CN115149577A - 考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法及系统，所述抑制方法包括如下步骤：采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值；获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值；基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位；结合补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值和网侧变流器三相电压调节指令值，进而对转子侧变流器和网侧变流器进行控制。本发明在生成转子侧变流器电流调节指令值的过程中考虑了有功功率和无功功率耦合现象，基于相位跳变对锁相环跟踪的相位进行补偿，实现了对暂态过电压的主动抑制。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法及系统。
背景技术
以风电为代表的新能源一般通过特高压交直流输电系统送出，当风电系统采用双馈异步风力发电机时，该特高压交直流输电系统即为双馈异步风力发电机的控制主路，该控制主路包括连接在双馈异步风力发电机的转子侧与电网之间的转子侧变流器和网侧变流器，现有的对控制主路的控制方法为PI控制与锁相环结合的方式，该控制方法会导致该特高压交直流输电系统故障后引起发送端(双馈异步风力发电机端)的过电压，造成风机(双馈异步风力发电机)脱网问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种转子侧变流器的控制方法及暂态过电压抑制方法，以实现暂态过电压的抑制，避免发送端过电压，造成风机脱网。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法，所述抑制方法应用于双馈异步风力发电机的控制主路在故障穿越阶段的控制，所述抑制方法包括如下步骤：
采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值，所述电流调节函数为考虑了有功功率和无功功率耦合的条件下确定的函数；
获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值；
基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位；
根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值；
根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值；
基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制，基于所述网侧变流器三相电压调节指令值对网侧变流器进行控制。
可选的，所述电流调节函数包括第一分段函数和第二分段函数；
所述第一分段函数用于生成转子侧变流器q轴电流调节指令值；
所述第二分段函数用于生成转子侧变流器d轴电流调节指令值。
可选的，所述第一分段函数为：
所述第二分段函数为：
其中，iqr *为转子侧变流器q轴电流调节指令值，ψqs为定子q轴磁链，Lm为励磁电感，Ls为定子绕组全电感，k为风电场动态无功电流比例系数，Us为机端暂态电压，uqs为转子q轴电压，uds为转子d轴电压，ids为转子d轴电流，idg为网侧变流器输出的d轴电流，idr *为转子侧变流器d轴电流调节指令值，irmax为转子侧变流器最大允许电流值，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0为风机低穿恢复d轴电流起始值，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
可选的，所述基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位，具体包括：
基于故障穿越阶段的相位跳变量，采用如下公式计算相位补偿项；
θ*＝Δθ+kθ(t-t2) t2＜t＜t3；
其中，θ*表示相位补偿项，Δθ表示相位跳变量，Δθ＝θPLL0-θPLLf，θPLL0为故障前稳态过程中锁相环跟踪的相位；θPLLf为故障恢复时刻锁相环跟踪的相位，kθ为补偿相位恢复斜率，t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量；
将所述相位补偿项与锁相环跟踪的相位的和作为补偿后的相位。
可选的，风机进入低电压穿越阶段时刻t1为机端暂态电压的标幺值低于0.9的时刻；
风机进入故障恢复阶段时刻t2为机端暂态电压的标幺值由低于0.9的数值开始升高的时刻；
风机退出故障恢复阶段时刻t3为机端暂态电压的标幺值升高至高于0.9的时刻。
一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制系统，所述抑制系统应用于双馈异步风力发电机的控制主路在故障穿越阶段的控制，所述抑制系统包括：
转子侧变流器电流调节指令值生成模块，用于采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值，所述电流调节函数为考虑了有功功率和无功功率耦合的条件下确定的函数；
网侧变流器电流调节指令值获取模块，用于获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值；
