CN117674177B - 一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定及匹配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定及匹配控制方法，涉及双馈风力发电系统稳定运行技术领域，包括如下步骤：获取阻容撬棒中的电容最大限值；根据阻容撬棒需提供的无功功率，获得对应的补偿无功电容值；根据电容最大限值和补偿无功电容值，确定最终电容值。该方法考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法及匹配控制策略，解决了现有技术中参数确定的分析过程不够严谨和全面、没有与阻容撬棒应用相匹配的控制策略、适用场合不够广泛、可靠性低和对双馈机组稳定运行影响大的问题，从而最大限度地有效提升了双馈发电机组的故障穿越能力。

Description

一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定及匹配控制方法

技术领域

本发明涉及双馈风力发电系统稳定运行技术领域，更具体的说是涉及一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定及匹配控制方法。

背景技术

随着全球能源危机的突显，.风力发电在最近二十年的发展非常迅速，而双馈感应发电机由于其较低的制造成本和易于实现功率的灵活控制，已成为风力发电系统中的主流机型。但是双馈电机的定子侧与电网直接耦合，导致双馈电机对电网电压的变化非常敏感，尤其是定子侧电压严重降落时，双馈电机通过定子侧输送给电网的功率将会减小，而在电压降落瞬间，双馈电机的输入机械功率基本保持不变，那么多余的功率将会通过双馈电机的转子侧输送给电网，造成双馈电机转子侧的过电流和直流母线的过电压，另外双馈电机转子侧变流器的容量较小，故过电流和过电压危及到双馈电机转子侧的安全运行时，只能将双馈电机退出运行，这显然不利于高比例风电电力系统的安全稳定运行。因此，世界各国都要求双馈发电机组具有在存在故障的一段时期内能够不脱网运行，并支撑电网电压快速恢复的能力。而该能力就是国内外学者一直重点研究的双馈电机故障穿越能力。

目前，现有双馈风力发电系统的故障穿越技术在应用原理上主要分为控制策略的改进和硬件辅助装置的使用。改进双馈电机定转子侧变流器的控制策略成本低，不需要借助任何额外的设备，也不需要改变双馈风力发电系统的拓扑结构，但是其故障穿越能力有限，不能应用于电压跌落较为严重的场合。虽然使用辅助装置成本高，甚至有些辅助装置结构复杂，会改变原有双馈风力发电系统的拓扑结构，但是由于其提升双馈风力发电系统的故障穿越能力效果非常明显，因此得到了众多学者的广泛研究。而转子侧撬棒是相对比较简单，也是应用最为广泛的一种辅助装置，有大量的文献从转子侧撬棒的结构、电阻参数设定、投切时间和应用后系统稳定性分析等各个方面进行了深入研究。但是传统撬棒最大的弊端在于其使用时会将双馈电机的转子侧短接，此时的双馈电机相当于一台异步感应电机，其要从电网吸收大量的无功功率，非常不利于定子侧电压的快速恢复。因此，中国专利CN103078350A《阻容式转子撬棒》提出了一种新型结构的撬棒，利用其加入的电容发出一定的无功功率以支撑双馈电机定子侧电压的快速恢复，但其没有涉及到参数的具体计算。而中国专利CN103219744A《计入电压跌落幅度因素的阻容式撬棒电容参数确定方法》提出了阻容式撬棒中电容参数计算的方法，但是其没有考虑到撬棒投入使用后有可能会带来系统谐振危害的问题，且其方法只是从双馈电机稳态电路模型基础上进行了分析，理论上不够严谨和全面。另外以上方法都没有考虑到阻容撬棒具体应用过程中与其匹配的控制策略。

因此，有必要设计一种新的方法来确定阻容撬棒的电容值，使这种新方法可以解决当前电容计算方法只适用于特定的电压降落，但在其他情况下性能较差的问题。同时，还可以解决当前方法可能导致系统谐振的问题，避免故障穿越方案再次给双馈电机带来危害的可能性。另外，为了避免由于切除阻容撬棒较晚对系统造成的影响，考虑在电压恢复至一定程度时提前切除阻容撬棒，但为了确保阻容撬棒切除后双馈电机仍具有一定的故障穿越能力，应对双馈电机转子侧变流器的控制策略进行改进，以实现双馈电机故障穿越能力的平稳过渡。而阻容撬棒及转子侧变流器的改进控制策略还不能完全确保定子侧无功功率的平衡，其不利于定子侧电压的快速恢复，为解决该问题，还应对定子侧变流器的控制策略进行改进。

综上所述，如何考虑谐振因素的约束设计阻容撬棒的电容参数，并提出与之使用相匹配的定转子侧变流器改进控制策略，使其应用于不同故障程度情况下时穿越能力都有非常明显的提升则十分重要。是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定及匹配控制方法，以至少解决上述背景技术中提到的部分技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法，包括如下步骤：

获取阻容撬棒中的电容最大限值；

根据所述阻容撬棒需提供的无功功率，获得对应的补偿无功电容值；

根据所述电容最大限值和所述补偿无功电容值，确定最终电容值

进一步地，所述步骤获取阻容撬棒中的电容最大限值，具体包括：

确定在稳态分量情况下电路中的稳态电容最大值，表示为：

其中，C_{cb_p}表示稳态电容最大值；s表示双馈电机的转差率；ω_s表示电网同步角频率；σ表示漏磁系数；L_r表示转子电感；

确定在暂态分量情况下电路中的暂态电容最大值，表示为：

其中，C_{cb_α}表示暂态电容最大值；ω_r表示电网转子角频率；

根据所述稳态电容最大值和所述暂态电容最大值，确定阻容撬棒中的电容最大限值，表示为：

C_cbmax＝min{C_{cb_p},C_{cb_α}}＝C_{cb_α}

其中，C_cbmax表示电容最大限值。

进一步地，所述稳态分量和暂态分量分别表示为：

其中，t表示故障发生时刻；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的稳态分量；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的暂态分量；L_s表示定子电感；L_r表示转子电感；L_m表示定子互感；R_r表示转子电阻；R_cb表示阻容撬棒电阻；R_vir表示等效虚拟电阻；s表示双馈电机的转差率；d表示电网电压跌落的深度；U_s|0|表示故障前的电网电压；ω_s表示电网同步角频率；ω_r表示转子角频率；C_cb表示阻容撬棒的电容值；σ表示漏磁系数，即T_c′_om表示等效时间衰减常数；j表示复数中的虚数符号。

