CN112751358A - 双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法 - Google Patents

Abstract

双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，属于电力系统仿真建模技术领域。本发明为了解决传统双馈型风电机组的控制器建模方法无法适应多样化动态响应特性的模拟问题。本发明所述的双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，通过对风电机组转子侧变换器控制器和网侧变换器控制器，在对称和不对称故障情况下，正序有功电流和无功电流参考值的灵活计算和设置，实现了对实际机组多样化动态响应特性的模拟和跟踪。适用于双馈型风电机组通用故障穿越控制。

Description

双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法

技术领域

本发明涉及一种双馈型风电机组的通用故障穿越控制器建模方法，属于电力系统仿真建模技术领域。

背景技术

目前，双馈型风电机组的通用故障穿越控制存在以下问题：

一方面，双馈型风电机组在故障穿越情况下的建模研究多针对某一机组和特定工况，无法满足国内风电场多个厂家、多种型号，多样工况的模拟需求。

另一方面，模型的验证多采用仿真结果或小型样机，与实际在运机组动态特性的吻合度有待验证。

发明内容

本发明为了解决传统双馈型风电机组的控制器建模方法无法适应多样化动态响应特性的模拟问题，提出了双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法。

双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，所述方法包括以下步骤：

在对称和不对称故障情况下，转子侧变换器的控制器电流指令通用赋值方式如式(1)所示：

式中，

为有功电流的控制器指令值，

为无功电流的控制器指令值，u_s为电网电压，I_n为额定电流，i_{rd_normal}为故障前有功电流，I_max为最大电流，

分别为转子侧负序有功电流和无功电流的指令值，

分别为转子侧正序有功电流和无功电流电流，

分别为定子侧负序电压的d、q轴分量，

分别为定子侧正序电压的d、q轴分量，ω₁为电网同步角速度，L_m为双馈风机励磁电感，k₁、k₂、k₃为转子侧变换器控制目标自适应参数；

建立双馈型风电机组模型，按照式(1)设置转子侧变换器控制器的指令；通过调节k₁，k₂，k₃实现故障穿越控制的多样化控制目标，进而实现对实际机组多样化动态特性的模拟。

进一步地，转子侧变换器控制目标自适应参数k₁∈[-2,0]，k₂∈[0,1]，k₃∈[0,2]。

进一步地，所述的双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，还包括以下步骤：

在对称和不对称故障情况下，网侧变换器的控制器电流指令通用赋值方式，如式(2)所示：

式中，

分别为网侧正序有功电流和无功电流的指令值，

分别为定子侧负序有功电流和无功电流，

分别为定子正序电压的d、q轴分量，

分别定子负序电压的d、q轴分量，P_ssin2、P_scos2分别为定子有功功率的二倍频波动量，P_g0为网侧有功功率的基波分量，

分别为网侧负序有功电流和无功电流的指令值，

分别为网侧正序有功电流和无功电流，

分别为转子侧正序有功电流和无功电流，

分别为转子侧负序有功电流和无功电流，L_s为定子电感，k₄、k₅、k₆为网侧控制目标自适应参数；

在建立双馈型风电机组模型，按照式(1)设置转子侧变换器控制器的指令的同时，还按照式(2)设置网侧变换器控制器的指令；通过调节k₄，k₅和k₆实现故障穿越控制的多样化控制目标，进而实现对实际机组多样化动态特性的模拟。

进一步地，网侧控制目标自适应参数k₄∈[-1,0]，k₅∈[-1,1]，k₆∈[-1,0]。

有益效果：

本发明提出了双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，解决了传统双馈型风电机组的控制器指令设计无法适应实际机组多样化动态响应特性的问题，通过对风电机组转子侧变换器控制器和网侧变换器控制器，在对称和不对称故障情况下，正序有功电流和无功电流指令值的灵活计算和设置，实现了对实际机组多样化动态响应特性的模拟和跟踪。

附图说明

图1为流程图；

图2为基于Matlab建立的双馈型风电机组模型示意图；

图3为某实际机组的故障穿越测试结果；

图4为某实际机组故障穿越测试结果和仿真结果的对比图。

具体实施方式

本发明通过对双馈型风电机组的运行机理研究，梳理出了其双馈型风电机组在故障穿越情况下的多样化控制目标，提出了转子侧和网侧变换器控制器指令不同控制目标的通用赋值方法，形成了双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，并采用国内典型机组的实际故障穿越测试数据进行了模型验证。结果表明，所提出的通用故障穿越控制器建模方法可以适应实际双馈型风电机组，在对称和不对称故障情况下多样化动态响应特性的模拟需求。