相位补偿模块，用于基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位；
转子侧变流器三相电压调节指令值生成模块，用于根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值；
网侧变流器三相电压调节指令值生成模块，用于根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值；
控制模块，用于基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制，基于所述网侧变流器三相电压调节指令值对网侧变流器进行控制。
可选的，所述电流调节函数包括第一分段函数和第二分段函数；
所述第一分段函数用于生成转子侧变流器q轴电流调节指令值；
所述第二分段函数用于生成转子侧变流器d轴电流调节指令值。
可选的，所述第一分段函数为：
所述第二分段函数为：
其中，iqr *为转子侧变流器q轴电流调节指令值，ψqs为定子q轴磁链，Lm为励磁电感，Ls为定子绕组全电感，k为风电场动态无功电流比例系数，Us为机端暂态电压，uqs为转子q轴电压，uds为转子d轴电压，ids为转子d轴电流，idg为网侧变流器输出的d轴电流，idr *为转子侧变流器d轴电流调节指令值，irmax为转子侧变流器最大允许电流值，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0为风机低穿恢复d轴电流起始值，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
可选的，所述相位补偿模块，具体包括：
相位补偿项计算子模块，用于基于故障穿越阶段的相位跳变量，采用如下公式计算相位补偿项；
θ*＝Δθ+kθ(t-t2) t2＜t＜t3；
其中，θ*表示相位补偿项，Δθ表示相位跳变量，Δθ＝θPLL0-θPLLf，θPLL0为故障前稳态过程中锁相环跟踪的相位；θPLLf为故障恢复时刻锁相环跟踪的相位，kθ为补偿相位恢复斜率，t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量；
相位补偿子模块，用于将所述相位补偿项与锁相环跟踪的相位的和作为补偿后的相位。
一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法及系统，所述抑制方法包括如下步骤：采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值；获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值；基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位；根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值；根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值；基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制，基于所述网侧变流器三相电压调节指令值对网侧变流器进行控制。本发明在生成转子侧变流器电流调节指令值的过程中考虑了有功功率和无功功率耦合现象，基于相位跳变对锁相环跟踪的相位进行补偿，实现了对暂态过电压的主动抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术行人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，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DFIG接入无穷大电网发生三相短路故障示意图与其等效电路图；
图2为本发明实施例提供的相位跳变角计算相位图；
图3为本发明实施例提供的接地电阻与相角跳变的关系；
图4为本发明实施例提供的故障发生与恢复时刻电压矢量图；
图5为本发明实施例提供的DFIG故障穿越特性示意图，图5中(a)图为机端电压相位变化示意图，(b)图为机端电压dq分量波形图，(c)图为无功功率dq分量波形图，(d)图为风机输出无功功率波形图；
图6为本发明实施例提供的DFIG并网系统结构图；
图7为本发明实施例提供的GSC控制框图；
图8为本发明实施例提供的RSC控制框图；
图9为本发明实施例提供的有功/无功电流与dq轴电流矢量关系示意图；
图10为本发明实施例提供的改进三相数字锁相环结构框图；
图11为本发明实施例提供的相位补偿特性示意图；
图12为本发明实施例提供的考虑相位跳变的暂态过电压抑制策略示意图；
图13为本发明实施例提供的风力发电仿真示意图；
图14为本发明实施例提供的DFIG机端电压波形图；
图15为本发明实施例提供的锁相环输出相位波形图；
图16为本发明实施例提供的风机输出有功功率波形图；
图17为本发明实施例提供的风机输出无功功率波形图；
图18为本发明实施例提供的机端电压对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术行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。
