CN113555860A - 改进型桥式超导故障限流器及其阻值调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改进型桥式超导故障限流器及其阻值调节方法，涉及电力系统及自动化的技术领域，该改进型桥式超导故障限流器包括并联在超导体两端的绝缘栅双极型晶体管IGBT；该改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法包括：在目标相线发生故障，且目标相线上的改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态之后，检测目标风机在目标相线上的定子电压瞬时值是否超过定子电压额定值；当检测到定子电压瞬时值超过定子电压额定值时，根据定子电压瞬时值确定IGBT的占空比；根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值。本发明能够在故障稳定阶段防止定子电压过补偿，且扩大了改进型桥式超导故障限流器的适用范围。

Description

改进型桥式超导故障限流器及其阻值调节方法
技术领域
本发明涉及电力系统及自动化技术领域，尤其是涉及一种改进型桥式超导故障限流器及其阻值调节方法。
背景技术
随着高温超导技术的发展，超导故障限流器(Superconducting fault currentlimiter，SFCL)已经用于增强双馈感应风机(Doubly fed induction generator，DFIG)故障穿越能力。相比于在DFIG转子侧串联SFCL的设计方式，在DFIG出口侧或定子侧串联SFCL的设计方式不仅能限制故障电流，而且安装方便，能够提高定子电压。
然而，现有的超导故障限流器的阻值常根据最严重的故障设置，该设置方式存在以下弊端：在故障稳定阶段，由于SFCL的限流作用会引起故障的严重程度大幅度降低，因此在故障严重程度低的情况下，仍用根据最严重的故障设置的阻值，可能会造成定子电压过补偿现象，进而影响风机绕组的绝缘安全和DFIG的稳定运行，因此现有的超导故障限流器具有适用范围有限的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进型桥式超导故障限流器(Modified nonlinearBridge-type Superconducting Fault Current Limiter，MN-BSFCL)及其阻值调节方法，以缓解现有限流器存在的因其阻值常根据最严重故障设置导致的在故障稳定阶段易发生定子电压过补偿现象的技术问题。
第一方面，本发明提供的一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法，其中，改进型桥式超导故障限流器包括并联在超导体两端的绝缘栅双极型晶体管IGBT；方法包括：在目标相线发生故障，且所述目标相线上的所述改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态之后，检测目标风机在所述目标相线上的定子电压瞬时值是否超过定子电压额定值；其中，所述目标相线为三相线中的任一相线；所述目标风机为与所述改进型桥式超导故障限流器相连的风机；当检测到所述定子电压瞬时值超过所述定子电压额定值时，根据所述定子电压瞬时值确定所述IGBT的占空比；根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值。
进一步的，根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值，包括：获取所述超导体的失超阻值；根据所述超导体的失超阻值、所述IGBT的占空比以及预设的阻值调节公式，调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值；其中，所述预设的阻值调节公式为：
RMN-BSFCL＝(1-D)RSFCL-max
其中，RMN-BSFCL为所述改进型桥式超导故障限流器的阻值，RSFCL-max为所述超导体的失超阻值，D为所述IGBT的占空比。
进一步的，根据所述定子电压瞬时值确定所述IGBT的占空比，包括：将所述定子电压瞬时值延迟四分之一个工频周期，生成定子电压的正交分量；根据所述定子电压瞬时值和所述正交分量，得到定子电压的均方根值；根据预设的参考电压和所述定子电压的均方根值，生成所述IGBT的占空比。
进一步的，根据预设的参考电压和所述定子电压的均方根值，生成所述IGBT的占空比，包括：将所述预设的参考电压和所述定子电压的均方根值做差处理，得到电压偏差值；将所述电压偏差值输入至Fuzzy PI控制器，得到所述IGBT的占空比。
进一步的，所述Fuzzy PI控制器包括：求导模块、模糊逻辑模块和PI控制器；将所述电压偏差值输入至Fuzzy PI控制器，得到所述IGBT的占空比，包括：将所述电压偏差值输入至所述求导模块进行求导，得到电压偏差导数；将所述电压偏差值和所述电压偏差导数输入至模糊逻辑模块进行模糊逻辑处理，分别得到第一参数和第二参数；将所述第一参数确定为所述PI控制器的比例系数的修正量；将所述第二参数确定为所述PI控制器的积分系数的修正量；根据所述PI控制器的比例系数的修正量和所述PI控制器的积分系数的修正量，生成所述IGBT的占空比。
