴转子控制电压；
Figure FDA00024659580800000310
Figure FDA00024659580800000311
Vcomd,q是转子电压的补偿项，Ls和Lm分别为定子侧电感值和定转子互感值，ψsd和ψsq分别为d、q轴定子磁链分量，ψrd和ψrq分别为d、q轴转子磁链分量，Rs为定子侧电阻，ωr为转子旋转角速度；
S72：将d、q轴转子控制电压Vcomd、Vcomq根据Park变化角度θ进行反Park变换和反Clark变换，得到三相转子控制电压，进行脉冲控制。
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