本发明的目的是提供一种转子侧变流器的控制方法及暂态过电压抑制方法，以实现暂态过电压的抑制，避免发送端过电压，造成风机脱网问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明基于双馈异步风力发电机(DFIG，Doubly fed Induction Generator)并网模型，首先通过分析电网短路故障后DFIG机端电压相位跳变特性，揭示了故障恢复后暂态过电压形成机理。然后分别分析了电网强度，故障穿越功率控制以及锁相环控制对机端暂态过电压的影响。在此基础上，根据故障恢复时刻电压相位跳变特性提出对转子侧变流器(RSC)以及锁相环的改进控制策略，实现对暂态过电压的主动抑制，最后通过Matlab/Simulink仿真验证了所提出控制策略的有效性。
实施例1
1分析DFIG机端暂态电压形成机理
1.1机端电压跳变特征分析
图1为DFIG接入无穷大电网发生三相短路故障示意图与其等效电路图，其中图1中的(a)图为无穷大电网发生三相短路故障示意图，图1中的(b)图为无穷大电网发生三相短路故障的等效电路图。这里为简化分析，作了如下假设：(1)将DFIG等效为独立电流源。无穷大电网等效为独立电压源。(2)短路前后机端电压相位的跳变实质是经历了一个暂态过程，而相位跳变的暂态分析比较复杂，这里认为电压相位从短路前稳态直接进入到短路后稳态，其中，Uf为短路电压，Grid为网端，DFIG为DFIG机端。根据图1可知：
系统短路故障前稳态运行时风机机端电压可表示为：
Us＝Un+I(Z1+Z2) (1)
系统短路故障后稳态运行时机端电压可表示为：
式中，Us为风机机端电压，Un为无穷大节点电压；I为风机输出电流；Z1为无穷大电源与故障点之间的等效阻抗；Z2为风机机端与故障点之间的阻抗；Zf为故障点接地阻抗；其中，Z1＝R1+jX1；Z2＝R2+jX2；Zf＝Rf+jXf。
对于式(1)忽略电压降落横分量，可认为系统正常运行时机端电压与无穷大节点同相位；同时考虑到风场注入系统电流远小于故障电流，可将式(2)简化为：
假设无穷大节点电压Un＝1pu，根据图2相量关系，可得故障发生时刻机端电压相位跳变角度
表达式：
分析式(4)可知，当短路阻抗Zf阻抗角与故障点与无穷大母线连接阻抗Z1阻抗角不同时，会造成机端电压相位跳变。由于故障发生及清除时间相对风速变化、风力机输出变化较短，且接入的主电网被视为无穷大电网，可认为故障前后系统工况变化不大，这样故障恢复时刻电压相位跳变角度
为：
当电网发生短路后，短路发生时刻及短路发生时刻都会伴随风机机端电压相位产生跳变。相位跳变的幅度与故障点位置，接地阻抗大小以及风机接入系统阻抗大小有关，且故障发生时刻与故障恢复时刻相位跳变角大小相等，方向相反。
实际中，风机接入系统拓扑结构以及阻抗参数是多样的，导致系统短路后机端相位跳变特征也是多样的。本文针对风机接入系统典型工况，认为系统阻抗为纯感性电抗，同时考虑故障点接地阻抗Zg为纯电阻，分析短路故障后相位跳变特征。图3描述了不同接地电阻与相位跳变角
的关系；一般在典型工况下，如图3所示，故障发生时刻相位向后跳变，跳变角在-90°到0°之间变化。且故障接地电阻越大，相位跳变角越小。
1.2相位跳变下暂态过电压形成机理分析
风机机端电压相位产生跳变时将影响风电机组锁相控制的准确度，从而破坏基于电压空间矢量定向的功率解耦控制条件，增加了风电机组有功和无功控制环路耦合性，影响其有功和无功控制效果及故障穿越能力。考虑锁相环的相位跟踪存在延时，如图4(图4中的(a)为故障发生时刻电压矢量图，图4中的(b)为故障恢复时刻电压矢量图)所示，故障发生时刻机端电压相位向后跳变，造成锁相环输出相位与实际相位存在差值(如图5中的(a)图)，此时机端电压矢量映射在同步旋转坐标系q轴电压分量Uq＜0；相反，故障恢复时刻机端电压相位向前跳变，此时机端电压矢量映射在dq坐标系q轴电压分量Uq＞0；而风机的功率解耦控制是建立在dq坐标系q轴电压分量Uq＝0的基础上，故障发生与恢复时刻Uq≠0，风机的无功功率和d轴电流Id产生耦合，此时风机输出无功功率将由两部分组成。风机输出无功功率与dq轴电压电流关系可表示为：
式中，Qd为风机d轴电流产生的无功分量，Qq为风机q轴电流产生的无功分量。
故障发生后，在锁相环未跟踪到电压相位的时间内Uq＜0，此时风机输出的d轴电流会产生无功功率分量Qd，且Qd＜0；而故障恢复后，锁相环未跟踪到电压相位的时间内Uq＞0(如图5中的(b)图)，该时间段内风机d轴电流逐渐恢复，导致Qd＞0(如图5中的(c)图)；风机的无功电流在故障穿越阶段一般由变流器内环PI调节器直接控制，在变流器处于可控状态下，认为风机的实际q轴电流在此阶段等于电流参考值(Iqref＝0)，故在故障恢复阶段系统q轴电流为0，q轴电流产生的无功分量为0，即Qq＝0(如图5中的(c)图)，可知风机在该时间段内输出总的无功功率Q>0(如图5中的(d)图)。因此风机在故障恢复阶段会出现无功功率超发的现象，且这部分超发的无功功率主要与风机的d轴电流有关，导致在故障恢复后机端产生数百毫秒的暂态过电压。
2分析DFIG机端暂态电压模型
图6-8给出了DFIG的典型主电路拓扑及控制框图。如图6所示，DFIG常规拓扑为：定子侧直流与电网相连，转子侧通过转子侧变流器(Rotor Side Converte，RSC)与网侧变流器(Grid-side converter，GSC)与电网连接。
同步旋转dq坐标系下DFIG定子电压方程：
式中，uds，uqs分别为定子dq轴电压；ids，iqs分别为定子dq轴电流；
分别为定子dq轴磁链；Rs为定子绕组电阻；ω为同步角速度。
DFIG定子电压方程:
式中，udr，uqr分别为转子dq轴电压；idr，iqr分别为转子dq轴电流；
分别为转子dq轴磁链；Rr为定子绕组电阻；ωs为转差角速度。