进一步的，在根据所述定子电压瞬时值确定所述IGBT的占空比之后，方法还包括：根据所述IGBT的占空比，利用脉宽调制技术产生所述IGBT的开关信号；根据所述IGBT的开关信号控制所述IGBT的开通和关断。
进一步的，在根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值之后，方法还包括：检测所述故障是否已移除；若所述故障已移除，则将所述IGBT的触发信号置1，以使所述IGBT保持处于开通状态；若所述故障未移除，则继续根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值。
进一步的，方法还包括：判断所述目标相线上公共连接点的电压是否低于临界电压值；若是，则确定所述目标相线发生故障；在确定所述目标相线发生故障之后，判断所述目标相线上的改进型桥式超导故障限流器的电流是否大于或等于临界电流值；若是，则确定所述改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态。
第二方面，本发明提供的一种改进型桥式超导故障限流器，其中，包括桥臂电路，超导体和IGBT，其中，所述桥臂电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；所述第一二极管和所述第二二极管共阴极连接，所述第三二极管和第四二极管共阳极连接，所述超导体的一端与第一中心点连接，所述超导体的另一端与第二中心点连接，所述IGBT与所述超导体并联连接；所述第一中心点为所述第一二极管和所述第二二极管共阴极位置处的中心点，所述第二中心点为所述第三二极管和所述第四二极管共阳极位置处的中心点。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现的所述的改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法的步骤。
本发明提供的一种改进型桥式超导故障限流器及其阻值调节方法，改进型桥式超导故障限流器包括并联在超导体两端的绝缘栅双极型晶体管IGBT；方法包括：在目标相线发生故障，且目标相线上的改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态之后，先检测目标风机在目标相线上的定子电压瞬时值是否超过定子电压额定值；其中，目标相线为三相线中的任一相线；目标风机为与改进型桥式超导故障限流器相连的风机；然后当检测到定子电压瞬时值超过定子电压额定值时，根据定子电压瞬时值确定IGBT的占空比；最后根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值。本发明通过在超导体两端并联IGBT这一模块的方式得到了改进型桥式超导故障限流器，通过对IGBT的占空比的控制能够实时调节改进型桥式超导故障限流器的阻值，进而在故障稳定阶段防止定子电压发生过补偿现象，且扩大了改进型桥式超导故障限流器的适用范围。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种改进型桥式超导故障限流器的结构示意图；
图2为改进型桥式超导故障限流器与双馈感应风机的位置示意图；
图3为本发明实施例提供的一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法的流程图；
图4为IGBT的控制环路；
图5为Fuzzy-PI控制器的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节装置的结构示意图。
图标：
11-第一检测单元；12-第一确定单元；13-调节单元。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为应对全球的传统能源短缺危机和气候变暖难题，采用风能发电已成为一种行之有效的方法。各能源消耗大国均制定了相应的风电装机容量目标。因此，风电新增装机容量增长率逐年攀升。我国在2020年的风电新增装机容量占据全球新增容量55.91％，排名第一。目前，全球风电总装机容量更是达到了743GW。然而，由于风能资源常地处偏僻，且风电场占地面积大，导致大规模风电场一般连接于电网末端。因此，电网故障率更高。由于现有主流机型之一的双馈感应风机其定子侧与电网相连，从而对电网的低电压故障具有敏感性。如果未装设相应的保护方案，那么双馈感应风机为了保护自身将不得不在故障发生瞬间脱网。大面积的风机停机将降低电力系统的稳定性，甚至引发更严重的电网故障。
随着高温超导技术的发展，超导故障限流器已经用于增强DFIG故障穿越能力。SFCL具有自触发，不依赖于控制算法，稳态运行且损耗小的优点。相比于在DFIG转子侧串联SFCL，在DFIG出口侧或定子侧串联SFCL不仅能限制故障电流，而且安装方便，能够提高定子端电压。然而，现有SFCL的阻值常根据最严重故障选取，因此串联在DFIG出口侧或定子侧的SFCL在故障稳定阶段和故障已移除阶段可能会造成定子电压过补偿，影响风机绕组的绝缘安全和DFIG的稳定运行。
现有SFCL部分采用桥式，因此现有桥式SFCL的阻值选取也是根据最严重的三相对称故障选取，且存在故障恢复过程，在故障稳定阶段和故障已移除阶段可能会导致定子电压出现过补偿现象，因此现有桥式SFCL可能不适用于故障期间和故障移除后的期间。
