CN112910019A - 一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法及系统 - Google Patents

一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法及系统，包括：获取双馈风力发电机转子的三相电流，对三相电流经坐标变换后得到直流分量；根据动态电压指令值得到d轴电流指令值；基于最大风能追踪控制的有功指令值得到q轴电流指令值；对直流分量、d轴电流指令值和q轴电流指令值通过电流环调节得到调制信号，根据调制信号生成转子侧变换器开关管的驱动信号，以此控制双馈风力发电机的故障电压穿越。能够动态改变控制电压指令值以实现风电机组与电网之间的无功交换，并提高双馈异步风力发电机DFIG的高、低电压的故障穿越能力。

Description

一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电机变换器控制技术领域，特别是涉及一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，随着风电在电网中所占比例的持续增加，风电装机容量已经达到较高水平，若风电机组还不具备一定的电网故障抵御能力，在电网电压故障时仍采取被动的保护式解列，则会增加整个系统的故障恢复难度，甚至可能恶化电网安全稳定性，最终引起连锁反应并导致系统崩溃，所以必须采取有效的穿越控制措施以维护电网稳定，因此研究双馈风力发电机故障穿越控制方法变得尤为必要。
目前，国内外针对双馈风力发电系统故障电压穿越的技术方法主要分为两类，即增加硬件设备和改进控制策略。例如，文献《基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越控制策略》中提出了一种利用动态电压调节器(DVR)辅助风电机组实现电网电压跌落时的穿越控制方案，将DVR串联接入风电机组机端和电网公共连接点之间；电网电压正常时通过静态开关柜将其旁路，电网电压发生跌落时利用反压技术进行快速投切以使风电机组机端电压维持正常。这种增加硬件设备的方法虽能提高风电机组的并网运行能力，但却增加了风电系统的经济成本，同时也使得硬件设备与系统之间的协调控制变得更为复杂。
再如，一种新能源机组高电压穿越方法及系统中提出一种能够实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越方法，该发明可根据过电压不同深浅程度，自动切换控制模式，并自动选择是否投运集中式SVG。此高电压穿越方法虽能满足电压升高过程中风电并网导则对机组高电压穿越能力的要求，但实现却较为繁琐，需要依据计算出的过电压判据进行控制模式上的切换。
发明人认为，上述方案针对风电机组故障穿越提出了不同的解决方案，但均具有一定的局限性，即只能实现单一的故障穿越，无法同时实现高、低电压穿越两种目标，做到电网电压骤升与跌落时控制策略上的统一，同时实现较为复杂，或需要与电网进行协调控制，或需要进行控制模式切换，且经济成本更高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法及系统，能够动态改变控制电压指令值以实现风电机组与电网之间的无功交换，并提高双馈异步风力发电机DFIG的高、低电压的故障穿越能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，包括：
获取双馈风力发电机转子的三相电流，对三相电流经坐标变换后得到直流分量；
根据动态电压指令值得到d轴电流指令值；
基于最大风能追踪控制的有功指令值得到q轴电流指令值；
对直流分量、d轴电流指令值和q轴电流指令值通过电流环调节得到调制信号，根据调制信号生成转子侧变换器开关管的驱动信号，以此控制双馈风力发电机的故障电压穿越。
第二方面，本发明提供一种双馈风力发电机故障电压穿越控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为获取双馈风力发电机转子的三相电流，对三相电流经坐标变换后得到直流分量；
第一指令处理模块，被配置为根据动态电压指令值得到d轴电流指令值；
第二指令处理模块，被配置为基于最大风能追踪控制的有功指令值得到q轴电流指令值；
控制模块，被配置为对直流分量、d轴电流指令值和q轴电流指令值通过电流环调节得到调制信号，根据调制信号生成转子侧变换器开关管的驱动信号，以此控制双馈风力发电机的故障电压穿越。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所提出控制方法通过缩短时间尺度，利用稳态关系处理暂态过程得到动态电压指令值，根据动态电压指令值计算得到电流环d轴指令值；通过有功指令值与反馈功率值做差比较后，经过PI调节得到q轴指令值，以此实现电网电压故障时对风电机组机端电压及功率的有效控制，使风电机组向电网提供无功支撑，降低电网电压骤升或跌落时带来的瞬态及稳态影响，提高故障穿越能力。
