CN116937684A - 一种双馈风电机组低电压穿越方法 - Google Patents

一种双馈风电机组低电压穿越方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力发电控制技术领域，具体涉及一种双馈风电机组低电压穿越方法。包含以下步骤：S1：在双馈风电机组机端发生电压跌落，进入低电压穿越状态后，投入连接在双馈风电机组定子侧的故障电流限制器，检测双馈风电机组并网点电压大小；S2：基于双馈风电机组并网点电压大小、投入的故障电流限制器阻抗大小，以维持双馈风电机组定子电流大小不变为目标，确定故障穿越期间机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标；S3：将机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标转化为机侧变流器与网侧变流器的功率控制目标，应用于双馈风电机组机侧变流器与网侧变流器的控制。实现维持定子电流在低电压穿越起始时刻值的同时，最大化网侧变流器的无功功率输出。

Description

一种双馈风电机组低电压穿越方法
技术领域
本发明涉及风力发电控制技术领域，具体涉及一种双馈风电机组低电压穿越方法。
背景技术
对于并网运行的双馈风电机组，其需在电网发生故障、双馈风电机组机端发生电压跌落的情况下，维持一段时间的运行以向系统提供支撑，即需具备低电压穿越的能力。对于双馈风电机组，其实现低电压穿越的关键在于限制机组的故障电流，为此，可通过在双馈风电机组定子侧加装故障电流限制器的方法限制机端电压跌落引起的定子故障电流的幅值。此外，对于双馈风电机组而言，在低电压穿越期间保证其自身运行安全的同时，并网导则还要求其在低电压穿越期间向电网提供无功功率输出以支撑系统电压。双馈风电机组的网侧变流器在故障穿越期间可利用其无功功率可发容量向风电系统提供无功功率输出，是低电压穿越期间双馈风电机组可向电网提供的无功支撑的主要来源。
现有技术方案尚未能解决的问题在于：作为一种硬件保护方案，双馈风力发电机组所加装的故障电流限制器阻抗值是固定值，对于不同深度的机端电压跌落，其可能会出现在大幅电压跌落情况下无法充分限制定子故障电流、或是在小幅电压跌落情况下将定子故障电流压低至远小于正常工作电流的情况，所以需要将固定阻抗值的故障电流限制器硬件保护方案与双馈风电机组的变流器控制相结合，以达到较优的定子故障电流控制效果。此外，为强化双馈风电机组在低电压穿越期间向电网提供无功支撑的能力，需要在协同故障电流限制器硬件保护方案与变流器控制的过程中，实现网侧变流器无功功率输出的最大化。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提出了一种双馈风电机组低电压穿越方法，配合定子侧故障电流限制器投入的机侧变流器与网侧变流器控制策略，实现维持定子电流在低电压穿越起始时刻值的同时，最大化网侧变流器的无功功率输出。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种双馈风电机组低电压穿越方法，包含以下步骤：
S1：在双馈风电机组机端发生电压跌落，进入低电压穿越状态后，投入连接在双馈风电机组定子侧的故障电流限制器，检测双馈风电机组并网点电压大小；
S2：基于双馈风电机组并网点电压大小、投入的故障电流限制器阻抗大小，以维持双馈风电机组定子电流大小不变为目标，确定故障穿越期间机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标；S3：将机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标转化为机侧变流器与网侧变流器的功率控制目标，应用于双馈风电机组机侧变流器与网侧变流器的控制。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述S2包含以下步骤：双馈风电机组进入低电压穿越状态前的定子电流为Is,pre；双馈风电机组进入低电压穿越状态后的并网点电压为Vf，投入的故障电流限制器阻抗为ZFCL；双馈风电机组定子电流控制目标值设为进入低电压穿越状态前的定子电流，在维持定子电流大小不变的前提下，定子电压Vs采用式(1)计算得到：
Vs＝Vf-ZFCLIs,pre (1)；
进而基于式(2)求得对应定子电流控制目标的机侧变流器的电流控制目标Ir,ref：
式中Rs为定子电阻，j代表复数的虚部，ωs为同步转速，Lm为定子与转子的互感，Ls为定子的自感以及定子与转子的互感之和；
