CN115425689B - 双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备 - Google Patents

双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备，属于风机故障穿越领域，首先考虑锁相环跟踪跳变的机端电压相位的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，进而获得转子侧PWM电压控制补偿量方程，然后双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制平稳穿越，最后当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，能够在故障清除时刻降低暂态过电压。

Description

双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备
技术领域
本发明涉及风机故障穿越领域，特别是涉及一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备。
背景技术
新能源汇集系统常呈现弱电网的特征，在出现短路或直流故障时，易出现暂态过电压问题，造成风机的大面积脱网。故障期间，双馈风电机组(Double Fed InductionGenerator，DFIG)的定子侧与电网直接相连，机端电压对电网电压的变化十分敏感，不仅幅值下降，相角也发生跳变。因积分环节的存在，DFIG锁相环(Phase LockedLoop，PLL)结构大约需要100～200ms的时间来跟踪机端电压的相位突变，在未准确跟踪到实际相位的过程中，风机有功、无功功率解耦控制的条件被破坏，导致盈余大量的无功功率，在故障清除时刻极易产生暂态过电压。目前针对锁相环未准确锁相导致无功盈余的机理分析还较少，因此，如何在故障清除时刻降低暂态过电压，保障风机故障穿越的效果已成为目前亟待解决的研究问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备，以在故障清除时刻降低暂态过电压。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，包括：
根据在交流系统发生故障后锁相环跟踪跳变的机端电压相位存在的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程；
根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，确定转子侧PWM电压控制补偿量方程；
在交流系统发生故障后，当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，以保持双馈风电机组并网运行；
当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，以抑制暂态过电压，并采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
可选的，所述计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为
Figure BDA0003874937310000021
/>
式中，Rr表示转子侧电阻值，σ表示漏磁系数，Lr表示转子侧电感值，s表示转差率，Lm表示定转子之间的互感值，Ls表示定子侧电感值，u′rd和u′rq分别表示计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ird和irq分别表示转子d轴和q轴电流，w1表示同步角速度，Us表示机端定子电压幅值，θ表示电压相位跟踪偏差，θ＝θreal-θPLL，θreal表示机端电压实际相位，θPLL表示锁相环输出相位。
可选的，所述根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，确定转子侧PWM电压控制补偿量方程，具体包括：
确定不计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为
Figure BDA0003874937310000022
式中，urd和urq分别表示不计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ψsd和ψsq分别表示不计及相位跳变的定子磁链的d、q轴分量；
根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程和不计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，获得转子侧PWM电压控制补偿量方程为
Figure BDA0003874937310000031
式中，Δurd和Δurq分别表示计及相位跳变量补偿的转子侧d轴和q轴控制电压补偿量。
可选的，所述当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，具体包括：
当双馈风电机组的机端电压标幺值Us小于0.9pu时，判定双馈风电机组进入低电压穿越阶段；
根据公式
Figure BDA0003874937310000032