本发明利用稳态变化量关系处理暂态数值，由于变化量可以双向变化，故本发明的控制方法对负增长的电压跌落和正增长的电压骤升都将产生积极作用，有效提高风电机组对电网的适应性，较现有单一且成熟的低电压或高电压穿越控制方法能够做到高低电压穿越控制上的统一。
本发明考虑定子磁链的动态变化过程，能够有效抑制电压骤升或跌落时的瞬时过电压，加快磁链的振荡衰减速度，迅速到达新稳态。
本发明考虑并网导则要求，能够在电网电压发生故障期间使风电机组向故障电网提供无功功率支持，以降低故障过程中带来的稳态影响，协助电网电压恢复。
本发明无需增加硬件设备或进行控制模式切换，节约经济成本，分析方法直观简洁，降低控制系统的复杂程度。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的双馈异步风力发电系统示意图；
图2为本发明实施例1提供的整体控制结构框图；
图3为本发明实施例1提供的转子电流闭环控制框图；
图4为说明本发明实施例1提供所用传统矢量控制策略下定子电压幅值波形图；
图5为说明本发明实施例1提供所用定子电压幅值稳态变化量与磁链幅值稳态变化量间关系图；
图6(a)-6(b)为本发明实施例1提供电网电压骤升至1.3倍高电压时，双馈异步风力发电机机端电压及定子磁链的仿真波形图；
图7(a)-7(b)为本发明实施例1提供电网电压跌落至0.7倍低电压时，双馈异步风力发电机机端电压及定子磁链的仿真波形图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，如图1所示，双馈异步风力发电机的定子直接与电网相连，转子通过背靠背三相两电平电压型变换器与电网相连，按其位置分为网侧变换器(GSC)与转子侧变换器(RSC)；利用转子侧变换器实现双馈异步风力发电机的功率控制，并在故障穿越过程中提供无功支撑。如图2所示，具体包括：
S1：获取双馈风力发电机转子的三相电流，对三相电流经坐标变换后得到直流分量ird与irq；
S2：根据动态电压指令值得到d轴电流指令值
Figure BDA0002907591240000061
S3：基于最大风能追踪控制的有功指令值得到q轴电流指令值
Figure BDA0002907591240000062
S4：对直流分量ird与irq、d轴电流指令值
Figure BDA0002907591240000063
和q轴电流指令值
Figure BDA0002907591240000064
通过电流环调节得到调制信号
Figure BDA0002907591240000065
与
Figure BDA0002907591240000066
根据调制信号生成转子侧变换器开关管的驱动信号，以此控制双馈风力发电机的故障电压穿越。
本实施例根据定子磁链定向(SFO)矢量控制实现有功与无功分量的解耦控制，具体地，将同步旋转坐标系的d轴定向于定子磁链矢量ψs，通过控制转子电流d轴分量ird以控制DFIG与电网间交换的无功功率，通过控制q轴分量irq以控制DFIG定子向电网输出的有功功率；根据直流分量ird与irq分别与计算得到的电流指令值
Figure BDA0002907591240000067
进行比较，得到误差后通过电流环得到调制信号
Figure BDA0002907591240000068
与
Figure BDA0002907591240000069
该调制信号用于生成转子侧变换器开关管的驱动信号；如图3所示。
在所述定子磁链定向(SFO)矢量控制中，忽略定子磁链变化及定子电阻Rs，且考虑到理想条件下风电机组可运行于单位功率因数，可计算得到电流指令值
Figure BDA00029075912400000610
具体为：
S2-1：已知双馈异步发电机定子电压、磁链方程为：
Figure BDA0002907591240000071
其中，usd、usq为定子电压d、q轴分量；ψsd、ψsq为定子磁链d、q轴分量；ird、irq为转子电流d、q轴分量；Rs为定子电阻；Ls为定子绕组自感；Lm为定转子绕组间互感；ω1为对应电网额定频率的同步转速。
S2-2：在理想条件下，选择定子磁链定向(SFO)矢量控制，忽略定子磁链变化变化，同时由于DFIG定子侧频率为工频，定子电阻远小于定子绕组电抗，故可以忽略定子电阻Rs，双馈异步发电机定子电压、磁链方程转换为：
Figure BDA0002907591240000072
式中，Us、ψs分别为定子电压矢量幅值与定子磁链矢量幅值；基于瞬时功率理论并考虑SFO则有：Qs＝Usisd，Qs为定子输出无功功率。
因此，通过上述方程得到d轴电流指令值
Figure BDA0002907591240000073
为：
Figure BDA0002907591240000074
其中，
Figure BDA0002907591240000075
为动态电压指令值，
Figure BDA0002907591240000076
为无功指令值；
由于在理想条件下，风电机组可运行于单位功率因数，故令
Figure BDA0002907591240000077
则电流指令值
Figure BDA0002907591240000078