对应机侧变流器的电流控制目标Ir,ref，机侧变流器的电压Vr基于式(3)计算得到：
Vr＝RrIr,ref+jωr(LrIr,ref+LmIs,pre) (3)；
式中Rr为转子电阻，ωr为转子转速，Lr为转子的自感以及定子与转子的互感之和；
机侧变流器的有功功率Pr基于式(4)计算得到：
式中Re代表取复数实部函数，上标*代表共轭；
为维持直流母线电压稳定，机侧变流器的有功功率Pr应与网侧变流器的有功功率Pg相平衡，即Pr+Pg＝0；在双馈风电机组低电压穿越过程中，网侧变流器的输出电流控制在其最大允许值Ig,max，网侧变流器的有功功率基于式(5)计算得到：
式中Rg为网侧变流器滤波电路的电阻，上标d代表直轴分量，直轴-交轴坐标系即d-q坐标系采用并网点电压Vf向量位于直轴的定位方式，此时有并网点电压直轴分量其中| |代表向量的模值；
基于式(6)可求解网侧变流器的直轴电流控制目标
网侧变流器的交轴电流控制目标基于式(7)计算得到：
故障穿越期间：机侧变流器的直轴电流控制目标设定为Ir,ref的直轴分量，即机侧变流器的交轴电流控制目标设定为Ir,ref的交轴分量，即/>网侧变流器的直轴电流控制目标设定为/>网侧变流器的交轴轴电流控制目标设定为/>
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述S3包含以下步骤：
双馈风电机组在低电压穿越期间，对应机侧变流器的电流控制目标，机侧变流器的有功功率控制目标Ps,ref基于式(8)计算得到：
机侧变流器的无功功率控制目标Qs,ref基于式(9)计算得到：
式中Im代表取复数虚部函数；
网侧变流器有功功率控制的控制目标设定为维持连接机侧变流器与网侧变流器的直流母线电压恒定；网侧变流器无功功率的控制目标Qg,ref基于式(10)计算得到：
本发明提出的一种双馈风电机组低电压穿越方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明可使双馈感应风电机组在低电压穿越过程中，通过变流器的控制，配合故障电流限制器的投入，将定子电流维持在低电压穿越起始时刻值，以最小化低电压穿越暂态过程对双馈风电机组运行的影响。
(2)本发明可在低电压穿越期间，将双馈风电机组的定子电流维持在低电压穿越起始时刻值的同时，量化该场景下的机侧变流器有功功率输出，网侧变流器基于机侧变流器有功功率输出的量化表达，合理分配网侧变流器在低电压穿越期间的有功功率与无功功率输出，在维持直流母线电压的同时，最大化网侧变流器在低电压穿越期间向电网提供的无功功率支撑。
附图说明
图1为本发明实施例的配合故障电流限制器投入的双馈风电机组低电压穿越方法流程图；
图2为本发明一个实施例的定子侧安装故障电流限制器的双馈风电机组拓扑结构图；
图3为本发明一个实施例的双馈风力发电机组的机侧变流器控制框图；
图4为本发明一个实施例的双馈风力发电机组的网侧变流器控制框图；
图5为本发明一个实施例的双馈风电发电机组低电压穿越过程的定子电流波形图；
图6为本发明一个实施例的双馈风电发电机组低电压穿越过程的网侧变流器无功功率波形图。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1所示，一种双馈风电机组低电压穿越方法，包含以下步骤：
S1：在双馈风电机组机端发生电压跌落，进入低电压穿越状态后，投入连接在双馈风电机组定子侧的故障电流限制器，检测双馈风电机组并网点电压大小。
S2：基于双馈风电机组并网点电压大小、投入的故障电流限制器阻抗大小，以维持双馈风电机组定子电流大小不变为目标，确定故障穿越期间机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标。
请参阅图2所示的本发明一个实施例的定子侧安装故障电流限制器的双馈风电机组拓扑结构图。
具体的，双馈风电机组进入低电压穿越状态前的定子电流为Is,pre；双馈风电机组进入低电压穿越状态后的并网点电压为Vf，投入的故障电流限制器阻抗为ZFCL；双馈风电机组定子电流控制目标值设为进入低电压穿越状态前的定子电流，在维持定子电流大小不变的前提下，定子电压Vs采用式(1)计算得到：
Vs＝Vf-ZFCLIs,pre (1)；
进而基于式(2)求得对应定子电流控制目标的机侧变流器的电流控制目标Ir,ref：
式中Rs为定子电阻，j代表复数的虚部，ωs为同步转速，Lm为定子与转子的互感，Ls为定子的自感以及定子与转子的互感之和；