进一步地，所述根据所述阻容撬棒需提供的无功功率，获得对应的补偿无功电容值，具体包括：

获取使用阻容撬棒后转子侧所提供的用于恢复定子侧电压的无功功率，表示为：

根据所述无功功率，获得对应的补偿无功电容值；表示为：

其中，Q_nd表示补偿的无功功率；-Q_nd中的符号-表示转子侧发出了无功功率；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的稳态分量；s表示双馈电机的转差率；ω_s表示电网同步角频率；σ表示漏磁系数；L_r表示转子电感；C_cb表示阻容撬棒的电容值；C_{cb_nd}表示补偿无功电容值。

进一步地，所述根据所述电容最大限值和所述补偿无功电容值，确定最终电容值，具体包括：

若电网电压跌落在预设范围内，则所述补偿无功电容值小于或等于所述电容最大限值，此时所述最终电容值即为所述补偿无功电容值；

若电网电压跌落不在预设范围内，则所述补偿无功电容值大于所述电容最大限值，此时所述最终电容值即为所述电容最大限值。

另一方面，本发明实施例提供了一种考虑谐振的匹配控制方法，基于上述的一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法；

所述考虑谐振的匹配控制方法包括转子侧变流器控制法和定子侧变流器控制法；

若电网电压跌落在预设范围内，则采用所述转子侧变流器控制法或所述定子侧变流器控制法，来实现双馈机组的故障穿越；

若电网电压跌落不在预设范围内，则采用阻容撬棒配合所述定子侧变流器控制法，来实现双馈机组的故障穿越。

进一步地，所述转子侧变流器控制法包括：获取转子侧的补偿相；基于所述补偿相对转子电压参考值进行修正。

进一步地，所述定子侧变流器控制法包括：在双馈电机定子侧变流器控制系统有功控制环上加入的前馈分量，并以恢复定子电压所需补偿的无功功率为无功参考值。

进一步地，还包括：故障穿越期间，所述转子侧变流器控制法和所述定子侧变流器控制法进行切换，以实现实现双馈机组的故障穿越；其中切换过程包括如下步骤：

S1、对定子侧电压进行实时一次检测，并判断是否发生电压跌落；若发生跌落则进行步骤S2；若没发生则继续进行实时一次检测；

S2、实施所述定子侧变流器控制法；

S3、根据此次电压跌落深度，判断此次电压跌落是否在所述预设范围内；若不在，则执行步骤S4；若在，则执行步骤S5；

S4、在双馈电机的定子侧投入阻容撬棒并进行二次检测，若到定子电压已恢复至所述预设范围内，则切除阻容撬棒并执行步骤S5，若没有恢复至预设范围则继续进行二次检测；

S5、实施所述转子侧变流器控制法。

进一步地，所述切换过程还包括：

S6、利用电压判断故障穿越是否结束，若未结束保持当前的控制法，若结束则将定子侧变流器和转子侧变流器的控制法切换回传统控制法。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定及匹配控制方法，具有如下有益效果：

本发明在考虑谐振因素的情况下，结合转子过电流限制能力和无功功率补偿的约束，优化并确定阻容撬棒中的电容参数。

本发明在传统转子侧变流器控制策略的基础上，加入补偿项修正转子电压参考值的计算，从而让转子侧变流器控制的转子电压有效抵消转子开路电压的暂态分量，即本发明提供的转子侧变流器控制法有效抑制转子侧过电流。

本发明改进双馈发电机传统的定子侧变流器控制法使其不仅能够维持直流母线电压的恒定，还能提供一定的无功功率以加速定子侧电压的恢复。

本发明在不同电网电压跌落情况下，采用不同的故障穿越方案，电压恢复过程中跌落程度动态变化，穿越方案也随之匹配切换，可以在双馈风力发电系统面临不同程度的故障时，能有效限制转子侧的过电流和抑制直流母线侧的过电压，同时可以加快定子侧故障电压的恢复，解决了现有技术中适用场合不够广泛，可靠性低和对双馈机组稳定运行影响大的问题，从而最大限度地有效提升了双馈发电机组的故障穿越能力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法示意图。

图2为本发明实施例提供的双馈电机转子侧应用阻容撬棒后的等效稳态和暂态分量电路示意图。

图3为本发明实施例提供的考虑谐振的匹配控制方法框架示意图。

图4为本发明实施例提供的转子侧变流器控制法的控制原理示意图。

图5为本发明实施例提供的定子侧变流器控制法的控制原理示意图。

图6为本发明实施例提供的故障穿越期间方案切换的工作流程示意图。

图7为本发明实施例提供的所涉及方案的在不同情况采用不同措施的示意及目的示意图。

图8为本发明实施例提供的所对应的故障穿越方案解决现有技术具体关键问题的示意图。

图9为本发明实施例提供的在电网电压跌落20％(轻度)时采用四种不同方案的定子侧电压波形对比示意图。

图10为本发明实施例提供的在电网电压跌落70％(重度)时采用四种不同方案的定子侧电压波形对比示意图。

图11为本发明实施例提供的在电网电压跌落20％(轻度)时采用四种不同方案的转子电流幅值变化对比示意图。

图12为本发明实施例提供的在电网电压跌落70％(重度)时采用四种不同方案的转子电流幅值变化对比示意图。

图13为本发明实施例提供的在电网电压跌落20％(轻度)时采用四种不同方案的直流母线电压幅值变化对比示意图。

图14为本发明实施例提供的在电网电压跌落70％(重度)时采用四种不同方案的直流母线电压幅值变化对比示意图。

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。

一方面，本发明实施例公开了一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法，参见图1所示，具体包括如下步骤：

