CN116131281A - 一种不对称故障下增强双馈风电机组运行能力的电流分配方法 - Google Patents

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CN116131281A CN202211677536.8A CN202211677536A CN116131281A CN 116131281 A CN116131281 A CN 116131281A CN 202211677536 A CN202211677536 A CN 202211677536A CN 116131281 A CN116131281 A CN 116131281A
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龚晟
钟勤敏
林勇超
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Abstract

本发明公开了一种不对称故障下增强双馈风电机组运行能力的电流分配方法，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；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电磁转矩二倍频波动。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无功功率二倍频波动，提高双馈风电机组的不脱网运行能力。本发明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无功功率及电磁转矩二倍频波动，并最大限度地向电网提供有功功率，从而提高双馈风电机组的运行可靠性。

Description

一种不对称故障下增强双馈风电机组运行能力的电流分配 方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术，具体涉及一种不对称故障下增强双馈风电机组(double-fed inductiongenerator，DFIG)运行能力的电流分配方法，属于新能源发电技术领域。
背景技术
相比于电网对称短路故障而言，电网不对称短路故障发生的次数更多，这将对双馈风电机组的运行有着恶劣的影响。当电网发生不对称跌落时，会导致双馈风电机组出现电磁转矩和输出功率波动等现象。此外，电磁转矩的二倍频波动传送到电机中表现为电机的机械振动，这会使得电机产生机械磨损，减小电机使用年限。同时，《GB/T19963.1-2021风电场接入电力系统技术规范》中明确指出在发生不对称故障时风电场需按照要求向电网注入正、负序无功电流。因此，为了增强双馈风电机组在不对称故障下的运行能力，需进一步对电网不对称故障下的双馈风电机组总输出无功功率以及电磁转矩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)刘曼琴,周羽生,许振华,汤赐,肖辉,何洋.双馈风电机组在不对称电网故障下的稳定性控制研究[J].电测与仪表,2021,58(01):131-136.
(2)姚骏,余梦婷,赵磊,李清.不平衡且谐波畸变电网电压下双馈风电系统总输出无功功率波动抑制方法[P].重庆市：CN103997063B,2016-01-20.
文献(1)利用机、网侧变换器协调控制方法，在不对称电网故障期间，机侧变流器转子电流的负序分量控制为零，网侧变流器采用双闭环正、负序电流控制抑制网侧负序分量，从而有效抑制了机组电磁转矩与电流的二倍频波动。但该策略转子电流负序无功分量一直保持为零，这与并网导则对故障时风电机组无功电流的要求相悖。文献(2)通过增加串联网侧变换器，以实现对系统总输出无功功率2倍、6倍频波动的抑制。但该策略涉及对串联网侧变换器、并联网侧变换器以及电机侧变换器的控制，使得控制结构过于复杂，同时还增加了系统硬件成本。
在电网不对称故障期间，DFIG风电机组会出现输出功率波动、电流谐波、转矩波动等现象，这将危害机组的运行安全与可靠性。因此，在满足并网导则要求的基础上，充分利用双馈风电机组转子侧、网侧变换器的协调控制能力，研究电网不对称故障下双馈风电机组总无功功率及电磁转矩二倍频波动抑制方法，从而增强双馈风电机组运行可靠性。
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不对称故障下增强双馈风电机组运行能力的电流分配方法，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无功功率及电磁转矩二倍频波动，并最大限度地向电网提供有功功率，从而提高双馈风电机组的运行可靠性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种不对称故障下增强双馈风电机组运行能力的电流分配方法，其特征在于：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；
(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
Figure BDA0004017655360000021
Figure BDA0004017655360000022
和正、负序无功电流指令
Figure BDA0004017655360000023
具体计算步骤为：
A1)故障期间并网导则要求注入正、负序无功电流
Figure BDA0004017655360000024
