基于超导磁储能和改进控制的双馈风机低电压穿越方法与流程

本发明涉及双馈风机设备技术领域，具体涉及基于超导磁储能和改进控制的双馈风机低电压穿越方法。

背景技术：

风力发电是一种分布式可再生能源发电系统，风力发电机组一般由风轮机、齿轮箱、发电机及其控制系统组成的。常用的风力发电机有鼠笼型感应发电机、双馈感应发电机和永磁同步发电机，其中鼠笼型感应发电机直接接入电网，双馈感应发电机定子直接接入电网，转子通过逆变器接入电网，永磁同步发电机则是通过逆变器接入电网。目前的风力发电市场中，双馈风机所占比例较大。随着全球能源互联网的提出，风能、太阳能等绿色能源将会逐渐取代传统燃料能源。过去，在风机发电比例不是很大时，风机脱网还可以接受。随着近几年风机容量不断增加并部分取代了传统发电方式，因此一旦有风电场脱网，脱网的功率就可能相当大，这会加剧电网功率缺额。

由于双馈风机的低电压穿越能力较弱，当发生短路故障时，双馈风机因为各许多参数在故障下都达到了超过最大允许值的情况，不得不与大电网断开。故障清除后，双馈风机重新启动，接入电网。这个过程需要一定时间，如果风电场中双馈风电机组发电量在电网中所占比重比较大，故障清除后就不能及时的连入电网，这就可能造成停电等一系列事故。

能量输出不稳定和低电压穿越能力弱是双馈风机领域亟待解决的两个主要问题。能量输出不稳定的问题与风力发电受风速变化影响较大的内在特性相关，也是所有新能源发电共有的问题。双馈风机低电压穿越能力弱的原因主要与其和电网的连接方式有关。双馈风机的定子绕组直接与电网相连，当电网发生故障时，定子绕组中感生出零序和负序磁链，继而在转子中感生出数倍于转子侧变流器电压输出能力的反向感应电动势，从而造成过电流和过转矩，严重时极易造成风机转子侧变流器和变速箱的损毁。现有低电压穿越方案主要分为软件方案、硬件方案及软硬件结合方案三类。现有软件控制技术主要有去磁电流控制、双电流反向跟踪控制等。软件控制仅在电压暂降不是很严重时可以较好的保护双馈风机，当电网发生严重电压暂降时，由于变流器容量限制，转子侧变流器无法完成控制器的输出要求，导致转子侧出现过电压、过电流，双馈风机出现过转矩等问题，无法有效实现双馈风机低电压穿越运行，需增加额外的硬件保护措施。现有针对单台机组的硬件保护措施主要有撬棒保护方案、直流卸荷电路方案等。硬件保护方案仍存在部分局限性。如，以上所提方案均无法解决双馈风机正常运行下输出功率不稳的问题；由于硬件设备本身的缺陷，无法较好解决不对称电网故障下各关键参数的震荡问题等。

若要采用一种方案而同时解决低电压穿越及能量输出不稳定的问题，则必须配合储能系统。作为一种新型的电力储能元件，超导磁储能系统能在短时间(毫秒级)内对扰动事件做出响应，且功率密度高，循环寿命长，响应速度快，支撑能力强，可有效弥补现有方案存在的不足。本发明拟通过结合超导磁储能装置与优化双馈风机控制策略，辅以电力电子控制技术，提出“软件+硬件”的解决方案，将超导磁储能装置并联整合到双馈风机转子绕组侧，可在改善能量输出不稳定问题的同时提高双馈风机的低电压穿越能力。在超导磁储能系统的技术优势最大化的同时兼具经济性，为解决低电压穿越问题提供一种新思路，提高风电场设备稳定性及电网安全、可靠运行水平。

技术实现要素：

本发明解决了现有技术存在的双馈风机低电压穿越能力较弱的问题，提供基于超导磁储能和改进控制的双馈风机低电压穿越方法，其应用时可以使双馈风机具备零电压穿越的能力，此外双馈风机还可以在保证各项关键参数不越限的基础上向电网注入无功功率支撑故障下的电网电压，可以满足并网导则对双馈风机低电压穿越能力的全部要求。

