CN113595094A - 一种双馈风机高电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率前馈补偿和无功电流支撑相结合的DFIG高电压穿越控制策略。所述方法包括：基于DFIG数学模型建立双馈风力发电机矢量形式的等效电路模型；搭建DFIG转子变流器的控制模型，在此基础上加入功率外环的前馈补偿量，以抑制直流母线电压的上升；搭建DFIG网侧变流器的控制模型，在其基础上进行改进，当电网电压骤升时，经过PI调节器后得到无功电流给定值。该方法可以有效地维持直流母线电压的恒定，实现无功电流对电网电压恢复的支撑，有效地提高DFIG高电压穿越能力。

Description

一种双馈风机高电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电与并网技术领域，具体为一种功率前馈补偿与无功支撑结合的双馈风机高电压穿越控制方法。

背景技术

随着风力发电技术的迅猛发展，风电机组的市场份额占比越来越大，极大地影响着电力系统的安全稳定运行。部分国家对风电机组的故障穿越能力做出了明确的要求，尤其是风电机组的低电压穿越和高电压穿越能力。当下，低电压穿越技术已经较为成熟，风场大规模脱网的典型过程为风电机组低压脱网→场内电压升高→风电机组高压脱网，高压脱网的风机数量甚至与低压脱网相当。具备高电压穿越能力已逐渐成为对风电机组的必然要求，高电压穿越技术的研究有待进一步展开，即在电网出现短时过电压现象时，要求风电机组在一定时间内不能脱网。

同时，一些并网导则同时对无功支撑能力提出了要求。德国意昂公司规定，机端电压上升到1.2pu时，风机应在很长一段时间内保持并网，并吸收一定量的无功电流；澳大利亚的风机并网导则中规定，电压骤升至1.3pu时，风机必须在60ms内保持不脱网，并提供无功功率支撑。

发明内容

为了解决上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种功率前馈补偿和无功电流支撑相结合的双馈风力发电机DFIG高电压穿越控制策略。该策略利用MATLAB搭建风机模型，针对转子侧变流器控制模型，将定子有功和无功的变化量两项作为功率外环的前馈补偿分量，避免定子侧功率注入导致直流母线电压过高，进而使风机脱网。针对网侧变流器控制模型，当电网电压上升至1.1pu以上时，经过PI调节器后得到网侧变流器无功电流给定值，以满足高电压穿越无功需求。具体采用如下方案：

一种双馈风机DFIG高电压穿越控制方法，其特征在于，将功率前馈补偿和无功电流支撑相结合，维持直流母线电压的恒定，实现无功电流对电网电压恢复的支撑，提高DFIG高电压穿越能力。

所述方法包括：

S1、建立DFIG数学模型，以数学模型为基础，构造DFIG矢量形式的等效电路，搭建风机系统仿真模型；

S2、搭建DFIG转子侧变流器的控制模型，在此基础上加入功率外环的前馈补偿量，以减小转子电压并抑制直流母线电压；

S3、搭建DFIG网侧变流器的控制模型，当电网电压骤升时，经过PI调节器后得到无功电流给定值；

S4、运行模型，在保证直流母线不越限的同时，为电网提供无功电流支撑。

优选地，所述步骤S1包括：

搭建所述矢量形式的等效电路模型之前，在HVRT暂态分析基础之上，建立DFIG的数学模型表达式，包括：

式中：R_s为定子电阻；R_r为转子绕组；U_s为定子端电压矢量；U_r为转子端电压矢量；I_s为定子电流矢量；I_r为转子电流矢量；ψ_s、ψ_r为定、转子磁链矢量；L_s、L_r、L_m分别为定子自感、转子自感以及定转子间互感；ω₁为同步角速度，ω_*为转差角速度。p表示微分算子。

优选地，所述步骤S2包括：

转子侧变流器RSC采用功率外环和电流内环串级控制，控制的输出量是转子电压的PWM控制信号，稳态时定、转子电流表示关系为：

其中，i_sd,i_sq,i_rd,i_rq为定子、转子电流d,q轴分量。L_s,L_m分别为定子自感、定转子间互感，ψ_s为定子磁链矢量；

将上式代入定子功率表达式

可得稳态时定子有功、无功功率P_s和Q_s分别为：

其中，P_s和Q_s分别为稳态时定子有功、无功功率，i_sd,i_sq,i_rd,i_rq为定子、转子电流d,q轴分量，u_sd和u_sq为定子电压d，q轴分量，L_s,L_m分别为定子自感、定转子间互感，ψ_sd为定子磁链矢量d轴分量。