基于此，本发明的目的在于提供一种改进型桥式超导故障限流器及其阻值调节方法，可以通过改进电阻型桥式SFCL的结构，增加相应的控制环路，以及调节相应的SFCL阻值的方式，扩大了改进型桥式超导故障限流器的运行灵活性，增强了DFIG的故障全阶段穿越能力，同时不会引起定子电压过补偿。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种改进型桥式超导故障限流器进行详细描述。
实施例1：
图1为本发明实施例提供的一种改进型桥式超导故障限流器的结构示意图。如图1所示，该改进型桥式超导故障限流器MN-BSFCL可以包括：一个桥臂电路(或称为桥臂支路、桥式电路)，一个超导体(Superconductivity)和一个IGBT(或称为IGBT开关)，其中，桥臂电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；第一二极管D1和第二二极管D2共阴极连接，第三二极管D3和第四二极管D4共阳极连接，超导体的一端与第一中心点连接，超导体的另一端与第二中心点连接，IGBT与超导体并联连接；第一中心点为第一二极管D1和第二二极管D2共阴极位置处的中心点，第二中心点为第三二极管D3和第四二极管D4共阳极位置处的中心点。也就是说，超导体连接于第一二极管D1、第二二极管D2的共阴极点和第三二极管D3、第四二极管D4共阳极点之间，IGBT开关并联在超导体两端。超导体内的超导线圈为超导带绕制而成的非感应线圈，可以忽略其电感。超导体内部的交流损耗可以通过桥式电路降低。
上述超导体可以为串联电阻型超导体，且图1中的RSFCL为超导体的失超阻值。上述四个二极管可以均为整流二极管。本申请在现有的桥式电阻型超导故障限流器的结构的基础上，添加了并联在超导线圈两端的IGBT。因此在超导线圈两端添加IGBT是本申请的结构改进。上述改进型桥式超导故障限流器MN-BSFCL是一种用于增强双馈感应风机DFIG低电压穿越能力的改进型桥式超导故障限流器。如图2所示，该MN-BSFCL可以设置在双馈感应风机DFIG的出口侧。
下面对图2进行详细的分析：(1)母线1为单台风机的出口侧母线，公共连接点为风电场多台风机并联连接的母线，通常为35kV。(2)DFIG与母线1之间的并联电路上的4个元器件(RSC、Cdc、GSC和Lg)可以统称为双向电压源型功率变换器或背靠背电力电子变换器，其中，RSC为转子侧变流器，用于控制定子有功功率和无功功率，GSC为网侧变流器，用于控制直流电压和维持风机输出功率的功率因数。这两个变流器为背靠背形式连接，可以实现双馈感应风机变速恒频运行。另外，Lg为网侧变流器的滤波电感，主要是对网侧变流器交流侧输出电流进行滤波，Cdc为直流母线，其作用是为变流器正常运行提供稳定的直流电压。(3)改进桥式超导故障限流器，即上述改进型桥式超导故障限流器。该改进桥式超导故障限流器并不直接与电网相连，而是经过变压器以及输线电与电网间接相连。变压器和输电线是DFIG并网运行需要的电气设备，如690V/35kV变压器将风机出口的690V电压变换至35kV，其作用是减小功率损耗，而输电线的作用是：用于输送功率。
本实施例将电网整个故障阶段分为：无故障阶段、故障初期阶段、故障稳态阶段、故障已移除阶段(或称为故障恢复阶段)这四个阶段，而故障初期阶段和故障稳态阶段两个阶段可以统称为故障阶段。下面针对电网不同故障阶段，分别对改进型桥式超导故障限流器的工作流程做如下介绍：
(1)在正常情况下，电网无故障，双馈感应风机DFIG稳态运行，MN-BSFCL在超导态(或称为超导状态)下运行，此时，超导体呈现零电阻，阻抗可忽略，且IGBT保持关断状态，因此MN-BSFCL不会影响DFIG正常运行。当前流经MN-BSFCL的电流路径分别有：D1-RSFCL-D3和D2-RSFCL-D4。尽管整流二极管会引起电压降，但该电压降的数值很小，可以忽略不计。
(2)当电网发生故障时，进入故障初期阶段。在故障初期，该故障会导致风电场母线电压降低。在风电场母线电压降低的情况下，如果由电网故障引起的母线1与变压器之间的电流(即改进型桥式超导故障限流器的电流，或称为故障电流)大于临界电流值，那么MN-BSFCL将自动触发，由超导态转变为正常态。MN-BSFCL在正常态下，会增大定转子等效阻抗，限制故障电流，且维持定子电压。具体的，超导体的电阻值RSFCL在2ms内以指数形式上升至最大值RSFCL-max。RSFCL的数值可以确保在最严重的故障下，转子侧(即图2中DFIG与RSC连接的一侧)的最大电流Irmax小于RSC瞬时电流最大允许值Irth，其中，转子侧的最大电流Irmax可以近似为：
Figure BDA0003184146230000091
其中，Lm为双馈感应风机的互感，Ls为定子电感，ωr为转子角频率，vs0为电网故障前的定子电压，Rr为转子电阻，R′r为转子转态电阻，其计算公式为Rr+(Lm/Ls)2Rs，Rs为定子电阻，RSFCL-max为超导体的失超阻值，L′r为转子暂态电感，其计算公式为
Figure BDA0003184146230000092
Lr为转子电感，Vdc为直流母线电压，即图2中电容Cdc上的电压。因此，RSFCL的最大值应使得下述不等式成立：
Irmax<Irth
(3)当检测到定子端电压瞬时值(或称为定子电压瞬时值、定子电压实际值)超过定子电压额定值时，确定进入故障稳态阶段。在故障稳态阶段，改进型桥式超导故障限流器利用控制策略控制IGBT的导通周期，即控制IGBT的占空比，等效减小MN-BSFCL串入风机出口线路上的电阻RSFCL，从而防止电压过补偿。需要注意的是，上述控制策略在下述实施例2有具体描述，在此不再赘述。
