CN114142523B - 一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法，属于风力发电技术领域。本发明将撬棒电路和电感模拟控制相结合，充分利用了撬棒电路快速泄能和电感模拟控制下故障穿越范围广的优势。当电网发生短路故障时，首先投入撬棒电路来避免转子侧过电流，并实时计算电感模拟控制所需的最小转子电压，若该电压需求小于直流母线电压，将投入电感模拟控制方法，并将撬棒电路切除。此方法可以在满足转子侧电流电压限幅条件的前提下极大地缩短撬棒电路的投入时间，从而减少双馈风电机组在故障穿越时的不可控时间，更快恢复转子侧变流器对双馈风电机组的控制，快速提供无功功率支撑，更好地满足了双馈风电机组LVRT的要求。

Description

一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法。

背景技术

如今，双馈风电机组凭借其优越的变速恒频性能以及较低的成本，已经占据了我国风力发电市场中70％以上的份额，是应用最为普遍的风电机型。

然而，双馈风电机组由于定子侧与电网直接相连，电网电压的跌落会极大地影响其工作状态，甚至对机组造成损坏。此外，电网公司还提出了电网故障期间双馈风电机组需要在60ms内对电网提供无功功率支撑的要求。因此低电压穿越问题成为了双馈风电机组进一步发展的“卡脖子”难题。

近年来，国内外对其低电压穿越(Low voltage ride through，LVRT)解决方案已经进行了大量的研究。目前主要有以下两类方案：

1)基于撬棒电路的LVRT方案

目前最普遍的穿越方案是安装撬棒电路。其主要优势在于结构简单、成本较低且低电压穿越范围广。国内外学者对于撬棒电路的结构、阻值设计等问题都已进行了深入的研究。但是撬棒电路存在明显缺陷，即在投入撬棒后，双馈风电机组将失去转子侧变流器的控制进而失去可控性，还会从电网吸收大量的无功电流，给电网造成更大的负担，无法对电网提供无功功率支撑。因此在使用撬棒电路进行低电压穿越时，必须尽可能缩短撬棒电路的投入时间使得双馈风电机组更好的满足LVRT要求。然而过早地切除撬棒时，由于定子磁链暂态分量未充分衰减，可能会导致转子电流过大而损坏转子侧变流器。

针对撬棒电路的切除问题，目前主要有以下几种切除判断方法：基于转子电流决定撬棒电路的切除时刻；基于定子侧直流分量衰减时间常数决定撬棒电路的切除时刻；基于转子侧电动势决定撬棒电路的切除时刻。但以上几种方法均是基于撬棒传统控制策略，只考虑了保护转子侧变流器不受过压过流影响，并不能缩短撬棒投入时间以满足电网公司提出的在规定时间内对电网提供无功功率支撑的要求。

2)基于改进控制算法的LVRT方案

基于改进控制算法的LVRT方案在故障期间可以保留转子侧变流器对双馈风电机组的控制，主要有以下几种方案：灭磁控制法重新给定了转子电流指令，产生与定子磁链暂态分量相反的转子电流分量来加快定子磁链暂态分量的衰减，减小转子侧过电压，但存在转子电流过大的问题；定子电流反馈法将定子电流作为转子电流指令使用，可降低转子故障电流，但需要提供的转子电压过高且定子磁链暂态分量衰减过慢；电感模拟控制法通过给定转子电流指令，使得转子侧端口阻抗特性保持为电感特性，通过设计恒定电感值同时考虑了电流电压约束条件，因此此方法的可控运行区间最大，但受限于转子侧变流器容量，在发生电网短路故障时仍可能会出现转子侧电压电流超过限幅的情况。基于改进控制算法的LVRT方案可以在轻度故障期间保护转子侧变流器并控制双馈风电机组向电网提供无功功率支撑，但在严重故障下无法进行低电压穿越。

综上所述，基于硬件保护装置的LVRT方案与基于改进控制算法的LVRT方案具有各自优缺点：改进控制策略的LVRT策略可以保留转子侧变流器的控制，从而对电网提供无功电流支撑，但在发生电网短路故障时低电压穿越能力有限；投入撬棒电路可以穿越电网短路故障，但会使双馈风电机组处于不可控状态，因此必须缩短撬棒电路的投入时间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法，其目的在于提高双馈风电机组在电网短路故障时的低电压穿越能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法，包括：