则转子侧无功电流表达式为：
Figure BDA0004017655360000025
式中，
Figure BDA0004017655360000026
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；Ls和Lm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)抑制电磁转矩的波动即抑制电磁功率正弦量Pesin2和余弦量Pecos2，Pesin2和Pecos2的表达式为：
Figure BDA0004017655360000027
式中，ωr为转子角频率；
A3)将步骤A1)获得的转子侧无功电流表达式代入步骤A2)中的电磁功率正弦量Pesin2，计算满足并网导则要求时电磁功率正弦量的表达式为：
Figure BDA0004017655360000028
A4)由于步骤A3)获得的满足并网导则要求时电磁功率正弦量不为零，为了使电磁转矩波动尽可能小，令K+＝1、K-＝1，计算转子侧正、负序无功电流
Figure BDA0004017655360000031
表达式为：
Figure BDA0004017655360000032
A5)为了使得电磁功率余弦量Pecos2＝0，并且满足最大风能跟踪控制，计算转子侧正、负序有功电流
Figure BDA0004017655360000033
表达式为：
Figure BDA0004017655360000034
式中，Pmax为最大风能跟踪控制的功率给定值；
A6)由于转子侧变换器的容量存在限制，基于步骤A4)和步骤A5)得到的转子侧正、负序有功电流以及无功电流表达式，判断该运行情况下双馈风电机组是否能在满足并网导则要求的同时实现最大风能跟踪控制的约束条件为：
Figure BDA0004017655360000035
式中，Irmax为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；
A7)若满足步骤A6)中的约束条件，则在满足并网导则要求以及抑制电磁转矩二倍频波动的同时实现最大风能跟踪控制，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000036
若不满足步骤A6)中的约束条件，则双馈风电机组无法实现最大风能跟踪控制，但可以利用转子剩余电流裕量输出一定的有功功率，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000041
式中，
Figure BDA0004017655360000042
A8)将步骤A7)得到的控制电流指令
Figure BDA0004017655360000043
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电磁转矩二倍频波动；
(B)电网不对称故障期间双馈风电机组的网侧变换器正、负序有功电流指令
Figure BDA0004017655360000044
和正、负序无功电流指令
Figure BDA0004017655360000045
计算，具体计算步骤为：
B1)为了抑制总输出无功功率二倍频波动，网侧输出无功功率正弦量Qgsin2和余弦量Qgcos2应满足如下关系：
Figure BDA0004017655360000046
式中，
Figure BDA0004017655360000047
Figure BDA0004017655360000048
为网侧变换器正、负序有功电流；
Figure BDA0004017655360000049
为网侧变换器正、负序无功电流；
Figure BDA00040176553600000410
为正、反转dq同步旋转坐标系下双馈风电机组并网点电压正、负序分量；
B2)基于步骤B1)得到的网侧输出无功功率正、余弦量的关系式，计算网侧变换器正、负序有功电流
Figure BDA00040176553600000411
和正、负序无功电流
Figure BDA00040176553600000412
表达式为：
Figure BDA00040176553600000413
式中，
Figure BDA00040176553600000414
和Udc分别为直流母线电压给定和反馈，kp和ki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)由于网侧变换器的容量存在限制，基于步骤B2)得到的网侧正、负序有功电流以及无功电流表达式，判断该运行情况下网侧变换器能否在保证直流母线电压平均值恒定，同时完全抑制总无功功率的二倍频波动的约束条件为：
Figure BDA0004017655360000051
式中：Igmax为双馈风电机组网侧变换器允许运行的最大电流；
B4)若满足步骤B3)的约束条件，则网侧变换器能保证直流母线电压平均值恒定，并完全抑制总无功功率的二倍频波动，计算正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000052
若不满足步骤B3)的约束条件，则网侧变换器优先保证直流母线电压平均值恒定，其次再利用转子侧剩余电流裕量输出一定的无功功率来减小总无功功率的二倍频波动，计算正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000053
B5)将步骤B4)得到的控制电流指令
Figure BDA0004017655360000054