定转子磁链方程：
式中，Ls，Lr分别为定转子绕组全自感；Lm为励磁电感。
GSC滤波方程：
式中，vdg，vqg分别为网侧变流输出dq轴电压；
idg，iqg分别为网侧变流dq轴电流；Lg为滤波电感。
如图7所示，GSC输出电压方程：
式中，idg *，iqg *分别为网侧变流器dq轴电流指令值；kgp，kgi分别为网侧变流器内环PI控制器的比例增益和积分常数。
如图8所示，RSC输出电压方程：
式中，idr *，iqr *分别为机侧变流器dq轴电流指令值；krp，kri分别为机侧变流器内环PI控制器的比例增益和积分常数。其中，δ＝1-Lm 2/(LsLr)。
故障穿越过程一般取消功率外环，变流器采用电流内环直接控制的方式，下面将推导暂态过电压与风机输出电流的直接关系。
风机输出电流可表示为:
I＝IP+IQ (14)
式中，IP，IQ分别为风机输出的有功电流和无功电流。
忽略系统电阻和电压降落横分量，结合式(1)和式(14)可得：
Us+IQX＝Un (15)
图9描述了风机输出无功电流与dq轴电流的矢量关系，如图9所示，风机输出无功电流可表示为：
IQ＝Iq cosθ-Id sinθ (16)
式中，θ为机端电压矢量与d轴之间的相位差，它表示锁相环跟踪相位的误差大小。在锁相环准确跟踪到机端电压相位时，θ为0，风机d轴电流全部为有功电流，q轴电流全部为无功电流。
式(9)代入式(8)可得：
US＝Un+IdXsinθ-IqXcosθ (17)
式(10)表达了故障恢复后短时间内机端暂态电压与风机输出d轴电流，q轴电流，锁相环跟踪误差及风机接入系统电抗之间的关系。
3.DFIG机端暂态过电压抑制策略
3.1锁相环控制策略
常规锁相环实质是依赖PI控制跟踪电压相位，在故障恢复时刻无法及时跟踪到机端电压相位。此时需要针对故障恢复时刻机端电压相位突变特点，对锁相环控制加以改进，保证故障恢复时刻锁相环实现相位准确跟踪的目的。改进思路如下：
如图10所示，通过在锁相环控制回路中加入相位前馈补偿环节，可以实时准确跟踪到故障恢复时刻的电压相位。当检测系统故障恢复时，锁相环输出相位在传统控制策略中加入相位补偿项θ*(对应图10中的θ、)，补偿项θ*可表示为：
θ*＝Δθ+kθ(t-t2) t2＜t＜t3 (18)
式中，Δθ为相位突变补偿项，它保证在故障恢复时刻锁相环输出相位能够快速跟踪到实际值；kθ为补偿相位恢复斜率，它保证锁相环输出相位在故障恢复后能够平滑切换至稳态控制，如图11所示。t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3风机退出故障恢复阶段时刻。
Δθ＝θPLL0-θPLLf (19)
式中，θPLL0为故障前稳态过程中锁相环跟踪的相位；θPLLf为故障恢复时刻锁相环跟踪的相位；
3.2 RSC控制策略
根据上述分析，有功电流与无功功率耦合导致故障恢复时刻风机无功超发，而DFIG并网逆变器的设计依据是建立在功率解耦的基础上。所以在有功无功耦合的条件下，需要考虑到这部分功率耦合对控制器产生的负面影响，因此需要对针对功率耦合情况对逆变器控制指令值进行改进。改进思路如下:
为了保证风机在故障恢复后无功功率输出为0，根据式(6)令Q＝0，可得：
低电压穿越恢复阶段转子侧q轴电流可设计为：
同时考虑到d轴电流的恢复对暂态电压的影响，低电压穿越恢复阶段转子侧d轴电流应设计为：
idr*＝idr0+kid(t-t2)
式中，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0低穿恢复d轴电流起始值。
因此，整个故障穿越阶段转子电流指令值：
式中，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；irmax为转子变流器最大允许电流值。
3.3 GSC控制策略
由于定子侧向电网提高无功能力大于网侧变流器，低电压穿越期间主要考率转子侧的无功功率控制，对于网侧变流器，其主要控制目标依然维持母线电压稳定。因此可不考虑低电压穿越期间网侧变流器控制系统设计。
3.4控制策略切换逻辑
故障整个过程分为两个阶段，即低电压穿越阶段，低电压穿越恢复阶段。风机进入低电压穿越阶段的判断逻辑为机端电压标幺值Us<0.9。风机进入低电压恢复阶段的判断逻辑为Us从低于0.9升高至0.9以上，风机退出故障恢复阶段采用延时退出方式。图12为考虑相位跳变的暂态过电压抑制策略框图，如图12所示，当锁相环输出部分的开关与1端连接时，不进行补偿，当连接至3端时可进行补偿，idr *，iqr *输出部分的开关，可以控制idr *，iqr *的三种生成方式，分别为第一分段函数(连接至2端)、第二分段函数(连接至3端)和PI算法(连接至1端，在无故障条件下可连接至1端)。
4仿真验证
为验证所提出的改进控制策略对暂态过电压抑制的有效性，在Matlab/Simulink平台搭建如图13所示的DFIG发电系统及参数进行仿真研究。
采用18台1.5MW风机等值而成的风电场经升压变压器汇入35kV母线，再经升压变压器和线路接入220kV输电线路与无穷大系统相连。仿真中采用标幺值系统，基值选定为：定子电压基值575V，功率基值1.5MW，额定频率50HZ。
其中风机侧相关数据如表1所示：
表1双馈风机机组参数
为验证在强弱电网工况下改进策略的有效性，仿真设置两种不同短路比分别模拟强弱电网：(1)强电网，XL＝0.05pu，XT＝0.05pu，XS＝0.05pu；(2)弱电网，XL＝0.25pu，XT＝0.25pu，XS＝0.05pu；设置1.2s时在35kV远端线路发生三相短路故障，故障接地阻值为0.8Ω，故障持续0.2s。观察风机机端电压(如图14所示)，锁相环相位(如图15所示)，风机输出有功功率(如图16所示)，无功功率(如图17所示)。
