本发明涉及风力发电变流控制技术领域，具体的是一种基于滞环电流控制的全功率风力发电变流器的高电压穿越控制方法和装置。
背景技术：
风能是一种清洁的可再生资源，近年来风力发电技术飞速发展，风电装机容量也许迅速攀升。由于大规模风电并网，风能在电网中的比例不断增大，就要求风力发电机组具备较强的故障穿越能力。其中高电压穿越能力已经越来越受到重视，国外很多国家已经出台了相关标准与导则。国内相应的风电机组高电压穿越规程也已经在制定当中。
当电网出现故障导致风电机组并网点出现过电压时，如果不采用专门的控制策略，风电机组通过网侧变流器馈入电网的有功功率将会减少，由于风力发电机惯性较大，通过风电机组变流器中的机侧变流器注入直流母线有功功率不变，最终将导致直流母线电压抬升。在过电压不严重时，机组有可能直接穿越故障，但是在过电压严重时，机组极有可能因变流器直流母线电压过压或并网电流过流而脱网。在极端情况下，全功率变流器还可能出现损坏。因此全功率变流器需要针对电网高电压故障设计专门的穿越方法，提升机组的高电压故障穿越能力。
现有相关专利申请如专利申请号为cn201210581893.4和cn201620175536.1发明专利。其中申请号为cn201210581893.4的发明中提出了一种直流侧卸荷电路的控制方法，该发明仅仅提出了直流卸荷电路的控制方法，没有综合考虑风电系统中机侧、网侧变流器的控制以及卸荷电路与机侧、网侧变流器之间的协同控制。申请号为cn201620175536.1的实用新型提出了一种针对直流输电应用场合的低电压穿越控制器，由于风电应用场合与直流输电场合在低电压控制中存在较大的差异，直流输电控制目标是避免在低电压恢复时由于无功注入导致的过电压，而风电系统中要求低电压穿越整个过程中变流器不能发生过压或过流故障，并且机组不能脱网。以上两个专利中滞环均采用的了滞环控制技术，但是都是基于电压的滞环控制，申请号为cn201210581893.4的发明中采用的是直流母线电压滞环控制技术，滞环控制的对象是直流卸荷电路，并没有针对机侧、网侧变流器的控制说明。申请号为cn201620175536.1的实用新型采用的是基于电网电压的滞环控制，电网电压只是用来在不同控制模式之间进行滞环切换，并没有采用电压作为功率开关控制的直接输入。
技术实现要素：
为了解决常规风电机组不能穿越高电压故障的问题，本发明提出了一种基于滞环电流控制的全功率风力发电变流器的高电压穿越控制方法和装置。
为实现上述效果，本申请的技术方案如下：
基于滞环控制的风电变流器高电压穿越控制方法，其特征在于：
具体步骤如下：
实时测量电网的三相电压，对电网电压进行正负序分离，计算出电网正序电压标幺值；
比较正序电压标幺值与电网高电压阈值，电网高电压阈值根据相关国家标准和系统设计指标确定，若低于高电压阈值，全功率变流器并网无功功率来自机组主控单元，并更新记录此时给定有功电流值；如果正序电压标幺值高于高电压阈值，则依据电网正序电压计算出给定无功电流值，再根据给定无功电流值计算最大给定有功电流计算值；
根据电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值和当前计算得到的给定有功电流计算值，取其中的小的作为当前给定有功电流给定值；
据给定有功电流值和给定无功电流值计算得到并网三相电流给定值；
滞环电流控制单元根据并网三相电流给定值、滞环控制带宽和检测的并网三相电流计算得到控制网侧变流器的功率开关控制信号，经驱动放大后控制相应的功率开关动作；
实时检测变流器直流母线电压udc，当直流母线电压udc大于直流母线电压第一过压阈值udc_t1时控制直流母线斩波电路功率开关开通，直流母线电压超过第一过压阈值udc_t1越多，功率开关导通占空比d越大，斩波开关导通占空比与直流母线电压跟第一过压阈值差值成线性关系，当直流母线电压达到或超过直流母线电压第二过压阈值udc_t2时，功率开关全部开通；