控制风机网侧变流器无功电流参考值；式中，/>
Figure BDA0003874937310000033
表示风机网侧变流器无功电流参考值，Igmax表示网侧变流器所能承受的最大电流值，/>
Figure BDA0003874937310000034
表示风机网侧变流器有功电流参考值；
取消功率外环，采用公式
Figure BDA0003874937310000035
控制转子侧变流器无功电流参考值；式中，/>
Figure BDA0003874937310000036
表示转子侧变流器无功电流参考值，Us表示定子电压幅值，kq表示无功电流比例系数，最新国标要求其取值应在1.5与3之间，ψqs表示定子磁链的q轴分量；
利用公式
Figure BDA0003874937310000037
控制风机网侧变流器有功电流参考值，以维持直流母线电压恒定；式中，/>
Figure BDA0003874937310000038
表示风机网侧变流器有功电流参考值，kp表示比例控制参数，ki表示积分控制参数，/>
Figure BDA0003874937310000039
表示直流母线电压的参考值，Vdc表示直流母线电压的实际值；
采用无功优先的定电流控制策略，利用公式
Figure BDA00038749373100000310
控制转子侧变流器有功电流参考值；式中，/>
Figure BDA00038749373100000311
表示转子侧变流器有功电流参考值，Irmax表示风机转子侧变流器所能承受的最大电流值，/>
Figure BDA00038749373100000312
表示转子侧变流器无功电流参考值。
可选的，所述当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，还包括：
确定电网侧变换器内环的电压控制方程为
Figure BDA0003874937310000041
式中，ugd和ugq分别表示电网侧变换器内环的d轴和q轴控制电压，igd和igq分别表示电网侧变换器d轴和q轴电流，w1表示同步角速度，Rg表示网侧电阻值，Lg表示网侧电感值，Vd和Vq分别表示定子电压的d、q轴分量。
可选的，当双馈风电机组进入故障清除时刻时，采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，具体包括：
根据公式
Figure BDA0003874937310000042
控制风机网侧变流器无功电流参考值；式中，/>
Figure BDA0003874937310000043
表示风机网侧变流器无功电流参考值；
取消功率外环，采用公式
Figure BDA0003874937310000044
控制转子侧无功电流参考值；式中，/>
Figure BDA0003874937310000045
表示转子侧变流器无功电流参考值，/>
Figure BDA0003874937310000046
和Qs分别表示定子侧无功功率参考值和定子侧无功功率实际值；
利用公式
Figure BDA0003874937310000047
控制风机网侧变流器有功电流参考值，以维持直流母线电压恒定；式中，/>
Figure BDA0003874937310000048
表示风机网侧变流器有功电流参考值；
利用公式
Figure BDA0003874937310000049
控制转子侧变流器有功电流参考值；式中，/>
Figure BDA00038749373100000410
表示转子侧变流器有功电流参考值，/>
Figure BDA00038749373100000411
和Ps分别表示定子侧有功功率参考值和定子侧有功功率实际值。
可选的，所述双馈风电机组进入故障清除时刻的判断条件为：电压相位跟踪偏差大于0。
可选的，在交流系统没有发生故障且处于稳态时，采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制系统，包括：
电压控制方程确定模块，用于根据在交流系统发生故障后锁相环跟踪跳变的机端电压相位存在的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程；
补偿量方程确定模块，用于根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，确定转子侧PWM电压控制补偿量方程；
低电压穿越控制模块，用于在交流系统发生故障后，当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，以保持双馈风电机组并网运行；
暂态过电压抑制模块，用于当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，以抑制暂态过电压，并采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法。
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：
