CN111953019A - 一种基于定子串联多级动态阻抗的低电压穿越控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于定子串联多级动态阻抗的低电压穿越控制方法，当电网电压出现跌落时，以抑制转子暂态电动势为目的，根据电压跌落深度确定定子串联阻抗大小，并随着转子电动势的衰减，在保证转子电动势处于安全阈值的前提下切换至小阻抗，同时RSC采用功率协调控制策略，在确保机组安全运行的基础上向电网提供充足的无功功率，并减小切除串联阻抗对机组造成的暂态冲击。本发明的方法实现了对转子变流器的保护，在故障初期从抑制转子暂态电动势，保证转子变流器对转子电流的可控力出发给出定子串联动态阻抗的初始阻值大小，有效抑制转子过电流，降低转子电流幅值，能够向电力系统提供充足的无功支撑，减小了电抗切换及切除时造成的冲击。
Description
技术领域
本发明涉及双馈异步风力发电机的低电压穿越技术，特别涉及一种通过定子串联多级动态阻抗来提高双馈风机低电压穿越性能的综合控制策略。
背景技术
随着新能源技术的发展，风力发电技术越来越受到关注，其中双馈异步风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)因体积小、成本低、变流器容量低、有功无功解耦控制等优点得到了广泛的应用。近年来，随着风力发电在电力系统中所占的比例逐渐增加，保障风电机组在故障期间的不间断运行能力对维护电网的稳定性和安全性具有重要意义。但仅保证故障期间风电机组不脱网运行已经不能满足现有的低电压穿越(lowvoltage ride-through，LVRT)的要求，应在实现故障期间机组不脱网的前提下尽可能地提高机组的无功输出能力，主动帮助电网电压的恢复。
双馈感应发电机因定子与电网直接相连，抵抗电网波动的能力弱。电网发生故障出现电压跌落时，DFIG定子电压骤降，由于定子磁链不能发生突变，会产生较大的定子磁链直流分量，遂在转子侧感应出过电流，威胁转子侧变流器(Rotor Side Converter,RSC)的安全。严重的电网故障将会造成风电机组脱网，影响整个电力系统的稳定。因此，要求风电机组必须具备抗电网电压扰动的能力。目前针对双馈风力发电机的LVRT研究主要分为两个层面，软件层面：当电网电压出现小幅度的跌落时，通过改进变流器控制策略，实现电网故障期间风电机组的连续并网运行；硬件层面：当电网电压出现大幅度跌落时，超出变流器的作用范围，需要采用额外的硬件设备，与变流器控制策略相结合，保护风电机组，并尽可能地为电网电压恢复提供无功支持，实现低电压穿越。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有的LVRT技术存在以下不足：
软件控制策略方面的研究主要包括文献以增大传动链阻尼为目的发电机附加转矩控制策略[2]、基于反向电流跟踪的控制策略[3]、基于灭磁原理的软撬棒控制方法[4]以及利用轨迹生成系统和基于自抗扰控制的转子电流控制器的方法[5]等，以实现电网电压小幅跌落下双馈机组的不脱网运行，同时改善机组的欠阻尼特性并提高无功补偿电流的质量。这些改进的励磁变流器控制策略一定程度上提高了风电机组的低电压穿越能力，但是在发生严重故障，电网电压大幅度跌落时，因为受到RSC容量的制约，仅改进变流器控制策略难以达到理想的转子过电流抑制效果。硬件措施中转子Crowbar电路是主流的穿越方式，诸多学者也在其基础上做出了改进[6-10],以增强故障期间机组的运行特性，但转子Crowbar电路的使用会导致变流器的闭锁，使双馈风机进入异步运行模式，无法主动地对电网起到支撑作用。其他硬件方面，定子串联电抗[11]是一种主动穿越方式，故障期间转子变流器无须闭锁，可以主动向电网注入无功电流，然而大阻值的电抗进一步加剧了机组的欠阻尼特性同时也限制了机组的无功输出能力；定子串联大小电抗双模式切换的低电压穿越方式[12]，一定程度上减小了定子串联电抗对机组无功输出的抑制作用，但大小切换时刻的整定过于复杂；定子侧串联动态电阻的方法[13]，可以实现机端电压的稳定，并配合电容解决电网电压非等相位跌落的问题，但定子串联电阻的存在造成了诸多不必要的能量损耗；定子串联阻抗[14]是一种主动性能较好的低电压穿越方案，但较大阻抗的串入抑制了机组的无功输出能力，且故障结束后切除大阻抗造成的暂态冲击也会威胁到机组的安全稳定运行。因此需要对定子串联阻抗方式进行研究和改进。
参考文献
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[7]孙丽玲,王艳娟.基于Crowbar串联电容的双馈风机低电压穿越综合控制策略[J].电网技术,2018,42(7):2089-2094.