S1.当电网发生短路故障时，投入撬棒电路；

S2.在撬棒投入阶段，实时计算电感模拟控制所需的最小转子电压U_rmin；

S3.判断U_rmin值是否小于直流母线电压U_dc；若是，则切除撬棒，并投入电感模拟控制；若否，则返回执行步骤S2。

进一步地，步骤S2具体为：

S21.在撬棒投入阶段，实时计算电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}；

S22.根据实时计算的电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}得到电感模拟控制所需的最小转子电压的幅值U_rmin。

进一步地，在步骤S21中，电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}为：

其中，σL_r表示转子侧暂态电感，表示漏磁系数，|ψ_sn|为定子磁链暂态分量模长，L_m为定转子互感，L_s为定子自感，L_r为转子自感，I_rmax为转子侧变流器电流限幅值。

进一步地，在步骤S22中，电感模拟控制所需的最小转子电压幅值U_rmin计算表达式为：

U_rmin＝ω_rL_{RSC_min}I_rmax+|E_rf|

其中I_rmax为转子侧变流器电流限幅值，L_{RSC_min}为电感模拟控制下的最小模拟电感值，ψ_r为转子角频率，|E_rf|为转子感应电动势的强制分量模长。

进一步地，步骤S3若U_rmin值小于直流母线电压U_dc，切除撬棒，投入电感模拟控制的具体过程为：

S31：令撬棒电路中的IGBT关断，切除撬棒，恢复转子侧变流器的驱动信号；

S32：根据定子磁链暂态分量的dq轴分量ψ_snd、ψ_snq，定转子互感L_m、定子自感L_s、转子自感L_r、电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}设计转子侧变流器的dq轴电流指令值

S33：根据所述的dq轴转子电流指令通过电流环控制，得到转子侧变流器电压调制信号/>

S34：根据所述的调制信号进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的控制信号S_a、S_b、S_c。

进一步地，在步骤S32中，转子侧变流器的dq轴电流指令值为：

其中，ψ_snd、ψ_snq为定子磁链暂态分量的dq轴分量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比能够取得下列有益效果。

(1)相较于基于撬棒电路的低电压穿越策略，本文设计的缩短撬棒投入时间的双馈风电机组混合型故障穿越控制方法由于利用了电感模拟控制方法对撬棒电路进行切换，可以大幅缩短撬棒的投入时间，减少双馈风电机组在电网短路故障下的不可控时间，使双馈风电机组尽早对电网提供无功支撑。更好地满足双馈风电机组LVRT的要求。

(2)相较于电感模拟控制法以及其它基于改进控制策略的低电压穿越方法，本文设计的缩短撬棒投入时间的双馈风电机组混合型故障穿越控制方法由于在故障前期投入了撬棒电路，可以避免电网短路故障初期的转子侧过流对转子侧变流器产生损坏，提高了双馈风电机组在严重故障下的低电压穿越能力。

(3)本发明所提出的方法在满足双馈风电机组LVRT要求的同时，可以加快定子暂态磁链分量的衰减，使得双馈风电机组更快渡过暂态过程。

附图说明

图1为本发明提供的双馈风电机组低电压穿越方法示意图；

图2为双馈风电机组的系统框图；

图3为双馈风电机组撬棒电路结构示意图；

图4为双馈电机转子侧的等效电路模型；

图5为使用本方法进行故障穿越期间的转子侧变流器相电流波形；

图6为使用本方法进行故障穿越期间的转子侧变流器线电压波形；

图7为使用本方法进行故障穿越期间的定子磁链暂态分量波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法，主要思路为，

在撬棒投入阶段，首先根据电感模拟控制所需最小转子电压值U_rmin的简化解析表达式，计算得到电感模拟控制所需的最小转子侧电压值U_rmin，判断U_rmin与直流母线电压U_dc之间的大小关系：如果计算得到电感模拟控制下的最小转子侧电压值U_rmin小于直流母线电压U_dc，则可以切除撬棒，投入电感模拟控制；若否，则双馈风电机组此时不能切除撬棒。当满足切除撬棒条件时，投入电感模拟控制法，获得转子侧变流器电流指令以及变流器开关管的控制信号。具体地，包括以下步骤：

