CN117578596B - 一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法及系统，方法包括：1）获取风电机组参数和需求参数；2）根据风电机组参数和需求参数，再结合变流器电流幅值和调制比限制，确定机侧变流器和网侧变流器电流可行域，并评估风电机组最大动能存储和动态电压支撑能力，得到评估结果；3）建立机侧变流器‑Crowbar电路‑网侧变流器一体化模型，将机侧变流器和网侧变流器电流可行域转化为一体化模型的控制约束条件，计算得到最优的机侧变流器和网侧变流器d‑q轴电流参考值以对各风电机组进行调控。本发明在保证直流母线电压稳定的前提下，最大化动能存储和动态电压支撑能力，提高风电机组故障穿越能力。

Description

一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法及系统
技术领域
本发明主要涉及风力发电技术领域，具体涉及一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法及系统。
背景技术
随着风力发电的日益普及，风电场在快速过渡中从低压阶段到高压阶段的连续穿越现象引起了越来越多的关注，风力发电机组的解耦控制在电网电压突然膨胀或下降时，容易产生不平衡能量，导致大型风力发电机组脱网等严重事故。因此，有必要研究如何提高风电机组的连续电压故障穿越能力。
由于转子侧变流器和电网侧变流器之间的解耦控制策略存在延迟响应滞后，使得并网中的直流母线电压因功率不平衡而产生波动，进而引发电压突升，高压也会触发无功装置的动作。此外，过度调节可能导致电压再次下降，从而触发持续的高、低电压穿越故障，在严重的情况下，设备可能会被大规模破坏，导致风电机组离网事故。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种在保证直流母线电压稳定的前提下，最大化动能存储和动态电压支撑能力，提高风电机组故障穿越能力的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，包括步骤：
1）获取风电机组参数和风电机组需求参数；
2）根据步骤1）中的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合变流器电流幅值和调制比限制，确定机侧变流器和网侧变流器电流可行域，并评估风电机组最大动能存储和动态电压支撑能力，得到评估结果；
3）建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型，将步骤2）中得到的机侧变流器和网侧变流器电流可行域、评估结果转化为一体化模型的控制约束条件，计算得到最优的机侧变流器和网侧变流器d-q轴电流参考值以对各风电机组进行调控。
优选地，步骤1）中，风电机组参数包括同步发电机定子电阻与电感，网侧线路电阻和电抗；风电机组需求参数包括并网点电压幅值V pcc、相角θ、直流母线电压U dc、转子转速ω m、有功功率P、无功功率Q、机侧变流器和网侧变流器的d-q轴电流。
优选地，在步骤2）中，根据步骤1）中的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合机侧变流器电流幅值和调制比限制，确定机侧变流器电流可行域，具体为：
其中i sd与i sq为机侧变流器d、q轴电流，I smax为机侧变流器最大允许电流，U dc为直流母线电压，ω e为转子电磁角转速，ω m为转子机械角转速，p为转子极对数，ψ为磁链，P e为有功电磁功率，R s、L sd、L sq分别为定子的电阻与d、q轴电感。
优选地，在步骤2）中，根据步骤1）中的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合网侧变流器电流幅值和调制比限制，确定网侧变流器电流可行域，具体为：
其中i gd和i gq为网侧变流器d、q轴电流，I gmax为网侧变流器最大允许电流，L g为网侧线路的电感，V pcc为并网点电压。
优选地，在步骤3）中，建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型的具体过程为：
3.1）构建连续时间状态方程；
3.2）设定采样时间为，对连续时间状态方程进行离散化，得到离散时间状态方程，进而建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型，即为运行控制器。
优选地，步骤3.1）构建连续时间状态方程的具体过程为：
其中状态变量；
输入变量，输出变量/>；
式中，、/>、/>、/>分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流增量，/>、/>、、/>分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流一阶导数增量，/>，/>，/>，分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流参考值增量；/>为直流母线电压增量；
其中参数为：
式中，和/>为变流器电流环PI参数，i sq0为机侧变流器q轴电流初始值，i sd0为机侧变流器d轴电流初始值，i gq0为网侧变流器q轴电流初始值，i gd0为网侧变流器d轴电流初始值；/>为机侧变流器d轴电流参考值初值，/>为机侧变流器q轴电流参考值初值，为网侧变流器d轴电流参考值初值，/>为网侧变流器q轴电流参考值初值。
优选地，步骤3.2）中的运行控制器具体为：
其中，/>，/>。
优选地，运行控制器的第一目标函数为：
其中，N p为步长，V w0为风电机组端电压初值，V wref为风电机组端电压参考值，为风电机组端电压对d轴电流的偏导，/>为风电机组端电压对q轴电流的偏导；