(4)当检测到电压恢复时，确定进入故障恢复阶段。在该阶段内电网故障移除(或称为故障消除)，RSFCL就以指数形式下降到零。为了防止改进型桥式超导故障限流器在故障恢复阶段对DFIG产生影响，IGBT触发信号置1并延时50ms。在该过程中，超导体被并联开关IGBT旁路，即超导体短路，从而增强DFIG故障全阶段的穿越能力。
本发明实施例提出的基于非线性控制的改进型桥式超导故障限流器，一方面可以避免现有的超导故障限流器在限制双馈感应风机的故障电流时引起的故障期间定子过电压现象；另一方面，可以防止超导体在改进型桥式超导故障限流器在故障恢复阶段对双馈感应风机产生影响，增强了双馈感应风机在故障全阶段的穿越能力。同时，本发明实施例提出的改进型桥式超导故障限流器扩大了适用范围。
实施例2：
根据本发明实施例，提供了一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图3为本发明实施例提供的一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101，在目标相线发生故障，且目标相线上的改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态之后，检测目标风机在目标相线上的定子电压瞬时值是否超过定子电压额定值。
其中，目标相线为三相线中的任一相线；目标风机为与改进型桥式超导故障限流器相连的风机，风机类型可以是双馈感应风机，本发明实施例对风机类型不作具体限定。在本发明实施例中，三相线中的每一相线上均设置有各自对应的改进型桥式超导故障限流器，例如A相线上设置有改进型桥式超导故障限流器1，B相线上设置有改进型桥式超导故障限流器2，C相线上设置有改进型桥式超导故障限流器3。需要注意的是，每个改进型桥式故障限流器均对应各自的控制策略，虽然控制策略的内容相同，但是在执行控制策略时，各自执行各自的控制策略，互不干扰。也就是说，在A相线发生故障时，仅对改进型桥式超导故障限流器1的阻值进行调节即可，无需对改进型桥式超导故障限流器2、3的阻值进行调节。
步骤S102，当检测到定子电压瞬时值超过定子电压额定值时，根据定子电压瞬时值确定IGBT的占空比。
步骤S102，确定IGBT的占空比是控制策略的第一步，控制策略还有第二步，第二步是根据IGBT的占空比来控制IGBT的开通和关断状态，其目的是通过控制IGBT的开通和关断状态来实现对改进型桥式超导故障限流器的阻值的调节。第一步的具体步骤见下述步骤S201～步骤S203，在此不再赘述。第二步的实现过程如下：步骤1，根据IGBT的占空比，利用脉宽调制技术产生IGBT的开关信号；步骤2，根据IGBT的开关信号控制IGBT的开通和关断。
步骤S103，根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值。
由于IGBT的占空比与改进型桥式超导故障限流器的阻值之间存在数据关系，因此可以根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值，其具体过程见下述步骤S501～步骤S502。本发明实施例提供的阻值调节方法，是对实施例1中改进型桥式超导故障限流器的阻值调节，已知改进型桥式超导故障限流器包括并联在超导体两端的绝缘栅双极型晶体管IGBT，因此本发明实施例可以通过对IGBT的占空比的控制实时调节改进型桥式超导故障限流器的阻值，进而在故障稳定阶段防止定子电压发生过补偿现象，且扩大了改进型桥式超导故障限流器的适用范围。
在一个可选的实施例中，步骤S102，根据定子电压瞬时值确定IGBT的占空比，包括以下步骤S201～步骤S203，其中：步骤S201，将定子电压瞬时值延迟四分之一个工频周期，生成定子电压的正交分量；步骤S202，根据定子电压瞬时值和正交分量，得到定子电压的均方根值；步骤S203，根据预设的参考电压和定子电压的均方根值，生成IGBT的占空比。
由于双馈感应风机所在的线路为三相线，因此每相线上都需要设置一个如图1所示的改进型桥式超导故障限流器。以三相线中的目标相线为例进行以下说明：上述步骤S201～步骤S203是控制策略第一步的具体实施方式。如图4所示，可以看出：在何种阶段根据什么信息来控制IGBT的占空比，以及如何根据占空比来控制IGBT的开通和关断。
由于电网故障全阶段包含无故障阶段、故障初期阶段、故障稳态阶段、故障已移除阶段这四个阶段，因此，可以根据图4中的模块对上述四个阶段进行具体分析：图4中的故障检测是对电网电压的故障检测，即可以检测到低电压故障发生，该故障检测在无故障阶段执行。若检测结果为有故障，则进入故障初期阶段，若无故障，则在无故障阶段继续进行故障检测。而过电压检测是对定子电压的检测，是在故障初期阶段进行，若过电压检测结果为电压超限，则进入故障稳态阶段，并且在故障稳态阶段，根据定子电压瞬时值控制D的连接方式，进而对IGBT的占空比进行控制，若过电压检测结果为电压未超限，则继续处于故障初期阶段进行过电压检测。在故障已移除阶段，则不再根据定子电压瞬时值对IGBT的占空比进行控制，而是有单独的控制方式。