(1)获取双馈风电机组参数包括：定子自感L_s、转子自感L_r、定转子互感L_m和转子侧变流器电流限幅值I_rmax；测量双馈风电机组的定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc、转子三相电流I_rabc、直流母线电压U_dc，并网点电压的角频率ω_s以及转子角频率ω_r；

(2)根据步骤(1)中获得的并网点电压的角频率ω_s和转子角频率ω_r获得转差角频率ω₂＝ω_s-ω_r和转差率并将所述的并网点电压角频率ω_s和转差角频率ω₂进行积分后获得并网点电压相位角θ_s和转差角θ；

(3)根据步骤(1)中获得的并网点电压相位角θ_s和转差角θ，分别对所述定子三相电压U_sabc和定、转子三相电流I_sabc、I_rabc进行abc/dq坐标变换，获得同步旋转坐标系下双馈风电机组的定子电压dq轴分量U_sd、U_sq以及定子电压幅值U_s，定子电流dq轴分量I_sd、I_sq，转子电流dq轴分量I_rd、I_rq，其中

(4)根据(1)和(3)中获得的双馈风电机组的转子自感L_r、定转子互感L_m、定子电流dq轴分量I_sd、I_sq，转子电流dq轴分量I_rd、I_rq，获得定子磁链dq轴分量ψ_sd、ψ_sq；其中ψ_sd＝L_sI_sd+L_mI_rd、ψ_sq＝L_sI_sq+L_mI_rq；

(5)根据前述所获得的双馈风电机组的定子磁链dq轴分量ψ_sd、ψ_sq以及定子磁链向量模长|ψ_s|，双馈风电机组的定子电压dq轴分量U_sd、U_sq以及定子电压幅值U_s，并网点电压角频率ω_s，获得定子磁链暂态分量的dq轴分量ψ_snd、ψ_snq以及定子磁链暂态分量模长|ψ_sn|；其中：

(6)根据前述所获得的双馈风电机组的定子电压幅值U_s，定子自感L_s、定转子互感L_m、转差率s获得转子感应电动势的强制分量模长

(7)根据所述的转子侧变流器电流限幅值I_rmax、定子磁链暂态分量模长|ψ_sn|、定转子互感L_m、定子自感L_s、转子自感L_r，计算电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}：

其中，σL_r表示转子侧暂态电感，表示漏磁系数。

(8)根据所述的转子侧变流器电流限幅值I_rmax，电感模拟控制下的最小模拟电感值I_rmax，转子角频率ω_r，转子感应电动势的强制分量模长|E_rf|。计算得到电感模拟控制所需的最小转子电压幅值U_rmin：

U_rmin＝ω_rL_{RSC_min}I_rmax+|E_rf|

(9)如果计算得到电感模拟控制所需的最小转子侧电压幅值U_rmin小于直流母线电压U_dc，则可以切除撬棒，恢复转子侧变流器控制，投入电感模拟控制方法，进行步骤(10)到(13)；若否，则双馈风电机组在此时不能切除撬棒，需继续重复步骤(1)到(8)。

(10)令撬棒电路中的IGBT关断，切除撬棒，恢复转子侧变流器的驱动信号；

(11)根据所述的定子磁链暂态分量的dq轴分量ψ_snd、ψ_snq，定转子互感L_m、定子自感L_s、转子自感L_r、电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}设计转子侧变流器的dq轴电流指令值为：

(12)根据所述的dq轴转子电流指令通过电流环控制，得到转子侧变流器电压调制信号V_rd、V_rq；

(13)根据所述的调制信号V_rd、V_rq进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的控制信号S_a、S_b、S_c。

上述的缩短撬棒投入时间的双馈风电机组混合型故障穿越控制方法不需要在撬棒电路之外附加其他硬件设备，只需要改变故障期间的控制策略，且控制方式简便，更具有通用性；既保留了撬棒电路在电网短路故障时的低电压穿越能力，又尽可能缩短了撬棒电路的投入时间，可以尽快恢复双馈风电机组转子侧变流器的控制，从而达到双馈风电机组对电网的无功支撑，更好地满足了双馈风电机组LVRT的要求。