送入网侧电流环控制器，即可抑制双馈风电机组总输出无功功率二倍频波动，提高双馈风电机组的不脱网运行能力。
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并网导则最低要求的基础上抑制无功功率及电磁转矩二倍频波动，并最大限度地向电网提供有功功率，从而提高双馈风电机组的运行可靠性。
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示意图。
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示意图。
图5为并网点电压不平衡度为23％，且电压正序分量跌落至0.71p.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23％,，且电压正序分量跌落至0.71p.u.时双馈风电机组采用本发明控制方法时仿真波形图。
图7为并网点电压不平衡度为46％，且电压正序分量跌落至0.52p.u.时双馈风电机组采用本发明控制方法时仿真波形图。
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。
本发明一种不对称故障下增强双馈风电机组运行能力的电流分配方法，用于提高电网不对称故障下双馈风电机组的不脱网运行能力，抑制故障过程中双馈风电机组总输出无功功率及电磁转矩二倍频波动。
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；本发明具体实施步骤如下：
(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
Figure BDA0004017655360000061
Figure BDA0004017655360000062
和正、负序无功电流指令
Figure BDA0004017655360000063
具体计算步骤为：
A1)故障期间并网导则要求注入正、负序无功电流
Figure BDA0004017655360000064
则转子侧无功电流表达式为：
Figure BDA0004017655360000065
式中，
Figure BDA0004017655360000066
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；Ls和Lm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)抑制电磁转矩的波动即抑制电磁功率正弦量Pesin2和余弦量Pecos2，Pesin2和Pecos2的表达式为：
Figure BDA0004017655360000071
式中，ωr为转子角频率；
A3)将步骤A1)获得的转子侧无功电流表达式代入步骤A2)中的电磁功率正弦量Pesin2，计算满足并网导则要求时电磁功率正弦量的表达式为：
Figure BDA0004017655360000072
A4)由于步骤A3)获得的满足并网导则要求时电磁功率正弦量不为零，为了使电磁转矩波动尽可能小，令K+＝1、K-＝1，计算转子侧正、负序无功电流
Figure BDA0004017655360000073
表达式为：
Figure BDA0004017655360000074
A5)为了使得电磁功率余弦量Pecos2＝0，并且满足最大风能跟踪控制，计算转子侧正、负序有功电流
Figure BDA0004017655360000075
表达式为：
Figure BDA0004017655360000076
式中，Pmax为最大风能跟踪控制的功率给定值；
A6)由于转子侧变换器的容量存在限制，基于步骤A4)和步骤A5)得到的转子侧正、负序有功电流以及无功电流表达式，判断该运行情况下双馈风电机组是否能在满足并网导则要求的同时实现最大风能跟踪控制的约束条件为：
Figure BDA0004017655360000077
式中，Irmax为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；
A7)若满足步骤A6)中的约束条件，则在满足并网导则要求以及抑制电磁转矩二倍频波动的同时实现最大风能跟踪控制，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000081
若不满足步骤A6)中的约束条件，则双馈风电机组无法实现最大风能跟踪控制，但可以利用转子剩余电流裕量输出一定的有功功率，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000082
式中，
Figure BDA0004017655360000083
A7)若满足步骤A6)中的约束条件，则在满足并网导则要求以及抑制电磁转矩二倍频波动的同时实现最大风能跟踪控制，由转子侧变换器电流指令计算模块3计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000084
若不满足步骤A6)中的约束条件，则双馈风电机组无法实现最大风能跟踪控制，但可以利用转子剩余电流裕量输出一定的有功功率，由转子侧变换器电流指令计算模块3计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000091
式中，
Figure BDA0004017655360000092
A8)将步骤A7)得到的控制电流指令