对应机侧变流器的电流控制目标Ir,ref，机侧变流器的电压Vr基于式(3)计算得到：
Vr＝RrIr,ref+jωr(LrIr,ref+LmIs,pre) (3)；
式中Rr为转子电阻，ωr为转子转速，Lr为转子的自感以及定子与转子的互感之和；
机侧变流器的有功功率Pr基于式(4)计算得到：
式中Re代表取复数实部函数，上标*代表共轭；
为维持直流母线电压稳定，机侧变流器的有功功率Pr应与网侧变流器的有功功率Pg相平衡，即Pr+Pg＝0；在双馈风电机组低电压穿越过程中，网侧变流器的输出电流控制在其最大允许值Ig,max，网侧变流器的有功功率基于式(5)计算得到：
式中Rg为网侧变流器滤波电路的电阻，上标d代表直轴分量，直轴-交轴坐标系(d-q坐标系)采用并网点电压Vf向量位于直轴的定位方式，此时有并网点电压直轴分量其中| |代表向量的模值；
基于式(6)可求解网侧变流器的直轴电流控制目标
网侧变流器的交轴电流控制目标基于式(7)计算得到：
故障穿越期间：机侧变流器的直轴电流控制目标设定为Ir,ref的直轴分量，即机侧变流器的交轴电流控制目标设定为Ir,ref的交轴分量，即/>网侧变流器的直轴电流控制目标设定为/>网侧变流器的交轴轴电流控制目标设定为/>
具体到本发明实例，双馈风电机组的参数取值为：定子电阻Rs为0.00706pu，转子电阻Rr为0.005pu，同步转速ωs为1pu，转子转速ωr为0.9827pu，定子与转子的互感Lm为2.9pu，定子的自感以及定子与转子的互感之和Ls为3.07pu，转子的自感以及定子与转子的互感之和Lr为3.056pu，网侧变流器输出电流的最大允许值Ig,max为1.5pu；网侧变流器滤波电路的电阻Rg为0.02pu，自0.1s开始双馈风电机组进入低电压穿越状态。
具体到本发明实例，双馈风电机组进入低电压穿越状态前的定子电流Is,pre为-0.2872+j3.6305×10-6pu；双馈风电机组进入低电压穿越状态后的并网点电压Vf为0.2pu，投入的故障电流限制器阻抗ZFCL为0.4+j0.4 pu。定子电压Vs采用式(1)计算得到的结果为0.3125+j0.1125 pu；基于式(2)求得对应定子电流控制目标的机侧变流器的电流控制目标Ir,ref为0.3428-j0.1084 pu；对应机侧变流器的电流控制目标Ir,ref，机侧变流器的电压Vr基于式(3)得到的计算结果为0.3274+j0.2105 pu；基于式(4)计算得到的机侧变流器的有功功率Pr为0.0894pu；基于式(6)求解得到的网侧变流器的直轴电流控制目标为-0.6720pu，基于式(7)计算得到的网侧变流器的交轴电流控制目标/>为1.3410pu。
具体到本发明实例，故障穿越期间：机侧变流器的直轴电流控制目标设定值为0.3428pu；机侧变流器的交轴电流控制目标设定值/>为-0.1084pu；网侧变流器的直轴电流控制目标设定值/>为-0.6720pu；网侧变流器的交轴轴电流控制目标设定值/>为1.3410pu。
S3：将机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标转化为机侧变流器与网侧变流器的功率控制目标，应用于双馈风电机组机侧变流器与网侧变流器的控制。
具体的，双馈风电机组在低电压穿越期间，对应机侧变流器的电流控制目标，机侧变流器的有功功率控制目标Ps,ref基于式(8)计算得到：
机侧变流器的无功功率控制目标Qs,ref基于式(9)计算得到：
式中Im代表取复数虚部函数；
网侧变流器有功功率控制的控制目标设定为维持连接机侧变流器与网侧变流器的直流母线电压恒定；网侧变流器无功功率的控制目标Qg,ref基于式(10)计算得到：
具体到本发明实例，基于式(8)计算得到的机侧变流器有功功率控制目标Ps,ref为-0.0897pu；基于式(9)计算得到的机侧变流器无功功率控制目标Qs,ref为-0.0323pu；基于式(10)计算得到的网侧变流器无功功率的控制目标Qg,ref为0.2682pu。基于机侧变流器与网侧变流器功率设定目标的机侧变流器与网侧变流器控制框图请分别参阅图3与图4。图3中分别为机侧变流器电流的直轴与交轴分量；/>分别为机侧变流器电压的直轴与交轴分量；/>分别为定子电流的直轴与交轴分量；Ps、Qs分别为定子的有功功率与无功功率。图4中Vdc、Vdc,ref分别为直流母线电压及其参考值；/>分别为网侧变流器电流的直轴与交轴分量；/>分别为网侧变流器电压的直轴与交流分量；Qg为网侧变流器无功功率；Xg为网侧变流器滤波电路的电抗。