本发明通过下述技术方案实现：

基于超导磁储能和改进控制的双馈风机低电压穿越方法，包括超导磁储能装置，所述超导磁储能装置包括dc-dc变换器、超导线圈(15)、电容(16)及电压源型逆变器(17)，dc-dc变换器包括第一绝缘栅双极型晶体管/二极管(11)、第一二极管(12)、第二绝缘栅双极型晶体管/二极管(13)和第二二极管(14)；电压源型逆变器包括第一绝缘栅双极型晶体管(18)、第二绝缘栅双极型晶体管(19)、第三绝缘栅双极型晶体管(20)、第四绝缘栅双极型晶体管(21)、第五绝缘栅双极型晶体管(22)和第六绝缘栅双极型晶体管(23)，超导线圈并联在dc-dc变换器第一二极管输出端和第二二极管输入端之间。电容并联在第二绝缘栅双极型晶体管/二极管输入端和第一二极管输入端之间，第二绝缘栅双极型晶体管/二极管输入端与电压源型逆变器正极连接，第一二极管输入端与电压源型逆变器负极连接。电压源型逆变器a、b、c相与双馈风机转子侧并联连接，依次进行以下步骤：

a、暂态电压控制：所述暂态电压控制，在故障发生后，双馈感应电机网侧逆变器控制器的无功功率输入端由稳态控制信号(q*g＝0)替换为暂态控制器，机端参考电压v*s与机端实际电压vs做差，输入pi控制器，得到系统需要注入的无功功率q*g，再经限幅后的pi控制器得到网侧q轴电流参考信号i*gq；

b、电流反向跟踪控制：所述电流反向跟踪控制，在故障发生后，超导磁储能装置逆变器与双馈风机转子侧逆变器同时由稳态控制器切换到暂态控制器，暂态控制器中，先由磁链计算

得到三相定子磁链，再经公式

得到转子电流的参考信号，经dq变换得到暂态控制器的两个控制信号i*rq，i*dq，两个控制信号除了输入原有控制器中，还要经过两个前馈电流参考模块

两控制信号相加后，经dq/abc变换注入pwm控制器。基于并联分流原理，超导磁储能侧可以分担转子侧一半的过电流及提供一半的无功电流，有效地减小流入转子侧逆变器的过电流，增大转子侧逆变器容量，提升风机端电压并保护风机内部元件，从而提高风机的低电压穿越能力。

进一步的，基于超导磁储能和改进控制的双馈风机低电压穿越方法，所述超导磁储能装置与双馈风机转子侧变流器协同控制。超导磁储能装置并接于转子侧变流器，分担转子侧的过电流并提供无功电流；或者/和，超导磁储能装置和转子侧变流器的电流反向跟踪控制协调控制，故障期间各自分担50％的转子过电流；或者/和，网侧变流器含有暂态电压控制，故障期间使风机发出无功电流支撑电网电压。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明是一种改进控制和硬件装置的相结合的技术方案，与现有技术相比，该方案可以使双馈风机具备零电压穿越的能力，此外双馈风机还可以在保证各项关键参数不越限的基础上向电网注入无功功率支撑故障下的电网电压，可以满足并网导则对双馈风机低电压穿越能力的全部要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明低电压穿越方案中的超导磁储能装置的结构示意图；

图2为本发明低电压穿越方案中的暂态电压控制的结构示意图；

图3为本发明低电压穿越方案中的电流反向跟踪控制的结构示意图；

图4为根据实施例示出的一种双馈风机单机-无穷大系统电路图；

图5为根据实施例示出的电网三相短路故障下双馈风机各项参数波形图；

图6为根据实施例示出的电网单相短路故障下双馈风机各项参数波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供了基于超导磁储能和改进控制的双馈风机低电压穿越方法。所述超导磁储能装置包括dc-dc变换器、超导线圈(15)、电容(16)及电压源型逆变器(17)，dc-dc变换器包括第一绝缘栅双极型晶体管/二极管(11)、第一二极管(12)、第二绝缘栅双极型晶体管/二极管(13)和第二二极管(14)；电压源型逆变器包括第一绝缘栅双极型晶体管(18)，第二绝缘栅双极型晶体管(19)，第三绝缘栅双极型晶体管(20)，第四绝缘栅双极型晶体管(21)，第五绝缘栅双极型晶体管(22)和第六绝缘栅双极型晶体管(23)。超导线圈并联在dc-dc变换器第一二极管输出端和第二二极管输入端之间。电容并联在第二绝缘栅双极型晶体管/二极管输入端和第一二极管输入端之间，第二绝缘栅双极型晶体管/二极管输入端与电压源型逆变器正极连接，第一二极管输入端与电压源型逆变器负极连接。电压源型逆变器a、b、c相与双馈风机转子侧并联连接；

所述超导磁储能装置配套的控制策略包括暂态电压控制和电流反向跟踪控制；未发生短路故障时，转子侧逆变器被稳态控制器控制，超导磁储能侧逆变器6个开关置为0，处于热备用状态，不与双馈风机进行功率交换，避免对双馈风机正常运行造成影响。在电网电压故障情况下，超导线圈通过dc-dc变换器、超导磁储能侧逆变器和滤波电感并联在双馈风机转子侧，双馈风机转子侧逆变器和超导磁储能侧逆变器同时采用暂态控制策略提高双馈风机的低电压穿越能力，并提供暂态无功电流支撑电网电压。

