一种双馈风机的低电压穿越控制方法及系统与流程

本发明的实施例涉及新能源并网发电控制技术领域，尤其涉及一种双馈风机的低电压穿越控制方法及系统。

背景技术：

风力发电系统是一种将风能转换为电能的能量转换系统。作为一种可再生能源，风能的开发利用近年来得到了极大的关注，大量的风力发电系统已经投入运行。风力发电系统按照风机转速可分为恒频/恒速和恒频/变速两种。其中恒频/变速风力发电系统可以根据风速的状况实时地调节发电机的转速，使风机运行在最佳叶尖速比附近，优化风机的运行效率，同时通过控制系统可以保证发电机向电网输出频率恒定的电功率。

恒频/变速风力发电系统中最为常见就是双馈风力发电系统。双馈风机的定子与电网直接相连，转子通过变频器连接到电网中，变频器可以改变发电机转子输入电流的频率，进而可以保证发电机定子输出跟电网频率同步，实现变速恒频控制。随着风力发电容量、风电场规模越来越大，风电并网标准要求双馈风机必须具备低电压穿越能力。常用的低电压穿越控制策略是利用撬棒电路(Crowbar)在故障期间将风机转子绕组短路以减小流入转子侧换流器的故障电流，从而避免风机退出运行。

然而，现有技术中，当出现远端交流系统故障时，往往会带来暂态功率扰动，影响交流系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种双馈风机的低电压穿越控制方法及系统，能够提高交流系统的稳定性。

为了达成上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种双馈风机的低电压穿越控制方法，包括：

检测双馈风机的出口电压有效值；

当确定所述出口电压有效值小于低电压穿越启动值时，控制网侧换流器由稳态时的定无功电流控制切换到定暂态交流电压控制；

定暂态交流电压控制启动后，所述网侧换流器的Q轴电流增大，双馈风机增大输出的无功功率。

第二方面，提供一种双馈风机的低电压穿越控制系统，包括：低电压穿越控制器、网侧换流器控制器、网侧换流器以及双馈风机；

所述低电压穿越控制器，用于检测双馈风机的出口电压有效值，当确定所述出口电压有效值小于低电压穿越启动值时，向所述网侧换流器控制器输出切换使能信号；

所述网侧换流器控制器接收到所述换使能信号后，控制网侧换流器由稳态时的定无功电流控制切换到定暂态交流电压控制；

定暂态交流电压控制启动后，所述网侧换流器Q轴电流增大，所述双馈风机增大输出的无功功率。

本发明的实施例所提供的双馈风机的低电压穿越控制方法及系统，在出现远端交流系统故障时，若确定双馈风机的出口电压有效值小于低电压穿越启动值，则Q轴电流由定电流控制切换为暂态交流电压控制，双馈风机输出一定的无功功率对交流系统电压进行支撑，从而提高了交流系统的稳定性。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例所提供的双馈风机的低电压穿越控制系统结构示意图；

图2为本发明的实施例所提供的双馈风机的低电压穿越控制方法流程示意图；

图3为风速、双馈风机转子转速以及输出有功功率之间对应关系的说明示意图；

图4本发明的实施例中对转子侧换流器控制器结构的说明示意图；

图5本发明的实施例中对网侧换流器控制器结构的说明示意图；

图6本发明的实施例中对低电压穿越恢复值、低电压穿越启动值以及低电压穿越闭锁值的说明示意图；

图7本发明的实施例中对低电压穿越控制器的结构说明示意图。

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。

本发明的实施例提供一种双馈风机改进低电压穿越控制方法及系统。该控制系统在双馈风机有功功率与无功功率解耦控制的基础上，通过暂态交流电压控制与Crowbar控制相结合的方式控制低电压穿越，使双馈风机在远端故障期间输出一定的无功功率支撑系统电压，并进一步使双馈风机在近端故障时迅速投入Crowbar控制并闭锁转子换流器迅速减小转子电流。以下结合实施例做具体说明。

实施例

本发明的实施例提供一种双馈风机的低电压穿越控制方法，应用于本发明的实施例所提供的双馈风机的低电压穿越控制系统。控制系统如图1所示，包括双馈风机101、网侧换流器102、转子侧换流器103，还可以进一步包括转子侧Crowbar电路104。以上各部分均包括各自的控制器(图1中未画出)，具体为低电压穿越控制器、网侧换流器控制器以及转子侧换流器控制器。结合图2，低电压穿越控制方法包括以下步骤：