如图2所示，与上述方法对应地，本发明实施例提供了一种双馈风电机组控制系统包括：采样处理单元1、定子磁链计算单元2、转子侧电动势强制分量计算单元3、最小恒定电感值计算单元4、转子侧需求电压值计算单元5、比较单元6、电流指令计算单元7、转子电流控制环单元8、SVPWM调制模块9以及双馈风电机组主电路中的转子侧变流器。其中，采样处理单元1的输入端连接至双馈电机的定转子侧和直流母线侧，用于获得定子电流、转子电流、定子侧电压、电机转子角信号、直流母线电压和并网点电压相位角，其输出端输出定子电流dq轴分量I_sd、I_sq，转子电流dq轴分量I_rd、I_rq，定子电压dq轴分量U_sd、U_sq并连接至定子磁链计算单元2的输入端，输出端输出转差角频率ω₂、并网点电压角频率ω_s和定子电压dq轴分量U_sd、U_sq并连接至转子侧电动势强制分量计算单元3的输入端，输出端输出转子角频率ω_r并连接至转子侧需求电压值计算单元5的输入端，输出端输出转子电流dq轴分量I_rd、I_rq并连接至转子电流控制环单元8的输入端，输出端输出直流母线电压U_dc并连接至比较单元6的输入端；定子磁链计算单元2用于计算定子磁链暂态分量的dq轴分量ψ_snd、ψ_snq以及定子磁链暂态分量模长|ψ_sn|，其输出端输出定子磁链暂态分量的dq轴分量ψ_sd、ψ_sq并连接至电流指令计算单元7的输入端，其输出端输出定子磁链暂态分量模长|ψ_sn|并连接至最小恒定电感值计算单元4的输入端；转子侧电动势强制分量计算单元3输出端输出转子感应电动势的强制分量模长|E_rf|并连接至转子侧需求电压值计算单元5的输入端；最小恒定电感值计算单元4输出端输出最小恒定电感值L_{RSC_min}并连接至转子侧需求电压值计算单元5的输入端以及电流指令计算单元7的输入端；转子侧需求电压值计算单元5的输出端输出最小转子侧电压值U_rmin并连接至比较单元6的输入端；电流指令计算单元7输出端输出dq轴电流指令值并连接至转子电流控制环单元8的输入端；转子电流控制环单元8的输出端输出电压调制信号/>并连接至SVPWM调制模块9的输入端；SVPWM调制模块9用于输出转子侧变流器开关管的控制信号S_a、S_b、S_c。

为更进一步地说明本发明提出的一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组混合型故障穿越控制方法，下面结合附图说明本发明的工作原理。

根据双馈电机的数学模型，定子电压和转子电压可表示为：

式中，u_s代表定子电压，R_s代表定子电阻，i_s代表定子电流，ψ_s代表定子磁链，u_r代表转子电压，R_r代表转子电阻，i_r代表转子电流，ψ_r代表转子磁链，上标s代表定子静止坐标系，上标r代表转子静止坐标系，下标s代表定子侧状态量，下标r代表转子侧状态量。

定、转子磁通方程如(2)所示：

式中，L_s、L_r分别为定、转子自感；L_m为定转子互感。

将式(1)代入式(2)中，可得到转子磁通表达式如(3)所示：

由转子磁通变化得到的转子电压表达式如(4)所示：

式中，σ为漏磁系数；σL_r为转子侧暂态电感；为定子磁链感应出的转子侧电动势；U_rL为转子阻抗上电压降。其值分别如式(5)所示：

由此，可绘制出双馈风电机组的转子侧等效电路图如附图3所示。

电网三相电压对称跌落时，会在电机定子侧感生出一个定子磁链暂态分量，此暂态分量的大小与电网电压跌落深度成正比，且随时间呈指数形式衰减。由于磁链相互耦合的关系，定子磁链的暂态分量会感应出一个很大的转子暂态电动势。转子暂态感应电动势与定子电压跌落深度成正比，与(1-s)成正比。转子侧暂态感应电动势的值在故障发生瞬间幅值最大，则此时的转子暂态电流值也最高，随着时间的推移，转子暂态感应电动势和暂态电流均随着定子磁链暂态分量呈指数形式衰减。