暂态电压控制请参阅图2，在故障发生后，双馈风机网侧逆变器控制器的无功功率输入端由稳态控制信号(q*g＝0)替换为暂态控制器，机端参考电压v*s与机端实际电压vs做差，输入pi控制器，得到系统需要注入的无功功率q*g，再经限幅后的pi控制器得到网侧q轴电流参考信号i*gq。

电流反向跟踪控制请参阅图3，在故障发生后，超导磁储能装置逆变器与双馈风机转子侧逆变器同时由稳态控制器切换到暂态控制器。暂态控制器中，先由磁链计算

得到三相定子磁链，再经公式

得到转子电流的参考信号，经dq变换得到暂态控制器的两个控制信号i*rq,i*dq。两个控制信号除了输入原有控制器中，还要经过两个前馈电流参考模块

两控制信号相加后，经dq/abc变换注入pwm控制器。基于并联分流原理，超导磁储能侧可以分担转子侧一半的过电流及提供一半的无功电流，有效地减小流入转子侧逆变器的过电流，增大转子侧逆变器容量，提升风机端电压并保护风机内部元件，从而提高风机的低电压穿越能力。

请参阅图4，图4是本发明提供的低电压穿越方案应用于风机-无穷大系统的电路图。本发明提供了一种基于超导磁储能和改进控制的双馈风机低电压穿越方案，包括超导磁储能装置及与所述超导磁储能装置配套的控制策略。所述超导磁储能装置包括dc-dc变换器、超导线圈(15)、电容(16)及电压源型逆变器(17)，dc-dc变换器包括第一绝缘栅双极型晶体管/二极管(11)、第一二极管(12)、第二绝缘栅双极型晶体管/二极管(13)和第二二极管(14)；电压源型逆变器包括第一绝缘栅双极型晶体管(18)，第二绝缘栅双极型晶体管(19)，第三绝缘栅双极型晶体管(20)，第四绝缘栅双极型晶体管(21)，第五绝缘栅双极型晶体管(22)和第六绝缘栅双极型晶体管(23)。第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管串联，第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管串联，第五绝缘栅双极型晶体管和第六绝缘栅双极型晶体管串联，第二、第四、第六绝缘栅双极型晶体管输出端连接，组成电压源型逆变器负极；第一、第三、第五绝缘栅双极型晶体管输入端连接，组成电压源型逆变器正极。第一绝缘栅双极型晶体管输出端和第二绝缘栅双极型晶体管输入端之间为电压源型逆变器a相；第三绝缘栅双极型晶体管输出端和第四绝缘栅双极型晶体管输入端之间为电压源型逆变器b相；第五绝缘栅双极型晶体管输出端和第六绝缘栅双极型晶体管输入端之间为电压源型逆变器c相。超导线圈并联在dc-dc变换器第一二极管输出端和第二二极管输入端之间。电容并联在第二绝缘栅双极型晶体管/二极管输入端和第一二极管输入端之间，第二绝缘栅双极型晶体管/二极管输入端与电压源型逆变器正极连接，第一二极管输入端与电压源型逆变器负极连接。电压源型逆变器a、b、c相与双馈风机转子侧并联连接；

请参阅图5，图5为电网三相短路故障下双馈风机各项参数波形图，由图5可以看出在采用所提低电压穿越方案下，双馈风机在故障发生后其关键参数均被限制在最大允许值内。其中流入转子侧逆变器的电流的峰值、电磁转矩峰值被限制在2.0p.u.(perunit，标幺值)以内，直流侧电压被限制在1.2p.u.以内。此外，依靠暂态电压控制，在故障情况下双馈风机可以向电网提供0.10p.u.的无功功率以支撑电网电压恢复。对于双馈风机来说，已经可以满足低电压穿越的条件，说明本发明提供的低电压穿越方案可以提高双馈风机低电压穿越能力。

请参阅图6，图6为电网单相短路故障下双馈风机各项参数波形图，由图6可以看出在不平衡电压暂降下，采用所提低电压穿越方案仍然可以使双馈风机在故障发生后其关键参数均被限制在最大允许值内。其中流入转子侧逆变器的电流的峰值、电磁转矩峰值被限制在2.0p.u.(perunit，标幺值)以内，直流侧电压被限制在1.2p.u.以内。此外，依靠暂态电压控制，在故障情况下双馈风机可以向电网提供0.47p.u.的无功功率以支撑电网电压恢复。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。