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[13]齐芸芸,赵书涛,赵永俊.基于动态阻抗补偿的双馈式风力发电机低电压穿越新策略[J].科学技术与工程,2013,13(15):4165-4170.
张琛,李征,蔡旭,等.采用定子串联阻抗的双馈风电机组低电压主动穿越技术研究[J].中国电机工程学报,2015,35(12):2943-2951.。
发明内容
针对现有低电压穿越方案中的不足，本发明提出一种定子串联多级动态阻抗的综合低电压穿越方案以解决传统低电压穿越方法在抑制转子过电流和提升机组无功输出之间的冲突问题。本发明在抑制转子过电流保护转子变流器的基础上尽可能地提高机组的无功输出能力，帮助电网电压的恢复，同时加速定子磁链的衰减并减小阻抗切除对机组造成的冲击。该技术是一种改进的双馈风机低电压穿越综合策略，针对故障期间双馈风机的运行特性加装了相应的硬件保护结构，并提出相应的控制策略，以提高机组低电压穿越的运行特性。
传统的基于转子Crowbar的低电压穿越方法原理简单，操作方便，因此具有广泛的应用，然而基于转子Crowbar的低电压穿越方法面临着抑制转子过电流和提高机组无功输出之间存在的冲突问题，故障期间无法向电网提供足够的无功支撑，并不能满足现有的低电压穿越要求。
针对现有风机低电压穿越技术的不足，本发明提出一种基于定子串联多级动态阻抗的低电压穿越综合策略。当电网电压出现跌落时，以抑制转子暂态电动势为目的，根据电压跌落深度确定定子串联阻抗大小，并随着转子电动势的衰减，在保证转子电动势处于安全阈值的前提下切换至小阻抗，同时RSC采用功率协调控制策略，在确保机组安全运行的基础上向电网提供充足的无功功率，并减小切除串联阻抗对机组造成的暂态冲击。
本发明的技术方案具体如下：
一种基于定子串联多级动态阻抗的双馈风机低电压穿越方法，包括以下几个方面：
1)当电网电压出现大幅度跌落时，以暂态控制模式一进行控制，控制模式一为串入大电抗和定值电阻，以抑制转子电动势幅值，加速定子磁链的衰减，同时RSC采用磁链主动衰减的控制策略。其中大电抗的取值整定应保证转子电动势保持在安全阈值内，即
式中
为转子暂态电动势幅值，Lm为互感，L's＝Ls+L1为串入大电抗后的定子电感，Ls1为大电抗，s为转差率，h为电压跌落深度，Us为稳态运行状态下的定子电压幅值，ω0为转差速度，ωr为转子旋转速度，λ为安全裕度系数，urmax为转子变流器最大控制电压。
定子串联电阻的取值整定应从加速定子磁链衰减方面考虑。根据我国的风电并网低电压穿越要求规定，以定子直流磁链在625ms内衰减完毕为基准，确定定子串联电阻的值，此时定子时间常数约为156.25ms，为保证衰减速度，以大电抗Ls1参与计算，则由L's/(Rs+Rss)≈0.156ms进行估算，其中Rss为定子串联电阻。
2)在故障期间在达到预先设定的切换时间或电压出现小幅度跌落时，采用模式二控制方式。模式二中将电抗Ls2与大电抗并联，形成并联电抗，在减小等效阻抗的同时，可以避免电抗切出切入造成的暂态冲击。以电压跌落至50％额定值时所需要的电抗大小为并联电抗的等效大小。即
式中
为故障初始时刻的转子暂态电动势瞬时值，N为定转子匝数比，s取值为0.2，h取值为0.5。同时RSC采用无功输出为主的功率协调控制策略。切换时间根据电压跌落深度及切换后等效电抗的大小确定。其中切换时刻的确定是将并联电抗的等效阻值带入故障发生后转子暂态表达式，当转子暂态电动势衰减至安全阈值内的时刻即为切换至模式二的时刻。
3)监测到电网电压恢复正常时，RSC立即切换至矢量控制模式，并在延迟100ms后切除定子串联电抗。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