图14为弱电网工况下暂态过电压抑制策略前后风机机端电压波形，传统控制策略下机端暂态过电压峰值为1.22pu，加入改进暂态电压抑制策略后暂态过电压峰值为1.05pu。说明所提出的抑制策略对于暂态过电压具有主动抑制效果。图15为锁相环输出相位波形，对比分析可知改进的锁相环控制在故障恢复时刻迅速跟踪到故障之前的电压相位，而传统锁相环控制需要200ms左右才能跟踪到电压相位。图17为DFIG输出无功功率波形，对比分析传统控制策略在故障恢复后会出现无功超发现象，最大无功功率可达0.7pu。改进控制策略下在故障恢复后无功功率最大值为0.1pu，并快速恢复至0。
图18给出了强电网工况下暂态过电压抑制策略前后机端电压波形，传统控制策略下暂态过电压峰值为1.07pu，改进控制策下略下暂态过电压峰值为1.02pu。表2对比不同短路比条件下改进策略前后暂态过电压峰值，可以看出，不同短路比条件下所提出策略均能有效抑制故障恢复后风机机端暂态波动，有利于风机的安全稳定运行。
表2不同短路比下暂态电压对比
5结论
本发明实施例1针对交流系统发生短路故障后DFIG故障穿越特性分析及故障恢复后暂态过电压形成机理分析，并提出一种考虑故障恢复过程中有功无功耦合情况的暂态过电压抑制方法。所得结论如下：
电网短路故障发生和恢复时刻，因为电力电子设备无惯性及控制策略影响，风电场并网点电压相位将产生较大跳变，影响风电机组锁相控制的准确度，从而破坏基于电压空间矢量定向的功率解耦控制条件，风机在故障清除时刻电压一般向前突变，导致有功电流与无功功率耦合，风机出现无功超发现象，这也是DFIG在故障恢复后出现暂态过电压的根本原因。
指出低电压穿越阶段无功功率控制及低电压穿越阶段有功功率恢复对DFIG暂态过电压的影响。并明确了风机接入交流系统短路比与暂态过电压的关系。
3)提出一种考虑故障恢复过程有功与无功耦合情况的暂态过电压抑制方法，并在Matlab/Simulink平台搭建时域仿真模型验证了该方法的有效性。
实施例2
基于实施例1的推理和验证，本发明实施例2提供一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法，所述抑制方法应用于双馈异步风力发电机的控制主路在故障穿越阶段的控制，所述抑制方法包括：
步骤101，采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值，所述电流调节函数为考虑了有功功率和无功功率耦合的条件下确定的函数。
其中，所述电流调节函数包括第一分段函数和第二分段函数；所述第一分段函数用于生成转子侧变流器q轴电流调节指令值；所述第二分段函数用于生成转子侧变流器d轴电流调节指令值。
所述第一分段函数为：
所述第二分段函数为：
其中，iqr *为转子侧变流器q轴电流调节指令值，ψqs为定子q轴磁链，Lm为励磁电感，Ls为定子绕组全电感，k为风电场动态无功电流比例系数，Us为机端暂态电压，uqs为转子q轴电压，uds为转子d轴电压，ids为转子d轴电流，idg为网侧变流器输出的d轴电流，idr *为转子侧变流器d轴电流调节指令值，irmax为转子侧变流器最大允许电流值，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0为风机低穿恢复d轴电流起始值，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
步骤102，获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值。网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值的生成方式示例性的为PI算法。
步骤103，基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位。
所述基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位，具体包括：
基于故障穿越阶段的相位跳变量，采用如下公式计算相位补偿项。
θ*＝Δθ+kθ(t-t2) t2＜t＜t3；
其中，θ*表示相位补偿项，Δθ表示相位跳变量，Δθ＝θPLL0-θPLLf，θPLL0为故障前稳态过程中锁相环跟踪的相位；θPLLf为故障恢复时刻锁相环跟踪的相位，kθ为补偿相位恢复斜率，t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
将所述相位补偿项与锁相环跟踪的相位的和作为补偿后的相位。
步骤104，根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值。
步骤105，网侧变流器三相电压调节指令值生成模块，用于根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值。
在根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值，及根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值的过程中，首先采用PI算，生成转子侧变流器q轴电压调节指令值、转子侧变流器d轴电压调节指令值、网侧变流器q轴电压调节指令值、网侧变流器d轴电压调节指令值，然后，基于补偿后的相位对转子侧变流器q轴电压调节指令和转子侧变流器d轴电压调节指令进行Park逆变换，获得转子侧变流器三相电压调节指令，基于补偿后的相位对网侧变流器q轴电压调节指令和网侧变流器d轴电压调节指令进行Park逆变换，获得网侧变流器三相电压调节指令。