电网电压骤升时，由于ψ_s，u_sd的变化，P_s、Q_s分别增加了ΔP_s、ΔQ_s：

在电压骤升期间，将这ΔP_s、ΔQ_s两项作为RSC控制中心功率外环的前馈补偿分量，以此避免定子侧功率的注入导致引发转子电压过高并导致转子侧逆变器向直流侧电容充电，造成风机脱网。

优选地，所述步骤S3包括：

在同步旋转的dq坐标系下，网侧变换器的电压方程和有功、无功功率P_g，Q_g为：

其中，u_gd,u_gq为电网电压d、q轴分量，i_gd,i_gq为网侧变流器电流d、 q轴分量，v_gd,v_gq为网侧变换器交流侧电压的d、q分量，ω₁为同步角速度，L_g,R_g为网侧变流器进线电感、电阻。

优选地，所述步骤S3中，

网侧变流器GSC的稳态控制策略采用电网电压定向的方法，d轴定向于电网电压矢量U_g时，有u_gq＝0，u_gd＝U_g，U_g为电网电压幅值；令

且忽略电阻R_g，则有：

由以上两式可得：

当系统正常运行时，无功电流给定值

系统运行在单位功率因数模式；

当发生电网电压骤升，

监测到电网电压上升至 1.1pu以上时，切换控制模式，无功电流给定值不为0，通过机端电压幅值与给定的额定值比较，经过PI调节器后得到网侧变流器无功电流给定值，如下式所示：

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，取网侧变流器电流控制PI 控制器的系数，

为机端电压给定值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，针对转子侧变流器，将反映电流耦合及定子磁链变化的附加量加入功率指令值，以减小转子电压，在高电压穿越过程中，能抑制转子过电流，同时不增加转子控制电压。针对网侧变流器，当电网电压骤升时，改变其无功电流给定值，起到支撑电网电压恢复的作用。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施例中DFIG高电压穿越控制策略方法流程框图；

图2为根据本发明一个优选实施例中dq坐标系下DFIG等效电路；

图3为根据本发明一个优选实施例中机侧变流器控制框图；

图4为根据本发明一个优选实施例中dq坐标系下DFIG网侧变流器等效电路；

图5为根据本发明一个优选实施例中网侧变流器控制框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种功率前馈补偿和无功电流支撑相结合的DFIG高电压穿越控制策略。所述方法包括：建立双馈风力发电机矢量形式的等效电路模型；搭建DFIG转子变流器的控制模型，在此基础上加入功率外环的前馈补偿量，以减小转子电压；搭建DFIG网侧变流器的控制模型，在此基础上进行改进，当电网电压骤升时，经过PI调节器后得到无功电流给定值。该方法可以有效地维持直流母线电压的恒定，实现无功电流对电网电压恢复的支撑，有效地提高DFIG高电压穿越能力。

参阅图1，所述方法具体包括如下步骤：

S1、建立DFIG数学模型，包括电压方程、磁链方程和DFIG状态方程，以数学模型为基础，构造DFIG矢量形式的等效电路，搭建风机系统仿真模型。等效电路图如图2所示。

DFIG的数学模型表达式，包括：

式中：R_s为定子电阻；R_r为转子绕组；U_s为定子端电压矢量；U_r为转子端电压矢量；I_s为定子电流矢量；I_r为转子电流矢量；ψ_s、ψ_r为定、转子磁链矢量；L_s、L_r、L_m分别为定子自感、转子自感以及定转子间互感；ω₁为同步角速度，ω_*为转差角速度。p表示微分算子。

S2、搭建DFIG转子侧变流器的控制模型，在此基础上加入功率外环的前馈补偿量，以减小转子电压并抑制直流母线电压；

转子侧变换器采用功率外环和电流内环串级控制，转子变流器 RSC的控制常采用定子磁链定向矢量控制，定向于d轴时，有ψ_sd＝ψ_s,ψ_sq＝0,u_sd＝0，其中ψ_s,ψ_sd,ψ_sq分别为定子磁链矢量，定子磁链矢量d、q轴分量，u_sd为定子电压d轴分量。将以上条件代入定子磁链方程，可得稳态时定、转子电流的关系为：

