CN115800378A - 一种改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法，本控制方法涉及对双馈风电机组转子侧变换器和网侧变换器的有功电流以及无功电流的指令给定；将转子侧变换器得到的控制电流指令送入转子电流环控制器，即可抑制双馈风电机组定子侧输出有功功率二倍频波动。将网侧变换器得到的控制电流指令送入网侧电流环控制器，即可抑制双馈风电机组总输出有功功率二倍频波动。本方法充分利用双馈风电机组中转子侧、网侧变换器容量在满足并网导则最低要求的基础上抑制有功功率二倍频波动，并最大限度地向电网提供有功电流，从而提高双馈风电机组故障穿越能力及其并网点电能质量。

Description

一种改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控 制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术，具体涉及一种改善双馈风电机组(double-fedinduction generator，DFIG)并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法，属于新能源发电技术领域。

背景技术

由于我国风电资源大多集中在偏远地区，与电力主网连接较弱，相比于电网对称短路故障，电网不对称短路故障在实际系统中发生的概率更大。当电网发生不对称故障时，发电机输出有功功率以及系统输出有功功率将出现二倍频波动，若不采取措施将严重影响发电机并网点电能质量。同时，随着风电场并网要求越来越严格，不对称故障下风电机组的低电压穿越能力也纳入了并网导则的考核范围内。因此，为了提高双馈风电机组在电网不对称故障下的低电压穿越能力以及并网点电能质量，需进一步对电网不对称故障下的双馈风电机组总输出有功功率二倍频波动抑制方法进行深入研究。目前已有学者就电网不对称故障下DFIG系统的控制策略展开了研究，如已公开的下列文献：

(1)张迪,魏艳君,杨宗丰,丁浩,漆汉宏.不平衡电网电压下基于滑模变结构控制的双馈风电系统转子侧变流器控制策略[J].电工技术学报,2016,31(17):121-131.

(2)姚骏,杜红彪,周特,李清.不平衡且谐波畸变电网电压下双馈风电系统总输出有功功率波动抑制方法[P].重庆：CN103997064A,2014-08-20.

文献(1)基于滑模变结构的直流功率控制方式，采用功率优化补偿控制策略直接对转子侧变换器的功率给定进行补偿，实现定子输入电网的有功功率二倍频波动得到有效抑制，一定程度上提高了永磁直驱风电系统的故障穿越能力，但该策略并未考虑并网导则对故障时风电机组无功电流的要求。此外，由于网侧变换器的存在，所提控制策略不能实现对风电机组总输出有功功率二倍频波动的抑制。文献(2)通过增加串联网侧变换器来实现对双馈风电系统总有功功率波动的抑制，改善了双馈风电系统所并电网的电能质量及所并电网的稳定性，但这种方法需要增加硬件，使得双馈风电系统变得复杂，而且增加了成本。此外，该方法未考虑发生不对称故障时新的并网导则对负序无功电流的要求。

在电网不对称故障期间，由于电网负序电压以及负序电流的出现，必然会导致双馈风电机组输出有功功率的二倍频波动，进而降低其低电压穿越能力以及系统并网点电能质量。因此，在不增加额外的硬件设备和满足《GB/T19963.1-2021风电场接入电力系统技术规范》要求的基础上，充分利用双馈风电机组中变换器的容量、可控能力以及协调控制能力，研究电网不对称故障下双馈风电机组总输出有功功率二倍频抑制办法，从而增强双馈风电机组低电压穿越能力以及并网点的电能质量，具有十分重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法，本方法充分利用双馈风电机组中转子侧、网侧变换器容量在满足并网导则最低要求的基础上抑制有功功率二倍频波动，并最大限度地向电网提供有功电流，从而提高双馈风电机组故障穿越能力及其并网点电能质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法，本控制方法涉及对双馈风电机组转子侧变换器的有功电流以及无功电流的指令给定；

(A)计算电网不对称故障期间双馈风电机组的转子侧变换器正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

具体计算步骤为：

A1)故障期间电网导则要求注入正、负序无功电流，则转子侧无功电流表达式为：

式中，

为正、反转dq同步旋转坐标系下双馈风电机组机端电压正、负序分量；ω₁为同步角频率；L_s和L_m分别为定子侧绕组等效电感和等效互感；K⁺、K^--为动态正、负序无功电流比例系数；

A2)为了抑制定子侧有功功率余弦量P_scos2的波动，P_scos2应满足如下等式：

A3)利用步骤A1)获得的转子侧无功电流表达式，计算满足步骤A2)的等式时动态正、负序无功电流比例系数的关系式：

A4)根据步骤A1)、A2)和A3)的关系式进行求解，从而得到转子侧正、负序无功电流指令

为：

A5)为了抑制定子侧有功功率正弦量P_ssin2的波动，P_ssin2应满足如下等式：

A6)利用步骤A5)的等式关系，计算转子侧正、负序有功电流指令

的关系式为：

A7)由于转子侧变换器的容量存在限制，基于步骤A4)得到的转子侧正、负序无功电流指令，判断该运行情况下双馈风电机组是否能输出有功功率的约束条件为：

式中，I_rmax为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；

A8)若满足A7)中的约束条件，则利用转子侧剩余电流裕量输出一定的无功功率，基于步骤A6)得到的转子侧正、负序有功电流关系式，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：