运行控制器的第二目标函数为：
其中，U dc0为直流母线电压初值，U dcref为直流母线电压参考值，ΔU dc(k)为k时刻直流母线电压增量；
运行控制器的第三目标函数为：
其中，i sd0为机侧d轴电流初始值，i sdref为机侧d轴电流参考值，Δi sd(k)为k时刻机侧d轴电流增量。
优选地，一体化模型的控制约束条件为：
；
；
；
；
式中，为并网点电压跌落开始时间，/>为并网点电压升高开始时间；/>为风电机组端电压；/>和/>分别为机侧变流器和网侧变流器电流最大允许值；i sdref为机侧变流器d轴电流参考值；i sqref为机侧变流器q轴电流参考值；i gdref为网侧变流器d轴电流参考值；i gqref为网侧变流器q轴电流参考值。
本发明还公开了一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制系统，包括相互连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明确定风电机组变流器电流可行域，评估风电机组最大动能存储和动态电压支撑能力，建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型，将变流器电流可行域转化为模型控制算法约束条件，在连续故障穿越期间保证风电机组直流母线稳定，通过弱磁控制扩大了连续故障穿越期间风机转速范围，减小了风电机组端电压偏差，提高了风电机组连续故障穿越能力。
附图说明
图1为本发明的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法流程图。
图2为本发明中的风电机组集成控制电路拓扑图。
图3为本发明中风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下直流母线电压仿真图。
图4为本发明中风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下风机转速仿真图。
图5为本发明中风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下风机端电压仿真图。
图6为本发明中风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下风机有功功率仿真图。
图7为本发明中风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下风机无功功率仿真图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，包括步骤：
1）获取风电机组参数和风电机组需求参数；其中风电机组参数包括同步发电机定子电阻与电感，网侧线路电阻和电抗等参数；风电机组需求参数包括并网点电压幅值V、相角θ、直流母线电压u dc、转子转速ω、有功功率P、无功功率Q、机侧变流器和网侧变流器的d-q轴电流等；
2）根据风电机组参数和风电机组需求参数，再结合变流器电流幅值和调制比限制，确定机侧变流器和网侧变流器电流可行域，再评估风电机组最大动能存储和动态电压支撑能力，得到评估结果；
3）建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型，将计算所得的机侧变流器和网侧变流器电流可靠域，以及评估结果转化为模型优化问题的约束条件，计算得到最优的机侧变流器和网侧变流器d-q轴电流参考值以对各风电机组进行调控。
在一具体实施例中，在步骤2）中，根据步骤1）中获得的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合机侧变流器调制比和电流幅值限制推导得到机侧变流器电流可行域为：
其中i sd与i sq为机侧变流器d、q轴电流，I smax为机侧变流器最大允许电流，U dc为直流母线电压，ω e为转子电磁角转速，ω m为转子机械角转速，p为转子极对数，ψ为磁链，P e为有功电磁功率，R s、L sd、L sq分别为定子的电阻与d、q轴电感；
同理，在步骤2）中，根据步骤1）中获得的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合网侧变流器调制比和电流幅值限制推导得到网侧变流器的可行域为：
其中i gd与i gq为网侧变流器d、q轴电流，I gmax为网侧变流器最大允许电流，L g为网侧线路的电感，V pcc为并网点电压。
其中风电机组端电压和网侧变流器d、q轴电流的数学模型为：
V w为风电机组端电压，V pcc为并网点电压，R g与X g分别为网侧线路电阻与电抗。
风电机组端电压对网侧变流器d、q轴电流的灵敏度为：
机侧变流器电流运行安全域受到转子转速的影响，反之，转子转速极限可以通过机侧变流器电流运行安全域确定。网侧变流器电流运行安全域受到直流母线电压的影响，可以通过直流母线电压、网侧变流器容量确定电流运行安全域，网侧变流器不同电流运行状态会影响风机端电压（电压支撑能力）。综上所述，量化机侧、网侧变流器电流运行安全域，可以评估风电机组最大动能存储和电压支撑能力。
在步骤3）中，建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型的具体过程为：
3.1）首先构建连续时间状态方程：
其中状态变量；
输入变量，输出变量/>；
式中，、/>、/>、/>分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流增量，/>、/>、、/>分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流一阶导数增量，/>、/>、/>、分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流参考值增量；/>为直流母线电压增量；