具体实施方式一：结合附图1说明本实施方式，

本实施方式所述的双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，包括以下步骤：

步骤一、根据我国现行的风电并网标准，在对称和不对称故障情况下，转子侧变换器的控制器正序电流指令给定方式为：优先无功电流注入支撑电网电压，剩余电流与稳态电流取小后发出有功功率，如式(3)所示：

式中，

为有功电流的控制器指令值，

为无功电流的控制器指令值，u_s为电网电压，I_n为额定电流，i_{rd_normal}为故障前有功电流，I_max为最大电流。

在对称故障情况下，不存在负序电流，转子侧变换器的控制器负序电流指令为0。在不对称故障情况下，转子侧变换器的控制器负序电流指令给定有多重方式，包括：定子输出有功功率二倍频波动为零、转子负序电流为零、定子负序电流为零、电磁转矩二倍频波动为零、以及以上四种控制策略的不同程度的组合与折衷。本发明通过式(4)的通用赋值方法，调节k₁、k₂、k₃，实现转子侧变换器多样化控制目标的模拟。

式中，

为有功电流的控制器指令值，

为无功电流的控制器指令值，u_s为电网电压，I_n为额定电流，i_{rd_normal}为故障前有功电流，I_max为最大电流，

分别为转子侧负序有功电流和无功电流的指令值，

分别为转子侧正序有功电流和无功电流电流，

分别为定子侧负序电压的d、q轴分量，

分别为定子侧正序电压的d、q轴分量，ω₁为电网同步角速度，L_m为双馈风机励磁电感，k₁、k₂、k₃为转子侧变换器控制目标自适应参数，取值范围为k₁∈[-2,0]，k₂∈[0,1]，k₃∈[0,2]。

①当k₁＝-2，k₂＝-1，k₃＝2时，实现定子输出有功功率二倍频波动零的控制策略；②当k₁＝k₂＝k₃＝0时，实现转子负序电流为零的控制策略；③当k₁＝-1，k₂＝0，k₃＝1时，实现定子负序电流为零的控制策略；④当k₁＝0，k₂＝1，k₃＝0时，实现电磁转矩二倍频波动为零的控制策略，如表1所示。

表1转子侧变换器多样化控制目标的实现方式

步骤二、类似地，在对称和不对称故障情况下，网侧变换器的控制器正序电流指令通用赋值方式，如式(5)所示：

式中，

分别为网侧正序有功电流和无功电流的指令值，

分别为定子侧负序有功电流和无功电流，

分别为定子正序电压的d、q轴分量，

分别定子负序电压的d、q轴分量，P_ssin2、P_scos2分别为定子有功功率的二倍频波动量，P_g0为网侧有功功率的基波分量。

对称故障情况下，不存在负序分量网侧变换器的控制器只需给定正序电流指令。不对称故障情况下，需计及负序分量的影响，通过合理设置k₄、k₅、k₆，实现网侧变换器的多样化控制目标。通过梳理发现，网侧变换器的控制目标包括：输出总有功功率二倍频波动为零、输出总无功功率二倍频波动为零、网侧负序电流为零、总输出电流负序电流为零的控制策略、以及这四种控制策略的不同程度的组合与折衷。欲实现以上五类控制目标，网侧变换器的控制器负序电流指令通用赋值方式，如式(6)所示：

式中，

分别为网侧负序有功电流和无功电流的指令值，

分别为网侧正序有功电流和无功电流，

分别为转子侧正序有功电流和无功电流，

分别为转子侧负序有功电流和无功电流，L_s为定子电感，k₄、k₅、k₆为网侧控制目标自适应参数，取值范围为k₄∈[-1,0]，k₅∈[-1,1]，k₆∈[-1,0]。

a.当k₄＝-1，k₅＝-1，k₆＝0时，实现输出总有功功率二倍频波动为零的控制策略；b.k₄＝0，k₅＝1，k₆＝0时，实现输出总无功功率二倍频波动为零的控制策略；c.当k₄＝0，k₅＝0，k₆＝0时，实现网侧负序电流为零的控制策略；d.当k₄＝0，k₅＝0，k₆＝-1时，实现总输出电流负序电流为零的控制策略，如表2所示。