P1、获取阻容撬棒中的电容最大限值；

P2、根据阻容撬棒需提供的无功功率，获得对应的补偿无功电容值；

P3、根据电容最大限值和补偿无功电容值，确定最终电容值。

上述标识P1～P3目的是为了便于后续说明，并不限定上述方法步骤的执行顺序；接下来对上述步骤P1～P3分别进行详细说明。

在上述步骤P1中：具体包括如下两方面内容：

(1)确定故障穿越期间使用阻容撬棒时转子电流的稳态分量和暂态分量：

为了能够使撬棒投入使用后既能够限制转子侧过电流和抑制直流母线过电压，同时又不影响到定子侧跌落电压的恢复，甚至是提供无功功率帮助跌落电压的快速恢复，可以在传统撬棒基础上加入电容构成阻容撬棒；阻容撬棒改变了传统纯阻性撬棒在投用期间双馈电机转子侧要从定子侧吸收大量无功功率的特点；其加入的电容甚至可以向双馈电机的定子侧提供一定的无功功率，从而加快定子侧跌落电压的恢复。为了研究阻容撬棒限制转子侧过电流，考虑谐振因素约束下的无功补偿等问题，应得到故障穿越期间使用阻容撬棒时转子电流的稳态分量和暂态分量，具体如下：

首先获取双馈发电系统的相关参数数据，如双馈电机定转子侧的电阻，电感、自感、互感和角频率等，双馈电机的转差率，以及电网电压跌落深度等；按照传统惯例，可以将电压跌落20％以内(即预设范围内)视为轻度跌落，否(即不在预设范围内)视为重度跌落；

其次，对比传统撬棒应用情况下的稳态分析和暂态分析，可以得到使用阻容撬棒时的双馈电机转子侧的等效稳态和暂态分量电路图，如图2所示；其中，图2(a)表示稳态分量电路图；图2(b)表示暂态分量电路图；

最后结合双馈电机的定子电压方程和磁链方程，在图2的基础上，对比传统撬棒的稳态分析和暂态分析，可以得到阻容撬棒投入使用时双馈电机转子电流的稳态分量和暂态分量分别为：

其中，t表示故障发生时刻；t≥0表示故障发生以后的时刻，即假设在t＝0时电网发生故障；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的稳态分量；/>表示转子旋转坐标系下转子侧电流的暂态分量；L_s表示定子电感；L_r表示转子电感；L_m表示定子互感；R_r表示转子电阻；R_cb表示阻容撬棒电阻；R_vir表示等效虚拟电阻；s表示双馈电机的转差率；d表示电网电压跌落的深度；U_s|0|表示故障前的电网电压；ω_s表示电网同步角频率；ω_r表示转子角频率；C_cb表示阻容撬棒的电容值；σ表示漏磁系数，即/>T_c′_om表示等效时间衰减常数；j表示复数中的虚数符号。

(2)考虑谐振因素约束的情况下，获得阻容撬棒中的电容最大限值：

根据电路理论，电路中的阻抗虚部即电抗部分为0时，电路将发生谐振，因此为了能够避免转子侧发生谐振，同时不改变原来传统纯阻性撬棒使用时的限制转子过电流能力，还能够使转子侧电抗部分呈现容性以向定子侧提供无功功率，则以稳态分量情况下为例加入电容后的阻抗虚部必须满足：

考虑到加入电容后要使转子侧呈现容性，则公式(3)可以进一步变换为：

公式(4)中的负号表示加入电容后转子侧阻抗的虚部最终呈现容性；

利用公式(4)就可以确定出在稳态分量电路中的稳态电容最大值C_{cb_p}：

同理，暂态分量分析过程与上述分析过程相同，那么暂态分量情况下电容中的暂态电容最大值C_{cb_α}表示为：

综合稳态分量和暂态分量下的两种情况，最终电容值的最大值为稳态电容最大值C_{cb_p}与暂态电容最大值C_{cb_α}两者中的最小值；由于sω_s＜ω_r，则最小值为C_{cb_α}，即最终的电容最大限值C_cbmax表示为：

C_cbmax＝min{C_{cb_p},C_{cb_α}}＝C_{cb_α} (7)

以上是在考虑谐振问题情况下确定的电容最大上限值C_cbmax，而具体电容的大小还需要参考定子侧补偿电压所需要无功功率的大小。

在上述步骤P2中，根据阻容撬棒需提供的无功功率，获得对应的补偿无功电容值；对此进行如下说明：

若要将定子侧的跌落电压U_s补偿至定子侧的期望电压U_ref，所需要的无功功率可以表示为：

那么由投入阻容撬棒后的转子侧提供该无功功率，则有：

由于转子电流暂态分量所对应的无功功率要远小于稳态分量，故为了简化分析，只考虑了转子电流稳态分量部分的无功功率；

那么通过公式(9)就可以确定出提供需要无功功率对应的电容值，并将其记为C_{cb nd}，即

其中，Q_nd表示补偿的无功功率；-Q_nd中的符号-表示转子侧发出了无功功率；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的稳态分量；s表示双馈电机的转差率；ω_s表示电网同步角频率；σ表示漏磁系数；L_r表示转子电感；C_cb表示阻容撬棒的电容值；C_{cb_nd}表示补偿无功电容值。

