专利名称：电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种电网三相短路故障时稳定双馈感应风力发电机转子励磁变换器
直流母线电压、减小网侧变换器交流输入电流波动的方法，属于双馈感应风力发电机低电 压穿越控制技术。
背景技术：
随着双馈风力发电单机容量的不断提高，电网故障时风机的各种运行状态对电网 稳定性的影响得到普遍关注和广泛研究。各国电力公司纷纷提出了双馈风力发电并网的技 术要求，其中低电压穿越(Low Voltage Ride Though,LVRT)被认为是双馈风力发电设计控 制技术上的最大挑战，直接关系到风力发电的推广应用。 目前，双馈风力发电机低电压穿越技术的研究多集中于转子侧变换器，对网侧变 换器的低电压穿越控制技术研究甚少。电网短路故障时，若维持转子侧变换器励磁控制不 变，转子功率将大幅波动，导致直流母线电压出现较大幅度波动。而直流母线电压的大幅度 波动会对直流母线电容造成冲击，并将直接影响发电机不脱网运行的控制效果，同时也不 利于故障切除时发电机重新恢复正常励磁控制，因此对于网侧变换器必须采取有效的LVRT 措施来维持直流母线电压的稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电网三相短路时，双馈感应风力发电机网侧变换器低 电压穿越控制方法。该控制方法无需增加硬件保护电路，系统结构简单。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案 —种电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制系统， 包括双馈感应风力发电机和转子励磁变换器，转子励磁变换器由转子侧变换器和网侧变换 器两部分构成，其特征在于双馈感应风力发电机三相定子输出端与电网的公用连接点Pcc 上安装电压霍尔传感器，由一个数字信号处理器连接所述的转子励磁变换器和电压霍尔传 感器，所述的数字信号处理器根据电压霍尔传感器采集的电压信号进行电网三相短路故障 判断及电网电压降落百分比计算，并依据该电网电压降落百分比改变网侧变换器调制电压 信号，控制网侧变换器。 上述的电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制硬
件装置中，所述的数字信号处理器采用TI公司的DSP2407或DSP2812。网侧变换器由IGBT
功率管构成三相桥式电路实现，电压传感器采用LEM的电压霍尔传感器。 数字信号处理器根据电压霍尔传感器采集的电压信号进行电网三相短路故障判
断，若判断出电网发生三相短路故障，数字信号处理器根据电压霍尔传感器采集的电流信
号计算电网电压降落百分比，并依据该电网电压降落百分比改变调制电压信号，进而控制
网侧变换器。其特征为网侧变换器调制电压信号的生成步骤如下
3
①利用上述电压霍尔传感器检测三相电网电压Va、 Vb、 Ve，当检测到电网三相短路 故障时，执行如下步骤； ②利用步骤①中的检测值，求出电网三相短路故障发生时的电压降落百分比 P(降落后的电网电压与电网电压正常值的比值)； ③电网三相短路故障发生时，将步骤②中的p与电网三相短路故障发生前的网侧
变换器调制电压信号的乘积作为当前网侧变换器调制电压信号进行控制； ④电网电压恢复正常值时，将当前调制电压信号切换到与l相乘，即在故障时调
制电压信号的基础上乘1/P作为电网电压正常时的网侧变换器调制电压信号； ⑤为达到更好的控制效果，还可以对调制电压信号进行进一步调整，将电网三相
短路故障发生时的P再乘一个小于1大于0的预定系数；电网电压恢复正常值时，将状态1
的调制电压信号乘一个大于1小于2的预定系数'。 本发明与现有的技术相比，具有以下显而易见的实质性特点和显著优点本方法 无需增加硬件保护电路，系统结构简单，在电网发生三相短路故障时，有效抑制直流母线电 压波动，网侧变换器输入电流波动，在发电机超同步运行时快速将转子电能馈送到电网，保 护双馈感应发电机转子励磁变换器的安全运行。
图1是电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制系 统结构图； 图2是次同步运行状态电压降落到40%时的R相相电压及相电流实验波形；