功率开关开通后，直流母线将通过泄能电阻释放能量。
进一步的，正序电压标幺值按以下公式计算：
进一步的，给定无功电流值和最大给定有功电流计算值的计算公式分别如下所示：
i*q＝2·in(u*g-u*gt)
式中，i*q表示给定无功电流值，u*g表示电网正序电压标幺值，u*gt表示电
网电压的高电压阈值；u*gt根据相关国家标准和系统设计指标确定。
式中，ipmax表示最大给定有功电流计算值，in表示表示变流器并网额定电流，i*q表示给定无功电流值，k1表示全功率变流器过载能力系数。in和k1根据变流器设计指标确定，通常k1>1。
进一步的，给定有功电流值的计算公式如下：
i*p＝min(i*p_ref,ipmax)
式中i*p表示给定有功电流值，i*p_ref电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值，ipmax表示最大给定有功电流计算值。i*p_ref由电压外环计算得到；
进一步的，并网三相电流给定值计算方法如下式：
上式中，ia_ref、ia_ref、ia_ref分别为并网a、b、c相电流给定值，i*p表示给定有功电流值，i*q表示给定无功电流值，θ为电网电压锁相环计算得到的电网电压相位。θ由锁相环计算得到。
进一步的，占空比与过压阈值的关系表示为：
一种基于滞环电流控制的风电变流器高电压穿越装置，其特征在于：包括：信号检测单元、系统控制单元、滞环控制单元和斩波控制单元，系统控制单元与斩波控制单元、信号检测单元和滞环电流控制单元通过硬接线连接，用来传输相信的控制信号。信号检测单元与斩波控制单元、滞环电流控制单元、系统控制单元通过硬接线连接，用于将采集的信号传输给各个控制单元。斩波控制单元与直流母线斩波电路通过硬接线连接。
所述信号检测单元用于实时检测电网三相电压、并网三相电流和直流母线电压。
系统控制单元根据检测得到的电网三相电压，分离出正序电压，确定正序电压是否大于电网高电压阈值，并负责计算出电网并网三相电流给定值。
滞环控制单元根据系统控制单元计算出的并网三相电流给定值和信号检测单元检测的并网三相电流，结合预先设定的滞环带宽，生成网侧变流器功率开关的pwm控制信号。
斩波控制单元根据信号检测单元检测的直流母线电压判断是否需要使能直流母线斩波电路，并负责生成控制斩波电波电路功率开关的控制信号。
本发明的优点为：
本发明通过实时监测电网电压并判断是否高于电网高电压阈值，当电网电压高于电网高电压阈值时，根据电网电压计算给定无功电流给定值，通过从电网吸收一定量的无功抑制电网电压上升，有利实现全功率变流器在电网电压升高时不脱网运行，成功实现高电压故障穿越；
当电网电压高于电网高电压阈值时，在优先满足给定无功电流给定输出的前提下，充分利用变流器的过载能力，计算出变流器可以输出的最大给定有功电流计算值，当电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值大于最大给定有功电流计算值时，变流器给定有功电流按最大给定有功电流计算值进行给定，这样有利于实现向电网馈入最多的有功功率，有利于抑制直流母线电压过压；
本发明中实时监测直流母线电压值，当直流母线电压大于直流母线阈值时控制直流母线斩波电路动作，通过电阻释放能量可以抑制直流母线电压骤升导致的变流器脱网运行，进一步的可以避免因直流母线电压超过安全运行范围导致的变流器损坏。
本发明实时监测电网三相电压并对电网电压进行正负序分离，通过正序电压分量来判断电网电压是否出现高电压，可以鉴别电网电压对称和不对称两种不同情况下的高电压故障，进而控制变流器穿越高电压故障。