针对现有低电压穿越方式在抑制转子过电流和提高机组无功输出之间存在的冲突问题，本发明提出了基于定子串联多级动态阻抗的低电压穿越方案，给出了动态阻抗的取值整定方法，并结合以相应的转子变流器控制策略以达到优化故障期间机组无功输出的目的，本发明达到以下有益效果：
1)实现了对转子变流器的保护。在故障初期从抑制转子暂态电动势，保证转子变流器对转子电流的可控力出发给出定子串联动态阻抗的初始阻值大小，有效抑制转子过电流，降低转子电流幅值。
2)能够向电力系统提供充足的无功支撑。本发明在电网故障期间双馈风机转子变流器无需闭锁，能够控制风机主动的向电网提供无功支撑。同时在考虑不同电压跌落深度对机组低电压穿越能力的影响，根据电压跌落深度选择相应的阻抗串入系统，在故障过程中随着转子电动势衰减将大电抗切换至较小的电抗，提高了机组的无功输出能力。
3)减小了电抗切换及切除时造成的冲击。本发明直接由大电抗切换至并联电抗，大电抗无须切除，减小了大电抗切除造成的冲击。同时故障结束后切除的定子串联阻抗具有独立的耗能回路，切除阻抗所造成的冲击电流也较小，有利于风电机组的安全运行。
附图说明
图1为电抗投入示意图；
图2为基于定子串联多级动态阻抗的综合控制框图；
图3为实施例的DFIG并网图；
图4为不同穿越方案转子电流对比；
图5为不同穿越方案无功输出对比。
具体实施方式
本发明从抑制故障期间转子瞬态电动势角度出发，提出了一种基于定子串联多级阻抗的低电压穿越方案：当电网电压出现跌落时，以抑制转子电动势为目的，根据电压跌落深度选取相应的阻抗组合串入定子回路，并随着转子电动势的衰减，在保证转子电动势处于安全阈值的前提下减小定子串联等效电抗的值，同时RSC采用功率协调控制策略，在确保机组安全运行的基础上向电网提供充足的无功功率，并减小切除串联阻抗对机组造成的暂态冲击。具体方案如下：
1.多级阻抗的取值整定
1)大电抗的取值整定
大电抗的目的是抑制严重电网故障下转子暂态过电流，《风电并网技术规程》要求风力发电机组应具备电网电压跌落至20％额定值时保持连续不脱网运行625ms的能力，因此应保证当电压跌落至0.2pu(X1)时投入大电抗能够有效抑制转子暂态过电流不越限，以此来确定大电抗的值，即
式中
为转子暂态电动势幅值，Lm为互感，L's＝Ls+L1为串入大电抗后的定子电感，Ls1为大电抗，s为转差率，h为电压跌落深度，Us为稳态运行状态下的定子电压幅值，ω0为转差速度，ωr为转子旋转速度，λ为安全裕度系数，urmax为转子变流器最大控制电压。将s＝-0.2，h＝0.2带入式(1)，可得定子串联大电抗Ls1的值约为1.65Lm。
大电抗的串入可以有效抑制转子暂态电动势和转子过电流，但同时还存在一定的弊端。双馈异步风力发电机的定子有功无功功率可表示为：
式中Ps、Qs分别为定子有功功率和无功功率；Us为定子电压幅值，ird、irq分别为转子电流d、q轴分量。由式可知，定子有功无功功率仅由变量ird、irq决定。当转子电流的ird、irq不变，采用定子串联电抗的低电压穿越方式时，定子电感的增大会削弱机组的功率控制能力，当向电网输送等量的无功功率时，转子侧变流器需要提供更大的转子电流，由于受变流器容量的影响，在定子电抗投入期间无法充分发挥机组的无功输出能力，不利于电网电压的恢复。同时因为较大的定子电感的存在，会使定子磁链的欠阻尼状态加剧，进一步减缓定子磁链的衰减速度，不利于故障过程中定子磁链的恢复。此外，所串入的电感在故障期间所存储的能量在切除时馈出，所串入电抗越大切除时造成的冲击越大，会再次引起机组震荡，威胁变流器的安全。
2)并联电抗的取值整定