其中，i_sd,i_sq,i_rd,i_rq为定子、转子电流d,q轴分量。L_s,L_m分别为定子自感、定转子间互感，ψ_s为定子磁链矢量。

将上式代入定子功率表达式

可得稳态时定子有功、无功功率P_s和Q_s分别为：

其中，P_s和Q_s分别为稳态时定子有功、无功功率，i_sd,i_sq,i_rd,i_rq为定子、转子电流d,q轴分量，u_sd和u_sq为定子电压d，q轴分量，L_s,L_m分别为定子自感、定转子间互感，ψ_sd为定子磁链矢量d轴分量。

电压骤升时，ψ_s发生变化，此时ψ_sq≠0，u_sd≠0，此时将I_r＝I_rd+jI_rq， I_s＝I_rd+jI_rq，代入定子磁链方程可得：

电网电压骤升时，由于ψ_s，u_sd的变化，P_s和Q_s分别增加了ΔP_s、ΔQ_s：

因此，在电压骤升期间，将ΔP_s、ΔQ_s两项作为RSC控制中功率外环的前馈补偿分量，以改进传统控制策略，以此避免定子侧功率的注入导致引发转子电压过高并导致转子侧逆变器向直流侧电容充电，造成风机脱网。

改进后的转子侧变流器控制框图如图3所示，前馈输入包括定子有功功率和无功功率的附加量，在机端发生电压骤升时，为抑制转子的过电流、过电压现象，把定子有功功率和无功功率的突变量，即ΔP_s、ΔQ_s加入转子侧变流器的功率控制环当中，以改进传统的转子侧变流器矢量控制系统，从而稳定电流控制环的转子两分量电流指令值，并使转子侧变流器的输出转子控制电压不会过高，保证风机的稳定运行。

S3、搭建DFIG网侧变流器的控制模型，当电网电压骤升时，经过PI调节器后得到无功电流给定值；

网侧变换器主电路图如图4所示，经过坐标变换，在同步速旋转的dq坐标系下，网侧变换器的电压方程和有功、无功功率P_g，Q_g为：

其中，u_gd,u_gq为电网电压d、q轴分量，i_gd,i_gq为网侧变流器电流d、 q轴分量，v_gd,v_gq为网侧变换器交流侧电压的d、q分量，ω₁为同步角速度，L_g,R_g为网侧变流器进线电感、电阻。

GSC的稳态控制策略采用电网电压定向的方法，d轴定向于电网电压矢量U_g时，有u_gq＝0，u_gd＝U_g(U_g为电网电压幅值)。令

且忽略电阻R_g，则有：

由以上两式可得：

当系统正常运行时，无功电流给定值

系统运行在单位功率因数模式；

当发生电网电压骤升，

监测到电网电压上升至1.1pu以上时，切换控制模式，无功电流给定值不为0，而是通过机端电压幅值与给定的额定值比较，经过PI调节器后得到网侧变流器无功电流给定值，如下式所示：

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，取网侧变流器电流控制PI 控制器的系数，

为机端电压给定值。

网侧变流器控制框图如图5所示，所述控制分为两种情况，第一种为整个机组正常运行状态下，无功电流给定值为0；第二种情况，发生电压骤升故障时，若监测到机端电压大于1.1pu，则切换到无功电流支持模式，将机端电压幅值与额定值进行比较，根据电压骤升的幅度得到经过PI调节器后得到无功电流给定值，有助于电网电压的恢复。当机端电压恢复后，切换回单位功率因数模式。

在MATLAB上对传统控制策略和所提控制策略进行仿真，DFIG 参数为:额定功率为1.5MW，额定频率为50Hz，极对数为3，定子额定线电压为575V，直流母线额定电压为1150V，定子电阻为0.023pu，转子电阻为0.016pu，定子漏感为0.18pu，转子漏感为0.16pu，定转子间的互感为2.9pu，转速为1.2pu，且由于DFIG转动惯量较大，机电时间常数远远大于电磁时间常数，因此在故障过程中认为DFIG转速恒定。仿真实验中，25s时机端升高为1.3pu，200ms后故障结束。

可见，本发明的方法可以有效地维持直流母线电压的恒定，实现无功电流对电网电压恢复的支撑，有效地提高DFIG高电压穿越能力。

本发明提供一种功率前馈补偿和无功电流支撑相结合的DFIG高电压穿越控制策略。搭建DFIG转子侧变流器的控制模型，在此基础上加入功率外环的前馈补偿量，以减小转子电压；搭建DFIG网侧变流器的控制模型，当电网电压骤升时，经过PI调节器后得到无功电流给定值。该方法可以有效地维持直流母线电压的恒定，实现无功电流对电网电压恢复的支撑，有效地提高DFIG高电压穿越能力。