本发明机侧变流器采用滞环电流控制，滞环电流控制单元控制时根据计算出并网三相电流给定值和设定的滞环电流带宽，通过与采样回来的三相并网电流，直接生成网侧变流器功率开关pwm信号，不需要设置其他控制参数，控制简单，动态响应快。
附图说明
图1是本发明实施例的全功率风力发电机组系统控制原理图
图2是本发明实施例的系统组成结构示意图
图3是本发明实施例的全功率风力发电变流器电网高电压穿越控制原理示意图
图4是本发明实施例的全功率风力发电变流器在电网电压过压时穿越运行的状态图
具体实施方式
实施例1
基于滞环控制的风电变流器高电压穿越控制方法，其特征在于：
具体步骤如下：
实时测量电网的三相电压，对电网电压进行正负序分离，计算出电网正序电压标幺值；
比较正序电压标幺值与电网高电压阈值，电网高电压阈值根据相关国家标准和系统设计指标确定，若低于高电压阈值，全功率变流器并网无功功率来自机组主控单元，并更新记录此时给定有功电流值；如果正序电压标幺值高于高电压阈值，则依据电网正序电压计算出给定无功电流值，再根据给定无功电流值计算最大给定有功电流计算值；
根据电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值和当前计算得到的给定有功电流计算值，取其中的小的作为当前给定有功电流给定值；
据给定有功电流值和给定无功电流值计算得到并网三相电流给定值；
滞环电流控制单元根据并网三相电流给定值、滞环控制带宽和检测的并网三相电流计算得到控制网侧变流器的功率开关控制信号，经驱动放大后控制相应的功率开关动作；
实时检测变流器直流母线电压udc，当直流母线电压udc大于直流母线电压第一过压阈值udc_t1时控制直流母线斩波电路功率开关开通，直流母线电压超过第一过压阈值udc_t1越多，功率开关导通占空比d越大，斩波开关导通占空比与直流母线电压跟第一过压阈值差值成线性关系，当直流母线电压达到或超过直流母线电压第二过压阈值udc_t2时，功率开关全部开通；
功率开关开通后，直流母线将通过泄能电阻释放能量。
实施例2
基于滞环控制的风电变流器高电压穿越控制方法，其特征在于：
具体步骤如下：
实时测量电网的三相电压，对电网电压进行正负序分离，计算出电网正序电压标幺值；
比较正序电压标幺值与电网高电压阈值，电网高电压阈值根据相关国家标准和系统设计指标确定，若低于高电压阈值，全功率变流器并网无功功率来自机组主控单元，并更新记录此时给定有功电流值；如果正序电压标幺值高于高电压阈值，则依据电网正序电压计算出给定无功电流值，再根据给定无功电流值计算最大给定有功电流计算值；
根据电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值和当前计算得到的给定有功电流计算值，取其中的小的作为当前给定有功电流给定值；
据给定有功电流值和给定无功电流值计算得到并网三相电流给定值；
滞环电流控制单元根据并网三相电流给定值、滞环控制带宽和检测的并网三相电流计算得到控制网侧变流器的功率开关控制信号，经驱动放大后控制相应的功率开关动作；
实时检测变流器直流母线电压udc，当直流母线电压udc大于直流母线电压第一过压阈值udc_t1时控制直流母线斩波电路功率开关开通，直流母线电压超过第一过压阈值udc_t1越多，功率开关导通占空比d越大，斩波开关导通占空比与直流母线电压跟第一过压阈值差值成线性关系，当直流母线电压达到或超过直流母线电压第二过压阈值udc_t2时，功率开关全部开通；
功率开关开通后，直流母线将通过泄能电阻释放能量。
进一步的，正序电压标幺值按以下公式计算：
进一步的，给定无功电流值和最大给定有功电流计算值的计算公式分别如下所示：