双馈风电机组的运行转差率s一般在-0.2～0.2之间，在故障发生时刻，转子电压的最大值可达到甚至超过定子额定电压(此处转子电压折算到定子侧)，若是将转子电压值折算为转子侧真实值(匝数比一般取2.5～3.5)，则故障瞬间转子侧实际承受的电压值一般可达到定子额定电压的2.5～3.5倍，远远超过了原设计的限幅值。所以在故障情况下容易对转子侧变流器和直流侧母线造成损坏。

电网公司为保护电网安全运行，避免双馈风电机组脱离电网，要求风机具有LVRT能力。其具体要求为：第一，当电网电压暂降时，风机在一定时间内需要保持并网状态渡过故障的能力；第二，风机需要在一定时间内向电网输出无功功率。因此需要设计LVRT方案来避免电网短路故障下双馈风电机组转子侧变流器损坏，并使双馈风电机组尽快向电网提供无功功率支撑。

目前最常见的两种LVRT方案分别是基于撬棒电路的LVRT方案和基于改进控制算法的LVRT方案。

撬棒电路结构如附图4所示。撬棒电路的总体思路是，在电网发生短路故障时，令转子侧撬棒电路中的IGBT导通，激活撬棒电路，与此同时封锁转子侧变流器的驱动信号。则此时撬棒电路投入，将双馈风电机组转子侧短路，转子侧变流器处于断路状态。撬棒电路为转子故障电流提供了一个短路通道，使转子电流不再通过转子侧变流器，从而保护转子侧变流器。但在双馈风电机组投入撬棒电路时，转子侧变流器会退出工作，无法实现无功功率控制，无法满足在规定时间内对电网提供无功功率支撑的要求；同时撬棒投入使得双馈风电机组以大转差的鼠笼式异步电机状态运行，会从电网中吸收大量无功电流，给电网进一步造成负担。

由此可见，基于撬棒电路的低电压穿越方案的一个关键因素是撬棒的投入时间。过早断开撬棒，会使转子侧变流器仍然受到过电压过电流影响；而撬棒连接时间过长，则使双馈风电机组长时间失去转子侧变流器控制，无法在短时间内提供无功功率支撑，无法满足双馈风电机组LVRT要求。

恒定电感模拟控制法是一种基于改进控制算法的LVRT方案。其总体思路是在故障期间保持转子侧变流器对双馈风电机组的控制，通过设计转子侧电流指令，使得转子侧端口阻抗特性等效为纯电感形式。此时，转子过电压和过电流的幅值最小，可以使转子侧电压电流保持在转子侧变流器的限幅范围之内，从而避免转子侧过流对转子侧变流器造成损坏。

方法具体原理如下：

定义转子侧端口等效阻抗为式(6)：

代入式(4)和式(5)中可得到式(7)：

由上式可以看出，忽略较小R_r，当Z_RSC为纯电感时，与/>之间夹角为90°，则此时与U_RL反向，则此时转子电压/>的幅值最小，同理当转子电压大小一定时，此时转子电流幅值也最小。

设转子端口的等效电感值为L_RSC，则有端口电感下的转子侧电压表达式如(8)所示：

将式(8)代入式(4)和(5)(忽略较小的R_r)，得式(9)：

由式(9)可得：将转子侧电流指令设置为式(10)时，转子侧端口阻抗将呈纯电感特性，则此时转子侧端口的电流电压值最小。

此时转子侧电压表达式为(11)：

使转子电流指令值和转子电压值同时满足转子侧电流约束和电压约束，即：

可得到转子侧端口等效电感的最小值和最大值为：

在使用恒定电感模拟控制法时，设计为L_RSC的值满足式(14)，则可以同时满足转子侧电流电压约束。

L_{RSC_min}≤L_RSC≤L_{RSC_max}(14)

由上述原理可知电感模拟控制法同时考虑了转子侧电压约束和电流约束，可以通过改变模拟电感值，综合调节转子侧的电压和电流，使其不超过转子侧变流器的限幅值，从而最大程度地拓展了系统的低电压穿越可控运行区间。但由于转子侧变流器的容量有限，可能在进行电感模拟控制后仍无法满足变流器限幅要求。因此无法在严重电网故障下使用电感模拟控制法来进行故障穿越。