其中，采用PI算，生成转子侧变流器q轴电压调节指令值、转子侧变流器d轴电压调节指令值的步骤具体包括：基于所述转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子q轴电流的差值，采用PI控制算法生成转子侧变流器q轴电压调节指令值，基于所述转子侧变流器d轴电流调节指令值和转子d轴电流的差值，采用PI控制算法生成转子侧变流器d轴电压调节指令值，参见公式(13)。
采用PI算，生成网侧变流器q轴电压调节指令值、网侧变流器d轴电压调节指令值的步骤具体包括：采用PI控制算法生成网侧变流器q轴电压调节指令值和网侧变流器d轴电压调节指令值(参见公式12)。
步骤106，基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制，基于所述网侧变流器三相电压调节指令值对网侧变流器进行控制。
示例性的，风机进入低电压穿越阶段时刻t1为机端暂态电压的标幺值低于0.9的时刻；风机进入故障恢复阶段时刻t2为机端暂态电压的标幺值由低于0.9的数值开始升高的时刻；风机退出故障恢复阶段时刻t3为机端暂态电压的标幺值升高至高于0.9的时刻。
实施例3
本发明实施例3提供一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制系统，所述抑制系统应用于双馈异步风力发电机的控制主路在故障穿越阶段的控制，所述抑制系统包括：
转子侧变流器电流调节指令值生成模块，用于采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值，所述电流调节函数为考虑了有功功率和无功功率耦合的条件下确定的函数。
网侧变流器电流调节指令值获取模块，用于获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值。
相位补偿模块，用于基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位。
转子侧变流器三相电压调节指令值生成模块，用于根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值。
网侧变流器三相电压调节指令值生成模块，用于根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值。
控制模块，用于基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制，基于所述网侧变流器三相电压调节指令值对网侧变流器进行控制。
其中，所述电流调节函数包括第一分段函数和第二分段函数；所述第一分段函数用于生成转子侧变流器q轴电流调节指令值；所述第二分段函数用于生成转子侧变流器d轴电流调节指令值。
所述第一分段函数为：
所述第二分段函数为：
其中，iqr *为转子侧变流器q轴电流调节指令值，ψqs为定子q轴磁链，Lm为励磁电感，Ls为定子绕组全电感，k为风电场动态无功电流比例系数，Us为机端暂态电压，uqs为转子q轴电压，uds为转子d轴电压，ids为转子d轴电流，idg为网侧变流器输出的d轴电流，idr *为转子侧变流器d轴电流调节指令值，irmax为转子侧变流器最大允许电流值，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0为风机低穿恢复d轴电流起始值，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
所述相位补偿模块，具体包括：
相位补偿项计算子模块，用于基于故障穿越阶段的相位跳变量，采用如下公式计算相位补偿项；
θ*＝Δθ+kθ(t-t2) t2＜t＜t3；
其中，θ*表示相位补偿项，Δθ表示相位跳变量，Δθ＝θPLL0-θPLLf，θPLL0为故障前稳态过程中锁相环跟踪的相位；θPLLf为故障恢复时刻锁相环跟踪的相位，kθ为补偿相位恢复斜率，t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量；
相位补偿子模块，用于将所述相位补偿项与锁相环跟踪的相位的和作为补偿后的相位。
实施例4
本发明实施例4提供一种转子侧变流器的控制方法，所述控制方法应用于双馈异步风力发电机的控制主路的转子侧变流器在故障穿越阶段的控制，所述控制方法包括如下步骤：
采用第一分段函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值，采用第二分段函数生成转子侧变流器d轴电流调节指令值；所述第一分段函数和所述第二分段函数为考虑了有功功率和无功功率耦合的条件下确定的函数。
所述第一分段函数为：
所述第二分段函数为：
其中，iqr *为转子侧变流器q轴电流调节指令值，ψqs为定子q轴磁链，Lm为励磁电感，Ls为定子绕组全电感，k为风电场动态无功电流比例系数，Us为机端暂态电压，uqs为转子q轴电压，uds为转子d轴电压，ids为转子d轴电流，idg为网侧变流器输出的d轴电流，idr *为转子侧变流器d轴电流调节指令值，irmax为转子侧变流器最大允许电流值，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0为风机低穿恢复d轴电流起始值，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
