电网不对称故障下混合风电场群协调控制方法与流程

本发明涉及含永磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场群的技术改进，特别是涉及电网不对称故障下该混合风电场有效抑制并网点负序电压的方法，属于电力控制技术领域。

背景技术：

由于不同类型的风电机组各有特点，在旧风电场扩容改造和新风电场建设中，利用不同类型风电机组组成混合风电场并利用不同类型风电机组相互协调运行已是大规模风电利用的重要趋势之一。由于我国风电资源大多集中在偏远地区，与电力主网连接较弱，电网不对称故障时有发生，这将对并网大型风电场的稳定运行产生显著影响。常用的风力发电系统中，异步风电机组直接与电网相连，其可控性较差，受电网电压影响较大，一方面，电网电压跌落将导致异步发电机输入机械转矩与输出电磁转矩不平衡，引起转子转速不断增加，最终可能导致发电机组失稳而退出运行；另一方面，定子正、负序电压和电流的相互作用将导致电磁转矩出现二倍频脉动，从而降低机组轴系的使用寿命。目前，为提高异步风电场不对称故障情况下的适应能力，国内外学者已展开了相关研究，如已公开的下列文献：

(1)张元栋，秦世耀，李庆，等.笼型异步风电机组低电压穿越改造方案的比较研究[j].电网技术，2013，37(1)：235-241.

(2)andrese.leon,juanmanuelmauricio.animprovedcontrolstategyforhybridwindfarms[j].ieeetransactionsonsustainableenergy,2010,1(3):131-141.

文献(1)比较了目前常用的4种辅助异步风电机组故障穿越的二次设备改造方案，4种辅助设备均能够有效提高异步风电机组的故障穿越能力。然而，动态制动电阻和动态电压补偿器无法在电网故障期间向电网提供无功电流，全功率变流器虽可在解决异步风电机组故障穿越问题的同时还可实现对电网的动态无功支撑，但会进一步增加了系统的硬件成本；并联无功补偿装置成本较低但其补偿效果受电网故障点及电网电压跌落程度影响较大。

文献(2)提出利用永磁直驱风电机组代替传统并联无功补偿器以辅助相邻异步风电机组完成故障穿越运行，即利用异步风电机组和永磁直驱风电机组组成的混合风电场以进一步降低异步风电场的故障穿越改造成本。然而，电网不对称故障条件下，电网电压与电流中还将存在负序分量，该负序分量将与正序电压、电流分量相互作用导致混合风电场输出功率存在严重波动。不对称故障时，若永磁直驱风电机组只向电网注入正序无功，可能加剧整个混合风电场功率的2倍频波动，引起整个混合风电场输出电能质量的严重下降。

作为风电市场中的主流机型，永磁直驱风电机组与传统异步风电机组组合而成的混合风电场群已成为目前旧风电场扩容的必然选择，因此，利用永磁直驱风电机组灵活的控制能力，研究含永磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场群在电网不对称故障下的协同控制策略，以降低电网负序电压及其对混合风电场群的不利影响，提高异步风电场故障穿越能力及其并网质量。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种电网不对称故障下含永磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场的协调控制方法，该方法在不增设硬件设备、控制永磁直驱风电机组输出满足并网导则要求的正序无功的基础上，利用网侧变换器剩余电流裕量输出负序电流，以协同抑制并网点负序电压，从而提高异步风电场故障穿越能力及其并网质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

电网不对称故障下含永磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场群的协调控制方法，本方法涉及对永磁直驱风电系统网侧变换器和机侧变换器的控制；