201、检测双馈风机101的出口电压有效值。

可对双馈风机101的电压有效值进行实时检测，对检测结果进行判断确定是否执行步骤202。

202、远端故障时启动定暂态交流电压控制。

当确定出口电压有效值小于低电压穿越启动值时，控制网侧换流器102由稳态时的定无功电流控制切换到定暂态交流电压控制；

203、输出无功功率对交流系统电压进行支撑。

定暂态交流电压控制启动后，为提高风机出口母线电压，网侧换流器102的Q轴电流迅速增大，双馈风机101输出的无功功率也随之增大。

204、远端故障恢复时无功功率恢复到稳态值。

当确定出口电压有效值大于低电压穿越恢复值时，控制网侧换流器102由定暂态交流电压控制切换回定无功电流控制，双馈风机101输出的无功功率恢复到稳态值，双馈风机101稳态时输出无功功率为0。

205、近端故障时Crowbar电路投入运行。

当近端交流系统故障时，双馈风机101出口电压有效值低于低电压穿越闭锁值，Q轴电流保持定电流控制，此时若转子电流有效值大于Crowbar控制启动值，则投入Crowbar电路并闭锁转子换流器，以防止转子换流器过流。

实时检测双馈风机101的转子电流有效值；当确定转子电流有效值大于Crowbar控制启动值且出口电压有效值小于低电压穿越闭锁值时，转子侧Crowbar电路104投入运行，并闭锁转子侧换流器103。受Crowbar电路分流作用影响，转子电流迅速降低。此时，由于近端故障期间网侧电压值通常较低，双馈风机101提升出口母线电压的作用不明显，因此Crowbar启动的同时，网侧换流器102应该保持定无功电流控制。

结合图1，本发明的提供一种双馈风机的低电压穿越控制系统，用于执行上述控制方法。

低电压穿越控制器，用于检测双馈风机101的出口电压有效值，当确定出口电压有效值小于低电压穿越启动值时，向网侧换流器控制器输出切换使能信号。

网侧换流器控制器接收到换使能信号后，控制网侧换流器102由稳态时的定无功电流控制切换到定暂态交流电压控制。

定暂态交流电压控制启动后，网侧换流器102Q轴电流增大，双馈风机101增大输出的无功功率。

可选的，低电压穿越控制系统还包括：转子侧换流器控制器、转子侧换流器103、Crowbar电路控制器以及转子侧Crowbar电路104。

参见图3所示，在特定风速下，双馈风机101转子转速和输出有功功率最大值存在一一对应的关系。

在一种具体的实施方式中，通过实时测量风速确定转子转速值，再通过转子转速PI控制得到转子侧换流器103Q轴电流参考值。转子侧换流器控制器，用于检测双馈风机101的转子电流有效值；当转子侧换流器控制器确定转子电流有效值大于Crowbar控制启动值，且当低电压穿越控制器确定出口电压有效值小于低电压穿越闭锁值时，Crowbar电路控制器控制转子侧Crowbar电路104投入运行，转子侧换流器控制器闭锁转子侧换流器103；网侧换流器102保持定无功电流控制。

可选的，结合图4所示，转子侧换流器控制器包括：无功功率减法器41、转子转速减法器42、无功功率PI控制器43、转速PI控制器44、定子电压锁相环45、相角减法器46和DQ轴坐标变换器47。本实施例中双馈风机101转子侧换流器103采用有功功率与无功功率解耦控制，并选取转子磁链方向为参考方向。

图4中，u_sabc为网侧三相电压，θ_s为网侧电压相角，θ_r为发电机转子相角，θ_err为θ_s与θ_r的相角差，Q_ref为无功功率参考值，Q_w为双馈风机101输出的无功功率值，w_ref为转子转速参考值，I_{rd_ref}、I_{rq_ref}为转子侧换流器103DQ轴电流参考值，I_{ra_ref}、I_{rb_ref}、I_{rc_ref}为ABC三相电流参考值，用于生成转子侧换流器103的触发脉冲。

无功功率减法器41的输入信号为无功功率参考值Q_ref以及双馈风机101输出无功功率值Q_w，无功功率减法器41的输出信号作为无功功率PI控制器43的输入信号，无功功率PI控制器43输出转子侧换流器103DQ轴电流参考值I_{rd_ref}；