对图4中的各个符号进行如下解释：(1)定子电压瞬时值Vs，abc为A相线上的定子电压瞬时值Vs，a、B相线上的定子电压瞬时值Vs，b或C相线上的定子电压瞬时值Vs，c。分析哪个相线，则定子电压瞬时值Vs，abc为哪一相线上的定子电压瞬时值。VsN为定子电压额定值。若定子电压瞬时值Vs，abc大于定子电压额定值VsN，则过电压检测结果为电压超限，反之，则过电压检测结果为电压未超限。(2)VPCC为图1中目标相线上公共连接点位置处的电压，Vth为临界电压值，若VPCC大于Vth，则故障检测结果为有故障，反之，则故障检测结果为无故障。(3)&表示与操作，其目的是将过电压检测结果和故障检测结果进行与操作，得到与结果。假设，故障检测结果为无故障，则记为0，故障检测结果为有故障，则记为1，过电压检测结果为电压未超限，则记为0，过电压检测结果为电压超限，则记为1。与结果有三种可能性，第一种与结果为：无故障且电压未超限，第二种与结果为：有故障且电压未超限，第三种与结果为：有故障且电压超限。在无故障时，电网正常运行，占空比D保持处于0的位置，即D保持为0。在故障检测结果为有故障，且过电压检测结果为电压超限时，占空比D受控制策略的控制，由0切换至Fuzzy-PI控制器的输出，因此可以将“故障检测结果为有故障，且过电压检测结果为电压超限”作为启动控制策略的前提。
在启动控制策略之后，继续对图4中的其他符号进行如下解释：1/4周期延迟是指：将定子电压瞬时值
Figure BDA0003184146230000135
延迟四分之一个工频周期，生成定子电压的正交分量
Figure BDA0003184146230000134
该周期为电网电压周期，如果频率为50Hz，那么周期为20ms，此时，1/4周期为5ms。
Figure BDA0003184146230000131
为定子电压的均方根(RMS)值，Vsref为预设的参考电压。为了实现故障全阶段的快速跟踪和良好的抗干扰控制，控制器采用模糊-PI(即图4中的Fuzzy-PI)控制。Fuzzy PI为Fuzzy PI控制器，D为IGBT的占空比。参考电压Vsref和定子电压的均方根值
Figure BDA0003184146230000132
之差可以作为电压偏差信号送入Fuzzy-PI控制器，生成占空比。也就是说，占空比可以通过参考电压Vsref和定子电压的均方根值
Figure BDA0003184146230000133
之差来获得。在电网发生故障时，每个相线的故障情况不一定相同，因此一个相线对应一个控制策略，且各个相线均对应各自的占空比。
此外，图4中的PWM为脉宽调制(Pulse width modulation，PWM)技术。控制策略的第二步通过脉宽调制技术实现，其具体实现过程如下：步骤1，根据IGBT的占空比，利用脉宽调制技术产生IGBT的开关信号；步骤2，根据IGBT的开关信号控制IGBT的开通和关断。具体的，占空比经过脉宽调制PWM产生IGBT的开关信号。为了不影响恢复过程，一旦检测到的图1中公共连接点位置处的电压VPCC达到0.9pu，pu为标幺值，则认为进入了故障已移除阶段。在故障已移除阶段内，具有两步操作，第一步操作是：将IGBT的占空比设置为1，此时，流经改进型桥式超导故障限流器的电流绕过超导体支路(即超导体所在的支路，也可以称为超导线圈支路)仅流经图1中的IGBT；第二步操作是：在从故障恢复瞬间(即IGBT的占空比设置为1的时刻)起经过一段时间后，IGBT的占空比复位为0，并且电流流经SFCL支路。本发明实施例对一段时间的具体时间段长短不作具体限定。
在一个可选的实施例中，步骤S203，根据预设的参考电压和定子电压的均方根值，生成IGBT的占空比，包括以下步骤S301～步骤S302，其中：步骤S301，将预设的参考电压和定子电压的均方根值做差处理，得到电压偏差值；步骤S302，将电压偏差值输入至Fuzzy PI控制器，得到IGBT的占空比。结合图4，可以将步骤S301～步骤S302进行如下概括：参考电压Vsref和定子电压的均方根值
Figure BDA0003184146230000141
之差可以作为电压偏差信号送入Fuzzy-PI控制器，生成占空比。
在一个可选的实施例中，Fuzzy PI控制器包括：求导模块、模糊逻辑模块和PI控制器；步骤S302，将电压偏差值输入至Fuzzy PI控制器，得到IGBT的占空比，包括以下步骤S401～步骤S405，其中：步骤S401，将电压偏差值输入至求导模块进行求导，得到电压偏差导数；步骤S402，将电压偏差值和电压偏差导数输入至模糊逻辑模块进行模糊逻辑处理，分别得到第一参数和第二参数；步骤S403，将第一参数确定为PI控制器的比例系数的修正量；步骤S404，将第二参数确定为PI控制器的积分系数的修正量；步骤S405，根据PI控制器的比例系数的修正量和PI控制器的积分系数的修正量，生成IGBT的占空比。
如图5所示，d/dt为求导模块，模糊化、模糊推理和解模糊化这三个模块用于构成模糊逻辑模块。e为电压偏差信号，ec为电压偏差导数，ΔKp、ΔKi分别为解模糊化之后得到的两个参数。在流程上，先将Vs(即上述均方根值
Figure BDA0003184146230000151
)和Vsref的电压偏差信号进行微分运算，得到电压偏差导数ec；然后通过相应规则进行模糊化，经模糊推理和解模糊即可得到ΔKp、ΔKi。ΔKp和ΔKi可以分别作为PI控制器的比例系数、积分系数的修正量，参与IGBT的占空比的生成过程。
在一个可选的实施例中，在执行步骤S101之前，方法还包括步骤S104～步骤S107：
步骤S104，判断目标相线上公共连接点的电压是否低于临界电压值；
步骤S105，若是，则确定目标相线发生故障；