i*q＝2·in(u*g-u*gt)
式中，i*q表示给定无功电流值，u*g表示电网正序电压标幺值，u*gt表示电
网电压的高电压阈值；u*gt根据相关国家标准和系统设计指标确定。
式中，ipmax表示最大给定有功电流计算值，in表示表示变流器并网额定电流，i*q表示给定无功电流值，k1表示全功率变流器过载能力系数。in和k1根据变流器设计指标确定，通常k1>1。
进一步的，给定有功电流值的计算公式如下：
i*p＝min(i*p_ref,ipmax)
式中i*p表示给定有功电流值，i*p_ref电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值，ipmax表示最大给定有功电流计算值。i*p_ref由电压外环计算得到；
进一步的，并网三相电流给定值计算方法如下式：
上式中，ia_ref、ia_ref、ia_ref分别为并网a、b、c相电流给定值，i*p表示给定有功电流值，i*q表示给定无功电流值，θ为电网电压锁相环计算得到的电网电压相位。θ由锁相环计算得到。
进一步的，占空比与过压阈值的关系表示为：
实施例3
一种基于滞环电流控制的风电变流器高电压穿越装置，其特征在于：包括：信号检测单元、系统控制单元、滞环控制单元和斩波控制单元，系统控制单元与斩波控制单元、信号检测单元和滞环电流控制单元通过硬接线连接，用来传输相信的控制信号。信号检测单元与斩波控制单元、滞环电流控制单元、系统控制单元通过硬接线连接，用于将采集的信号传输给各个控制单元。斩波控制单元与直流母线斩波电路通过硬接线连接，。
实施例4
一种基于滞环电流控制的风电变流器高电压穿越装置包括：信号检测单元、系统控制单元、滞环控制单元和斩波控制单元，系统控制单元与斩波控制单元、信号检测单元和滞环电流控制单元通过硬接线连接，用来传输相信的控制信号。信号检测单元与斩波控制单元、滞环电流控制单元、系统控制单元通过硬接线连接，用于将采集的信号传输给各个控制单元。斩波控制单元与直流母线斩波电路通过硬接线连接。
所述信号检测单元用于实时检测电网三相电压、并网三相电流和直流母线电压。
系统控制单元根据检测得到的电网三相电压，分离出正序电压，确定正序电压是否大于电网高电压阈值，并负责计算出电网并网三相电流给定值。
滞环控制单元根据系统控制单元计算出的并网三相电流给定值和信号检测单元检测的并网三相电流，结合预先设定的滞环带宽，生成网侧变流器功率开关的pwm控制信号。
斩波控制单元根据信号检测单元检测的直流母线电压判断是否需要使能直流母线斩波电路，并负责生成控制斩波电波电路功率开关的控制信号。
实施例5
基于滞环控制的风电变流器高电压穿越控制方法，具体步骤如下：
实时测量电网的三相电压，对电网电压进行正负序分离，计算出电网正序电压标幺值；
比较正序电压标幺值与电网高电压阈值，电网高电压阈值根据相关国家标准和系统设计指标确定，若低于高电压阈值，全功率变流器并网无功功率来自机组主控单元，并更新记录此时给定有功电流值；如果正序电压标幺值高于高电压阈值，则依据电网正序电压计算出给定无功电流值，再根据给定无功电流值计算最大给定有功电流计算值；
根据电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值和当前计算得到的给定有功电流计算值，取其中的小的作为当前给定有功电流给定值；
据给定有功电流值和给定无功电流值计算得到并网三相电流给定值；
滞环电流控制单元根据并网三相电流给定值、滞环控制带宽和检测的并网三相电流计算得到控制网侧变流器的功率开关控制信号，经驱动放大后控制相应的功率开关动作；