上述步骤P1中所获得的电容最大限值，以及步骤P2所获得的补偿无功电容值，均不能作为电容的最终最终整定值，必须考虑其是否超过上限值的情况；

因此，在上述步骤P3中，根据电容最大限值和所述补偿无功电容值，确定最终电容值，具体包括：若电网电压跌落在预设范围内，则定子侧电压恢复所需要的无功功率不是很大，对应转子侧阻容撬棒中的电容值也不会超过其上限值，即C_{cb_nd}≤C_cbmax，那么在这种情况下，最终电容值C_{cb_last}就是C_{cb_nd}，即C_{cb_last}＝C_{cb_nd}，此时转子侧最终向定子侧提供的无功功率也就等于定子侧所需要的无功功率，即Q_last＝Q_nd；而若电网电压跌落不在预设范围内，定子侧快速恢复电压所需要的无功功率较大，对应转子侧阻容撬棒的电容值将会超过其上限值，即C_{cb_nd}＞C_cbmax，那么为了避免电容进一步增大削弱阻容撬棒限制转子侧过电流的能力，甚至是导致谐振现象的发生，此时最终电容值C_{cb_last}只能取为电容最大限值，即C_{cb_last}＝C_cbmax，那么此时转子侧向定子侧提供的无功功率不再是Q_nd，显然缺额无功功率的存在不利于定子电压的快速恢复，为了弥补该缺点，所欠缺的无功功率将由后面详细叙述的改进后定子侧变流器控制方法提供。

至此，阻容撬棒中电容参数的确定过程全部完成，而由于阻容撬棒中电阻参数的确定与传统纯阻性撬棒完全相同，也不属于本发明的内容，故不再赘述。

另一方面，本发明实施例还公开了一种考虑谐振的匹配控制方法，基于上述所提供的一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法；具体参见图3所示；该考虑谐振的匹配控制方法包括转子侧变流器控制法和定子侧变流器控制法；其中，若电网电压跌落在预设范围内，则采用转子侧变流器控制法或定子侧变流器控制法，来实现双馈机组的故障穿越；若电网电压跌落不在预设范围内，则采用阻容撬棒配合定子侧变流器控制法，来实现双馈机组的故障穿越；

具体地，在电网电压跌落在预设范围内时，不考虑使用阻容撬棒，而是仅通过改变双馈电机转子侧变流器控制法抑制转子侧的过电流，在传统转子侧变流器控制策略的基础上，加入补偿项修正转子电压参考值的计算，从而让转子侧变流器控制的转子电压有效抵消转子开路电压的暂态分量，最终达到抑制转子侧过电流的目的；或者不使用阻容撬棒而仅利用本发明提供的转子侧变流器控制法抑制转子侧的过电流，但其没有无功功率补偿能力以快速恢复定子侧的电压，因此应改进双馈电机定子侧变流器的控制法，即其不再运行于单位功率因数情况，而是以恢复定子电压所需补偿的无功功率为无功参考值，使其不仅能够抑制直流母线的过电压，而且能够提供快速恢复定子电压所需要的无功功率

在电网电压跌落不在预设范围内时，利用本发明提供的转子侧变流器控制法不能限制此时较大的转子侧电流，则需要借助于阻容撬棒，阻容撬棒也会提供无功功率，但是考虑到电网谐振等因素的约束，其所提供的无功功率有可能达不到电压恢复所需的无功功率值，故此时仍需要与改进的定子侧控制法共同承担无功功率的补偿，即以阻容撬棒无功补偿后缺额的无功功率为参考值，最终实现快速恢复双馈电机定子侧电压的目的。

另外在双馈电机的故障穿越期间，直流母线上电压的波动要比正常情况严重的多，在双馈电机定子侧变流器的有功控制环上增加前馈补偿项优化其有功电流的参考值可以有效地解决该问题。因此双馈电机定子侧变流器的有功电流参考值要以有功功率的平衡为目的，从而保证双馈电机直流母线的电压恒定

接下来分别对转子侧变流器控制法和定子侧变流器控制法进行详细说明。

(1)转子侧变流器控制法：

双馈电机定子侧的磁链在电网电压恒定不变时保持不变，但是当双馈电机的定子侧发生电压跌落后，定子侧会出现磁链的暂态分量，而该暂态分量则会在转子侧感应产生大小受电压跌落深度影响的转子开路电压暂态分量，最终导致了双馈电机转子侧的过电流。显然，能否通过一定的手段将双馈电机转子侧的开路电压暂态分量减小，非常有利于双馈电机转子侧的过电流限制，进而抑制直流母线的过电压；

结合双馈电机的电压方程和磁链方程，通过对转子侧等效电路的分析，可以得到在定子坐标系下定子电流对时间的一阶导数与转子开路电压暂态分量的关系为：

其中，上标s表示定子侧旋转坐标系，下标s代表定子侧电流，斜体s表示转差率；

基于此可以得到转子侧的补偿相

由公式(11)可以得到，转子开路电压的暂态分量与定子电流的一阶导数在电网故障后一直存在着数学上的正比关系。那么也就是说，只要能正确测量到双馈电机定子电流并求取其对时间的一阶导数，就相当于计算出了转子开路电压的暂态分量，这就为改进转子侧变流器的控制策略以有效抑制转子过电流提供了理论依据；