针对不同电压跌落深度下转子暂态电动势的差异，当电网电压跌幅较小时，投入大电抗可以有效地将转子暂态电动势减小到可控范围内，但机组的无功输出能力也受到了一定的削弱，无法向电力系统提供必要的无功支撑，因此小电抗的存在是十分必要的。本文以电网电压跌落至0.5pu(X2)时，抑制转子暂态电动势在安全阈值内来确定并联电抗的等效阻值，将s＝-0.2，h＝0.5带入式(1)，可得并联电抗的等效阻抗约为0.855Lm，则电抗Ls2的值约为1.77Lm。
3)定子串联电阻的取值整定
由于双馈风机中定子电阻远小于定子电感，当出现电压跌落时，定子磁链和转子电动势中的暂态直流分量衰减缓慢，将导致较长时间的RSC闭锁，失去励磁控制作用，采用定子串联电抗的方法将进一步延缓定子磁链的衰减速度，通过定子串联电阻可以有效地加快衰减速度，同时定子串联电阻的存在，为电抗切出后的能量馈出提供了耗能回路，减小了切除电抗对机组造成的冲击。根据我国的风电并网低电压穿越要求规定，以定子直流磁链在625ms内衰减完毕为基准，确定定子串联电阻的值，此时定子时间常数约为156.25ms，为保证衰减速度，以大电抗参与计算，则由L's/(Rs+Rss)≈0.156ms进行估算，得到需要串入的电阻值Rss≈0.045Ω。随着电网电压恢复过程中大电抗向小电抗的切换，定子时间常数将逐渐减小，最终的衰减时间将小于预期的625ms。
2.电抗切换时刻整定
由于小阻值电抗抑制过电流的能力弱，大电抗到小阻值电抗的切换应在保证切换过程中振荡电流及切换后的转子电流不越限的前提下进行。大小电抗取值是由受电压跌落程度影响的转子电动势决定的，因此本文以转子暂态电动势为切入点确定电抗的切换时刻。
考虑故障期间并网点电压攀升幅度较小，即假设故障期间并网点电压不变，忽略转子转速以及定子时间常数的变化，为了保证切换后转子电流的励磁控制作用，只需确保切换后转子电动势不越限。以电压跌落至0.2pu为例，将串入电抗Ls2后的并联电抗的值带入式(1)，由于转子电动势是逐步衰减的只需满足
式中s＝-0.2,h＝0.2，Ls'＝Ls+Ls1，则t1即为电压跌落至0.2pu情况下大电抗向小电抗的切换时刻。由于该整定方法受电压初始跌落程度影响较大，仅以X1、X2作为参考点计算电抗的切换时刻导致方案的准确性较差，为了增强方案的准确性，在进行切换时刻整定计算时，进一步细分跌落区间，以额定电压的10％作为区间长度，如当0.3≤h＜0.4时，以h＝0.3进行计算。具体的电抗切换时间如表1所示(以额定风速为准)。
综合考虑故障期间并网点电压的攀升以及定子串联电阻对定子磁链时间常数的影响，为增强方案的可靠性，保证电抗切换过后转子电流不越限，在电抗切换过程时，当达到相应切换时刻时，延时30ms再进行开关动作。电抗的投入选择如图1所示。
3.软硬件结合的综合穿越策略设计
定子串联多级阻抗是一种主动低电压穿越方法，故障期间不需要闭锁RSC，因此可以通过改进RSC的控制策略，提高机组低电压穿越性能。根据我国风电并网低电压穿越要求，风电机组应在不脱网运行的前提下，为故障电网提供无功电流支持帮助电网电压恢复，RSC的控制方式将以此为依据。
为进一步提高故障期间双馈风机的无功输出能力，当定子串联多级阻抗投入使用时，宜将RSC控制策略由传统矢量控制切换至无功输出为主的功率协调控制策略。
根据LVRT期间无功电流输出的要求，定子电流q轴分量应满足
isq＝1.5(0.9-Us) (4)
同时定子侧输出无功功率又可表示为
联立式(2)、式(4)和式(5)可得转子电流的无功分量参考值为
4.定子串联多级动态阻抗的低电压穿越综合策略
综上，本发明提出的基于定子串联多级动态阻抗的双馈风机低电压穿越综合控制策略的控制框图如图3所示，具体步骤如下：
1)检测到电网电压跌落时，根据电压跌落水平确定相应的运行模式；
2)根据初始电压跌落深度确定电抗的切换时刻，当达到相应的切换条件时，进行相应的电抗切换。
3)当电网电压恢复至正常水平时RSC立即恢复至传统矢量控制，恢复有功功率指令，并延时50ms切除阻抗。