表2网侧变换器多样化控制目标的实现方式

步骤三、基于Matlab建立双馈型风电机组模型如附图2所示，按照式(3)-(6)，设置转子侧、网侧变换器控制器的指令。通过k₁，k₂，k₃，k₄，k₅和k₆的灵活设置，实现双馈型风电机组故障穿越情况下的多样化控制目标，进而，实现对实际机组多样化动态特性的灵活模拟。

例如，将如附图3所示的实测数据进行正负序分离的处理后，可以得到并网点风机出口处的电压、电流和功率的值，代入式(7)中，运用穷举的方法对控制策略中的可调参数k₁-k₆值进行求解，结果如表3所示。按照表3的结果对k₁-k₆赋值，即可实现对附图3所示的机组实际动态响应特性的模拟。

式中，P_e0为电磁功率的基波分量标幺值；P_g0、P_s0分别为网侧和转子侧有功功率的基波分量标幺值；Q_g0、Q_s0分别为网侧和转子侧无功功率的基波分量标幺值；P_pos、Q_pos分别为有功和无功功率的基频正序分量标幺值。

表3控制变量最终计算结果

根据表3可以看出，附图3的响应特性对应的转子侧控制策略为定子输出有功功率二倍频为零和定子负序电流为零控制目标的折中控制；网侧控制策略为输出有功功率二倍频为零及负序电流为零的控制策略的折中控制。

步骤四、按照实际响应特性计算出的k₁～k₆对步骤三得到的双馈型风电机组仿真模型(附图2)转子侧、网侧变换器的控制器指令赋值，运行仿真。将仿真结果和机组的实际响应特性测试结果对比，如附图4所示。依据NB/T 31053-2015《风电机组电气仿真模型建模导则》进行误差分析，误差结果如表4所示。由表4可以看出，各阶段的误差均小于国标规定的偏差允许值，从而可以判定模型的有效性。

表4仿真模型误差值

综上，本发明提出了一种双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，实现了对实际机组多样化动态响应特性的模拟和跟踪。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在对称和不对称故障情况下，转子侧变换器的控制器电流指令通用赋值方式如式(1)所示：

式中，

为有功电流的控制器指令值，

为无功电流的控制器指令值，u_s为电网电压，I_n为额定电流，i_{rd_normal}为故障前有功电流，I_max为最大电流，

分别为转子侧负序有功电流和无功电流的指令值，

分别为转子侧正序有功电流和无功电流电流，

分别为定子侧负序电压的d、q轴分量，

分别为定子侧正序电压的d、q轴分量，ω₁为电网同步角速度，L_m为双馈风机励磁电感，k₁、k₂、k₃为转子侧变换器控制目标自适应参数；

建立双馈型风电机组模型，按照式(1)设置转子侧变换器控制器的指令；通过调节k₁，k₂，k₃实现故障穿越控制的多样化控制目标，进而实现对实际机组多样化动态特性的模拟。

2.根据权利要求1所述的双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，其特征在于，转子侧变换器控制目标自适应参数k₁∈[-2,0]，k₂∈[0,1]，k₃∈[0,2]。

3.根据权利要求1或2所述的双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

在对称和不对称故障情况下，网侧变换器的控制器电流指令通用赋值方式，如式(2)所示：

式中，

分别为网侧正序有功电流和无功电流的指令值，

分别为定子侧负序有功电流和无功电流，

分别为定子正序电压的d、q轴分量，

分别定子负序电压的d、q轴分量，P_ssin2、P_scos2分别为定子有功功率的二倍频波动量，P_g0为网侧有功功率的基波分量，

分别为网侧负序有功电流和无功电流的指令值，

分别为网侧正序有功电流和无功电流，

分别为转子侧正序有功电流和无功电流，

分别为转子侧负序有功电流和无功电流，L_s为定子电感，k₄、k₅、k₆为网侧控制目标自适应参数；

在建立双馈型风电机组模型，按照式(1)设置转子侧变换器控制器的指令的同时，还按照式(2)设置网侧变换器控制器的指令；通过调节k₄，k₅和k₆实现故障穿越控制的多样化控制目标，进而实现对实际机组多样化动态特性的模拟。

4.根据权利要求3所述的双馈型风电机组通用故障穿越控制器建模方法，其特征在于，网侧控制目标自适应参数k₄∈[-1,0]，k₅∈[-1,1]，k₆∈[-1,0]。

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