为：
Figure BDA0002907591240000079
式中，
Figure BDA0002907591240000081
为动态电压指令值；Lm为定、转子绕组间的互感；ω1为对应电网额定频率的同步转速。
S2-3：另外，在考虑故障条件下定子磁链的动态变化过程，本实施例给出动态电压指令值
Figure BDA0002907591240000082
不论什么坐标下，稳态时定子电压矢量幅值与定子磁链矢量幅值近似存在以下关系：
Us(t)＝ω1·ψs(t)
则，对应的电压幅值稳态变化量ΔUs和磁链幅值稳态变化量Δψs间的关系为：
ΔUs＝ω1·Δψs
该式说明ΔUs与Δψs成正比，在一定程度上磁链的变化趋势能够反映出电压的变化趋势，即如果减少磁链变化量，电压变化量也将相应减小。
因此，定子电压的动态指令值为：
Figure BDA0002907591240000083
其中，Uref为DFIG所接电网处额定电压的参考值，Δψs(t)为时间间隔Δt前、后两时刻对应磁链幅值的变化量。
S2-4：最后，测出瞬时定子磁链幅值ψs，并选择合适的时间窗口Δt，利用一阶惯性环节近似得到Δψs(t)，实现动态电压指令值的输出，即：
Figure BDA0002907591240000084
其中，ψs(t)与ψs(t-Δt)分别指某一时间间隔Δt前、后两时刻的磁链幅值。
本实施例以电网电压发生三相对称骤升为例进行说明。如图4所示，为采用传统矢量控制方法下定子电压幅值随时间变化的波形图，定子磁链也具有相似变化。
设故障发生时间为t0，将暂态过渡时间Δt0作为一个时间尺度(窗口)，其与波形的两个交点A、B分别故障前、后两个稳态点，且A、B对应的电压-磁链稳态变化量间的关系近似满足式ΔUs＝ω1·Δψs；
类比数学中的极限划分思想，缩短时间尺度，将Δt0用一个随时间变化而不断向前移动的小时间窗口Δt代替，且令该时间窗口Δt与曲线的两个交点A'和B'也满足ΔUs＝ω1·Δψs，人为用稳态关系去近似处理暂态数值；又因A'、B'为动点，故将式ΔUs＝ω1·Δψs中的电压及磁链稳态变化量改写为与时间有关的量，得到ΔUs(t)＝ω1·Δψs(t)。
由图4和图5可以看出，随着小时间窗口Δt前移，其对应的电压变化量ΔUs(t)将随着磁链变化量Δψs(t)而逐渐趋于0，系统将在较短的时间间隔内到达新稳态。这种在小时间窗口Δt内利用稳态关系去处理暂态数值的思想，将加快磁链的动态衰减过程，使故障发生后的电压在较短的时间内就到达新稳态，且因变化量ΔU、Δψs均可做双向变化，故本实施例提出的控制方法将不限于举例说明中的高电压穿越，对低电压穿越同样具有积极作用。
所述步骤S3中，基于最大风能追踪控制得到有功指令值
Figure BDA0002907591240000091
将有功指令值
Figure BDA0002907591240000092
与测得的瞬时功率反馈值Ps进行比较，通过PI调节得到q轴电流指令值
Figure BDA0002907591240000093
具体包括：
基于瞬时功率理论，并考虑定子磁链定向，得到定子输出有功功率与转子q轴电流分量间的关系，如下：
Figure BDA0002907591240000094
该式说明控制转子电流q轴分量就可以控制DFIG向电网输出的有功功率，通过有功功率闭环可以得到q轴电流指令值
Figure BDA0002907591240000101
Figure BDA0002907591240000102
式中，kPI为功率控制器的比例积分系数，
Figure BDA0002907591240000103
为基于最大风能追踪得到的有功功率指令值，Ps为测得的瞬时功率反馈值。
所述步骤S4中，将变换后的直流分量ird、irq分别与电流指令值
Figure BDA0002907591240000104
进行做差比较，得到误差后通过电流环得到调制信号
Figure BDA0002907591240000105
与
Figure BDA0002907591240000106
该调制信号用于生成转子侧变换器开关管的驱动信号以实现电网电压故障时风力发电机的故障穿越。
综上所述，本实施例所提出控制方法的整体结构，通过缩短时间尺度，利用定子电压幅值变化量和磁链幅值变化量间的稳态关系处理暂态过程得到动态电压指令值
Figure BDA0002907591240000107
无需电压反馈值的参与，然后计算得到电流环d轴指令值
Figure BDA0002907591240000108
通过有功指令值
Figure BDA0002907591240000109
与反馈值Ps做差比较后，经过PI调节得到q轴指令值
Figure BDA00029075912400001010
实现电网电压故障时对风电机组机端电压及功率的有效控制，使风电机组向电网提供无功支撑，降低电网电压骤升或跌落时带来的瞬态及稳态影响，提高故障穿越能力。