增加了定子电流一阶导数补偿项的改进转子侧变流器控制法原理框图如图4所示，虚线框部分为本发明相较传统传统控制法的改进增加环节，具体为将上述获得的补偿相引入转子侧变流器控制系统转子电压参考值计算端；由于本发明所提供的转子侧变流器控制法中引入补偿项的作用实质上是抑制定子电压突变产生定子磁链暂态分量对双馈电机的影响，因此，该转子侧变流器控制法同样适用于电压升高的情况。另外阻容撬棒的切除仅以定子电压跌落的轻重为依据，且阻容撬棒切除后改进的转子侧变流器控制法仍具有限制过电流和抑制直流母线过电压的能力，有效解决了传统的转子侧仅使用撬棒时，过早切除撬棒造成的过电流又会增大和过迟切除撬棒造成转子侧变流器不能平稳控制双馈电机的问题；该图4中，下标加d或者q的表示d、q变换后该参数的d轴分量和q轴分量；而下标加α或β表示α、β变换后该参数的α轴分量或β分量。

(2)定子侧变流器控制法：

在前面确定阻容撬棒电容参数时已经提到，若电网电压跌落非常严重，不在预设范围内时，为了避免较大电容削弱阻容撬棒限制转子侧过电流的能力，甚至是导致谐振现象的发生，该情况下最终的电容整定值只能取为电容最大限值，那么此时转子侧向定子侧最终提供的无功功率为：

与所需要的无功功率相比，经阻容撬棒补偿后还缺额的无功功率为：

Q_def＝Q_nd-Q_last (13)

而该缺额无功功率的存在不利于定子电压的快速恢复，为了弥补该缺点，将缺额的无功功率Q_def作为无功功率的参考值引入定子侧变流器控制系统，如图5所示，即故障穿越期间双馈电机定子侧变流器不再运行于传统的单位功率因数情况下；

而当电压为轻度跌落(在预设范围内)或者重度跌落(不在预设范围内)情况电压恢复至轻度且阻容撬棒切除后，用于双馈电机定子侧电压快速恢复的无功功率将全部由定子侧变流器提供，即此时定子侧变流器无功功率的参考值为Q_def＝Q_nd

以上定子侧无功功率参考值的改进，还能够有效解决故障穿越后期电压快恢复至正常值时，无功功率盈余造成的定子侧过电压。因为定子侧的无功功率过剩时，无功功率参考值由负变为正，即定子侧变流器将吸收多余的无功功率以避免过电压的发生

在分析双馈电机转子侧直流母线环节时，考虑到开关和转子侧线路上的损耗一般较小，通常可以将其忽略，那么双馈电机直流环节的数学模型可以表示为：

其中，U_dc表示双馈电机直流母线的电压；C_dc表示双馈电机直流母线的电容；P_s表示直流母线定子侧的有功功率；i_dcs表示直流母线定子侧的电流；P_r表示直流母线转子侧的有功功率；i_dcr表示直流母线转子侧的电流；P_c表示流过直流母线电容的有功功率。

而定子侧的有功功率还可以表示为那么公式(14)就变换为：

其中，i_sd表示定子电流的d轴分量；

在双馈电机的故障穿越期间，直流母线上电压的波动要比正常情况严重的多，必须采取相关措施抑制该严重波动，而在双馈电机定子侧变流器的有功控制环上增加前馈补偿项优化其有功电流的参考值可以有效地解决该问题。因此双馈电机定子侧变流器的有功电流参考值要以有功功率的平衡为目的，从而保证双馈电机直流母线的电压恒定。结合公式(15)就可以得到在双馈电机定子侧变流器控制系统有功控制环上加入的前馈分量，并将其记为Δi_sd，即：

将前馈分量Δi_sd加入后的双馈电机定子侧变流器改进控制法如图5所示，具体为将Q_def作为定子侧变流器控制系统的无功参考值，将Δi_sd叠加至电压外环的输出；该前馈分量的加入优化了有功电流参考值，双馈电机直流母线上的电压调节速率得到了有效控制，减小了流入电容的暂态电流，从而达到了保持双馈电机直流母线电压恒定不变的目的。

综合上述说明，若要使双馈电机在不同故障情况下都具有较强的故障穿越能力，则应该针对不同情况下的特点采取合理的措施。也就是说变流器控制策略以及阻容撬棒的使用等要根据具体情况协调配合，才能加强故障穿越能力及其在不同场合的实用性；具体切换过程如图6所示；具体如下步骤：