某含DFIG风电场的单机无穷大系统如图3所示，设置0.5s时刻并网点电压出现三相对称跌落，跌落至0.2pu，625ms后电压恢复正常。本文对所提方案(方案一)进行仿真，并与文献[14]中采用定子串联阻抗方案(方案二)进行仿真对比分析。
由图4可以看出，两种穿越方案在故障初期都可以有效抑制转子过电流幅值在安全阈值2.0pu内。但从故障结束后阻抗切除造成的冲击电流角度分析，定子串联电抗的方案中切除阻抗造成的冲击电流可达2.26pu，严重威胁到机组的安全运行，这是由于故障过程中电抗存储的能量会在切除时馈出，对机组造成冲击，且电抗越大造成的冲击电流越大。而本发明所提出的方案中阻抗具有独立的耗能回路，当阻抗切除后，电阻能够快速消耗电抗中的能量，由此减小切除阻抗造成的冲击。由图5可以看出，定子串联阻抗方案中故障期间机组的无功输出抑制处于较低水平，这是由于较大电抗的存在抑制了机组的无功输出能力。本发明所提方案通过在故障过程中根据预先设定的时间将大电抗切换至等效阻值较小的并联电抗，减小了定子串联电抗对机组无功输出的抑制作用，能够为故障电网提供足够的无功支撑力，有利于帮助故障电网的恢复。
Claims (4)
1.一种基于定子串联多级阻抗的双馈风机低电压穿越方法，其特征在于，包括：
1)当检测到电网电压出现大幅度跌落时，选择模式一进行控制，控制模式一为投入定子电阻Rss和大电抗Ls1，同时RSC采用无功输出为主的功率协调控制策略，其中大电抗Ls1的取值应满足可将转子暂态电动势抑制在可控范围内，即
式中N为定转子匝数比，Lm为互感，Us为定子稳态电压模值，h＝0.2为电压跌落程度；0＜h＜1；，为定子时间常数，Ls'为串入电抗后的定子电感，s＝-0.2为转差率，
为转子变流器最大可控电压，λ为安全裕度系数；
2)当达到预先设定的切换时刻，或电压跌落幅度较小时采用模式二控制模式，模式二为投入定子串联电阻Rss加等效阻抗较小的并联电抗Lsp，其中并联电抗的取值以额定电压跌落至0.5pu时保证转子暂态电动势不越限进行取值，从而确定与电抗Ls1并联的电抗Ls2的大小，即
式中
为故障初始时刻的转子暂态电动势瞬时值；
3)监测到电网电压恢复至正常值时，RSC立刻切换至矢量控制模式，并延迟50ms切除阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种基于定子串联多级阻抗的双馈风机低电压穿越方法，其特征在于，所述定子时间常数为156.25ms，定子串联电阻的大小由τ's＝Ls'/Rs'(Rs'＝Rs+Rss)计算得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于定子串联多级阻抗的双馈风机低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤2)中，切换时刻的确定是将并联电抗的等效阻值带入故障发生后转子暂态表达式，当转子暂态电动势衰减至安全阈值内的时刻即为切换至模式二的时刻。
4.根据权利要求1所述的一种基于定子串联多级阻抗的双馈风机低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤2)中，s取值为0.2，h取值为0.5。
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| CN202010819705.1A CN111953019A (zh) | 2020-08-14 | 2020-08-14 | 一种基于定子串联多级动态阻抗的低电压穿越控制方法 |
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