(a).永磁直驱风电系统网侧变换器的控制步骤为：

a1)采集风电场并网点三相电压信号ugabc、网侧变换器输出三相电流信号igabc以及直流母线电压信号udc；

a2)将采集到的风电场并网点三相电压信号ugabc经过数字锁相环pll后得到风电场并网点正序电压适量的电角度θg和同步电角速度ωe；

a3)将风电场并网点三相电压信号ugabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标轴系下的电压信号，即ugα、ugβ；

a4)采用风电场并网点正序电压d轴定向方式，将步骤a3)所得静止两相αβ坐标轴系下的电压信号ugα、ugβ经静止两相αβ坐标轴系到正向、反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换，再经过2ω1陷波器滤波，得到风电场并网点三相电压在电网不对称故障条件下运行期间的正向、反向同步角速度旋转坐标轴系下的dq轴分量，即

a5)将采集到的网侧变换器三相电流信号igabc经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标轴系下的电流igα、igβ；

a6)将步骤a5)所得静止两相αβ坐标轴系下网侧变换器输出电流igα、igβ经静止两相αβ坐标轴系到正向、反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换，再经过2ω1陷波器滤波，得到网侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的dq轴分量，即

a7)将采集到的直流母线电压信号udc输送至网侧变换器正序电流参考值计算模块，按照下式，可确定网侧变换器正序电流参考值：

式中，kp1和τi1分别为正序电流参考值计算模块pi调节器的比例系数和积分时间常数；

a8)将步骤a4)和a7)所得到的风电场并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的dq轴分量以及网侧变换器正序电流参考值输送至网侧变换器负序电流最大幅值计算模块，按照下式，可确定正序电流限制和直流母线电压限制下的永磁直驱风电系统所能输出负序电流的幅值，取下式两者中计算值较小的一个作为最大负序电流幅值：

式中，|igmax|为网侧变换器允许流过的最大电流幅值，分别为风电场并网点正、负序电压分量的幅值，km为调制系数，当采用空间矢量调制时，ωe为同步电角速度，lg为并联网侧变换器的进线电抗器的电感；

a9)将步骤a4)和步骤a8)获得的并网点电压在反向同步角速度旋转坐标系下的dq轴分量以及最大负序电流幅值输送至网侧变换器负序电流参考值计算模块，确定网侧变换器负序电流参考值

a10)将步骤a7)和a9)计算得到的网侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至网侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到网侧变换器在正向、反向同步速角速度旋转坐标系控下的正、负序制电压dq轴分量

式中，kp3和τi3分别为网侧变换器正序控制系统中电流内环pi控制器的比例系数和积分时间常数，kp4和τi4分别为网侧变换器负序控制系统中电流环pi控制器的比例系数和积分时间常数；

a11)将步骤a10)得到的网侧变换器正、负序控制电压dq轴分量和分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换得到静止两相αβ坐标轴系下正、负序控制电压

a12)将步骤a11)得到的网侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制产生网侧变换器pwm驱动信号；

(b)永磁直驱风电系统机侧变换器的控制步骤为：

b1)永磁直驱风电系统机侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压通过空间矢量脉宽调制产生电机侧变换器pwm驱动信号，以限制不对称故障期间永磁直驱风电系统有功功率输出。

所述步骤a9)包含以下步骤：

a9.1)电网不对称故障运行期间，未经限幅的网侧变换器负序电流dq轴参考值可由下式获得：

式中，分别为网侧变换器负序电流参考值计算模块输出的未经限幅的负序电流分量，kp2和τi2分别为正序电流参考值计算模块pi调节器的比例系数和积分时间常数；

a9.2)利用步骤a9.1)得到的未经限幅的网侧变换器负序电流dq轴参考值进行以下判断：

a9.3)若满足步骤a9.2)的判断条件，则网侧变换器负序电流参考值按照步骤a9.1)所述输出；

a9.4)若不满足步骤a9.2)的判断条件，则网侧变换器负序电流参考值按照下式获得：

式中，为网侧变换器正序电流参考值幅值，为未经限幅的网侧变换器负序电流参考值计算模块输出电流幅值。

所述的步骤b1)包含以下步骤：

b1.1)电网不对称故障运行期间，设定机侧变换器电流参考指令为：

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明针对含永磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场群，充分考虑电网不对称期间电压正、负序分量的耦合关系，在保证混合风电场动态无功支撑的同时，通过对永磁直驱风电机组网侧变换器进行控制，利用其电流裕量输出满足要求的负序电流以协同抑制电网负序电压，降低电网负序电压程度，从而实现对异步风电场中电磁转矩及输出功率脉动的有效抑制，增强整个混合风电场群故障穿越能力。