S1、对定子侧电压进行实时一次检测，并判断是否发生电压跌落；若发生跌落则进行步骤S2；若没发生则继续进行实时一次检测；

S2、将传统定子侧控制策略切换至本发明提供的定子侧变流器控制法；

S3、根据此次电压跌落深度，判断此次电压跌落是否在预设范围内(即是否为轻度电压跌落)；若不在，则执行步骤S4；若在，则执行步骤S5；

S4、在双馈电机的定子侧投入阻容撬棒并进行二次检测，若到定子电压已恢复至预设范围内，则切除阻容撬棒并执行步骤S5，若没有恢复至预设范围则继续进行二次检测；

S5、将传统转子侧变流器控制策略切换至本发明提供的转子侧变流器控制法；

S6、利用电压判断故障穿越是否结束，若未结束保持当前的控制法，若结束则将定子侧变流器和转子侧变流器的控制法切换回传统控制法；

整体协调配合的主要判断条件为电压跌落程度，若为轻度电压跌落时，不需要借助额外的硬件设备，完全可以通过本发明提供的转子侧变流器控制和定子侧变流器控制法来完成双馈电机的故障穿越。在该情况下，转子侧变流器的主要任务为有效限制转子过电流和抑制直流母线过电压，而定子侧变流器的主要任务是维持直流母线电压恒定，并尽可能维持双馈电机定子侧无功功率的平衡以快速恢复定子侧电压；而电压跌落为重度跌落时，由于受定子侧与转子侧变流器自身容量的限制，仅靠两个变流器控制策略的改进无法实现该情况下的故障穿越，必须借助于额外的故障穿越硬件设备，即阻容撬棒。当阻容撬棒投入使用后，双馈电机的转子侧变流器被短接，失去了控制作用，因此在深度跌落情况下是阻容撬棒与定子侧变流器之间的协调配合。阻容撬棒的主要任务除了像传统撬棒那样限制转子过电流和抑制直流母线过电压外，还能够像定子侧提供无功功率加速定子侧电压的恢复，此时定子侧变流器除了限制直流母线电压波动外，还可以有效辅助阻容撬棒平衡定子侧无功功率，避免了由于阻容撬棒受各种条件限制而发出无功功率不足导致的电压恢复缓慢，另外也避免了有可能在电压恢复后期无功功率过程导致的定子侧过电压。方案中在不同电压跌落情况采取不同措施的目的如图7所示。电压重度跌落方案切换至轻度跌落方案的依据为电压跌落程度，也就是说阻容撬棒的切除依据简单明确，有效避免了传统方法中过早切除撬棒造成的过电流又会增大和过迟切除撬棒造成转子侧变流器不能平稳控制双馈电机的问题。本发明所提供的方法主要解决的关键问题如图8所示。

上述实施例的考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法及匹配控制方法，整体设计思想分为以下三个方面：

撬棒中加入电容可以减小转子侧从定子侧吸收的无功功率，甚至是向定子侧提供无功功率以支撑定子侧电压的快速恢复，但是也必须要考虑加入电容后，转子侧有可能发生串联谐振的问题。若发生串联谐振，转子侧的过电流非但不会得到有效限制，反而过电流会更加严重。因此应考虑电网谐振因素约束的前提下，保留撬棒原有限制转子侧过电流的基础上，充分发挥阻容撬棒补偿无功功率的优点，优化并确定阻容撬棒的参数；

电网电压跌落轻度情况(即在预设范围内)时，或者重度跌落(即不在预设范围内)经过一段时间电压恢复至轻度跌落的情况，转子侧的过电流不是很严重，若在该情况下仍然使用阻容撬棒来限制转子侧过电流，将有可能造成定子侧无功功率过剩从而造成定子侧的过电压，而且阻容撬棒在故障穿越期使用时会将双馈电机的转子侧短接，故其长时间使用会使转子侧变流器长时间不能发挥其控制作用，不利于双馈电机的稳定运行。因此当电网电压跌落为轻度情况时，应该将阻容撬棒退出运行，恢复双馈电机转子侧变流器的控制作用，则此时的限制转子侧过电流及抑制直流母线过电压的任务交给转子侧变流器，而转子侧变流器为了完成上述任务，就必须对其控制策略进行改进。至于阻容撬棒退出运行后向定子侧提供无功功率的能力减弱问题，可交由定子侧变流器的改进控制策略解决，因为在轻度跌落情况下定子侧所需要的无功功率较少。

在电压跌落较为严重采用阻容撬棒限制转子电流时，尽管其可以向定子侧提供无功功率，但是受各种约束条件的限制，所提供的无功功率与定子侧所需要的无功功率还有一定的缺额；另外在电压轻度跌落情况时，利用改进的转子侧变流器控制策略限制转子过电流，向定子侧提供无功功率的能力遭到削弱；而在故障恢复后期，定子侧有可能无功功率过剩造成定子侧的过电压。以上情况都不利于定子侧电压的快速恢复或稳定，因此，定子侧变流器的控制策略就不能再采取传统的单位功率因数运行控制策略，而要能有效地向定子侧提供或吸收一定的无功功率，最终实现系统无功功率的平衡。具体控制策略改进是将系统所需无功功率与已补偿无功功率的差值作为无功功率的参考值，如图5所示，定子侧变流器可根据所缺额无功功率的大小，动态调整定子侧的无功功率，加速定子侧电压的快速恢复并维持其稳定。另外定子侧变流器的传统控制策略还有着维持直流母线电压恒定的功能，但是电网电压发生故障后，直流母线电压的波动会增大，其最大瞬时过电压有可能超过电容的容许值，从而损坏直流侧，故改进的定子侧变流器控制策略还应该加强维持直流母线电压稳定的能力。

接下来通过一个具体的实施例来对上述内容进行说明。

通过在MATLAB/Simulink平台中构建与本发明实施例相对应的仿真模型，以展示本实施例的效果部分。

仿真模型所涉及到的相关参数如表1所示：

表1双馈电机主要仿真参数

参数名称(单位)	值	参数名称(单位)	值
				额定功率(kW)	1500	定子额定电压(V)	690
额定频率(Hz)	50	转子额定电压(V)	420
				转差率(s)	1.662	额定转速(r/min)	1780
定子电阻(pu)	0.0048	定子漏感(pu)	0.0924
				转子电阻(pu)	0.0055	转子漏感(pu)	0.0995
极对数	2	互感(pu)	3.927

具体的故障穿越性能验证工作涉及定子电压的快速恢复、转子过电流的限制和直流母线过电压抑制的能力，同时为了验证本发明对应的方案能够应用于不同电压跌落程度下，在各方面性能验证时，都进行了20％电压跌落程度和70％电压跌落程度两种情况下的仿真。仿真过程中都是在3s时出现电压跌落故障，3.5s时切除故障。