步骤S106，在确定目标相线发生故障之后，判断目标相线上的改进型桥式超导故障限流器的电流是否大于或等于临界电流值；
步骤S107，若是，则确定改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态。
上述步骤S101～步骤S103是针对故障稳态阶段进行的具体描述，然而在进入故障稳态阶段之前，还可以经历无故障阶段和故障初期阶段。因此在无故障阶段，可以执行步骤S104～步骤S105。在故障初期阶段，可以执行步骤S106～步骤S107。
在一个可选的实施例中，在步骤S103，根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值之后，方法还包括步骤S108～S110：
步骤S108，检测故障是否已移除；
步骤S109，若故障已移除，则将IGBT的触发信号置1，以使IGBT保持处于开通状态；
步骤S110，若故障未移除，则继续根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值。
由于电网故障全阶段包含无故障阶段、故障初期阶段、故障稳态阶段、故障已移除阶段这四个阶段，因此在通过步骤S101～步骤S103针对故障稳态阶段进行分析之后，可以通过上述步骤S108～步骤S110来实现对故障已移除阶段的分析。
在一个可选的实施例中，步骤S103，根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值，包括以下步骤S501～步骤S502，其中：步骤S501，获取超导体的失超阻值；步骤S502，根据超导体的失超阻值、IGBT的占空比以及预设的阻值调节公式，调节改进型桥式超导故障限流器的阻值；其中，预设的阻值调节公式为：
RMN-BSFCL＝(1-D)RSFCL-max
其中，RMN-BSFCL为改进型桥式超导故障限流器的阻值，可以理解成串联在风机出口线路上的等效阻值，其中风机出口线路是指图1中母线1与变压器之间的线路，RSFCL-max为超导体的失超阻值(相当于一个可变电阻)，D为IGBT的占空比。
图6为本发明实施例提供的另一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法的流程图，如图6所示，该改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法可以包括如下步骤S1～步骤S9，其中：
步骤S1，故障发生；具体的，该步骤S1通过根据目标相线上公共连接点的电压低于临界电压值的情况，可以确定目标相线发生故障。
步骤S2，I≥1.1pu；具体的，该步骤S2是在确定目标相线发生故障之后，通过判断目标相线上的改进型桥式超导故障限流器的电流(在超导态下，也可以称为电网流过超导体的电流)I是否大于或等于临界电流值1.1pu的方式来确定执行步骤S3还是执行步骤S4；其中，当I≥1.1pu时，执行步骤S3，反之，则执行步骤S4。其中，pu表示标幺值，per unit。
步骤S3，超导故障限流器触发；步骤S3中的超导故障限流器是上述改进型桥式超导故障限流器的简称。当流过超导体的电流大于或等于临界电流值时，超导故障限流器由超导态进入正常态，限制故障电流，提升定子电压。
步骤S4，超导故障限流器不触发；步骤S4中的超导故障限流器是上述改进型桥式超导故障限流器的简称。当流过超导体的电流低于临界电流值时，超导故障限流器保持超导态，不影响DFIG正常工作。
步骤S5，Us>1.0pu；当MN-BSFCL进入正常态后，由于定子等效阻抗增大，定子电压提高，此时检测风机的定子电压(即图2中母线1位置的电压)Us是否越限(是否超过电压额定值1.0pu)，若越限，则执行下述步骤S6；若未越限，则IGBT保持关断。步骤S5中的pu与步骤S2中的pu单位一样，但是含义不一样。
步骤S6，SFCL控制策略启动，控制串联等效电阻值；IGBT的控制策略启动(即上述SFCL控制策略启动)，控制IGBT的占空比，相当于控制等效串联阻值；需要注意的是，在IGBT控制策略执行期间，IGBT开通表示IGBT所在电路处于连接状态，IGBT关断表示IGBT所在电路处于不工作的状态。
步骤S7，故障移除；在步骤S7执行过程中，检测故障是否移除(通常为公共连接点位置处的电压VPCC恢复至0.9pu，即认为故障已经被移除)，若故障清除，则执行步骤S8；若未清除，则继续执行步骤S6。
步骤S8，IGBT触发信号置1，延时50ms。具体的，在故障移除之后，IGBT触发信号置1，置1的目的是将超导体支路短路，且使IGBT保持开通状态，并在延时50ms后切换回超导体支路，自动进入步骤S9。延时原因是：改进型桥式超导故障限流器由正常态恢复超导态需要一段时间。切换回超导体支路之后，IGBT此时保持关断状态，IGBT所在支路不再流过电流。需要注意的是，步骤S8中延迟50ms是在故障移除后的操作，而图3中的1/4延迟是在执行控制策略过程中进行的延迟，因此两者不是相同概念，也不是相同的操作。
步骤S9，DFIG恢复正常运行。即在执行完步骤S8之后，默认DFIG恢复到正常工作状态。此时，可以默认公共连接点位置处的电压VPCC恢复至1pu。在故障发生之后，DFIG恢复正常运行之前，DFIG处于暂态运行状态。
需要注意的是，本发明实施例除了可以将该改进型桥式超导故障限流器设置在双馈感应风机与电网之间，还可以将其设置在其他类型的风机(例如：永磁直驱风机PSMG)与电网之间，也能达到相同的技术效果，只不过在参数选取时，本发明实施例需要根据实际情况进行自适应调整。