本发明公开一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备，首先考虑锁相环跟踪跳变的机端电压相位的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，进而获得转子侧PWM电压控制补偿量方程，然后双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制平稳穿越，最后当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，使得转子侧PWM电压控制中计及了故障期间机端电压的相位跳变，能够在故障清除时刻减少机端电压q轴分量，从而减少机端电压q轴分量与DFIG有功电流耦合产生的无功功率，最终降低故障清除时刻的暂态过电压。
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为现有的PLL结构示意图；
图2为现有的DFIG并于无穷大系统示意图及其等效电路；图2中的(a)为DFIG并于无穷大系统示意图，图2中的(b)为DFIG并于无穷大系统的等效电路图；
图3为本发明实施例提供的锁相环相位跟踪误差示意图；图3中的(a)为故障发生时刻相位跳变示意图，图3中的(b)为故障清除时刻相位跳变示意图；
图4为本发明实施例提供的一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法的框图；
图6为本发明实施例提供的DFIG并网示意图；
图7为本发明实施例提供的计及相位跳变下的DFIG暂态特性示意图；图7中的(a)为无功功率有功耦合分量示意图，图7中的(b)为无功功率示意图，图7中的(c)为机端电压q轴分量示意图，图7中的(d)为机端电压正序分量示意图，图7中的(e)为电压相位示意图，图7中的(f)为电压相位跟踪偏差值示意图；
图8为本发明实施例提供的改进控制策略前后对比图；图8中的(a)为无功功率有功耦合分量对比示意图，图8中的(b)为无功功率对比示意图，图8中的(c)为机端电压q轴分量对比示意图，图8中的(d)为机端电压正序分量对比示意图。
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双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法、系统及电子设备，以在故障清除时刻降低暂态过电压。
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。
交流系统发生短路故障后，风电场并网点电压的相位可能会随着接入系统阻抗的变化而出现跳变，若锁相环无法精准跟踪到机端电压相位的跳变，将会破坏DFIG矢量控制的定向精度，使转子磁链产生较大的偏差，进而引起转子过电流，损坏变流器，同时造成大量的无功功率盈余，影响故障穿越的效果。本发明首先梳理了DFIG故障期间锁相环的工作原理及相位跳变的原理。
1.1锁相环工作原理
电网相位的精准跟踪是DFIG实现功率解耦控制的重要环节，DFIG普遍采用的PLL基本结构如图1所示，主要由鉴相器、环路滤波器和电压控制振荡器三部分组成。其中，鉴相器负责将三相abc电压Ua、Ub、Uc转换为两相dq轴分量Ud、Uq；环路滤波器一般采用PI结构，kp、ki为PI控制参数，ω为工频角速度；通过将鉴相器获得的电压q轴分量Uq与参考值作比较，经PI环节后输出角频率w1，再通过压控振荡器对角频率进行积分就能得到锁相角度θPLL。
根据典型锁相环的基本结构，得到锁相环传递函数为：
Figure BDA0003874937310000071
式中，ωc为该锁相环的自然频率，ζ为锁相环的阻尼比，二者与锁相环PI控制参数的关系为：
Figure BDA0003874937310000072
1.2短路故障时刻机端电压相位跳变特征
图2为DFIG并网系统输电线路发生三相对称短路故障示意图与其等效电路，电网发生短路故障后，风电并网系统的暂态过程可看成由稳态分量与故障分量组成，为简化分析，忽略暂态过程，认为电压相位从短路前稳态直接进入到短路后稳态。图2中，Uf为故障点电压，Z1为故障点到无穷大电网处的等值阻抗；Z2为故障点到并网点线路阻抗；Us为并网点电压；Is为由风电场向系统注入的电流；Zf为故障点短路阻抗，s0为开关，在故障时刻闭合，并入故障阻抗Zf，模拟电网发生对称短路的故障工况。
稳态运行时，DFIG机端电压相量表示如下：
Figure BDA0003874937310000081
式中，
Figure BDA0003874937310000082
为稳态运行时的DFIG机端电压；/>
Figure BDA0003874937310000083
为风机输出电流；/>
Figure BDA0003874937310000084
为无穷大电网的等值电势。
在电网发生三相对称短路的瞬间，利用叠加定理可得到并网点电压：
Figure BDA0003874937310000085
式中，
Figure BDA0003874937310000086
为故障瞬间DFIG的机端电压；/>
Figure BDA0003874937310000087
为故障瞬间DFIG提供的短路电流。
考虑到故障瞬间，风机提供的短路电流
Figure BDA0003874937310000088
远小于电网提供的故障电流，式(4)可以简化为：
Figure BDA0003874937310000089
式中，等值阻抗
Figure BDA00038749373100000817
短路阻抗/>
Figure BDA00038749373100000810
Zf/Z1表示相对故障距离，其值取决于故障点与无穷大电网之间的距离；/>
Figure BDA00038749373100000811
为阻抗角之差。