本实施例基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建风力发电系统仿真模型，其中DFIG定子额定线电压为575V；如图6(a)-(b)和图7(a)-(b)分别为电网25kV处对称骤升至1.3倍高电压和跌落至0.7倍低电压时，机端电压幅值V-575及定子磁链幅值flux的仿真结果。
可以看出，在故障发生及切除时刻，本实施例所提出控制方法对比传统的无功-电流双闭环或电压-电流双闭环控制方法，能够有效抑制电压波动，加快定子磁链的振荡衰减速度，使定子电压迅速过渡到新稳态，且风电机组能够向电网提供无功支撑，降低DFIG机端电压骤升或跌落程度，使机端电压仅骤升至1.15倍的高电压或跌落至0.8倍的低电压。
实施例2
本实施例提供一种双馈风力发电机故障电压穿越控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为获取双馈风力发电机转子的三相电流，对三相电流经坐标变换后得到直流分量；
第一指令处理模块，被配置为根据动态电压指令值得到d轴电流指令值；
第二指令处理模块，被配置为基于最大风能追踪控制的有功指令值得到q轴电流指令值；
控制模块，被配置为对直流分量、d轴电流指令值和q轴电流指令值通过电流环调节得到调制信号，根据调制信号生成转子侧变换器开关管的驱动信号，以此控制双馈风力发电机的故障电压穿越。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤S1至S6，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，其特征在于，包括：
获取双馈风力发电机转子的三相电流，对三相电流经坐标变换后得到直流分量；
根据动态电压指令值得到d轴电流指令值；
基于最大风能追踪控制的有功指令值得到q轴电流指令值；
对直流分量、d轴电流指令值和q轴电流指令值通过电流环调节得到调制信号，根据调制信号生成转子侧变换器开关管的驱动信号，以此控制双馈风力发电机的故障电压穿越。
2.如权利要求1所述的一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，其特征在于，根据定子磁链定向矢量控制方法进行有功与无功分量的解耦控制，通过控制坐标变换后的d轴直流分量控制双馈风力发电机与电网间的无功功率，通过控制坐标变换后的q轴直流分量控制双馈风力发电机定子向电网输出的有功功率。
3.如权利要求1所述的一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，其特征在于，在理想条件下计算d轴电流指令值，忽略定子磁链变化及定子电阻，d轴电流指令值为：
Figure FDA0002907591230000011
其中，
Figure FDA0002907591230000012
为动态电压指令值；Lm为定子绕组与转子绕组间的互感；ω1为对应电网额定频率的同步转速。
4.如权利要求1所述的一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，其特征在于，考虑故障条件下磁链的动态变化，根据定子电压及定子磁链稳态变化量间的关系得到动态电压指令值为
Figure FDA0002907591230000013
其中，Uref为双馈风力发电机所接电网处额定电压的参考值，ω1为对应电网额定频率的同步转速，Δψs(t)为时间间隔Δt前、后两时刻对应磁链幅值的变化量。
5.如权利要求4所述的一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，其特征在于，根据瞬时定子磁链幅值和时间窗口，利用一阶惯性环节得到Δψs(t)。
6.如权利要求1所述的一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，其特征在于，基于最大风能追踪控制得到有功指令值，将有功指令值与瞬时功率反馈值进行比较，根据比较结果通过PI调节得到q轴电流指令值。
7.如权利要求1所述的一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法，其特征在于，将直流分量分别与d轴电流指令值和q轴电流指令值进行做差比较，得到比较结果后通过电流环调节得到调制信号。
8.一种双馈风力发电机故障电压穿越控制系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，被配置为获取双馈风力发电机转子的三相电流，对三相电流经坐标变换后得到直流分量；
第一指令处理模块，被配置为根据动态电压指令值得到d轴电流指令值；
第二指令处理模块，被配置为基于最大风能追踪控制的有功指令值得到q轴电流指令值；
控制模块，被配置为对直流分量、d轴电流指令值和q轴电流指令值通过电流环调节得到调制信号，根据调制信号生成转子侧变换器开关管的驱动信号，以此控制双馈风力发电机的故障电压穿越。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
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