双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法及系统与流程

本发明涉及双馈风电机组的并网控制技术领域，具体涉及一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法及系统。

背景技术：

随着风电并网规模越来越大，其并网性能对电网安全稳定运行的影响也越来越大。为了增强电网的暂态稳定性和避免大规模风电脱网事故的发生，需要提高风电场的低电压穿越性能。相应地，国家标准GB/T 19963《风电场接入电力系统技术规定》制定了风电机组的低电压穿越能力的基本要求：对电力系统故障期间没有切出的风电场，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

同时，风电并网后还会影响电力系统的低频振荡阻尼特性，主要是，风电的接入改变了电力系统潮流或改变了系统中常规同步发电机组的工作点，从而影响了与常规同步机组强相关的低频振荡模式。当电力系统中风电机组占比逐渐增高，常规同步机组退出运行后，电力系统中这些常规同步机组参与的低频振荡模式将会消失或低频振荡模式特性将会发生变化，从而影响电力系统的低频振荡阻尼特性。因此，在风电渗透率不断上升这个新形势下，各个国家的并网导则中逐渐开始要求变速风电机组具有频率支撑和电压调节等辅助功能，如西班牙、加拿大魁北克电网公司在其并网导则中指出新安装的变速风电机组推荐配置电力系统阻尼控制功能或预留阻尼控制器的接口等。通过合适的风电机组阻尼控制策略可以使系统低频振荡阻尼不受风电接入的较大影响，甚至改善系统的低频振荡阻尼特性。风电机组阻尼控制策略主要是在常规风电机组控制的基础上，加入相应的阻尼控制器，以某些能反映电力系统低频振荡特征的输入信号，来控制风电机组使其输出额外功率，从而抑制相应的电力系统低频振荡，增强系统阻尼。

目前，风电机组控制策略一般是针对低电压穿越控制或者阻尼控制独立设计。但是，变速风电机组尤其是双馈风电机组在实现故障穿越过程中的功率控制和阻尼控制均需要通过变流器实现。在电网故障的情况下如果变流器的故障穿越控制与阻尼控制协调不当，可能由于两个控制支路的输出叠加，影响双馈风电机组在故障后的功率输出动态性能，严重情况下甚至可能会带来过流等问题导致双馈风电机组脱网。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法及系统。

第一方面，本发明中一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法的技术方案是：

所述方法包括：

依据所述双馈风电机组的机端电压幅值和预设的有功功率恢复值，对所述双馈风电机组的运行阶段进行划分；

控制所述双馈风电机组执行所述各运行阶段预设的控制策略；所述控制策略包括低电压穿越控制策略、故障恢复策略或阻尼控制策略。

第二方面，本发明中一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制系统的技术方案是：

所述系统包括：

第一控制模块，用于依据所述双馈风电机组的机端电压幅值和预设的有功功率恢复值，对所述双馈风电机组的运行阶段进行划分；

第二控制模块，用于控制所述双馈风电机组执行所述各运行阶段预设的控制策略；所述控制策略包括低电压穿越控制策略、故障恢复策略或阻尼控制策略。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法，通过设置有功功率恢复值将电网故障消除后时间分割为两个阶段，在故障消除的初期仅运行故障恢复策略，在故障消除的后期运行阻尼控制策略，通过上述协调控制可以避免在故障消除后的恢复期间双馈风电机组的并网变流器同时输出故障恢复策略和阻尼控制策略的控制信号，影响双馈风电机组在故障后的功率输出动态特性；

2、本发明提供的一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制系统，第一控制模块可以依据双馈风电机组的机端电压幅值和预设的有功功率恢复值将双馈风电机组的运行阶段划分为多个运行阶段；第二控制模块可以控制双馈风电机组执行各运行阶段预设的控制策略，因此通过设定各阶段的控制策略可以避免在故障消除后的恢复期间双馈风电机组的并网变流器同时输出故障恢复策略和阻尼控制策略的控制信号，影响双馈风电机组在故障后的功率输出动态特性。

附图说明

图1：本发明实施例中一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法实施流程图；

图2：本发明实施例中另一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法实施流程图；

图3：本发明实施例中双馈风电机组控制策略的原理图；

图4：本发明实施例中双馈风电机组并网仿真接线图；

图5：本发明实施例中不同控制策略下双馈风电机组的功率输出特性曲线；

图6：本发明实施例中不同控制策略下双馈风电机组的有功功率输出特性曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法进行说明。

图1为本发明实施例中一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法实施流程图，如图所示，本实施例中双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法可以按照下述步骤实施，具体为：