附图说明

图1为含永磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场接入电力系统的结构示意图。

图2为本发明所述不对称故障下混合风电场的控制原理框图。

图3为单相接地短路故障时采用传统控制策略与本发明控制方法下混合风电场群系统仿真波形对比图。

图4为两相相间短路故障时采用传统控制策略与本发明控制方法下混合风电场群系统仿真波形对比图。

图5为两相接地短路故障时采用传统控制策略与本发明控制方法下混合风电场群系统仿真波形对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

图1为含30mw永磁直驱风电场和30mw异步风电场的混合风电场群接入电力系统的结构示意图，两类风电场通过公共点(pcc点)相连后接入大电网。电网不对称故障时，永磁直驱风电场充分利用其网侧变换器，在保证混合风电场动态无功支撑能力的同时，协同控制负序电流以抑制电网负序电压，以提高异步风电场故障穿越能力和并网电能质量。

如图2所示，本发明为一种电网不对称故障下含永磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场协调控制策略，它包括的控制对象有：直流链电容1，机侧变换器2，网侧变换器3，空间矢量调制模块4，永磁直驱风电机组5，电压传感器6，电流传感器7，网侧变换器正序电流参考值计算模块8，网侧变换器负序电流参考值计算模块9，负序电流最大幅值计算模块10，陷波器11，正向同步速旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块12，反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块13，静止abc三相坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块14，静止两相αβ坐标轴系到正向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块15，静止两相αβ坐标轴系到反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块16，锁相环(pll)17。

本发明具体实施步骤如下：

(a).永磁直驱风电系统网侧变换器的控制步骤为：

a1)利用电压传感器6采集风电场并网点三相电压信号ugabc以及直流母线电压信号udc，利用电流传感器7采集网侧变换器输出三相电流信号igabc；

a2)将采集到的风电场并网点三相电压信号ugabc经过数字锁相环(pll)17后得到风电场并网点正序电压适量的电角度θg和同步电角速度ωe；

a3)将风电场并网点三相电压信号ugabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换模块14，转换为静止两相αβ坐标轴系下的电压信号，即ugα、ugβ；

a4)采用风电场并网点正序电压d轴定向方式，将步骤a3)所得静止两相αβ坐标轴系下的电压信号ugα、ugβ经静止两相αβ坐标轴系到正向、反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块15、16，再经过2ω1陷波器11滤波，得到风电场并网点三相电压在电网不对称故障条件下运行期间的正向、反向同步角速度旋转坐标轴系下的dq轴分量，即

a5)将采集到的网侧变换器三相电流信号igabc经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换模块14得到静止两相αβ坐标轴系下的电流igα、igβ；

a6)将步骤a5)所得静止两相αβ坐标轴系下网侧变换器输出电流igα、igβ经静止两相αβ坐标轴系到正向、反向同步角速度旋转坐标轴系的恒功率变换模块15、16，再经过2ω1陷波器11滤波，得到网侧变换器输出电流在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的dq轴分量，即

a7)将采集到的直流母线电压信号udc输送至网侧变换器正序电流参考值计算模块8，按照下式，可确定网侧变换器正序电流参考值：

式中，kp1和τi1分别为正序电流参考值计算模块pi调节器的比例系数和积分时间常数；

a8)将步骤a4)和a7)所得到的风电场并网点电压在正向、反向同步角速度旋转坐标系下的dq轴分量以及网侧变换器正序电流参考值输送至网侧变换器负序电流最大幅值计算模块19，按照下式，可确定正序电流限制和直流母线电压限制下的永磁直驱风电系统所能输出负序电流的幅值，取下式两者中计算值较小的一个作为最大负序电流幅值：