Figure BDA0004017655360000093
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电磁转矩二倍频波动
(B)计算电网不对称故障期间双馈风电机组的网侧变换器(gridsideconverter，GSC)正、负序有功电流指令
Figure BDA0004017655360000094
和正、负序无功电流指令
Figure BDA0004017655360000095
具体计算步骤为：
B1)为了抑制总输出无功功率二倍频波动，网侧输出无功功率正弦量Qgsin2和余弦量Qgcos2应满足如下关系：
Figure BDA0004017655360000096
式中，
Figure BDA0004017655360000097
Figure BDA0004017655360000098
为网侧变换器正、负序有功电流；
Figure BDA0004017655360000099
为网侧变换器正、负序无功电流；
Figure BDA00040176553600000910
为正、反转dq同步旋转坐标系下双馈风电机组并网点电压正、负序分量；
B2)基于步骤B1)得到的网侧输出无功功率正、余弦量的关系式，计算网侧变换器正、负序有功电流
Figure BDA00040176553600000911
和正、负序无功电流
Figure BDA00040176553600000912
表达式为：
Figure BDA00040176553600000913
式中，
Figure BDA00040176553600000914
和Udc分别为直流母线电压给定和反馈，kp和ki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)由于网侧变换器的容量存在限制，基于步骤B2)得到的网侧正、负序有功电流以及无功电流表达式，判断该运行情况下网侧变换器能否在保证直流母线电压平均值恒定，同时完全抑制总无功功率的二倍频波动的约束条件为：
Figure BDA0004017655360000101
式中：Igmax为双馈风电机组网侧变换器允许运行的最大电流；
B4)若满足步骤B3)的约束条件，则网侧变换器能保证直流母线电压平均值恒定，并完全抑制总无功功率的二倍频波动，由网侧变换器电流指令计算模块4计算正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000102
若不满足步骤B3)的约束条件，则网侧变换器优先保证直流母线电压平均值恒定，其次再利用转子侧剩余电流裕量输出一定的无功功率来减小总无功功率的二倍频波动，由网侧变换器电流指令计算模块4计算正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure BDA0004017655360000103
B5)将步骤B4)得到的控制电流指令
Figure BDA0004017655360000104
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无功功率二倍频波动，提高双馈风电机组的不脱网运行能力。
本发明效果说明：
图5为电压正序分量跌落至0.71p.u.且不平衡度为23％时DFIG机组的运行特性仿真波形图。电压正常情况下DFIG机组输出0.5p.u.有功功率，1.5s电网发生不对称故障。若故障持续阶段RSC不采用相应的控制策略，则DFIG系统的电磁转矩以及总无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0.71p.u.且不平衡度为23％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，该方法在满足并网导则要求的最低无功电流时，能够减小电磁转矩以及总无功功率的二倍频波动，同时还能实现最大风能跟踪控制。图7为电压正序分量跌落至0.52p.u.且不平衡度为46％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，该方法在满足并网导则要求的最低无功电流时，能够减小以及总无功功率的二倍频波动。由于受变换器容量的限制，此时无法实现最大风能跟踪控制，但仍可利用电流裕量输出一定的有功功率。
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 (1)

1.一种不对称故障下增强双馈风电机组运行能力的电流分配方法，其特征在于：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；
(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
Figure FDA0004017655350000011
Figure FDA0004017655350000012
和正、负序无功电流指令
Figure FDA0004017655350000013
具体计算步骤为：
A1)故障期间并网导则要求注入正、负序无功电流
Figure FDA0004017655350000014
则转子侧无功电流表达式为：
Figure FDA0004017655350000015
式中，
Figure FDA0004017655350000016