实时检测变流器直流母线电压udc，当直流母线电压udc大于直流母线电压第一过压阈值udc_t1时控制直流母线斩波电路功率开关开通，直流母线电压超过第一过压阈值udc_t1越多，功率开关导通占空比d越大，斩波开关导通占空比与直流母线电压跟第一过压阈值差值成线性关系，当直流母线电压达到或超过直流母线电压第二过压阈值udc_t2时，功率开关全部开通；
功率开关开通后，直流母线将通过泄能电阻释放能量。
进一步的，正序电压标幺值按以下公式计算：
进一步的，给定无功电流值和最大给定有功电流计算值的计算公式分别如下所示：
i*q＝2·in(u*g-u*gt)
式中，i*q表示给定无功电流值，u*g表示电网正序电压标幺值，u*gt表示电
网电压的高电压阈值；u*gt根据相关国家标准和系统设计指标确定。
式中，ipmax表示最大给定有功电流计算值，in表示表示变流器并网额定电流，i*q表示给定无功电流值，k1表示全功率变流器过载能力系数。in和k1根据变流器设计指标确定，通常k1>1。
进一步的，给定有功电流值的计算公式如下：
i*p＝min(i*p_ref,ipmax)
式中i*p表示给定有功电流值，i*p_ref电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值，ipmax表示最大给定有功电流计算值。i*p_ref由电压外环计算得到；
进一步的，并网三相电流给定值计算方法如下式：
上式中，ia_ref、ia_ref、ia_ref分别为并网a、b、c相电流给定值，i*p表示给定有功电流值，i*q表示给定无功电流值，θ为电网电压锁相环计算得到的电网电压相位。θ由锁相环计算得到。
进一步的，占空比与过压阈值的关系表示为：
一种基于滞环电流控制的风电变流器高电压穿越装置，其特征在于：包括：信号检测单元、系统控制单元、滞环控制单元和斩波控制单元，系统控制单元与斩波控制单元、信号检测单元和滞环电流控制单元通过硬接线连接，用来传输相信的控制信号。信号检测单元与斩波控制单元、滞环电流控制单元、系统控制单元通过硬接线连接，用于将采集的信号传输给各个控制单元。斩波控制单元与直流母线斩波电路通过硬接线连接。
所述信号检测单元用于实时检测电网三相电压、并网三相电流和直流母线电压。
系统控制单元根据检测得到的电网三相电压，分离出正序电压，确定正序电压是否大于电网高电压阈值，并负责计算出电网并网三相电流给定值。
滞环控制单元根据系统控制单元计算出的并网三相电流给定值和信号检测单元检测的并网三相电流，结合预先设定的滞环带宽，生成网侧变流器功率开关的pwm控制信号。
斩波控制单元根据信号检测单元检测的直流母线电压判断是否需要使能直流母线斩波电路，并负责生成控制斩波电波电路功率开关的控制信号。
本发明通过实时监测电网电压并判断是否高于电网高电压阈值，当电网电压高于电网高电压阈值时，根据电网电压计算给定无功电流给定值，通过从电网吸收一定量的无功抑制电网电压上升，有利实现全功率变流器在电网电压升高时不脱网运行，成功实现高电压故障穿越；
当电网电压高于电网高电压阈值时，在优先满足给定无功电流给定输出的前提下，充分利用变流器的过载能力，计算出变流器可以输出的最大给定有功电流计算值，当电网正序电压低于高电压阈值时更新记录的给定有功电流值大于最大给定有功电流计算值时，变流器给定有功电流按最大给定有功电流计算值进行给定，这样有利于实现向电网馈入最多的有功功率，有利于抑制直流母线电压过压；
本发明中实时监测直流母线电压值，当直流母线电压大于直流母线阈值时控制直流母线斩波电路动作，通过电阻释放能量可以抑制直流母线电压骤升导致的变流器脱网运行，进一步的可以避免因直流母线电压超过安全运行范围导致的变流器损坏。
本发明实时监测电网三相电压并对电网电压进行正负序分离，通过正序电压分量来判断电网电压是否出现高电压，可以鉴别电网电压对称和不对称两种不同情况下的高电压故障，进而控制变流器穿越高电压故障。