故障时刻的相角跳变量是指DFIG机端电压相角
Figure BDA00038749373100000812
与参考电压相角φ0(t)之间的差值。设电网电压频率恒定为50Hz，则任一时刻的参考电压相角为：
Figure BDA00038749373100000813
式中，
Figure BDA00038749373100000814
为故障前的稳态电压值，arg表示对电压相量取相角分量。
DFIG在任一时刻的电压相角跳变量可表示为：
Figure BDA00038749373100000815
式中，
Figure BDA00038749373100000816
为任一时刻的电压值。
设tfault时刻电网发生对称故障，则机端电压的相角跳变量为：
Figure BDA0003874937310000091
式中，Δφ(tfault)为故障时刻的机端电压相角跳变量。
结合式(5)，式(8)可表示为：
Figure BDA0003874937310000092
由式(9)可以看出，故障时刻机端电压的相角跳变量由线路阻抗角与故障点的位置决定。当
Figure BDA0003874937310000093
时，/>
Figure BDA0003874937310000094
由此可得到机端电压相位不发生跳变的条件为：
Figure BDA0003874937310000095
故障清除时刻机端电压相角的跳变量与式(9)幅值相等，大小相反，如式(11)所示：
Δφ'＝-Δφ (11)
实际中，短路故障频发且故障点不确定，式(10)中相位不跳变的条件难以满足。传统的定向控制往往基于带有积分器的锁相环，无法在相角发生大幅跳变的时刻迅速跟踪到相位的变化，因此较大的跟踪误差导致锁相计算得到的Vq≠0，与有功电流分量Id产生的耦合功率(Qd＝Vq×Id≠0)，总无功功率(Q＝Qq+Qd)超发或欠发导致机端电压升高或抑制升高的现象不容忽视。
风电汇集系统发生对称故障时，DFIG机端电压相位一般先向后跳变，故障清除时刻又向前跳变，且跳变幅度较大，一旦锁相环的跟踪精度存在误差，导致故障清除时刻锁相环跟踪相位滞后于机端电压相位，将会使无功超发进而形成机端暂态过电压的现象。因此，在无法改进锁相环结构，减少相位跟踪误差的基础上，设计一种考虑电压相位跳变的双馈风电机组故障穿越与电压控制策略是抑制暂态过电压的有效思路。
本发明提出了一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤S1，根据在交流系统发生故障后锁相环跟踪跳变的机端电压相位存在的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程。
首先分析考虑相角跳变的机端电压响应特性：
稳态运行时，DFIG机端电压相量表示为：
Figure BDA0003874937310000101
其中，Is＝Ip+jIQ为风机的输出电流，Z＝R+jX为输电线路的阻抗。
在忽略线路电阻与电压降落横分量的前提下，X＝X1+X2，有：
Us0+IQX＝E (13)
在考虑相位跟踪偏差θ的前提下，风机输出的无功电流可表示为：
IQ＝Iqcosθ-Idsinθ (14)
式(13)、(14)结合，有：
Us0＝E+Idsinθ-Iqcosθ (15)
故障发生、清除时刻的机端电压相角跳变的示意图如图3所示。
图3中，θ为机组PLL的锁相误差，IP、IQ为风机输出的有功、无功电流，Id、Iq分别为风机d、q轴坐标分量的电流值，usf为故障时刻的机端电压。
由图3中的(a)可以看出，故障发生时刻机端电压相位向后跳变，θ为锁相环跟踪相位与实际电压相位的差值，在锁相环相位跟踪到位之前，usf映射在同步旋转坐标系q轴上的电压分量Usfq＜0，风机输出的d轴电流与之耦合会产生无功功率Qd，且Qd＜0；由图3中的(b)可以看出，故障清除时刻机端电压相位向前跳变，在锁相环相位跟踪到位之前，usf映射在同步旋转坐标系q轴上的电压分量Usfq＞0，风机有功电流Id逐渐恢复，二者耦合产生的无功功率有功分量Qd＝Vq×Id＞0。在电压跌落期间，风机提供无功电流支撑电压恢，Qq≥0，(Q＝Qq+Qd)＞0导致故障清除时刻的无功功率大量盈余，这正是导致暂态过电压的根本原因。
在PLL相位跟踪存在偏差θ的情况下，DFIG定向在d轴上的电网电压将发生变化，q轴电压分量也不再为0，由图3可以看出：usd＝Us cosθ，usq＝Ussinθ。当机端电压相位发生跳变时，DFIG的定子电压方程可表示为：
Figure BDA0003874937310000111
磁链方程为：
Figure BDA0003874937310000112
由磁链方程可得定、转子电流之间的关系式为：
Figure BDA0003874937310000113
DFIG的转子电压方程为：
Figure BDA0003874937310000114
由式(16)-(19)可以设计出DFIG在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为：
Figure BDA0003874937310000115
式(20)中，Rr表示转子侧电阻值，σ表示漏磁系数，Lr表示转子侧电感值，s表示转差率，Lm表示定、转子之间的互感值，Ls表示定子侧电感值，u′rd和u′rq分别表示计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ird和irq分别表示转子d轴和q轴电流，w1表示同步角速度，Us表示机端定子侧电压幅值，θ表示电压相位跟踪偏差，θ＝θreal-θPLL，θreal表示机端电压实际相位，θPLL表示锁相环输出相位。