转子转速减法器42的输入信号为转子转速参考值w_ref以及转子转速测量值w，转子转速减法器42的输出信号作为转速PI控制器44的输入信号，转速PI控制器44输出转子侧换流器103DQ轴电流参考值I_{rq_ref}；

定子电压锁相环45的输入信号为网侧三相电压u_sabc，定子电压锁相环45的输出信号网侧电压相角θ_s作为相角减法器46的输入信号，相角减法器46的输入信号还包括发电机转子相角θ_r，相角减法器46的输出信号θ_err为θ_s与θ_r的相角差；

DQ轴坐标变换器47的输入信号为I_{rd_ref}、I_{rq_ref}以及θ_err，通过DQ坐标系到ABC三相坐标系的变换得到I_{ra_ref}、I_{rb_ref}、I_{rc_ref}用来生成触发脉冲。

本实施例中，双馈风机101转子侧换流器103首先根据实时风速与功率-转速曲线确定w_ref，w_ref与w相减再通过PI控制器得到I_{rq_ref}；接着，Q_ref与Q_w相减并通过PI控制器得到I_{rd_ref}；最后，通过DQ坐标系到ABC三相坐标系的变换得到I_{ra_ref}、I_{rb_ref}、I_{rc_ref}用来生成触发脉冲。其中，坐标变换的角度θ_err等于θ_s与θ_r的差值，θ_s由u_sabc通过锁相环获得。

可选的，结合图5所示，网侧换流器控制器包括：包括直流电压减法器51、直流电压PI控制器52、交流电压减法器53、交流电压PI控制器54、低电压穿越判断环节55、两个DQ轴电流参考值限幅环节分别用图标56和57表示、网侧电压锁相环58、两个DQ轴电流减法器分别用图标59和510表示、两个DQ轴电流PI控制器分别用图标511和512表示和两个DQ轴坐标变换器分别用图标513和514表示。

图5中，U_{dc_ref}为直流电压参考值，U_dc为直流电压测量值，I_{dref_max}、I_{dref_min}、I_{qref_max}、I_{qref_min}为D轴参考电流限幅值。

其中，

I_{d_ref}、I_{q_ref}为DQ轴电流参考值，I_d、I_q为DQ轴电流测量值，U_{d_ref}、U_{q_ref}为DQ轴电压参考值，U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}为三相电压参考值用来生成触发脉冲，i_a、i_b、i_c为三相电流测量值，U_{ac_ref}为交流电压参考值，U_{rms_ac}为交流电压测量值有效值，LVRT_EN为低电压穿越使能信号。

直流电压减法器51的输入信号为直流电压参考值U_{dc_ref}以及直流电压测量值U_dc，直流电压减法器51的输出信号作为直流电压PI控制器52的输入信号，直流电压PI控制器52的输出信号经过一个DQ轴电流参考值限幅环节56后输出DQ轴电流参考值I_{d_ref}，I_{d_ref}与DQ轴电流测量值I_d作为一个DQ轴电流减法器59的输入信号，一个DQ轴电流减法器59的输出信号作为一个DQ轴电流PI控制器511的输入信号，一个DQ轴电流PI控制器511输出DQ轴电压参考值U_{d_ref}；

交流电压减法器53的输入信号为交流电压参考值U_{ac_ref}以及交流电压测量值有效值U_{rms_ac}，交流电压减法器53的输出信号作为交流电压PI控制器54的输入信号；

低电压穿越判断环节55的输入信号包括DQ轴电流参考值I_{q_ref}，交流电压PI控制器54的输出信号经过另一个DQ轴电流参考值限幅环节57后的输出信号、从低电压穿越控制器接收到的低电压穿越使能信号LVRT_EN，低电压穿越判断环节55的输出信号与DQ轴电流测量值I_q作为另一个DQ轴电流减法器510的输入信号，另一个DQ轴电流减法器510的输出信号作为另一个DQ轴电流PI控制器512的输入信号，另一个DQ轴电流PI控制器512输出DQ轴电压参考值U_{q_ref}；

网侧电压锁相环58的输入信号为网侧三相电压u_sabc，输出信号为网侧电压相角θ_s；U_{d_ref}、U_{q_ref}以及θ_s作为一个DQ轴坐标变换器513的输入信号，一个DQ轴坐标变换器513输出三相电压参考值U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}用来生成触发脉冲；

