一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法
【专利摘要】本发明公开了一种双馈风力发电机组不对称故障穿越方法，转子侧变换器控制回路包括由转速外环和转子正负序电流控制内环，为消除定子磁链直流衰减量的影响，在正序电流控制器出口引入相应补偿项；且为避免转子变换器过流或过压，设计了新型电流限幅环节，并在电流控制器中分别引入积分饱和环节和输出幅值限制环节；针对网侧变换器，在外环直流电压回路中引入了转子实际有功功率，以实时平衡直流母线两侧功率；同时在内环正序电流控制回路中引入实测负序电网电压，以消除该负序电压影响。该方法可克服现有控制策略尚不能同时兼顾机端负序电压出现对网侧/转子侧变换器的影响与故障期间电网无功支撑的要求，从而提高双馈风力发电机组的故障穿越能力。
【专利说明】—种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电机控制【技术领域】，尤其针对双馈风力发电机组提出了一种新型的不对称故障穿越方法。
【背景技术】
[0002]目前，随着风力发电在电网中所占比例逐渐增加，双馈风力发电机组因所用交流励磁变换器容量相对较小、造价低、可实现变速恒频运行等优势，成为了目前风电场中应用最为广泛的机型之一。但是由于双馈发电机组定子绕组与电网直接连接，转子绕组通过容量相对较小的励磁变换器(不超过额定容量30%)接入电网，使得其对电网扰动十分敏感，尤其是不对称故障下，即使发电机机端产生很小的不平衡电压扰动，将极易造成发电机磁链和电磁转矩大幅振荡、转子电压和电流超出励磁变换器的控制能力范围，对整个发电机组安全稳定运行构成了很大威胁，甚至将引起机组脱网，对电网要求的低电压穿越能力极为不利。
[0003]实质上，为提高双馈风力发电机组的不对故障穿越能力，不仅需要解决与对称故障相类似的机端正序电压跌落给励磁变换器安全稳定运行带来的问题，更需要解决机端电压出现负序分量时如何兼顾励磁变换器本身安全稳定运行与电网低电压穿越无功支撑要求的问题。现有技术中提出的策略主要包括:交流励磁变换器采用基于矢量定向的正负序电流控制和灭磁控制等软件算法实现方案，以及串联网侧变换器等附加硬件方案。
[0004]在基于矢量定向的正负序电流控制策略研究方面，提出了双DQ正负序电流控制方案，分别对网侧和转子侧变换器上流过正负序电流分量进行控制。该策略控制原理简单，但是由于网侧和转子侧变换器均采用双DQ电流控制回路，使控制结构变得非常复杂，且正负序电流分离将需引入多个低通滤波器或陷波器，会影响控制系统的稳定运行范围，使得网侧和转子侧变换器的控制较难协调，影响整个双馈风力发电机组安全稳定运行。针对这些问题，已提出了在两相静止坐标下采用比例谐振电流控制器的策略，该策略可省去电流正负序分离环节，但是易受电网频率变化影响，且也存在比例谐振控制器参数较难整定的问题。
[0005]上述所提控制策略均是针对电网电压稳态不平衡的情况，仅能够解决发电机机端电压中存在小值负序分量的影响问题。实际上，电网不对称故障下，发电机机端电压的突变程度通常较大(负序分量大)，其定子磁链中包含较大的负序分量和衰减直流分量，它们很容易造成转子励磁变换器因过流和过压而无法稳定运行。因此，提出了灭磁控制策略，即通过控制转子电流或磁链以解决转子过电压或过电流问题，它能够适用于各种对称和不对称故障，但是由于转子侧变换器的控制容量全部用来抵消定子磁链瞬态直流分量和负序分量的影响，因此发电机的有功和无功功率并不能够有效控制。
[0006]以上通过改进转子励磁变换器控制算法来提高双馈风力发电机组不对称故障穿越能力的策略容易受转子励磁变换器容量限制，目前也有研究提出在定子侧回路中增设串联变流器或限流电阻等外围电路来改善双馈风电系统的故障穿越性能，这些方法是在电网故障下通过有效补偿发电机机端电压的策略，以避免转子过流和过压等问题。但是附加硬件电路的引入增大了系统成本，同时也加大了风电机组控制系统的设计难度。
[0007]因此为了提高双馈风力发电机组的不对称故障穿越能力，若不新增任何附加硬件电路，如何保证故障期间转子侧与网侧变换器安全运行，并在最大程度发挥变换器调控能力的基础上使双馈风力发电机组能够向电网提供无功支撑、且在故障切除后能够快速恢复正常运行状态仍有待于进一步研究。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，能够克服现有控制策略尚未同时兼顾机端负序电压出现对网侧/转子侧变换器的影响与故障期间电网的无功支撑要求，从而提高双馈风力发电机组的故障穿越能力。
[0009]一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，所述方法包括:
[0010]在电网不对称故障的情况下，针对双馈风力发电机组的转子侧变换器，其控制策略是在基于定子磁链定向的正反转同步旋转坐标系中实现的，外环为转速环，内环为转子正负序电流双DQ控制回路，具体策略包括:
[0011]为了消除定子磁链直流衰减分量的影响，在正序电流PI控制器出口处的前馈补
偿项中引入直流衰减磁链项」ωΙ^Ψ3ηθ_α_ω)τν>1(Μ°)，其中ω为发电机转速；TS=RS/
Ls, Rs和Ls为定子绕组等效电阻和电感^tj=LmZls, Lm为发电机定转子互感；Vsn为定子磁链直流衰减分量；ω i为电网频率；
[0012]且转子负序电流d轴和q轴分量PI控制器的积分环节在监测到不对称故障时，将立即重置为相应的实际电流值，若流过转子变换器的电流超过其最大允许电流，新型电流限幅环节将立即发生作用；为保证故障严重情况下所述转子侧变换器稳定运行，在转子正负序电流控制器中分别引入积分饱和环节，在其控制回路的输出端设置幅值限制环节；
[0013]针对双馈风力发电机组的网侧变换器，其控制策略是在基于电网正序电压定向的同步旋转坐标系中实现的，包括直流电压外环和变换器交流侧正序电流内环的双闭环控制回路，具体策略包括:
[0014]在直流电压外环控制回路中引入转子绕组实际有功功率，以实时平衡直流母线两侧功率；
[0015]在正序电流控制器的输出PWM调制信号中引入实测电网负序电压分量，使网侧变换器交流侧负序电压与电网负序电压分量大小相当，以使故障期间直流母线电压维持在其安全可靠运行范围值((1+0.15) PU之内。
[0016]所述方法还包括:
[0017]当电网不对称故障严重程度轻时，转子正负序电流控制期望是在有效调节发电机定子侧输出平均无功功率和电磁转矩平均直流分量的同时，消除电磁转矩的二倍频脉动量;
[0018]当电网不对称故障严重时，将降低电磁转矩平均分量参考值，使正负序电流分量满足
【权利要求】
1.一种双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法包括: 在电网不对称故障的情况下，针对双馈风力发电机组的转子侧变换器，其控制策略是在基于定子磁链定向的正反转同步旋转坐标系中实现的，外环为转速环，内环为转子正负序电流双DQ控制回路，具体策略包括: 为了消除定子磁链直流衰减分量的影响，在正序电流PI控制器出口处的前馈补偿项C中引入直流衰减磁链项其中ω为发电机转速；TS=RS/LS，Rs和Ls为定子绕组等效电阻和电感山。=1^/13，Lffl为发电机定转子互感；Vsn为定子磁链直流衰减分量；O1为电网频率； 且转子负序电流d轴和q轴分量PI控制器的积分环节在监测到不对称故障时，将立即重置为相应的实际电流值，若流过转子变换器的电流超过其最大允许电流，新型电流限幅环节将立即发生作用；为保证故障严重情况下所述转子侧变换器稳定运行，在转子正负序电流控制器中分别引入积分饱和环节，在其控制回路的输出端设置幅值限制环节； 针对双馈风力发电机组的网侧变换器，其控制策略是在基于电网正序电压定向的同步旋转坐标系中实现的，包括直流电压外环和变换器交流侧正序电流内环的双闭环控制回路，具体策略包括: 在直流电压外环控制回路中引入转子绕组实际有功功率，以实时平衡直流母线两侧功率； 在正序电流控制器的输出PWM调制信号中引入实测电网负序电压分量，使网侧变换器交流侧负序电压与电网负序电压分量大小相当，以使故障期间直流母线电压维持在其安全可靠运行范围值((1+0.15) pu之内。
2.根据权利要求1所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法还包括: 当电网不对称故障严重程度轻时，转子正负序电流控制期望是在有效调节发电机定子侧输出平均无功功率和电磁转矩平均直流分量的同时，消除电磁转矩的二倍频脉动量；当电网不对称故障严重时，将降低电磁转矩平均分量参考值，使正负序电流分量满足C+C2 = ?C2+C) (K2 + ψ::)Ιψ: 2 关系。
3.根据权利要求1所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法还包括: 在转子侧变换器不对称故障穿越控制策略实施过程中，首先根据正负序电流参考值的计算环节得到转子电流参考值C、C' G和利用以下公式判断流过所述转子侧变换器的电流是否超过其最大允许电流: U 二 #2+C2(i+1) 且当UIlim时，正负电流环控制器的参考值将被重新设置为:
4.根据权利要求1所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于，所述方法包括: 在网侧变换器不对称故障穿越策略实施过程中，其控制系统中仅包含两个电流控制回路，它们为流过所述网侧变换器正序电流的平均有功和无功分量，其对应的电流参考值计算公式为:
5.根据权利要求4所述双馈风力发电机组的不对称故障穿越方法，其特征在于， 所述电流参考值计算公式中的无功功率参考值设置为零。
【文档编号】H02J3/18GK103904685SQ201410129577
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】毕天姝, 刘素梅, 薛安成, 杨奇逊 申请人:华北电力大学