其中参数为：
式中，和/>为变流器电流环PI参数，/>，/>，/>，/>分别为机侧变流器和网侧变流器d、q轴电流初始值，/>，/>，/>，/>分别为机侧变流器和网侧变流器d、q轴电流参考值初值。
3.2）设定采样时间为，对连续时间状态方程进行离散化，得到离散时间状态方程，即为运行控制器，具体为：
其中，/>，/>。
其中运行控制器的第一目标函数为：
其中，N p为步长，V w0为风电机组端电压初值，V wref为风电机组端电压参考值，为风电机组端电压对d轴电流的偏导，/>为风电机组端电压对q轴电流的偏导。
该第一目标函数旨在保证在故障穿越期间风电机组直流母线电压稳定跟随参考值，保证风电机组不脱网运行。
其中运行控制器的第二目标函数为：
其中，U dc0为直流母线电压初值，U dcref为直流母线电压参考值，ΔU dc(k)为k时刻直流母线电压增量。
该第二目标函数旨在保证故障穿越期间风电机组电压支撑能力达到最优。
其中运行控制器的第三目标函数为：
其中，i sd0为机侧d轴电流初始值，i sdref为机侧d轴电流参考值，Δi sd(k)为k时刻机侧d轴电流增量。
该第三目标函数旨在保证故障穿越期间弱磁电流偏差最小。
在步骤3）中，将机侧变流器和网侧变流器电流可行域作为运行控制器的控制约束条件，得到运行控制器控制量约束范围为:
；
；
；
；
式中，为并网点电压跌落开始时间，/>为并网点电压升高开始时间；/>和/>分别为机侧变流器和网侧变流器电流最大允许值；i sdref为机侧变流器d轴电流参考值；i sqref为机侧变流器q轴电流参考值；i gdref为网侧变流器d轴电流参考值；i gqref为网侧变流器q轴电流参考值；
通过上述最优的机侧变流器和网侧变流器d-q轴电流参考值以对各风电机组进行调控。
需要注意的是，上述控制决定了直驱风力发电机当前的参考值，风电机组的速度由变螺距角控制，而在实际仿真中，为了防止功率波动，忽略了实际风电机组的俯仰角作用时间。
本发明采用模型预测控制算法进行变流器电流参考值计算，可以解决多输入多输出系统优化控制问题，求解开环最优控制结果。
本发明发电机组集成控制电路拓扑图如图2，在直流母线侧并入一条Crowbar电路（其由一个电阻器和一个IGBT串联而成，当电网电压故障时，控制器触发脉冲信号，IGBT导通；当电网电压恢复正常后，IGBT关断，切除Crowbar电路；该Crowbar电路与动能存储协调控制抑制直流母线电压波动，可有效的防止直流母线上产生过电压危险事件），并对机侧变流器与网侧变流器状态量进行采样，输入至模型预测控制算法模块，通过求解优化控制问题，得到机侧与网侧的d轴与q轴的电流参考值，再将参考值输入至PI调节与电流内环进而实现控制。
本发明适用于直驱永磁风电机组连续故障穿越运行，基于模型预测控制控制在保证风电机组不脱网运行的前提下，通过优化风电机组变流器d-q轴电流参考值，在变流器电流可行域内最优化风电机组的动能存储和电压支撑能力，充分挖掘风电机组的故障支撑潜力，增强风电机组主动支撑能力。
本发明在电网电压骤升或骤降时，协调动能存储和Crowbar电路抑制直流母线电压波动。在保证直流母线电压稳定的前提下，根据风电机组采集参数，确定变流器电流运行安全域，通过优化变流器d-q轴电流参考值最大化动能存储和动态电压支撑能力，提高风电机组连续故障穿越能力。
本发明确定风电机组变流器电流可行域，评估风电机组最大动能存储和动态电压支撑能力，建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型，将变流器电流可行域转化为模型控制算法约束条件，在连续故障穿越期间保证风电机组直流母线稳定，通过弱磁控制扩大了连续故障穿越期间风机转速范围，减小了风电机组端电压偏差，提高了风电机组连续故障穿越能力。
如图3-7所示，通过对上述方法进行仿真验证，具体为：
图3为风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下直流母线电压仿真图，单独使用动能存储和单独添加Crowbar电路的方法在电压跌落不严重时可以稳定直流母线电压，但在电网电压跌落严重时和电网电压骤升时直流母线电压骤升甚至电容击穿，本发明所提方法在电网电压骤升或骤降时降低母线电压波动，保证风电机组不脱网运行，增强风电机组的高低电压穿越能力。
图4为风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下风机转速仿真图，单独添加Crowbar电路的方法不会改变发电机输出的电磁功率，风机转速不变。未加弱磁控制的方法和本发明所提方法均降低风机输出的电磁功率，风机转速上升。本发明所提方法使用弱磁控制增大了风机转速运行安全域（可行域），使得风电机组在高低电压穿越期间拥有更大的惯性储备。
图5为风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下风机端电压仿真图，相比于有功功率控制和下垂控制，本发明所提方法在电网电压跌落时最大幅度抬高风电机组端电压，在电网电压骤降时最大幅度降低风电机组端电压，降低了风电机组端电压的波动，增强了风电机组的电压支撑能力。
图6和图7分别为风电机组高低电压穿越期间不同控制方法下风机有功功率仿真图和无功功率仿真图，有功功率控制和下垂控制在低电压穿越期间受网侧变流器电流幅值限制有功功率降低，在容量限制范围内输出动态的无功功率，但在高电压穿越期间，有功功率未减小，在容量范围内无法输出更多的无功功率。本发明所提方法通过模型预测控制风电机组高低电压穿越期间最优电压支撑电流，降低一定有功功率，抬升一定无功功率，在功率容量范围内增强风电机组的电压支撑能力。