综上所述，在双馈感应风机正常运行时，改进型桥式超导故障限流器同样处于正常运行状态，此时IGBT占空比置为0，保持关断状态。当通过检测PCC点(该PCC点即图2中的公共连接点，Point Of Common Coupling)位置处的电压VPCC低于临界值Vth时，表明低电压故障发生，即进入故障初期阶段。该改进型桥式超导故障限流器在故障电流大于或等于临界电流值的情况下，失超限制故障电流并提升双馈感应风机定子电压，增强双馈感应风机故障穿越能力；当在故障期间检测到定子电压瞬时值大于定子电压额定值时，则表明由于改进型桥式超导故障限流器的投入引起了定子过电压现象。为了防止这一现象的恶化，可以启动控制策略以控制IGBT的占空比，进而控制等效串联阻值。此时，占空比由0切换至控制环路。在检测到故障移除后，IGBT占空比置1并延时一段时间，防止改进型超导故障限流器在故障恢复阶段影响双馈感应风机的正常运行。本发明实施例中的MN-BSFCL在保留SFCL自动触发和快速响应的优点的基础上，通过并联IGBT的占空比来控制等效串联阻值，最终可以增强双馈感应风机DFIG在整个故障阶段的低电压穿越能力。
实施例3：
本发明实施例提供了一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节装置，该改进型桥式超导故障限流器的阻值调节装置主要用于执行实施例2上述内容所提供的改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法，以下对本发明实施例提供的改进型桥式超导故障限流器的阻值调节装置做具体介绍。
图7为本发明实施例提供的一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节装置的结构示意图。如图7所示，该改进型桥式超导故障限流器的阻值调节装置，主要包括：第一检测单元11，第一确定单元12和调节单元13，其中：
第一检测单元11，用于在目标相线发生故障，且目标相线上的改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态之后，检测目标风机在目标相线上的定子电压瞬时值是否超过定子电压额定值；其中，目标相线为三相线中的任一相线；目标风机为与改进型桥式超导故障限流器相连的风机；
第一确定单元12，用于当检测到定子电压瞬时值超过定子电压额定值时，根据定子电压瞬时值确定IGBT的占空比；
调节单元13，用于根据IGBT的占空比调节改进型桥式超导故障限流器的阻值。
本发明实施例提供的改进型桥式超导故障限流器的阻值调节装置，可以通过第一确定单元12实现对IGBT的占空比的控制，进而根据调节单元13实时调节改进型桥式超导故障限流器的阻值，在故障稳定阶段能够防止定子电压发生过补偿现象，且扩大了改进型桥式超导故障限流器的适用范围。
可选地，调节单元包括获取模块和调节模块，其中：
获取模块，用于获取超导体的失超阻值；
调节模块，用于根据超导体的失超阻值、IGBT的占空比以及预设的阻值调节公式，调节改进型桥式超导故障限流器的阻值；其中，预设的阻值调节公式为：
RMN-BSFCL＝(1-D)RSFCL-max
其中，RMN-BSFCL为改进型桥式超导故障限流器的阻值，RSFCL-max为超导体的失超阻值，D为IGBT的占空比。
可选地，第一确定单元12，包括：延迟模块、计算模块和生成模块，其中：
延迟模块，用于将定子电压瞬时值延迟四分之一个工频周期，生成定子电压的正交分量；
计算模块，用于根据定子电压瞬时值和正交分量，得到定子电压的均方根值；
生成模块，用于根据预设的参考电压和定子电压的均方根值，生成IGBT的占空比。
可选地，生成模块包括做差子模块和生成子模块，其中：
做差子模块，用于将预设的参考电压和定子电压的均方根值做差处理，得到电压偏差值；
生成子模块，用于将电压偏差值输入至Fuzzy PI控制器，得到IGBT的占空比。
可选地，Fuzzy PI控制器包括：求导模块、模糊逻辑模块和PI控制器；生成子模块，还用于：将电压偏差值输入至求导模块进行求导，得到电压偏差导数；将电压偏差值和电压偏差导数输入至模糊逻辑模块进行模糊逻辑处理，分别得到第一参数和第二参数；将第一参数确定为PI控制器的比例系数的修正量；将第二参数确定为PI控制器的积分系数的修正量；根据PI控制器的比例系数的修正量和PI控制器的积分系数的修正量，生成IGBT的占空比。
可选地，装置还包括：产生单元和控制单元，其中：
产生单元，用于根据IGBT的占空比，利用脉宽调制技术产生IGBT的开关信号；
控制单元，用于根据IGBT的开关信号控制IGBT的开通和关断。
可选地，装置还包括：第二检测单元、设置单元和继续检测单元，其中：
第二检测单元，用于检测故障是否已移除；
设置单元，用于若故障已移除，则将IGBT的触发信号置1，以使IGBT保持处于开通状态；
继续检测单元，用于若故障未移除，则继续检测目标风机在目标相线上的定子电压瞬时值是否超过定子电压额定值。
可选地，装置还包括：第一判断单元、第二确定单元、第二判断单元和第三确定单元，其中：
第一判断单元，用于判断目标相线上公共连接点的电压是否低于临界电压值；
第二确定单元，用于若是，则确定目标相线发生故障；
第二判断单元，用于在确定目标相线发生故障之后，判断目标相线上的改进型桥式超导故障限流器的电流是否大于或等于临界电流值；