步骤S101：依据双馈风电机组的机端电压幅值和预设的有功功率恢复值，对双馈风电机组的运行阶段进行划分。

步骤S102：控制双馈风电机组执行各运行阶段预设的控制策略；控制策略包括低电压穿越控制策略、故障恢复策略或阻尼控制策略。

本实施例中通过设置有功功率恢复值将电网故障消除后时间分割为两个阶段，在故障消除的初期仅运行故障恢复策略，在故障消除的后期运行阻尼控制策略，通过上述协调控制可以避免在故障消除后的恢复期间双馈风电机组的并网变流器同时输出故障恢复策略和阻尼控制策略的控制信号，影响双馈风电机组在故障后的功率输出动态特性。

进一步地，本实施例步骤S101还包括下述步骤：

本实施例中依据双馈风电机组的机端电压幅值和预设的有功功率恢复值，对双馈风电机组的运行阶段进行划分包括：

当U₁≤U_T≤U₂时双馈风电机组处于第一运行阶段。U_T为机端电压幅值的标幺值，U₁为标幺值的下限值；U₂为标幺值的上限值。

当U_T＞U₂且双馈风电机组输出的有功功率未达到预设的有功功率恢复值时双馈风电机组处于第二运行阶段。同时，第二运行阶段也可以称为故障消除后的初期阶段。

当U_T＞U₂且双馈风电机组输出的有功功率超过预设的有功功率恢复值时双馈风电机组处于第三运行阶段。同时，第三运行阶段也可以称为故障消除后的后期阶段。

当U_T＞U₂且双馈风电机组输出的有功功率达到其在电网发生故障之前稳定运行时输出的有功功率值时，双馈风电机组处于第四运行阶段。

本实施例中标幺值的下限值可以为U₁＝0.2pu，标幺值的上限值可以为U₂＝0.9pu。

故障恢复策略的限制条件如下式(1)所示：

其中，P_E为双馈风电机组执行故障恢复策略时输出的有功功率值，为有功功率值的变化率，m为预设的变化率阈值，P_pre为电网未发生故障且双馈风电机组稳定运行时输出的有功功率值。

本实施例中预设的有功功率恢复值P_E1如下式(2)所示：

P_E1＝K×P_pre (2)

其中，K为故障消除的后期有功恢复百分比，本实施例中有功恢复百分比K＝0.5。

进一步地，本实施例步骤S102还包括下述步骤：

本实施例中控制双馈风电机组执行各运行阶段预设的控制策略可以按照下述步骤实施：

双馈风电机组处于第一运行阶段时，控制双馈风电机组执行低电压穿越控制策略。

双馈风电机组处于第二运行阶段时，控制双馈风电机组退出低电压穿越控制策略并执行故障恢复策略。

双馈风电机组处于第三运行阶段时，控制双馈风电机组继续执行故障恢复策略并执行阻尼控制策略。

双馈风电机组处于第四运行阶段时，控制双馈风电机组退出故障恢复策略并继续执行阻尼控制策略。

图2为本发明实施例中另一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法实施流程图，如图所示，本实施例中双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法包括下述步骤：

1、测量双馈风电机组的机端电压幅值，并计算机端电压幅值的标幺值。

2、依据步骤1计算得到的机端电压幅值的标幺值和预设的有功功率恢复值，对双馈风电机组的运行阶段进行划分。

3、控制双馈风电机组执行所述各运行阶段预设的控制策略。

当双馈风电机组处于第一运行阶段时，控制其执行低电压穿越策略，在执行低电压穿越策略的过程中继续监测机端电压幅值。

当机端电压幅值上升至第二运行阶段的范围时，则可以认为故障已经消除，因此控制双馈风电机组退出低电压穿越控制策略并执行故障恢复策略，在执行故障恢复策略的过程中监测双馈风电机组输出的有功功率值。

当双馈风电机组输出的有功功率值达到预设的有功功率恢复值后，控制双馈风电机组继续执行故障恢复策略并执行阻尼控制策略。在执行故障恢复策略和阻尼控制策略的过程中继续监测双馈风电机组输出的有功功率值。

当双馈风电机组输出的有功功率值达到电网未发生故障之前，双馈风电机组稳定运行时输出的有功功率值后，退出故障恢复策略并继续执行阻尼控制策略。

图3为本发明实施例中双馈风电机组控制策略的原理图，如图所示，双馈风电机组正常运行时采取功率外环控制和电流内环控制的双闭环控制策略，功率外环控制和电流内环控制均采用PID控制策略。低电压穿越控制策略中无功注入电流I_Q的限制条件为I_Q≥K(0.9-U_T)I_N，K为比例系数，推荐值为1.5，U_T为风电机组机端电压幅值的标幺值，I_N为风电机组额定电流。

如图3所示，本实施例中阻尼控制器包括二阶带通滤波器、死区控制器和限幅控制器。由于带通滤波器对检测频率以外的频率分量具有衰减作用，降低了各双馈风电机组的阻尼控制器质检的交互，因此本实施例中通过加入死区控制器避免在正常工况下阻尼控制器频繁动作，同时限幅控制器可以限制阻尼控制器输出值。