本发明还公开了一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制系统，包括相互连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card,SMC），安全数字（Secure Digital,SD)卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，其特征在于，包括步骤：
1）获取风电机组参数和风电机组需求参数；
2）根据步骤1）中的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合变流器电流幅值和调制比限制，确定机侧变流器和网侧变流器电流可行域，并评估风电机组最大动能存储和动态电压支撑能力，得到评估结果；
3）建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型，将步骤2）中得到的机侧变流器和网侧变流器电流可行域、评估结果转化为一体化模型的控制约束条件，计算得到最优的机侧变流器和网侧变流器d-q轴电流参考值以对各风电机组进行调控；
在步骤3）中，建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型的具体过程为：
3.1）构建连续时间状态方程；
3.2）设定采样时间为，对连续时间状态方程进行离散化，得到离散时间状态方程，进而建立机侧变流器-Crowbar电路-网侧变流器一体化模型，即为运行控制器；
步骤3.1）构建连续时间状态方程的具体过程为：
其中状态变量；
输入变量，输出变量/>；
式中，、/>、/>、/>分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流增量，/>、/>、、/>分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流一阶导数增量，/>，/>，/>，分别为机侧和网侧变流器d、q轴电流参考值增量；/>为直流母线电压增量；
其中参数为：
式中，和/>为变流器电流环PI参数，i sq0为机侧变流器q轴电流初始值，i sd0为机侧变流器d轴电流初始值，i gq0为网侧变流器q轴电流初始值，i gd0为网侧变流器d轴电流初始值；/>为机侧变流器d轴电流参考值初值，/>为机侧变流器q轴电流参考值初值，/>为网侧变流器d轴电流参考值初值，/>为网侧变流器q轴电流参考值初值；/>为风电机组端电压增量。
2.根据权利要求1所述的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，其特征在于，步骤1）中，风电机组参数包括同步发电机定子电阻与电感，网侧线路电阻和电抗；风电机组需求参数包括并网点电压幅值V pcc、相角θ、直流母线电压U dc、转子转速ω m、有功功率P、无功功率Q、机侧变流器和网侧变流器的d-q轴电流。
3.根据权利要求2所述的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，其特征在于，在步骤2）中，根据步骤1）中的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合机侧变流器电流幅值和调制比限制，确定机侧变流器电流可行域，具体为：
其中i sd与i sq为机侧变流器d、q轴电流，I smax为机侧变流器最大允许电流，U dc为直流母线电压，ω e为转子电磁角转速，ω m为转子机械角转速，p为转子极对数，ψ为磁链，P e为有功电磁功率，R s、L sd、L sq分别为定子的电阻与d、q轴电感。
4.根据权利要求3所述的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，其特征在于，在步骤2）中，根据步骤1）中的风电机组参数和风电机组需求参数，再结合网侧变流器电流幅值和调制比限制，确定网侧变流器电流可行域，具体为：
其中i gd和i gq为网侧变流器d、q轴电流，I gmax为网侧变流器最大允许电流，L g为网侧线路的电感，V pcc为并网点电压。
5.根据权利要求1所述的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，其特征在于，步骤3.2）中的运行控制器具体为：
其中，/>，/>。
6.根据权利要求5所述的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，其特征在于，运行控制器的第一目标函数为：
其中，N p为步长，V w0为风电机组端电压初值，V wref为风电机组端电压参考值，为风电机组端电压对d轴电流的偏导，/>为风电机组端电压对q轴电流的偏导；
运行控制器的第二目标函数为：
其中，U dc0为直流母线电压初值，U dcref为直流母线电压参考值，ΔU dc(k)为k时刻直流母线电压增量；
运行控制器的第三目标函数为：
其中，i sd0为机侧d轴电流初始值，i sdref为机侧d轴电流参考值，Δi sd(k)为k时刻机侧d轴电流增量。
7.根据权利要求6所述的直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制方法，其特征在于，一体化模型的控制约束条件为：
；
；
；
；
式中，为并网点电压跌落开始时间，/>为并网点电压升高开始时间；/>为风电机组端电压；/>和/>分别为机侧变流器和网侧变流器电流最大允许值；i sdref为机侧变流器d轴电流参考值；i sqref为机侧变流器q轴电流参考值；i gdref为网侧变流器d轴电流参考值；i gqref为网侧变流器q轴电流参考值。
8.一种直驱永磁风力发电机组连续故障穿越控制系统，包括相互连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1-7中任意一项所述方法的步骤。
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