步骤S2，根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，确定转子侧PWM电压控制补偿量方程。
不计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为：
Figure BDA0003874937310000121
式(21)中，urd和urq分别表示不计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ψsd和ψsq分别表示不计及相位跳变的定子磁链的d、q轴分量，
Figure BDA0003874937310000122
由式(20)、(21)可得：
Figure BDA0003874937310000123
式(22)中，Δurd和Δurq分别表示计及相位跳变量补偿的转子侧d轴和q轴控制电压补偿量。
步骤S3，在交流系统发生故障后，当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，以保持双馈风电机组并网运行。
步骤S4，当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，以抑制暂态过电压，并采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
步骤S3和步骤S4的过程可参照图5。由式(22)可以看出，与常规的转子侧控制方程相比，故障期间转子侧PWM的电压控制中分别多了一项关于锁相误差角θ＝θreal-θPLL的补偿量Δurd与Δurq。
考虑到GSC(grid side converters，电网侧变换器)容量小于RSC(rotor sideconverters，转子侧变换器)，故障期间维持风机低压穿越的任务主要由RSC侧承担，GSC侧的控制策略相对简单，只需在变流器容量范围内实现故障阶段的平稳穿越即可，有功电流的控制策略不变，依旧为维持直流母线电压恒定。GSC侧内环的电压控制方程可设计为：
Figure BDA0003874937310000131
式(23)中，ugd和ugq分别表示电网侧变换器内环的d轴和q轴控制电压，ird和irq分别表示电网侧变换器d轴和q轴电流，w1表示同步角速度，Rg表示网侧电阻值，Lg表示网侧电感值，Vd和Vq分别表示定子电压的d、q轴分量。
故障穿越过程分为两个阶段，即低电压穿越与电压恢复阶段。图5中，Flag指令端子1对应稳态控制模式，指令端子2对应低电压穿越模式，控制指令端子3对应故障清除时刻的电压控制模式。
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<0.9pu，Flag指令端子打到2标志位。风机网侧变流器无功电流参考值
Figure BDA0003874937310000132
在Flag指令端子打到2标志位和Flag指令端子打到3的值不同，在Flag指令端子打到3标志位和Flag指令端子打到1标志位的值相同，
Figure BDA0003874937310000133
可设计为：
Figure BDA0003874937310000134
式(24)中，Igmax表示网侧变流器所能承受的最大电流值，
Figure BDA0003874937310000135
表示网侧变流器的有功电流参考值。
取消功率外环，转子侧无功电流参考值
Figure BDA0003874937310000136
在Flag指令端子打到2标志位和Flag指令端子打到3的值不同，在Flag指令端子打到3标志位和Flag指令端子打到1标志位的值相同，转子侧无功电流参考值/>
Figure BDA0003874937310000137
可设计为：
Figure BDA0003874937310000138
式(25)中，kq表示无功电流比例系数，最新国标要求其数值在1.5至3之间，ψsq表示定子磁链的q轴分量。
Figure BDA0003874937310000141
和Qs分别表示定子侧无功功率参考值和定子侧无功功率实际值。
风机网侧变流器有功电流参考值
Figure BDA0003874937310000142
维持直流母线电压恒定，风机网侧变流器有功电流参考值/>
Figure BDA0003874937310000143
在Flag指令端子打到1、2和3标志位的值均相同，/>
Figure BDA0003874937310000144
可设计为：
Figure BDA0003874937310000145
式(26)中，kp表示比例控制参数，ki表示积分控制参数，
Figure BDA0003874937310000146
表示直流母线电压参考值，Vdc表示直流母线电压实际值。
转子侧变流器有功电流参考值
Figure BDA0003874937310000147
采用无功优先的定电流控制策略，转子侧变流器有功电流参考值/>
Figure BDA0003874937310000148
在Flag指令端子打到2标志位和Flag指令端子打到3的值不同，在Flag指令端子打到3标志位和Flag指令端子打到1标志位的值相同，/>
Figure BDA0003874937310000149
可设计为：