式中，

若不满足A7)中的约束条件，则双馈风电机组无法输出有功功率，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：

A9)将步骤A8)得到的控制电流指令

送入转子电流环控制器，即可抑制双馈风电机组定子侧输出有功功率二倍频波动。

进一步地，本控制方法还涉及对双馈风电机组网侧变换器的有功电流以及无功电流的指令给定；

(B)计算电网不对称故障期间双馈风电机组的网侧变换器正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

具体计算步骤为：

B1)为了抑制总输出有功功率二倍频波动，网侧输出有功功率正弦量P_gsin2和余弦量P_gcos2应满足如下关系：

式中，

为正、反转dq同步旋转坐标系下电网电压dq轴正、负序分量；

B2)基于步骤B1)得到的网侧输出有功功率正弦量P_gsin2和余弦量P_gcos2的关系式，计算网侧变换器正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

为：

式中，

和U_dc分别为直流母线电压给定和反馈，k_p和k_i分别为网侧变换器有功电流指令计算模块PI控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；

B3)将步骤B2)得到的控制电流指令

送入网侧电流环控制器，即可抑制双馈风电机组总输出有功功率二倍频波动，改善双馈风电机组并网点电能质量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在充分考虑变换器容量和机组运行工况基础上，给出双馈风电机组转子侧、网侧变换器的正、负序dq轴电流给定指令，使得双馈风电机组在满足电网导则最低要求的基础上抑制有功功率二倍频波动，并最大限度地向电网提供有功电流，从而提高双馈风电机组故障穿越能力及其并网点电能质量。

附图说明

图1为双馈风电机组接入电力系统的结构示意图。

图2为本发明所述双馈风电机组的控制方法框图。

图3为本发明双馈风电机组转子侧变换器电流指令计算模块计算流程图。

图4为本发明双馈风电机组网侧变换器电流指令计算模块计算流程图。

图5为并网点电压不平衡度为54％，且电压正序分量跌落至0.47p.u.时双馈风电机组运行特性仿真波形图。

图6为并网点电压不平衡度为54％，且电压正序分量跌落至0.47p.u.时双馈风电机组采用本发明控制方法时的仿真波形图。

图7为并网点电压不平衡度为40％，且电压正序分量跌落至0.55p.u.时双馈风电机组采用本发明控制方法时的仿真波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

图1为总容量为50MW的双馈风电机组接入电力系统的结构示意图，双馈风电机组通过公共连接点接入大电网。

图2表示本发明在电网不对称故障下双馈风电机组的控制框图，它包括的控制对象有：转子侧变换器1，网侧变换器2，转子侧变换器电流指令计算模块3，网侧变换器电流指令计算模块4，转子电流环控制模块5，网侧电流环控制模块6。

本发明改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法，用于提高双馈风电机组的故障穿越能力以及改善并网点电能质量，抑制故障过程中双馈风电机组总输出有功功率二倍频波动。本方法涉及对双馈风电机组网侧变换器和转子侧变换器的有功电流以及无功电流的指令给定。具体实施步骤如下：

(A)电网不对称故障期间双馈风电机组的转子侧变换器(rotor side converter，RSC)正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

计算，具体计算步骤为：

A1)故障期间电网导则要求注入正、负序无功电流，则转子侧无功电流表达式为：

式中，

为正、反转dq同步旋转坐标系下双馈风电机组机端电压正、负序分量；ω₁为同步角频率；L_s和L_m分别为定子侧绕组等效电感和等效互感；K⁺、K^--为动态正、负序无功电流比例系数；

A2)为了抑制定子侧有功功率余弦量P_scos2的波动，P_scos2应满足如下等式：

A3)利用步骤A1)获得的转子侧无功电流表达式，计算满足步骤A2)的等式时动态正、负序无功电流比例系数的关系式：

A4)根据步骤A1)、A2)和A3)的关系式进行求解，从而得到转子侧正、负序无功电流指令

为：

A5)为了抑制定子侧有功功率正弦量P_ssin2的波动，P_ssin2应满足如下等式：

A6)利用步骤A5)的等式关系，计算转子侧正、负序有功电流指令

的关系式为：

A7)由于转子侧变换器的容量存在限制，基于步骤A4)得到的转子侧正、负序无功电流指令，判断该运行情况下双馈风电机组是否能输出有功功率的约束条件为：

式中，I_rmax为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；

A8)若满足A7)中的约束条件，则可利用转子侧剩余电流裕量输出一定的无功功率，基于步骤A6)得到的转子侧正、负序有功电流关系式，由转子侧变换器电流指令模块3(参见图3)计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：

式中，

若不满足A7)中的约束条件，则双馈风电机组无法输出有功功率，由转子侧变换器电流指令模块3计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：