本发明机侧变流器采用滞环电流控制，滞环电流控制单元控制时根据计算出并网三相电流给定值和设定的滞环电流带宽，通过与采样回来的三相并网电流，直接生成网侧变流器功率开关pwm信号，不需要设置其他控制参数，控制简单，动态响应快。
本实施例中提供了一种基于滞环电流控制的高电压穿越控制方法及装置。如图1所示是全功率风力发电机组系统控制原理图。风机通过吸收风能旋转推动风力发电机发电运行，机侧变流器将发电机发出频率电压变化的交流电变换成直流电压，网侧变流器负责将直流电变换成交流电馈入电网。当电网电压发生过压时，相应的控制单元控制网侧变流器和斩波电路对过电压故障进行高电压穿越控制。
图2是实施例中全功率风力发电变流器的高电压穿越控制装置组成结构示意图，全功率风力发电变流器本体由机侧变流器、直流母线斩波单元、直流母线和网侧变流器构成。变流器高电压穿越控制装置包含信号检测单元、系统控制单元、斩波控制单元和滞环电流控制单元。信号检测单元检测电网电压、直流母线电压和网侧变流器并网电流，系统控制单元根据检测得到的电网电压进行正负序分离，计算出电网正序电压标幺值并与电网高电压阈值进行比较，当电网正序电压标幺值高于电网高电压阈值时，一方面使能斩波控制单元，斩波单元再根据检测得到的直流母线电压驱动直流母线斩波电路动作；另一方面，系统控制单元根据电网正序电压标幺值计算得到网侧变流器有功和无功指令，并根据控制单元内部锁相环计算得到的电网相位计算网侧滞环电流控制单元的电流指令，滞环电流控制单元根据电流指令和检测得到的并网电流生成控制网侧变流器的pwm控制信号。
图3所示是本发明实施例的全功率风力发电变流器电网高电压穿越控制原理示意图，当电网正序电压标幺值低于电网高电压阈值时，高穿使能开关拨到位置1，有功电流给定值ip*由直流母线电压外环计算得到，即ip*＝ip_ref；无功电流给定值来自主控给定，即iq*＝iq_ref。
当电网正序电压标幺值高于电网高电压阈值时，高穿使能开关拨到位置2，依据电网正序电压标幺值ug*、电网高电压阈值ugt*和变流器额定电流in计算出给定无功电流值i*q＝2·in(u*g-u*gt)，再根据变流器的过载能力系数k1，计算得到最大的有功给定电流
当电网正序电压标幺值高于电网高电压阈值时，直流母线电压可能因为电网过电压而过压，这时直流母线斩波控制单元根据实时检测的直流母线电压和直流母线电压过压阈值控制斩波电路功率开关，当直流母线电压大于直流母线电压第一过压阈值时控制直流母线斩波电路功率开关开通，直流母线电压超过第一过压阈值越多，功率开关导通占空比越大，斩波开关导通占空比与直流母线电压跟第一过压阈值差值成线性关系，当直流母线电压达到或超过直流母线电压第二过压阈值时，功率开关全部开通。功率开关开通后，直流母线将通过泄能电阻释放能量。
图4是本发明实施例的全功率风力发电变流器在电网电压过压时穿越运行的状态图，图中对应的波形由上往下依次为电网a相电压(v)、电网a相电压标幺值(pu)、直流母线电压(v)、变流器并网电流(a)和注入电网的容性无功(var)。可以看出，当电网正序电压标幺值达到1.3pu时，达到了电网高电压阈值(实施例中设定为1.1pu)，这时网侧变流器高穿使能开关拨到位置2，本发明的高电压穿越控制方法作用，控制变流器向电网注入负的容性无功，同时变流器不脱网工作，变流器直流母线电压小于1300v，被限制在安全范围内。电网电压恢复正常后，变流器高穿使能开关从新拨到位置1，变流器按正常电网时的逻辑进行控制。机组过电压穿越运行状态图说明本发明提出的基于滞环电流控制的高电压穿越控制方法能够控制全功率风力发电变流器成功穿越高电压故障，保证变流器的安全稳定运行。