Figure BDA00038749373100001410
式(27)中，Irmax表示转子侧变流器所能承受的最大电流值，
Figure BDA00038749373100001411
表示转子侧无功电流参考值。/>
Figure BDA00038749373100001412
和Ps分别表示定子侧有功电流的参考值与实际值。
一般风机发生对称短路故障时，相位先向后跳变，再向前跳变，DFIG风电系统若检测到机端电压的相位跟踪误差θ>0时，意味着风机进入故障清除时刻，Flag指令端子打到3标志位，风机进入计及相位跳变的暂态电压控制阶段。
在交流系统没有发生故障且处于稳态时，Flag指令端子打到1标志位，网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流的控制策略请详见公式(24)至公式(27)。
为验证本发明所提策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真平台中搭建如图6所示的DFIG风电并网系统模型，风电场采用18台1.5MW的风机进行等值，经某华北地区的典型线路、变压器参数并入500kV无穷大系统。仿真中采用标幺值系统，基值选定为：DFIG定子电压基值690V，功率基值1.5MW，额定频率50Hz，风速设置为15m/s。
其中风机参数如表1所示。
表1风机参数表
参数 数值 参数 数值
定子电阻 0.023pu RSC内环P/I参数 0.6/8
转子电阻 0.016pu GSC内环P/I参数 0.83/5
定子漏感 0.18pu PLLP/I参数 20/1
转子漏感 0.16pu 母线电压 1150V
为观察相位跳变下DFIG暂态过电压的形成特性，验证故障穿越策略的有效性，设置仿真工况为：1s时在35kV箱变高压侧发生三相短路故障，故障接地电阻的阻值为10Ω，故障持续0.2s。
为提高风机暂态响应的快速性，在故障穿越过程中DFIG一般取消功率外环，变流器采用电流内环直接控制的方式。图7给出了DFIG在故障过程中的仿真波形，其中图7中的(e)为机端电压实际相位θreal与PLL输出相位θPLL波形，可以看出，故障发生时刻与清除时刻机端电压相位产生跳变，由式(11)可知，二者相位跳变量相等，方向相反；但由于PLL需要约100-200ms才能锁相到位，形成的相位跟踪偏差如图7中的(f)所示，在故障清除时刻相位偏差θ>0，最大达到0.42pu；相位偏差的存在导致故障清除时刻的机端电压映射到q轴坐标系的电压分量Vq>0(如图7中的(c)所示)，这一部分高达0.45pu的电压分量与DFIG有功电流Id耦合(Qd＝Vq×Id)，1.2s时，产生如图7中的(a)中约0.5pu的Qd，进而导致图7中的(b)无功功率(Q＝Qq+Qd)增发至0.7pu，抬升机端电压，出现图7中的(d)中在故障清除时刻约1.12pu的暂态过电压。
为对1.2s时刻的机端暂态过电压进行抑制，本发明所提出的故障穿越控制策略对机端电压的抑制效果如图8所示，与传统控制策略相比，本发明所提出的控制策略通过在故障穿越期间及故障清除时刻转子侧直接补偿计及相位跳变的电压控制，能够在故障清除时刻将机端电压q轴分量减少至0.35pu(如图8中的(c)所示)，该分量与DFIG有功电流Id耦合产生约0.15pu的Qd(如图8中的(a)所示)，远小于传统控制策略中所产生的Qd＝0.4pu，进一步地，可以减小总无功超发量至Q＝0.2pu(如图8中的(b)所示)，且以更快的速度恢复至0pu，机端电压从1.12pu降为1.04pu(如图8中的(d)所示)，对暂态过电压的抑制有一定的效果。
本发明首先分析了锁相误差导致暂态过电压的机理，其次设计了一种考虑电压相位跳变的双馈风电机组故障穿越控制策略，能在故障清除时刻降低暂态过电压，为风机故障穿越的问题提供了借鉴思路。
基于本发明提供的一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，本发明实施例还提供了一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制系统，包括：
电压控制方程确定模块，用于根据在交流系统发生故障后锁相环跟踪跳变的机端电压相位存在的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程；
补偿量方程确定模块，用于根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，确定转子侧PWM电压控制补偿量方程；
低电压穿越控制模块，用于在交流系统发生故障后，当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，以保持双馈风电机组并网运行；
暂态过电压抑制模块，用于当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，以抑制暂态过电压，并采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法。
此外，上述的存储器中的计算机程序通过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，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明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、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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 (8)