图3是次同步运行状态电压降落到40%时的直流母线电压及R相相电流实验波 形； 图4是超同步运行状态电压降落到40%时的R相相电压及相电流实验波形；
图5是超同步运行状态电压降落到40%时的直流母线电压及R相相电流实验波 形； 图6是采用网侧变换器低电压穿越控制方法时，次同步运行状态电压降落到40% 时的R相相电压及相电流实验波形； 图7是采用网侧变换器低电压穿越控制方法时，次同步运行状态电压降落到40% 时的直流母线电压及R相相电流实验波形； 图8是采用网侧变换器低电压穿越控制方法时，超同步运行状态电压降落到40% 时的R相相电压及相电流实验波形； 图9是采用网侧变换器低电压穿越控制方法时，超同步运行状态电压降落到40% 时的直流母线电压及R相相电流实验波形。
具体实施例方式
以下结合附图对具体实施方式
进一步描述。参见图1，电网三相短路故障时双馈感 应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制系统，包括双馈感应风力发电机1和转子励磁变 换器2，其中转子励磁变换器2又包括转子侧变换器3和网侧变换器4两部分，双馈感应风 力发电机l三相定子输出端与电网的公用连接点Pcc上安装的电压霍尔传感器5，由一个数字信号处理器6连接所述的转子励磁变换器2和电压霍尔传感器5，数字信号处理器6根据 电压霍尔传感器5采集的电压信号进行电网三相短路故障判断及电网电压降落百分比计 算，并由计算出的电网电压降落百分比改变调制电压信号，控制网侧变换器4。所述的数字 信号处理器6采用TI公司的DSP2407或DSP2812，它通过调制算法模块输出调制信号。网 侧变换器4由IGBT功率管构成三相桥式电路实现。 电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制方法，数字
信号处理器6根据电压霍尔传感器5采集的电压信号进行电网三相短路故障判断，若判断
出电网发生三相短路故障，数字信号处理器6根据电压霍尔传感器5采集的电流信号计算
电网电压降落百分比，并由计算出的电网电压降落百分比改变网侧变换器调制电压信号控
制网侧变换器4。所述的网侧变换器4调制电压信号的生成步骤如下 ①利用上述电压霍尔传感器5检测三相电网电压Va、 Vb、 Ve，当检测到电网三相短
路故障时，执行如下步骤； ②利用①中的检测值，求出电网三相短路故障发生时的电压降落百分比p(降落 后的电网电压与电网电压正常值的比值)； ③电网三相短路故障发生时，将上述②中的p与电网三相短路故障发生前的网侧
变换器网侧变换器调制电压信号的乘积作为当前调制电压信号进行控制； ④电网电压恢复正常值时，将当前调制电压信号切换到与l相乘，即在故障时调
制电压信号的基础上乘1/P作为电网电压正常时的调制电压信号； ⑤为达到更好的控制效果，还可以对调制电压信号进行进一步调整，将电网三相 短路故障发生时的P再乘一个小于1大于0的预定系数；电网电压恢复正常值时，将状态1 的调制电压信号乘一个大于1小于2的预定系数'。 电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制方法原理 简述如下 (1)电网故障发生时，发电机处于次同步运行状态 双馈感应风力发电机次同步运行时，发电机转子励磁电流由转子励磁变流器提 供，功率流向如图1所示，转子侧变换器处于逆变状态，网侧变换器处于稳定的整流状态 (设其为状态1)，R相电流^由A点流向R'点。当电网三相短路故障发生时，图1中A点电 压突然降低，由于直流母线电压及调制电压信号不会突变，R'点电压不能突变，导致A点 与R'点两点间电压差减小甚至反向，电网流向网侧变换器的电流^减小甚至反向；此时 转子侧变换器仍然继续向转子供电，导致直流母线电压下降。电压降落到40%时的R相相 电压及相电流实验波形如图2所示，直流母线电压及R相相电流实验波形如图3所示。由图 可以看出电网电压降落的瞬间，直流母线电压开始下降，并随即低于设定值，为维持直流母 线电压的恒定，网侧变换器根据当前电网电压进行调节，直流母线电压逐步回升到设定值， 同时网侧变换器最终达到电网故障时新的整流状态(设其为状态2)，此时因为电网电压低 于正常值，状态2下的调制电压信号不同于状态1的调制电压信号。 当电网电压恢复正常值的瞬间，图1中A点电压突然回升至正常电网电压值，但直 流母线电压及调制电压信号不会突变，仍保持状态2时的值，因此R'点电压在此时亦不能 突变，A点与R'点两点之间电压差突然增大，从电网流向网侧变换器的电流lK突然增大， 导致从电网输入的能量瞬间增大，而转子侧变换器仍然保持原有电流向转子供电，也即输出能力并没有增加，输入与输出的能量差造成直流母线电容充电，随即直流母线电压升高。