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；Ls和Lm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)抑制电磁转矩的波动即抑制电磁功率正弦量Pesin2和余弦量Pecos2，Pesin2和Pecos2的表达式为：
Figure FDA0004017655350000017
式中，ωr为转子角频率；
A3)将步骤A1)获得的转子侧无功电流表达式代入步骤A2)中的电磁功率正弦量Pesin2，计算满足并网导则要求时电磁功率正弦量的表达式为：
Figure FDA0004017655350000018
A4)由于步骤A3)获得的满足并网导则要求时电磁功率正弦量不为零，为了使电磁转矩波动尽可能小，令K+＝1、K-＝1，计算转子侧正、负序无功电流
Figure FDA0004017655350000019
表达式为：
Figure FDA0004017655350000021
A5)为了使得电磁功率余弦量Pecos2＝0，并且满足最大风能跟踪控制，计算转子侧正、负序有功电流
Figure FDA0004017655350000022
表达式为：
Figure FDA0004017655350000023
式中，Pmax为最大风能跟踪控制的功率给定值；
A6)由于转子侧变换器的容量存在限制，基于步骤A4)和步骤A5)得到的转子侧正、负序有功电流以及无功电流表达式，判断该运行情况下双馈风电机组是否能在满足并网导则要求的同时实现最大风能跟踪控制的约束条件为：
Figure FDA0004017655350000024
式中，Irmax为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；
A7)若满足步骤A6)中的约束条件，则在满足并网导则要求以及抑制电磁转矩二倍频波动的同时实现最大风能跟踪控制，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure FDA0004017655350000025
若不满足步骤A6)中的约束条件，则双馈风电机组无法实现最大风能跟踪控制，但可以利用转子剩余电流裕量输出一定的有功功率，计算转子侧正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure FDA0004017655350000031
式中，
Figure FDA0004017655350000032
A8)将步骤A7)得到的控制电流指令
Figure FDA0004017655350000033
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电磁转矩二倍频波动；
(B)电网不对称故障期间双馈风电机组的网侧变换器正、负序有功电流指令
Figure FDA0004017655350000034
和正、负序无功电流指令
Figure FDA0004017655350000035
计算，具体计算步骤为：
B1)为了抑制总输出无功功率二倍频波动，网侧输出无功功率正弦量Qgsin2和余弦量Qgcos2应满足如下关系：
Figure FDA0004017655350000036
式中，
Figure FDA0004017655350000037
Figure FDA0004017655350000038
为网侧变换器正、负序有功电流；
Figure FDA0004017655350000039
为网侧变换器正、负序无功电流；
Figure FDA00040176553500000310
为正、反转dq同步旋转坐标系下双馈风电机组并网点电压正、负序分量；
B2)基于步骤B1)得到的网侧输出无功功率正、余弦量的关系式，计算网侧变换器正、负序有功电流
Figure FDA00040176553500000311
和正、负序无功电流
Figure FDA00040176553500000312
表达式为：
Figure FDA00040176553500000313
式中，
Figure FDA00040176553500000314
和Udc分别为直流母线电压给定和反馈，kp和ki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)由于网侧变换器的容量存在限制，基于步骤B2)得到的网侧正、负序有功电流以及无功电流表达式，判断该运行情况下网侧变换器能否在保证直流母线电压平均值恒定，同时完全抑制总无功功率的二倍频波动的约束条件为：
Figure FDA0004017655350000041
式中：Igmax为双馈风电机组网侧变换器允许运行的最大电流；
B4)若满足步骤B3)的约束条件，则网侧变换器能保证直流母线电压平均值恒定，并完全抑制总无功功率的二倍频波动，计算正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure FDA0004017655350000042
若不满足步骤B3)的约束条件，则网侧变换器优先保证直流母线电压平均值恒定，其次再利用转子侧剩余电流裕量输出一定的无功功率来减小总无功功率的二倍频波动，计算正、负序有功电流和无功电流指令为：
Figure FDA0004017655350000043
B5)将步骤B4)得到的控制电流指令
Figure FDA0004017655350000044
送入网侧电流环控制器，即可抑制双馈风电机组总输出无功功率二倍频波动，提高双馈风电机组的不脱网运行能力。
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