目前针对撬棒电路切除的研究均只考虑了只考虑了保护转子侧变流器不受过压过流影响，并不能缩短撬棒投入时间以满足电网公司提出的在规定时间内对电网提供无功功率支撑的要求。而基于改进控制算法的LVRT方案的故障穿越能力有限，若使用改进控制算法的LVRT方案穿越严重电压故障，必须要增大转子侧变流器容量，势必会提高成本。

针对上述问题，本发明设计了缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法。总体思路是将撬棒电路和电感模拟控制相结合，并计算电感模拟控制所需的最小转子电压作为撬棒切除的判断条件，从而尽早切除撬棒。具体方法为：当电网发生短路故障时，首先投入撬棒电路来避免转子侧过电流，并实时计算了电感模拟控制所需的最小转子电压，将计算出所需的最小转子电压作为撬棒切除的判断条件，若该电压需求小于直流母线电压，将投入电感模拟控制方法，并将撬棒电路切除。此方法可以在满足转子侧电流电压限幅条件的前提下极大地缩短撬棒电路的投入时间，从而减少双馈风电机组在故障穿越时的不可控时间，更快恢复转子侧变流器对双馈风电机组的控制，快速提供无功功率支撑，更好地满足了双馈风电机组LVRT的要求。

本发明设计的具体原理如下：

1)由于在故障过程中，定子磁链暂态分量是产生转子侧过压过流的主要原因，应尽可能加快定子磁链暂态分量的衰减，所以在设计电流指令时只考虑暂态分量，使用定子磁链暂态分量的幅值来计算电感模拟控制下的最小模拟电感值。撬棒投入阶段，根据当前定子磁链暂态分量的幅值可以实时计算电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}：

其中，σL_r表示转子侧暂态电感，表示漏磁系数，|ψ_sn|为定子磁链暂态分量模长，L_m为定转子互感，L_s为定子自感，L_r为转子自感，I_rmax为转子侧变流器电流限幅值。

2)当设计转子电流指令只考虑暂态分量时，即设计的转子侧等效电感L_{RSC_min}上只通过暂态分量频率的电流。此时转子侧需求电压由两部分组成：转子侧等效电感上产生的暂态分量频率的电压以及转子感应电动势的强制分量。由此可计算得到电感模拟控制所需的最小转子电压幅值U_rmin作为撬棒切除的判断条件：

U_rmin＝ω_rL_{RSC_min}I_rmax+|E_rf| (16)

其中I_rmax为转子侧变流器电流限幅值，L_{RSC_min}为电感模拟控制下的最小模拟电感值，ω_r为转子角频率，|E_rf|为转子感应电动势的强制分量模长。

3)如果式(16)中计算得到的U_rmin值小于直流母线电压U_dc，则可以切除撬棒，投入电感模拟控制。

4)当切除撬棒时，投入电感模拟控制时，使用定子磁链暂态分量来设计得到转子电流指令，可以尽可能加快定子磁链暂态分量的衰减。因此设计转子侧变流器的dq轴电流指令值为：

5)根据转子侧变流器的dq轴电流指令值即可获得转子侧变流器开关管的控制信号S_a、S_b、S_c。

在本发明实施例中，将电感模拟控制所需的最小转子侧电压值U_rmin作为撬棒切除的判断条件。根据式(16)，可以计算得到电感模拟控制所需的最小转子侧电压值U_rmin，判断U_rmin与直流母线电压U_dc之间的大小关系，具体为：如果计算得到电感模拟控制下的最小转子侧电压值U_rmin小于直流母线电压U_dc，则可以切除撬棒，投入电感模拟控制；若否，则双馈风电机组此时不能切除撬棒。当投入电感模拟控制方法后，根据式(17)设计转子侧电流指令，通过SVPWM调制即可得到转子侧变流器开关管的控制信号。

由上述分析可知，在满足撬棒切除条件的瞬间，转子侧电流指令值等于转子侧变流器的限幅值，电感模拟控制需求的最小电压等于直流母线电压，转子侧电流电压均刚好满足约束条件，即充分利用了转子侧变流器的容量进行低电压穿越，最大程度利用了电感模拟控制的可控运行区间，可以最快满足恢复转子侧变流器控制的条件，尽快切除撬棒。