第三确定单元，用于若是，则确定改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在一个可选的实施例中，本实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例方法的步骤。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的限流器及其阻值调节方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进型桥式超导故障限流器的阻值调节方法，其特征在于，改进型桥式超导故障限流器包括并联在超导体两端的绝缘栅双极型晶体管IGBT；方法包括：
在目标相线发生故障，且所述目标相线上的所述改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态之后，检测目标风机在所述目标相线上的定子电压瞬时值是否超过定子电压额定值；其中，所述目标相线为三相线中的任一相线；所述目标风机为与所述改进型桥式超导故障限流器相连的风机；
当检测到所述定子电压瞬时值超过所述定子电压额定值时，根据所述定子电压瞬时值确定所述IGBT的占空比；
根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值，包括：
获取所述超导体的失超阻值；
根据所述超导体的失超阻值、所述IGBT的占空比以及预设的阻值调节公式，调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值；其中，所述预设的阻值调节公式为：
RMN-BSFCL＝(1-D)RSFCL-max
其中，RMN-BSFCL为所述改进型桥式超导故障限流器的阻值，RSFCL-max为所述超导体的失超阻值，D为所述IGBT的占空比。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述定子电压瞬时值确定所述IGBT的占空比，包括：
将所述定子电压瞬时值延迟四分之一个工频周期，生成定子电压的正交分量；
根据所述定子电压瞬时值和所述正交分量，得到定子电压的均方根值；
根据预设的参考电压和所述定子电压的均方根值，生成所述IGBT的占空比。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据预设的参考电压和所述定子电压的均方根值，生成所述IGBT的占空比，包括：
将所述预设的参考电压和所述定子电压的均方根值做差处理，得到电压偏差值；
将所述电压偏差值输入至Fuzzy PI控制器，得到所述IGBT的占空比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述Fuzzy PI控制器包括：求导模块、模糊逻辑模块和PI控制器；将所述电压偏差值输入至Fuzzy PI控制器，得到所述IGBT的占空比，包括：
将所述电压偏差值输入至所述求导模块进行求导，得到电压偏差导数；
将所述电压偏差值和所述电压偏差导数输入至模糊逻辑模块进行模糊逻辑处理，分别得到第一参数和第二参数；
将所述第一参数确定为所述PI控制器的比例系数的修正量；
将所述第二参数确定为所述PI控制器的积分系数的修正量；
根据所述PI控制器的比例系数的修正量和所述PI控制器的积分系数的修正量，生成所述IGBT的占空比。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述定子电压瞬时值确定所述IGBT的占空比之后，方法还包括：
根据所述IGBT的占空比，利用脉宽调制技术产生所述IGBT的开关信号；
根据所述IGBT的开关信号控制所述IGBT的开通和关断。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值之后，方法还包括：
检测所述故障是否已移除；
若所述故障已移除，则将所述IGBT的触发信号置1，以使所述IGBT保持处于开通状态；
若所述故障未移除，则继续根据所述IGBT的占空比调节所述改进型桥式超导故障限流器的阻值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法还包括：
判断所述目标相线上公共连接点的电压是否低于临界电压值；
若是，则确定所述目标相线发生故障；
在确定所述目标相线发生故障之后，判断所述目标相线上的改进型桥式超导故障限流器的电流是否大于或等于临界电流值；
若是，则确定所述改进型桥式超导故障限流器由超导状态进入正常状态。
9.一种改进型桥式超导故障限流器，其特征在于，包括：桥臂电路，超导体和IGBT，其中，所述桥臂电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；所述第一二极管和所述第二二极管共阴极连接，所述第三二极管和第四二极管共阳极连接，所述超导体的一端与第一中心点连接，所述超导体的另一端与第二中心点连接，所述IGBT与所述超导体并联连接；所述第一中心点为所述第一二极管和所述第二二极管共阴极位置处的中心点，所述第二中心点为所述第三二极管和所述第四二极管共阳极位置处的中心点。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的方法。
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