具体到本发明实例，将计算得到的机侧变流器与网侧变流器的功率设定目标应用于图3与图4所示的机侧变流器与网侧变流器控制框图，仿真得到的定子电流波形图如图5所示，可以看出在0.1s后双馈风电机组进入低电压穿越状态后，通过采用本方法，可将定子电流维持在低电压穿越起始时刻值；仿真得到的网侧变流器无功功率波形图如图6所示，可以看出，在双馈风电机组低电压穿越过程中，可通过本方法在低电压穿越过程中使网侧变流器增发无功功率以支撑系统电压。
本发明针对双馈风电机组的故障穿越，可通过变流器电流控制目标的调节，在不同电压跌落深度条件下，配合固定阻抗的故障电流限制器的投入，维持双馈风电机组的定子输出电流在进入故障穿越状态后仍维持不变，从而改善双馈风电机组低电压穿越的效果。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：在双馈风电机组机端发生电压跌落，进入低电压穿越状态后，投入连接在双馈风电机组定子侧的故障电流限制器，检测双馈风电机组并网点电压大小；
S2：基于双馈风电机组并网点电压大小、投入的故障电流限制器阻抗大小，以维持双馈风电机组定子电流大小不变为目标，确定故障穿越期间机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标；
S3：将机侧变流器与网侧变流器的电流控制目标转化为机侧变流器与网侧变流器的功率控制目标，应用于双馈风电机组机侧变流器与网侧变流器的控制。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于，所述S2包含以下步骤：
双馈风电机组进入低电压穿越状态前的定子电流为Is,pre；双馈风电机组进入低电压穿越状态后的并网点电压为Vf，投入的故障电流限制器阻抗为ZFCL；双馈风电机组定子电流控制目标值设为进入低电压穿越状态前的定子电流，在维持定子电流大小不变的前提下，定子电压Vs采用式(1)计算得到：
Vs＝Vf-ZFCLIs,pre (1)；
进而基于式(2)求得对应定子电流控制目标的机侧变流器的电流控制目标Ir,ref：
式中Rs为定子电阻，j代表复数的虚部，ωs为同步转速，Lm为定子与转子的互感，Ls为定子的自感以及定子与转子的互感之和；
对应机侧变流器的电流控制目标Ir,ref，机侧变流器的电压Vr基于式(3)计算得到：
Vr＝RrIr,ref+jωr(LrIr,ref+LmIs,pre) (3)；
式中Rr为转子电阻，ωr为转子转速，Lr为转子的自感以及定子与转子的互感之和；
机侧变流器的有功功率Pr基于式(4)计算得到：
式中Re代表取复数实部函数，上标*代表共轭；
为维持直流母线电压稳定，机侧变流器的有功功率Pr应与网侧变流器的有功功率Pg相平衡，即Pr+Pg＝0；在双馈风电机组低电压穿越过程中，网侧变流器的输出电流控制在其最大允许值Ig,max，网侧变流器的有功功率基于式(5)计算得到：
式中Rg为网侧变流器滤波电路的电阻，上标d代表直轴分量，直轴-交轴坐标系即d-q坐标系采用并网点电压Vf向量位于直轴的定位方式，此时有并网点电压直轴分量其中||代表向量的模值；
基于式(6)可求解网侧变流器的直轴电流控制目标
网侧变流器的交轴电流控制目标基于式(7)计算得到：
故障穿越期间：机侧变流器的直轴电流控制目标设定为Ir,ref的直轴分量，即机侧变流器的交轴电流控制目标设定为Ir,ref的交轴分量，即/>网侧变流器的直轴电流控制目标设定为/>网侧变流器的交轴轴电流控制目标设定为/>
3.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组低电压穿越方法，其特征在于，所述S3包含以下步骤：
双馈风电机组在低电压穿越期间，对应机侧变流器的电流控制目标，机侧变流器的有功功率控制目标Ps,ref基于式(8)计算得到：
机侧变流器的无功功率控制目标Qs,ref基于式(9)计算得到：
式中Im代表取复数虚部函数；
网侧变流器有功功率控制的控制目标设定为维持连接机侧变流器与网侧变流器的直流母线电压恒定；网侧变流器无功功率的控制目标Qg,ref基于式(10)计算得到：
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李生虎等: "基于故障电流解析表达的FCL协助DFIG低电压穿越研究", 《电力自动化设备》, vol. 37, no. 11, pages 8 - 13 *

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