(1)定子电压快速恢复能力有效性的验证

电压跌落20％情况下采取不同措施的定子侧电压波形图如图9所示；通过对比可以发现，如果不采取措施(如图9(a)所示)，在电压跌落期间，定子侧电压不会恢复；而采用了本发明所提供的方案(如图9(d)所示)，可以有效快速地在故障穿越期间使定子侧电压恢复；若在本发明方案基础上去除改进的定子侧变流器控制法(如图9(c)所示)，很明显定子侧电压的恢复能力也几乎会丧失，这是由于在轻度电压跌落情况下，能够给系统提供无功功率从而使定子侧电压恢复的功能主要由改进定子侧变流器控制策略实现；若在本发明方案基础上去除改进的转子侧变流器控制法(如图9(b)所示)，定子侧电压恢复的能力几乎不受影响，这是由于改进的定子侧变流器控制策略没有受到影响。

电压跌落70％情况下采取不同措施的定子侧电压波形图如图10所示。同样不采取任何辅助措施时(如图10(a)所示)，定子侧没有电压恢复的能力。采用本发明所提供的方案(如图10(d)所示)，可以有效快速地恢复定子侧电压，故障前期电压恢复的快速性能最好，这是由于故障前期在重度跌落情况下，阻容撬棒与改进定子侧变流器控制策略都可以有效控制定子侧无功功率，加快定子侧电压的恢复；而到了后期，电压恢复至0.8倍的额定电压后，阻容撬棒退出运行，用于恢复定子侧电压的只剩余改进定子侧变流器控制策略，故在电压恢复的后期，电压恢复速度明显变慢。若在本发明方案的基础上除去阻容撬棒的作用(如图10(b)所示)，那么整个电压恢复期间，只剩余改进定子侧变流器控制策略用于恢复定子侧电压，电压恢复性能明显下降。而若在本发明方案基础上去除改进定子侧变流器控制法(如图10(c)所示)，电压恢复的前期只有阻容撬棒用于恢复定子电压，恢复速度明显降低，而当电压恢复至0.8倍的额定电压后，阻容撬棒也将退出运行，此时没有任何措施可以用于定子侧电压恢复，故在该情况下，故障后期失去了电压恢复的能力。

(2)转子过电流限制能力有效性的验证：

电压跌落20％情况下采取不同措施的转子电流幅值变化如图11所示。不采取有效措施时(如图11(a)所示)，转子侧将会出现非常大的过电流，该电压跌落情况下可以达到正常电流的1.6倍以上。而采取本发明所提供的方法时(如图11(d)所示)，可以很好地将转子侧过电流限制在1.2倍以内。轻度电压跌落情况下用于限制转子侧过电流的主要为改进的转子侧变流器控制策略，如若将本发明提供方法中改进的转子侧变流器控制策略去除(如图11(b)所示)，则限制转子侧过电流的能力将会明显削弱。而若将本发明方案中改进的定子侧变流器控制策略去除(如图11(c)所示)，保留改进的转子侧变流器控制策略，则限制转子侧过电流的能力几乎不受影响。

电压跌落70％情况下采取不同措施的转子电流幅值变化如图12所示。同样，不采取任何有效措施时(如图12(a)所示)，转子侧过电流得不到有效限制，该电压跌落深度下几乎可以达到2.2倍的正常电流。而采取本发明所提供的方法(如图12(d)所示)仍然可以有效地将其限制在1.2倍正常电流的范围内。若在本发明方案的基础上不使用改进的阻容撬棒(如图12(b)所示)，使用传统的纯阻性撬棒时，也可以很好地限制转子侧的过电流。这也就说明了改进的阻容撬棒不仅可以有效恢复定子侧的故障电压，同时还保留了传统撬棒限制转子侧过电流的能力。在本发明方案的基础上去除改进定子侧变流器控制法时(如图12(c)所示)，由于改进阻容撬棒的使用没有受到影响，因此限制转子侧过电流的能力也几乎没有受到影响。

(3)直流母线过电压抑制能力有效性的验证：

电压跌落20％情况下采取不同措施的直流母线电压幅值变化如图13所示。不采取有效措施时(如图13(a)所示)，直流母线上将会出现非常大的过电压，该过电压的最大峰值可以达到额定电压的1.6倍。而采取本发明方案时(如图13(d)所示)，可以很好地将直流母线过电压限制在1.2倍以内。轻度电压跌落情况下改进的定子侧变流器控制策略与改进的转子侧变流器控制策略都有助于抑制直流母线的过电压。若将本发明方案中改进的转子侧变流器控制策略去除(如图13(b)所示)，保留改进的定子侧变流器控制策略，则抑制直流母线过电压的能力明显会被削弱。同样，若将本发明方案中改进的定子侧变流器控制策略去除(如图13(c)所示)，保留改进的转子侧变流器控制策略，同样会削弱抑制直流母线过电压的能力。

电压跌落70％情况下采取不同措施的直流母线电压幅值变化如图14所示。同样，不采取任何有效措施时(如图14(a)所示)，直流母线上的过电压得不到有效限制，该过电压几乎可以达到2.2倍的正常电压。而本发明方案(如图14(d)所示)仍然可以有效地将其限制在1.2倍正常电压的范围内。由于阻容撬棒与改进的定子侧变流器控制策略都有助于直流母线过电压的抑制，所以不管是在本发明方案的基础上去除阻容撬棒的使用而改用传统撬棒(如图14(b)所示)，还是在本发明方案基础上去除的改进定子侧变流器控制法(如图14(c)所示)，都会导致抑制直流母线过电压的能力被削弱。