1.一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，其特征在于，包括：
根据在交流系统发生故障后锁相环跟踪跳变的机端电压相位存在的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程；所述计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为
Figure FDA0004192184660000011
式中，Rr表示转子侧电阻值，σ表示漏磁系数，Lr表示转子侧电感值，s表示转差率，Lm表示定转子之间的互感值，Ls表示定子侧电感值，ur′d和ur′q分别表示计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ird和irq分别表示转子d轴和q轴电流，w1表示同步角速度，Us表示机端定子电压幅值，θ表示电压相位跟踪偏差，θ＝θreal-θPLL，θreal表示机端电压实际相位，θPLL表示锁相环输出相位；
根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，确定转子侧PWM电压控制补偿量方程，具体包括：确定不计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为
Figure FDA0004192184660000012
式中，urd和urq分别表示不计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ψsd和ψsq分别表示不计及相位跳变的定子磁链的d、q轴分量；根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程和不计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，获得转子侧PWM电压控制补偿量方程为/>
Figure FDA0004192184660000013
式中，Δurd和Δurq分别表示计及相位跳变量补偿的转子侧d轴和q轴控制电压补偿量；
在交流系统发生故障后，当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，以保持双馈风电机组并网运行；
当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，以抑制暂态过电压，并采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
2.根据权利要求1所述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，其特征在于，所述当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，具体包括：
当双馈风电机组的机端电压标幺值Us小于0.9pu时，判定双馈风电机组进入低电压穿越阶段；
根据公式
Figure FDA0004192184660000021
控制风机网侧变流器无功电流参考值；式中，/>
Figure FDA0004192184660000022
表示风机网侧变流器无功电流参考值，Igmax表示网侧变流器所能承受的最大电流值，/>
Figure FDA0004192184660000023
表示风机网侧变流器有功电流参考值；
取消功率外环，采用公式
Figure FDA0004192184660000024
控制转子侧无功电流参考值；式中，/>
Figure FDA0004192184660000025
表示转子侧变流器无功电流参考值，kq表示无功电流比例系数，ψsq表示定子磁链的q轴分量；
利用公式
Figure FDA0004192184660000026
控制风机网侧变流器有功电流参考值，以维持直流母线电压恒定；式中，/>
Figure FDA0004192184660000027
表示风机网侧变流器有功电流参考值，kp表示比例控制参数，ki表示积分控制参数，/>
Figure FDA0004192184660000028
表示直流母线电压的参考值，Vdc表示直流母线电压的实际值；
采用无功优先的定电流控制策略，利用公式
Figure FDA0004192184660000029
控制转子侧变流器有功电流参考值；式中，/>
Figure FDA00041921846600000210
表示转子侧变流器有功电流参考值，Irmax表示风机转子侧变流器所能承受的最大电流值，/>
Figure FDA00041921846600000211
表示转子侧变流器无功电流参考值。
3.根据权利要求2所述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，其特征在于，所述当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，还包括：
确定电网侧变换器内环的电压控制方程为
Figure FDA0004192184660000031