基于所述转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子q轴电流的差值，采用PI控制算法生成转子侧变流器q轴电压调节指令值，基于所述转子侧变流器d轴电流调节指令值和转子d轴电流的差值，采用PI控制算法生成转子侧变流器d轴电压调节指令值。
基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位。
基于补偿后的相位对转子侧变流器q轴电压调节指令值和转子侧变流器d轴电压调节指令值进行Park逆变换，获得转子侧变流器三相电压调节指令值。
基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制。
实施例5
一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行实施例2的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
以风电为代表的新能源一般通过特高压交直流输电系统送出，系统故障后易引发送端过电压，造成风机脱网问题。目前针对风机暂态过电压问题的研究中，鲜有文献考虑到电压相位跳变对风电机组故障穿越特性的影响，进而影响机端暂态电压。本发明基于双馈感应发电机(DFIG)并网模型，首先通过分析电网短路故障后DFIG机端电压相位跳变特性，揭示了故障恢复后暂态过电压形成机理。然后分别分析了电网强度，故障穿越功率控制以及锁相环控制对机端暂态过电压的影响。在此基础上，根据故障恢复时刻电压相位跳变特性提出对转子侧变流器(RSC)以及锁相环的改进控制策略，实现对暂态过电压的主动抑制，提高了风电送出系统的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术行人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法，其特征在于，所述抑制方法应用于双馈异步风力发电机的控制主路在故障穿越阶段的控制，所述抑制方法包括如下步骤：
采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值，所述电流调节函数为考虑了有功功率和无功功率耦合的条件下确定的函数；
获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值；
基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位；
根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值；
根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值；
基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制，基于所述网侧变流器三相电压调节指令值对网侧变流器进行控制。
2.根据权利要求1所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法，其特征在于，所述电流调节函数包括第一分段函数和第二分段函数；
所述第一分段函数用于生成转子侧变流器q轴电流调节指令值；
所述第二分段函数用于生成转子侧变流器d轴电流调节指令值。
3.根据权利要求2所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法，其特征在于，所述第一分段函数为：
所述第二分段函数为：
其中，iqr *为转子侧变流器q轴电流调节指令值，ψqs为定子q轴磁链，Lm为励磁电感，Ls为定子绕组全电感，k为风电场动态无功电流比例系数，Us为机端暂态电压，uqs为转子q轴电压，uds为转子d轴电压，ids为转子d轴电流，idg为网侧变流器输出的d轴电流，idr *为转子侧变流器d轴电流调节指令值，irmax为转子侧变流器最大允许电流值，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0为风机低穿恢复d轴电流起始值，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
4.根据权利要求3所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法，其特征在于，所述基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位，具体包括：
基于故障穿越阶段的相位跳变量，采用如下公式计算相位补偿项；
θ*＝Δθ+kθ(t-t2)t2＜t＜t3；
其中，θ*表示相位补偿项，Δθ表示相位跳变量，Δθ＝θPLL0-θPLLf，θPLL0为故障前稳态过程中锁相环跟踪的相位；θPLLf为故障恢复时刻锁相环跟踪的相位，kθ为补偿相位恢复斜率；
将所述相位补偿项与锁相环跟踪的相位的和作为补偿后的相位。
5.根据权利要求4所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法，其特征在于，风机进入低电压穿越阶段时刻t1为机端暂态电压的标幺值低于0.9的时刻；
风机进入故障恢复阶段时刻t2为机端暂态电压的标幺值由低于0.9的数值开始升高的时刻；
风机退出故障恢复阶段时刻t3为机端暂态电压的标幺值升高至高于0.9的时刻。