(2)电网故障发生时，发电机处于超同步运行状态 双馈感应风力发电机超同步运行时，电机转子通过转子励磁变流器向电网馈送能量，功率流向与图1中P。相反，网侧变换器处于稳定的逆变状态(设其为状态3)， R相电流^由R'点流向A点。当电网三相短路故障发生时，图1中A点电压突然降低，由于直流母线电压及调制电压信号不会突变，R'点电压不能突变，因而A点与R'点两点之间电压差突然增大，网侧变换器向电网馈送的电流突然增大，导致直流母线电压下降，电压降落到40%时的R相相电压及相电流实验波形如图4所示，直流母线电压及R相相电流实验波形如图5所示。由图可以看出电网电压降落的瞬间，直流母线电压开始下降，随即低于设定值，为维持直流母线电压的恒定，网侧变换器根据当前电网电压进行调节，直流母线电压逐步回升到设定值，同时网侧变换器最终达到电网故障时新的逆变状态(设其为状态4)，此时因为电网电压低于正常值，状态4下的调制电压信号不同于状态3的调制电压信号。
当电网电压恢复正常值的瞬间，图1中A点电压突然回升至正常电网电压，但直流母线电压及调制电压信号不会突变，仍保持状态4时的值，因此R'点电压在此时亦不能突变，A点与R'点两点之间电压差突然减小，网侧变换器不能正常向电网馈送能量，网侧变换器向电网输出电能受限，但此时由于转子侧变换器励磁控制没有改变，转子侧变换器仍然向直流母线馈送能量，导致直流母线电容充电、电压升高，严重时导致直流母线电压超出允许值，造成系统严重故障。 (3)双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制方法 根据上述分析，在双馈感应风力发电机次同步及超同步运行时，转子励磁变换器的直流母线电压波动都是由于电网电压降落及恢复到正常值时，R'点和A点两点电压差的变化造成，为了稳定直流母线电压，减小网侧变换器的电流波动，超同步时防止直流母线电压超出允许值，本说明书提出一种网侧变换器低电压穿越的控制方法。
检测电网三相电压瞬时值并计算其有效值，设电网电压正常时R相电压有效值为"，当电网三相短路故障发生时为U/ ，求出U/与"的比值即为电压降落百分比p(大于0小于1)。发电机次同步运行网侧变换器处于整流工作状态，图1中R相电流IK由A点流向R'点，当电网三相短路故障发生时，A点电压立刻降低，A点与R'点电压差减小，电网流向直流母线的电流减小，导致直流母线电压下降。为维持原有的电网流向直流母线的电流大小基本不变，需在此时立即迫使R'点电压减小，本发明在电网故障时将电压降落百分比
P与根据电网电压正常值计算出的三相调制电压信号vK、 vs、 VT相乘，得到电网三相短路故障发生时新的三相调制电压信号v/ 、vs' 、vT'，迫使R'点电位与A点电位同比例下降，电网流向直流母线的电流基本保持不变，直流母线电压基本保持稳定。当电网电压恢复正常值时，A点电压随即恢复正常电压值，由于A点电压突增，A点与R'点电压差突然增大，电网流向网侧变换器的电流增大，导致直流母线电压升高。同理，为维持原有的电网电流基本保持不变，需在此时立即迫使R'点电压增大，将当前调制电压信号H Vt切換到与1相乘，即在故障时的基础上乘1/p作为新的调制电压信号。 发电机超同步运行网侧变换器处于逆变工作状态，图1中R相电流IK由R'点流向A点，当电网三相短路故障发生时，A点电压瞬降，A点与R'点电压差随之突增，直流母线流向电网的电流亦突增，导致直流母线电压升高。为维持原有的流向电网的电流大小基本不变，需在此时立即迫使R'点电压减小，此时将P分别与根据电网电压正常值的计算出
的三相调制电压信号vK、 vs、 vT相乘，得到电网三相短路故障发生时新的三相调制电压信号