式中，ugd和ugq分别表示电网侧变换器内环的d轴和q轴控制电压，igd和igq分别表示电网侧变换器d轴和q轴电流，w1表示同步角速度，Rg表示网侧电阻值，Lg表示网侧电感值，Vd和Vq分别表示定子电压的d、q轴分量。
4.根据权利要求1所述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，其特征在于，当双馈风电机组进入故障清除时刻时，采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，具体包括：
根据公式
Figure FDA0004192184660000032
控制风机网侧变流器无功电流参考值；式中，/>
Figure FDA0004192184660000033
表示风机网侧变流器无功电流参考值；
取消功率外环，采用公式
Figure FDA0004192184660000034
控制转子侧无功电流参考值；式中，/>
Figure FDA0004192184660000035
表示转子侧变流器无功电流参考值，/>
Figure FDA0004192184660000036
和Qs分别表示定子侧无功功率参考值和定子侧无功功率实际值；
利用公式
Figure FDA0004192184660000037
控制风机网侧变流器有功电流参考值，以维持直流母线电压恒定；式中，/>
Figure FDA0004192184660000038
表示风机网侧变流器有功电流参考值；
利用公式
Figure FDA0004192184660000039
控制转子侧变流器有功电流参考值；式中，
Figure FDA00041921846600000310
表示转子侧变流器有功电流参考值，/>
Figure FDA00041921846600000311
和Ps分别表示定子侧有功功率参考值和定子侧有功功率实际值。
5.根据权利要求1所述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，其特征在于，所述双馈风电机组进入故障清除时刻的判断条件为：电压相位跟踪偏差大于0。
6.根据权利要求1所述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法，其特征在于，在交流系统没有发生故障且处于稳态时，采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
7.一种双馈风电机组转子侧故障穿越控制系统，其特征在于，包括：
电压控制方程确定模块，用于根据在交流系统发生故障后锁相环跟踪跳变的机端电压相位存在的电压相位跟踪偏差，确定双馈风电机组在计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程；所述计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为
Figure FDA0004192184660000041
式中，Rr表示转子侧电阻值，σ表示漏磁系数，Lr表示转子侧电感值，s表示转差率，Lm表示定转子之间的互感值，Ls表示定子侧电感值，ur′d和ur′q分别表示计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ird和irq分别表示转子d轴和q轴电流，w1表示同步角速度，Us表示机端定子电压幅值，θ表示电压相位跟踪偏差，θ＝θreal-θPLL，θreal表示机端电压实际相位，θPLL表示锁相环输出相位；
补偿量方程确定模块，用于根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，确定转子侧PWM电压控制补偿量方程，具体包括：确定不计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程为
Figure FDA0004192184660000042
式中，urd和urq分别表示不计及相位跳变的转子侧d轴和q轴控制电压，ψsd和ψsq分别表示不计及相位跳变的定子磁链的d、q轴分量；根据计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程和不计及相位跳变的转子侧PWM电压控制方程，获得转子侧PWM电压控制补偿量方程为/>
Figure FDA0004192184660000043
式中，Δurd和Δurq分别表示计及相位跳变量补偿的转子侧d轴和q轴控制电压补偿量；
低电压穿越控制模块，用于在交流系统发生故障后，当双馈风电机组进入低电压穿越阶段时，采用低电压穿越控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流，以保持双馈风电机组并网运行；
暂态过电压抑制模块，用于当双馈风电机组进入故障清除时刻时，将转子侧PWM电压控制补偿量方程计算的当前电压补偿量直接补偿至转子侧PWM电压控制中，以抑制暂态过电压，并采用稳态控制策略控制网侧无功电流、网侧有功电流、转子侧无功电流和转子侧有功电流。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述的双馈风电机组转子侧故障穿越控制方法。
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