A9)将步骤A8)得到的控制电流指令

送入转子电流环控制模块5，即可抑制双馈风电机组定子侧输出有功功率二倍频波动。

(B)电网不对称故障期间双馈风电机组的网侧变换器(grid side converter，GSC)正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

计算，具体计算步骤为：

B1)为了抑制总输出有功功率二倍频波动，网侧输出有功功率正弦量P_gsin2和余弦量P_gcos2应满足如下关系：

式中，

为正、反转dq同步旋转坐标系下电网电压dq轴正、负序分量；

B2)基于步骤B1)得到的网侧输出有功功率正、余弦量的关系式，由网侧变换器电流指令计算模块4(参见图4)计算网侧变换器(GSC)正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

为：

式中，

和U_dc分别为直流母线电压给定和反馈，k_p和k_i分别为网侧变换器有功电流指令计算模块PI控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；

B3)将步骤B2)得到的控制电流指令

送入网侧电流环控制模块6，即可抑制双馈风电机组总输出有功功率二倍频波动，改善双馈风电机组并网点电能质量。

本发明效果说明：

图5为电压正序分量跌落至0.47p.u.且不平衡度为54％时DFIG机组的运行特性仿真波形图。若故障持续阶段RSC不采用相应的控制策略，则DFIG系统的定子输出有功功率以及总有功功率均存在较大的二倍频波动，这不仅大大降低了并网系统的电能质量，甚至导致风电机组切机。图6为电压正序分量跌落至0.47p.u.且不平衡度为54％时采用本发明所提抑制方法时的仿真波形图。从图中可以看出，该方法在满足电网导则要求的最低无功电流时能够抑制定子侧有功功率以及总有功功率的二倍频波动，同时能利用电流剩余容量输出较小的有功功率。图7为电压正序分量跌落至0.55p.u.且不平衡度为40％时采用本发明所提抑制方法时的仿真波形图。从图中可以看出，该方法在满足电网导则要求的最低无功电流时，能够抑制定子侧有功功率以及总有功功率的二倍频波动。由于受变换器容量的限制，此时无法发出有功功率。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法，其特征在于：本控制方法涉及对双馈风电机组转子侧变换器的有功电流以及无功电流的指令给定；

(A)计算电网不对称故障期间双馈风电机组的转子侧变换器正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

具体计算步骤为：

A1)故障期间电网导则要求注入正、负序无功电流，则转子侧无功电流表达式为：

式中，

为正、反转dq同步旋转坐标系下双馈风电机组机端电压正、负序分量；ω₁为同步角频率；L_s和L_m分别为定子侧绕组等效电感和等效互感；K⁺、K^--为动态正、负序无功电流比例系数；

A2)为了抑制定子侧有功功率余弦量P_scos2的波动，P_scos2应满足如下等式：

A3)利用步骤A1)获得的转子侧无功电流表达式，计算满足步骤A2)的等式时动态正、负序无功电流比例系数的关系式：

A4)根据步骤A1)、A2)和A3)的关系式进行求解，从而得到转子侧正、负序无功电流指令

为：

A5)为了抑制定子侧有功功率正弦量P_ssin2的波动，P_ssin2应满足如下等式：

A6)利用步骤A5)的等式关系，计算转子侧正、负序有功电流指令

的关系式为：

A7)由于转子侧变换器的容量存在限制，基于步骤A4)得到的转子侧正、负序无功电流指令，判断该运行情况下双馈风电机组是否能输出有功功率的约束条件为：

式中，I_rmax为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；

A8)若满足A7)中的约束条件，则利用转子侧剩余电流裕量输出一定的无功功率，基于步骤A6)得到的转子侧正、负序有功电流关系式，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：

式中，

若不满足A7)中的约束条件，则双馈风电机组无法输出有功功率，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：

A9)将步骤A8)得到的控制电流指令

送入转子电流环控制器，即可抑制双馈风电机组定子侧输出有功功率二倍频波动。

2.根据权利要求1所述的一种改善双馈风电机组并网点电能质量的不对称故障穿越控制方法，其特征在于：本控制方法还涉及对双馈风电机组网侧变换器的有功电流以及无功电流的指令给定；

(B)计算电网不对称故障期间双馈风电机组的网侧变换器正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

具体计算步骤为：

B1)为了抑制总输出有功功率二倍频波动，网侧输出有功功率正弦量P_gsin2和余弦量P_gcos2应满足如下关系：

式中，

为正、反转dq同步旋转坐标系下电网电压dq轴正、负序分量；

B2)基于步骤B1)得到的网侧输出有功功率正弦量P_gsin2和余弦量P_gcos2的关系式，计算网侧变换器正、负序有功电流指令

和正、负序无功电流指令

为：

式中，

和U_dc分别为直流母线电压给定和反馈，k_p和k_i分别为网侧变换器有功电流指令计算模块PI控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；

B3)将步骤B2)得到的控制电流指令

送入网侧电流环控制器，即可抑制双馈风电机组总输出有功功率二倍频波动，改善双馈风电机组并网点电能质量。

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