vK' 、vs' 、vT'。迫使R'点电位与A点电位同比例下降，电网流向直流母线的电流基本保持不变，直流母线电压亦基本保持稳定。当电网电压恢复正常值时，A点电压随即恢复正常电压值，此时的A点电压高于电网故障时电压，由于A点电压突增，A点与R'点电压差突然减小，流向的电流亦减小，导致网侧变换器不能正常向电网馈电，直流母线电压升高。同理，为维持原有流向电网的电流基本不变，需在此时立即迫使R'点电压增大，将当前调制电压信号vK、 vs、 vT切换到与1相乘，即在故障时的基础上乘1/p作为新的调制电压信号，相当于R'点电压扩大1/P倍，从而将电能快速馈送到电网，避免了直流母线电容充电，保持直流母线电压基本平稳。 图6和图7是采用网侧变换器低电压穿越控制方法时，次同步运行状态电压降落到40X时的R相相电压、相电流及直流母线电压实验波形，和图2、3对比可以看出在采用网侧变换器低电压穿越控制方法时R相相电流及直流母线电压波动明显减小。图8和图9是采用网侧变换器低电压穿越控制方法时，超同步运行状态电压降落到40%时的R相相电压、相电流及直流母线电压实验波形，和图4、5对比可以看出在采用网侧变换器低电压穿越控制方法时R相相电流及直流母线电压波动明显减小。
权利要求
一种电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制系统，包括双馈感应风力发电机(1)和转子励磁变换器(2)，转子励磁变换器(2)由转子侧变换器(3)和网侧变换器(4)两部分构成，其特征在于双馈感应风力发电机(1)三相定子输出端与电网的公用连接点PCC上装有电压霍尔传感器(5)，由一个数字信号处理器(6)连接所述的转子励磁变换器(2)和电压霍尔传感器(5)，所述的数字信号处理器(6)根据电压霍尔传感器(5)采集的电压信号进行电网三相短路故障判断及电网电压降落百分比计算，并依据该电网电压降落百分比改变网侧变换器调制电压信号，控制网侧变换器(4)。
2. —种电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制方法，采用根据权利要求1所述的电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制系统进行检测及控制，其特征在于数字信号处理器(6)根据电压霍尔传感器(5)采集的电压信号进行电网三相短路故障判断，若判断出电网发生三相短路故障，数字信号处理器(6)根据电压霍尔传感器(5)采集的电压信号计算电网电压降落百分比，生成网侧变换器(4)调制电压信号控制网侧变换器(4)。
3. 根据权利2所述的电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制方法，其特征为所述的生成网侧变换器(4)调制电压信号的步骤如下① 利用上述电压霍尔传感器(5)检测三相电网电压Va、 Vb、 Ve，当检测到电网三相短路故障时，执行如下步骤；② 利用步骤①中的检测值，求出电网三相短路故障发生时的电压降落百分比P，即降落后的电网电压与电网电压正常值的比值；③ 电网三相短路故障发生时，将步骤②中的P与电网三相短路故障发生前的网侧变换器调制电压信号的乘积作为当前网侧变换器调制电压信号进行控制；④ 电网电压恢复正常值时，将当前调制电压信号切换到与l相乘，即在故障时调制电压信号的基础上乘1/P作为电网电压正常时的网侧变换器调制电压信号；⑤ 为达到更好的控制效果，还可以对网侧变换器调制电压信号进行进一步调整，将电网三相短路故障发生时的P再乘一个小于1大于0的预定系数；电网电压恢复正常值时，将状态1的调制电压信号乘一个大于1小于2的 定系数。
全文摘要
本发明涉及一种电网三相短路故障时双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制系统及方法。本系统包括双馈感应风力发电机和转子励磁变换器，转子励磁变换器由转子侧变换器和网侧变换器两部分构成，在并网公用连接点上安装电压霍尔传感器，一个数字信号处理器连接转子励磁变换器和电压霍尔传感器。本方法检测电网电压降落的百分比，在电网故障发生时，将其与网侧变换器三相调制电压相乘，作为新的调制电压，以保持电网电压与网侧变换器输入端基波电压的电位差基本不变，网侧变换器交流输入电流基本不变，从而稳定直流母线电压。本方法无需增加硬件保护电路，系统结构简单。在电网发生三相短路故障时，有效抑制直流母线电压波动，网侧变换器输入电流波动，在发电机超同步运行时快速将转子电能馈送到电网，保护双馈感应发电机转子励磁变流器的安全运行。
文档编号H02P9/10GK101710815SQ20091019958
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者吴国祥, 宋小亮, 蔚兰, 陈国呈 申请人:上海大学