式中，|igmax|为网侧变换器允许流过的最大电流幅值，分别为风电场并网点正、负序电压分量的幅值，km为调制系数，当采用空间矢量调制时，ωe为同步电角速度，lg为并联网侧变换器的进线电抗器的电感；

a9)将步骤a4)和步骤a8)获得的并网点电压在反向同步角速度旋转坐标系下的dq轴分量以及最大负序电流幅值输送至网侧变换器负序电流参考值计算模块9，确定网侧变换器负序电流参考值

本发明所述的网侧变换器负序电流参考值计算模块9，具体实施步骤如下所示：

a9.1)电网不对称故障运行期间，未经限幅的网侧变换器负序电流dq轴参考值可由下式获得：

式中，分别为网侧变换器负序电流参考值计算模块输出的未经限幅的负序电流分量，kp2和τi2分别为正序电流参考值计算模块pi调节器的比例系数和积分时间常数；

a9.2)利用步骤a9.1)得到的未经限幅的网侧变换器负序电流dq轴参考值进行以下判断：

a9.3)若满足步骤a9.2)的判断条件，则网侧变换器负序电流参考指令按照步骤a9.1)所述输出；

a9.4)若不满足步骤a9.2)的判断条件，则网侧变换器负序电流参考指令按照下式获得：

式中，为网侧变换器正序电流参考值幅值，为未经限幅的网侧变换器负序电流参考值计算模块输出电流幅值。

a10)将步骤a7)和a9)计算得到的网侧变换器正序、负序电流参考值分别输送至网侧变换器正序、负序电流内环控制环节，按照下式，得到网侧变换器在正向、反向同步速角速度旋转坐标系控下的正、负序制电压dq轴分量

式中，kp3和τi3分别为网侧变换器正序控制系统中电流内环pi控制器的比例系数和积分时间常数，kp4和τi4分别为网侧变换器负序控制系统中电流环pi控制器的比例系数和积分时间常数；

a11)将步骤a10)得到的网侧变换器正、负序控制电压dq轴分量和分别经过正向、反向同步角速度旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换模块12、13得到静止两相αβ坐标轴系下正、负序控制电压

a12)将步骤a11)得到的网侧变换器正、负序控制电压和直流母线电压udc通过空间矢量调制模块4产生网侧变换器pwm驱动信号。

(b)永磁直驱风电系统机侧变换器的控制步骤为：

b1)永磁直驱风电机组机侧变换器2采用矢量控制策略，其控制电压通过空间矢量脉宽调制模块4产生电机侧变换器pwm驱动信号，以限制不对称故障期间永磁直驱风电系统有功功率输出。具体实施步骤b1)如下：

b1.1)电网不对称故障运行期间，设定机侧变换器电流参考指令为：

本发明在电网不对称故障下实现了无互联通信条件下永磁直驱风电场和异步风电场的系统控制，充分利用永磁直驱风电机组网侧变换器电流裕量，在保证混合风电场动态无功支撑的同时，协同控制负序电流以抑制电网负序电压，减弱永磁直驱风电场的动态无功支撑对临近异步风电场故障穿越能力技术电能质量的影响。

图3、4、5分别为单相接地短路故障、两相相间短路故障以及两相接地短路故障时采用传统控制策略与本发明所提控制策略的混合风电场运行仿真波形对比图。相比于控制永磁直驱风电场全部用于抑制负序电网电压(方案1)，采用本发明提出的控制策略，可有效提高电网正序电网幅值，降低异步风电场无功功率的2倍频波动程度，提高异步风电场故障穿越能力；同时，相比于控制永磁直驱风电场满发正序无功电流(方案2)，采用本发明提出的控制策略，可有效降低混合风电场并网点处的负序电压以及异步风电场有功、无功的2倍频波动，提高异步风电场并网电能质量。

本方法以不增设硬件设备为前提，在限制永磁直驱风电场有功功率输出的同时，充分利用网侧变换器电流裕量，在控制网侧变换器输出满足电网导则的正序无功的基础上，利用剩余电流裕量输出负序电流以协同抑制并网点负序电压，减小永磁直驱风电场运行行为对异步风电场运行行为的负面影响，有效提高异步风电场电网故障运行能力及其并网电能质量。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。