6.一种考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制系统，其特征在于，所述抑制系统应用于双馈异步风力发电机的控制主路在故障穿越阶段的控制，所述抑制系统包括：
转子侧变流器电流调节指令值生成模块，用于采用电流调节函数生成转子侧变流器q轴电流调节指令值和转子侧变流器d轴电流调节指令值，所述电流调节函数为考虑了有功功率和无功功率耦合的条件下确定的函数；
网侧变流器电流调节指令值获取模块，用于获取网侧变流器q轴电流调节指令值和网侧变流器d轴电流调节指令值；
相位补偿模块，用于基于故障穿越阶段的相位跳变量，对锁相环跟踪的相位进行补偿，获得补偿后的相位；
转子侧变流器三相电压调节指令值生成模块，用于根据转子侧变流器q轴电流调节指令值、转子侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得转子侧变流器三相电压调节指令值；
网侧变流器三相电压调节指令值生成模块，用于根据网侧变流器q轴电流调节指令值、网侧变流器d轴电流调节指令值和补偿后的相位，获得网侧变流器三相电压调节指令值；
控制模块，用于基于所述转子侧变流器三相电压调节指令值对转子侧变流器进行控制，基于所述网侧变流器三相电压调节指令值对网侧变流器进行控制。
7.根据权利要求6所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制系统，其特征在于，所述电流调节函数包括第一分段函数和第二分段函数；
所述第一分段函数用于生成转子侧变流器q轴电流调节指令值；
所述第二分段函数用于生成转子侧变流器d轴电流调节指令值。
8.根据权利要求7所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制系统，其特征在于，所述第一分段函数为：
所述第二分段函数为：
其中，iqr *为转子侧变流器q轴电流调节指令值，ψqs为定子q轴磁链，Lm为励磁电感，Ls为定子绕组全电感，k为风电场动态无功电流比例系数，Us为机端暂态电压，uqs为转子q轴电压，uds为转子d轴电压，ids为转子d轴电流，idg为网侧变流器输出的d轴电流，idr *为转子侧变流器d轴电流调节指令值，irmax为转子侧变流器最大允许电流值，kid为风机低穿恢复d轴电流系数；idr0为风机低穿恢复d轴电流起始值，t1为风机进入低电压穿越阶段时刻；t2为风机进入故障恢复阶段时刻，t3为风机退出故障恢复阶段时刻，t为时间变量。
9.根据权利要求6所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制系统，其特征在于，所述相位补偿模块，具体包括：
相位补偿项计算子模块，用于基于故障穿越阶段的相位跳变量，采用如下公式计算相位补偿项；
θ*＝Δθ+kθ(t-t2)t2＜t＜t3；
其中，θ*表示相位补偿项，Δθ表示相位跳变量，Δθ＝θPLL0-θPLLf，θPLL0为故障前稳态过程中锁相环跟踪的相位；θPLLf为故障恢复时刻锁相环跟踪的相位，kθ为补偿相位恢复斜率；
相位补偿子模块，用于将所述相位补偿项与锁相环跟踪的相位的和作为补偿后的相位。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1至5任一项所述的考虑相位跳变的双馈异步风力发电机暂态过电压抑制方法。
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| CN107425539A (zh) * | 2017-06-26 | 2017-12-01 | 重庆大学 | 电网不对称故障下双馈风电机组的增强低电压穿越控制方法 |
| CN108462207A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-08-28 | 河海大学 | 一种计及变流器暂态调控的双馈风力发电机组三相短路电流计算方法 |
| CN110417059A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-11-05 | 重庆大学 | 一种可再生能源发电基地暂态稳定控制方法 |
| CN112910019A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-06-04 | 山东大学 | 一种双馈风力发电机故障电压穿越控制方法及系统 |
| CN113517715A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-10-19 | 重庆大学 | 一种基于自动电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制方法 |
-
2022
- 2022-08-09 CN CN202210947560.2A patent/CN115149577A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116545039A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-08-04 | 华北电力大学 | 一种直驱风机等效综合惯量确定方法、系统及电子设备 |
| CN116545039B (zh) * | 2023-07-03 | 2023-09-22 | 华北电力大学 | 一种直驱风机等效综合惯量确定方法、系统及电子设备 |
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