I_d和I_q为另一个DQ轴坐标变换器514的输出信号，另一个DQ轴坐标变换器514的输入信号为三相电流测量值i_a、i_b、i_c以及θ_s。

本实施例中，网侧换流器102首先将U_{dc_ref}与U_dc相减并经过PI控制和限幅环节得到I_{d_ref}，同时稳态条件下直接设定I_{q_ref}，LVRT_EN为1时则进入暂态交流电压控制，将U_{ac_ref}与U_{rms_ac}相减并经过PI控制和限幅环节得到I_{q_ref}；I_{d_ref}与I_{q_ref}经过内环PI控制得到U_{d_ref}与U_{q_ref}为DQ轴电压参考值，U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}为三相电压参考值用来生成；最后通过DQ坐标系到ABC坐标系的变换得到U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}用来生成触发脉冲。

参见图6所示，U_{LVRT_RS}为低电压穿越恢复值，U_LVRT为低电压穿越启动值，U_{LVRT_OFF}为低电压穿越闭锁值。当U_LVRT<U_{rms_ac}<1时，网侧换流器102Q轴电流采用定电流控制；当U_{LVRT_OFF}<U_{rms_ac}<U_LVRT时，Q轴电流切换为暂态交流电压控制，此时由于双馈风机101输出的无功功率很难将系统电压恢复到额定值因此I_{q_ref}将达到最大限幅值I_{qref_max}，直至

U_{LVRT_RS}<U_{rms_ac}时才恢复定电流控制；当U_{rms_ac}<U_{LVRT_OFF}时，Q轴电流依然采用定电流控制，若此时转子换流器电流大于Crowbar电流启动值，则投入转子侧Crowbar电路104。定电流控制下，I_{q_ref}通常取0。

可选的，结合图7所示，低电压穿越控制器包括：两个交流电压有效值比较器分别用图标71和72表示、低电压穿越启动判断环节73、低电压穿越终止判断环节74、取反逻辑75与低穿启动乘法器76。

图7中，S_LVRT为低电压穿越启动标志；S_{LVRT_RS}为低电压穿越恢复标志；Fault_start为低穿开始信号；Fault_end为低穿结束信号。

交流电压测量值有效值U_{rms_ac}通过一个交流电压有效值比较器71低电压穿越启动值U_LVRT比较，输出信号作为低电压穿越启动判断环节73的输入信号，低电压穿越启动判断环节73输出低穿开始信号Fault_start。

交流电压测量值有效值U_{rms_ac}通过另一个交流电压有效值比较器72与低电压穿越恢复值U_{LVRT_RS}比较，输出信号作为低电压穿越终止判断环节74的输入信号，低电压穿越终止判断环节74输出低穿结束信号Fault_end，Fault_end经过取反逻辑75后，与Fault_start信号一同输入低穿启动乘法器76，低穿启动乘法器76输出低电压穿越使能信号LVRT_EN。

本实施例中，当远端交流系统故障且U_{LVRT_OFF}<U_{rms_ac}<U_LVRT时，S_LVRT为1，则Fault_start为1，由于Fault_end为0，所以Fault_end取反后再乘以Fault_start得到的LVRT_EN为1，即低电压穿越控制使能；当故障恢复且U_{LVRT_RS}<U_{rms_ac}时，S_{LVRT_RS}为1，则Fault_end为1，经过取反并乘以Fault_start后等于0，也就是LVRT_EN为0，低电压穿越结束。

本发明的实施例所提供的一种双馈风机的低电压穿越控制方法及系统，在出现远端交流系统故障时，若确定双馈风机的出口电压有效值小于低电压穿越启动值，则Q轴电流由定电流控制切换为暂态交流电压控制，双馈风机输出一定的无功功率对交流系统电压进行支撑。故障恢复时，若确定出口电压有效值大于低电压穿越恢复值，则Q轴电流由暂态交流电压控制切换为定电流控制，双馈风机稳态时输出无功功率为0。进一步地，当近端交流系统故障时，若双馈风机出口电压有效值低于低电压穿越闭锁值，则Q轴电流保持定电流控制，此时若转子电流有效值大于Crowbar控制启动值，则投入转子侧Crowbar电路并闭锁转子换流器，以防止转子换流器过流，从而提高了交流系统的稳定性。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。