综上，与现有技术相比，通过本发明所提供的一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定及匹配控制方法确定参数的阻容撬棒不仅可以像传统撬棒那样有效限制转子过电流，还可以向定子侧提供无功功率，加速定子侧电压的恢复，同时阻容撬棒参数整定过程中考虑了谐振等因素的影响，确保其能够具有最佳的故障穿越能力。定子侧变流器的改进控制法不仅有助于维持直流母线电压稳定，还能够在不同情况下依据系统无功功率的不足或过剩，动态调整定子侧无功功率以确保其平衡，最终实现定子侧故障电压的快速恢复。深度电压跌落与轻度电压跌落方案的动态切换，使得阻容撬棒切除后有改进的转子侧变流器控制策略作为故障穿越过渡，解决了传统撬棒使用中切除撬棒时所造成的诸多问题，确保了系统故障穿越期间的稳定运行。总之本发明解决了现有技术中适用场合不够广泛，可靠性低和对双馈机组稳定运行影响大的问题，从而最大限度地有效提升了双馈发电机组的故障穿越能力。

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。对于实施例公开的装置而言，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。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取阻容撬棒中的电容最大限值；

根据所述阻容撬棒需提供的无功功率，获得对应的补偿无功电容值；

根据所述电容最大限值和所述补偿无功电容值，确定最终电容值；

所述步骤获取阻容撬棒中的电容最大限值，具体包括：

确定在稳态分量情况下电路中的稳态电容最大值，表示为：

其中，C_{cb_p}表示稳态电容最大值；s表示双馈电机的转差率；ω_s表示电网同步角频率；σ表示漏磁系数；L_r表示转子电感；

确定在暂态分量情况下电路中的暂态电容最大值，表示为：

其中，C_{cb_α}表示暂态电容最大值；ω_r表示电网转子角频率；

根据所述稳态电容最大值和所述暂态电容最大值，确定阻容撬棒中的电容最大限值，表示为：

C_cbmax＝min{C_{cb_p},C_{cb_α}}＝C_{cb_α}

其中，C_cbmax表示电容最大限值；

所述稳态分量和暂态分量分别表示为：

其中，t表示故障发生时刻；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的稳态分量；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的暂态分量；L_s表示定子电感；L_r表示转子电感；L_m表示定子互感；R_r表示转子电阻；R_cb表示阻容撬棒电阻；R_vir表示等效虚拟电阻；s表示双馈电机的转差率；d表示电网电压跌落的深度；U_s|0|表示故障前的电网电压；ω_s表示电网同步角频率；ω_r表示转子角频率；C_cb表示阻容撬棒的电容值；σ表示漏磁系数，即T_c′_om表示等效时间衰减常数；j表示复数中的虚数符号。

2.根据权利要求1所述的一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法，其特征在于，所述根据所述阻容撬棒需提供的无功功率，获得对应的补偿无功电容值，具体包括：

获取使用阻容撬棒后转子侧所提供的用于恢复定子侧电压的无功功率，表示为：

根据所述无功功率，获得对应的补偿无功电容值；表示为：

其中，Q_nd表示补偿的无功功率；-Q_nd中的符号-表示转子侧发出了无功功率；表示转子旋转坐标系下转子侧电流的稳态分量；s表示双馈电机的转差率；ω_s表示电网同步角频率；σ表示漏磁系数；L_r表示转子电感；C_cb表示阻容撬棒的电容值；C_{cb_nd}表示补偿无功电容值。

3.根据权利要求1所述的一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法，其特征在于，所述根据所述电容最大限值和所述补偿无功电容值，确定最终电容值，具体包括：

若电网电压跌落在预设范围内，则所述补偿无功电容值小于或等于所述电容最大限值，此时所述最终电容值即为所述补偿无功电容值；

若电网电压跌落不在预设范围内，则所述补偿无功电容值大于所述电容最大限值，此时所述最终电容值即为所述电容最大限值。

4.一种考虑谐振的匹配控制方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的一种考虑谐振的阻容撬棒参数确定方法；

所述考虑谐振的匹配控制方法包括转子侧变流器控制法和定子侧变流器控制法；

若电网电压跌落在预设范围内，则采用所述转子侧变流器控制法或所述定子侧变流器控制法，来实现双馈机组的故障穿越；

若电网电压跌落不在预设范围内，则采用阻容撬棒配合所述定子侧变流器控制法，来实现双馈机组的故障穿越。

5.根据权利要求4所述的一种考虑谐振的匹配控制方法，其特征在于，所述转子侧变流器控制法包括：获取转子侧的补偿相；基于所述补偿相对转子电压参考值进行修正。

6.根据权利要求4所述的一种考虑谐振的匹配控制方法，其特征在于，所述定子侧变流器控制法包括：在双馈电机定子侧变流器控制系统有功控制环上加入的前馈分量，并以恢复定子电压所需补偿的无功功率为无功参考值。

7.根据权利要求4所述的一种考虑谐振的匹配控制方法，其特征在于，还包括：故障穿越期间，所述转子侧变流器控制法和所述定子侧变流器控制法进行切换，以实现实现双馈机组的故障穿越；其中切换过程包括如下步骤：

S1、对定子侧电压进行实时一次检测，并判断是否发生电压跌落；若发生跌落则进行步骤S2；若没发生则继续进行实时一次检测；

S2、实施所述定子侧变流器控制法；

S3、根据此次电压跌落深度，判断此次电压跌落是否在所述预设范围内；若不在，则执行步骤S4；若在，则执行步骤S5；

S4、在双馈电机的定子侧投入阻容撬棒并进行二次检测，若到定子电压已恢复至所述预设范围内，则切除阻容撬棒并执行步骤S5，若没有恢复至预设范围则继续进行二次检测；

S5、实施所述转子侧变流器控制法。

8.根据权利要求7所述的一种考虑谐振的匹配控制方法，其特征在于，所述切换过程还包括：

S6、利用电压判断故障穿越是否结束，若未结束保持当前的控制法，若结束则将定子侧变流器和转子侧变流器的控制法切换回传统控制法。