下面结合附图对双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制方法进行仿真分析。

图4为本发明实施例中双馈风电机组并网仿真接线图，如图所示，本实施例中风电场与外部电网External grid连接，B1为风电场并网侧母线，B2为外部电网External grid并网侧母线。其中，风电场包括60台单机容量为1.67MVA的双馈风电机组，双馈风电机组的转子侧设置撬棒电路，直流母线侧并联直流卸荷电路，分别用于抑制低电压穿越过程中转子回路的过电流和直流母线上的过电压。本实施例中阻尼控制策略的频率抑制目标为系统频率为0.56Hz的低频振荡。

图5为本发明实施例中不同控制策略下双馈风电机组的功率输出特性曲线，如图所示，曲线1为无阻尼控制时双馈风电机组的功率输出特性曲线；曲线2为故障消除后双馈风电机组输出的有功功率恢复值发生故障前的水平时进行阻尼控制后双馈风电机组的功率输出特性曲线，即图5中t＝7s；曲线3为故障消除后双馈风电机组输出的有功功率恢复期间进行阻尼控制后双馈风电机组的功率输出特性曲线，即图5中t＝4s；曲线4为故障消除后双馈风电机组输出的有功功率开始恢复50ms时进行阻尼控制后双馈风电机组的功率输出特性曲线，即图5中t＝1.2s。通过图5可以得到在故障消除后进行阻尼控制可以降低系统的低频振荡。

图6为本发明实施例中不同控制策略下双馈风电机组的有功功率输出特性曲线，如图所示，曲线5为无阻尼控制时双馈风电机组的有功功率输出特性曲线；曲线6为故障消除后双馈风电机组输出的有功功率恢复值发生故障前的水平时进行阻尼控制后双馈风电机组的功率输出特性曲线，即图5中t＝7s；曲线7为故障消除后双馈风电机组输出的有功功率恢复期间进行阻尼控制后双馈风电机组的有功功率输出特性曲线，即图5中t＝4s；曲线8为故障消除后双馈风电机组输出的有功功率开始恢复50ms时进行阻尼控制后双馈风电机组的有功功率输出特性曲线，即图5中t＝1.2s。通过图6可以得到在故障消除后进行阻尼控制可以降低系统的低频振荡。

本发明还提供了一种双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制系统，并给出具体实施例。

本实施例中双馈风电机组故障穿越与阻尼控制的协调控制系统包括第一控制模块和第二控制模块。其中，

第一控制模块用于依据双馈风电机组的机端电压幅值和预设的有功功率恢复值，对双馈风电机组的运行阶段进行划分。

第二控制模块用于控制双馈风电机组执行各运行阶段预设的控制策略；控制策略包括低电压穿越控制策略、故障恢复策略或阻尼控制策略。

本实施例中第一控制模块可以依据双馈风电机组的机端电压幅值和预设的有功功率恢复值将双馈风电机组的运行阶段划分为多个运行阶段；第二控制模块可以控制双馈风电机组执行各运行阶段预设的控制策略，因此通过设定各阶段的控制策略可以避免在故障消除后的恢复期间双馈风电机组的并网变流器同时输出故障恢复策略和阻尼控制策略的控制信号，影响双馈风电机组在故障后的功率输出动态特性。

进一步地，本实施例中第一控制模块还可以包括第一判断子单元、第二判断子单元、第三判断子单元、第四判断单元和有功功率恢复值计算模型。其中，

第一判断子单元用于当U₁≤U_T≤U₂时确定双馈风电机组处于第一运行阶段；U_T为所述机端电压幅值的标幺值，U₁为标幺值的下限值；U₂为标幺值的上限值。

第二判断子单元用于当U_T＞U₂且双馈风电机组输出的有功功率未达到预设的有功功率恢复值时，确定双馈风电机组处于第二运行阶段。

第三判断子单元用于当U_T＞U₂且双馈风电机组输出的有功功率超过预设的有功功率恢复值时，确定双馈风电机组处于第三运行阶段。

第四判断子单元用于当U_T＞U₂且双馈风电机组输出的有功功率达到其稳定运行时输出的有功功率值时，确定双馈风电机组处于第四运行阶段。

有功功率恢复值计算模型P_E1，如公式(2)所示。

进一步地，本实施例中第二控制模块还可以包括第一控制子单元、第二控制子单元、第三控制子单元、第四控制子单元和故障恢复策略限制模型。其中，

第一控制子单元，用于在双馈风电机组处于第一运行阶段时，控制其执行低电压穿越控制策略。

第二控制子单元，用于在双馈风电机组处于第二运行阶段时，控制其退出低电压穿越控制策略并执行故障恢复策略。

第三控制子单元，用于在双馈风电机组处于第三运行阶段时，控制其继续执行故障恢复策略并执行阻尼控制策略。

第四控制子单元，用于在双馈风电机组处于第四运行阶段时，控制其退出故障恢复策略并继续执行阻尼控制策略。

故障恢复策略限制模型如公式(1)所示。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。