此方法通过将撬棒电路和电感模拟控制相结合，可以在满足转子侧电流电压限幅条件的前提下极大地缩短撬棒电路的投入时间，从而减少双馈风电机组在故障穿越时的不可控时间，更快恢复转子侧变流器对双馈风电机组的控制，快速提供无功功率支撑，更好地满足了双馈风电机组LVRT的要求。

以下是本发明所提方法的一个实施例：

本发明以一台典型参数下的1.5MW的双馈风电机组为例，进行仿真研究，机组参数如表1所示。仿真条件设定如下：

1)t＜0.6s(正常)：使用传统矢量控制法，控制定子侧输出有功功率P_s和无功功率Q_s，分别为P_s＝0.5p.u.和Q_s＝0p.u.；(转差率s＝-0.2)

2)t＞0.6s(故障)：电网三相电压全电压跌落(即三相电压均变为0)，故障期间电机转速维持不变，假设直流母线电压保持不变。

表11.5MW双馈风电机组仿真参数

根据本发明提供的方法，如说明书附图所示，是使用缩短撬棒投入时间的双馈风电机组混合型故障穿越控制方法时的仿真波形图。由附图5可知，转子电流减小到转子侧变流器限幅值以下；由附图6可知，其转子侧电压也显著减小到限幅值以下，即说明了此方法同时满足了转子侧的电压电流限幅条件，帮助双馈风电机组渡过了电网短路故障。由附图7可知，其定子磁链衰减速度也大大加快定子磁链衰减速度也大大加快(定子磁链自由分量在0.3s内衰减了70％左右)，即说明了此方法有利于加速渡过电网短路故障下的暂态过程。由附图5所示的转子侧变流器电流可知，此方法需要连接撬棒的时间仅为15ms，即说明此方法可以在15ms时恢复双馈风电机组的转子侧变换器控制，从而开始控制双馈风电机组对故障电网提供无功功率支撑，更好地满足了电网运营商提出的双馈风电机组LVRT的要求。

仿真波形符合理论分析结果，验证了缩短撬棒投入时间的双馈风电机组混合型故障穿越控制方法的优越性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，包括：

S1.当电网发生短路故障时，投入撬棒电路；

S2.在撬棒投入阶段，实时计算电感模拟控制所需的最小转子电压U_rmin；

S3.判断U_rmin值是否小于直流母线电压U_dc；若是，则切除撬棒，并投入电感模拟控制；若否，则返回执行步骤S2；

步骤S2具体为：

S21.在撬棒投入阶段，实时计算电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}；

S22.根据实时计算的电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}计算电感模拟控制所需的最小转子电压的幅值U_rmin；

在步骤S21中，电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}为：

其中，σL_r表示转子侧暂态电感，表示漏磁系数，|ψ_sn|为定子磁链暂态分量模长，L_m为定转子互感，L_s为定子自感，L_r为转子自感，I_rmax为转子侧变流器电流限幅值；

在步骤S22中，电感模拟控制所需的最小转子电压幅值U_rmin计算表达式为：

U_rmin＝ω_rL_{RSC_min}I_rmax+|E_rf|

其中I_rmax为转子侧变流器电流限幅值，L_{RSC_min}为电感模拟控制下的最小模拟电感值，ω_r为转子角频率，|E_rf|为转子感应电动势的强制分量模长。

2.如权利要求1所述的一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，步骤S3若U_rmin值小于直流母线电压U_dc，切除撬棒，投入电感模拟控制的具体过程为：

S31：令撬棒电路中的IGBT关断，切除撬棒，恢复转子侧变流器的驱动信号；

S32：根据定子磁链暂态分量的dq轴分量ψ_snd、ψ_snq，定转子互感L_m、定子自感L_s、转子自感L_r、电感模拟控制下的最小模拟电感值L_{RSC_min}设计转子侧变流器的dq轴电流指令值

S33：根据dq轴转子电流指令通过电流环控制，得到转子侧变流器电压调制信号/>

S34：根据所述的调制信号进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的控制信号S_a、S_b、S_c。

3.如权利要求2所述的一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法，其特征在于，在步骤S32中，转子侧变流器的dq轴电流指令值为：

其中，ψ_snd、ψ_snq为定子磁链暂态分量的dq轴分量。

4.一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至3任一项所述的一种缩短撬棒投入时间的双馈风电机组故障穿越控制方法。