本发明基于DFIG的数学模型，对风力发电机的暂态特性进行研究，提出了转子侧和网侧变流器控制相结合的DFIG高电压穿越控制策略。一方面，该方法不需要添加任何硬件，在风机的机侧考虑定子磁链动态变化对于功率外环影响的控制策略，有效抑制转子电压的升高；另一方面，在网侧变流器的功率容量范围内，提出一种网侧变流器无功功率的控制策略来实现对电网无功支持，以助于加快机端电压恢复。基于仿真系统模型验证了该控制策略的有效性。

仿真结果也表明本发明所用方法能够有效地提高DFIG风力发电机高电压穿越能力，提高了风电机组运行的可靠性。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双馈风机DFIG高电压穿越控制方法，其特征在于，将功率前馈补偿和无功电流支撑相结合，维持直流母线电压的恒定，实现无功电流对电网电压恢复的支撑，提高DFIG高电压穿越能力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、建立DFIG数学模型，以数学模型为基础，构造DFIG矢量形式的等效电路，搭建风机系统仿真模型；

S2、搭建DFIG转子侧变流器的控制模型，在此基础上加入功率外环的前馈补偿量，以减小转子电压并抑制直流母线电压；

S3、搭建DFIG网侧变流器的控制模型，当电网电压骤升时，经过PI调节器后得到无功电流给定值；

S4、运行模型，在保证直流母线不越限的同时，为电网提供无功电流支撑。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

搭建所述矢量形式的等效电路模型之前，在HVRT暂态分析基础之上，建立DFIG的数学模型表达式，包括：

式中：R_s为定子电阻；R_r为转子绕组；U_s为定子端电压矢量；U_r为转子端电压矢量；I_s为定子电流矢量；I_r为转子电流矢量；ψ_s、ψ_r为定、转子磁链矢量；L_s、L_r、L_m分别为定子自感、转子自感以及定转子间互感；ω₁为同步角速度，ω_*为转差角速度。p表示微分算子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

转子侧变流器RSC采用功率外环和电流内环串级控制，控制的输出量是转子电压的PWM控制信号，稳态时定、转子电流表示关系为：

其中，i_sd,i_sq,i_rd,i_rq为定子、转子电流d,q轴分量。L_s,L_m分别为定子自感、定转子间互感，ψ_s为定子磁链矢量；

将上式代入定子功率表达式

可得稳态时定子有功、无功功率P_s和Q_s分别为：

其中，P_s和Q_s分别为稳态时定子有功、无功功率，i_sd,i_sq,i_rd,i_rq为定子、转子电流d,q轴分量，u_sd和u_sq为定子电压d，q轴分量，L_s,L_m分别为定子自感、定转子间互感，ψ_sd为定子磁链矢量d轴分量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中：

电网电压骤升时，由于ψ_s，u_sd的变化，P_s、Q_s分别增加了ΔP_s、ΔQ_s：

在电压骤升期间，将这ΔP_s、ΔQ_s两项作为RSC控制中心功率外环的前馈补偿分量，以此避免定子侧功率的注入导致引发转子电压过高并导致转子侧逆变器向直流侧电容充电，造成风机脱网。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

在同步旋转的dq坐标系下，网侧变换器的电压方程和有功、无功功率P_g，Q_g为：

其中，u_gd,u_gq为电网电压d、q轴分量，i_gd,i_gq为网侧变流器电流d、q轴分量，v_gd,v_gq为网侧变换器交流侧电压的d、q分量，ω₁为同步角速度，L_g,R_g为网侧变流器进线电感、电阻。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，

网侧变流器GSC的稳态控制策略采用电网电压定向的方法，d轴定向于电网电压矢量U_g时，有u_gq＝0，u_gd＝U_g，U_g为电网电压幅值；令

且忽略电阻R_g，则有：

由以上两式可得：

。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

当系统正常运行时，无功电流给定值

系统运行在单位功率因数模式；

当发生电网电压骤升，

监测到电网电压上升至1.1pu以上时，切换控制模式，无功电流给定值不为0，通过机端电压幅值与给定的额定值比较，经过PI调节器后得到网侧变流器无功电流给定值，如下式所示：

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，取网侧变流器电流控制PI控制器的系数，

为机端电压给定值。

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