专利名称：电网电压瞬降时双馈感应风力发电机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电压瞬降时抑制双馈感应风力发电机定、转子过电流的系统
和方法，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受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，包括低电压穿越(Low Voltage Ride Though,LVRT)、无功控制、有功功率变化率控制和频率控制等，其中LVRT被认为是双馈风力发电设计制造技术上的最大挑战，直接关系到风力发电的推广应用。 低电压穿越是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持不脱网运行，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而"穿越"这个低电压时间(区域)。电网电压跌落会给电机带来一系列暂态过程，如出现定、转子的过压、过流或转速上升等，若仍采取传统的解列保护或增加Crowbar硬件保护电路，会增加整个系统的恢复难度，甚至加剧故障，最终导致系统其它机组全部解列，因此必须采取有效的LVRT措施来维护电网稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电网电压瞬降时双馈感应风力发电机低电压穿越的
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，可靠性高，在电网发生三相
对称短路、单相对地短路及两相对地短路，相间短路等故障时，均可有效抑制定、转子过电
流，保护发电机及转子励磁变流器的安全运行，在电网电压恢复时，使发电机快速投入正常
运行，减小电网电压恢复时对变流器的冲击。 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案 —种电网电压瞬降时双馈感应风力发电机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，转子励磁变换器由网侧变换器和转子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，双馈感应风力发电机转子绕组出线端安装电流霍尔传感器，由一个数字信号处
理器连接所述的转子励磁变换器、电压霍尔传感器和电流霍尔传感器，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电压瞬降判断，并利用电流霍尔传感器
采集的电流信号作为转子电流反馈值产生调制电压信号控制转子侧变换器。 上述的电网电压瞬降时双馈感应风力发电机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。转子侧变换器由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，电流传感器采用LEM的电流霍尔
传感器。
—种电网电压瞬降时双馈感应风力发电机低电压穿越控制方法，采用上述步骤进行检测及控制，其特征在于上述的数字信号处理器通过A/D转换芯片在每个采样周期采样P^点电压，并判断电压是否瞬降。若电压瞬降，则数字信号处理器对电流霍尔传感器采集的转子电流信号进行同步旋转坐标变换，并将双馈感应发电机转子中感应出的转子电流旋转分量以及电网不对称故障时负序分量滤出，将转子电流旋转分量以及负序分量反向加入转子电流给定值，作为新的转子电流给定，再由数字信号处理器生成调制电压信号控制转子侧变换器。上述由数字信号处理器生成调制电压信号控制转子侧变换器步骤如下
①利用上述电压霍尔传感器检测电网电压，当检测到电网电压瞬降时，执行如下步骤； ②对三相转子电流进行同步旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d轴水平分量irf和q轴垂直分量、；③将上述②中、和、经低通滤波，得到转子电流励磁分量" 、 U同步旋转
坐标系下为直流)。 ④用上述②中的ird、、分别减去上述③中的irdDC、i一C，得到转子电流旋转分量以及电网不对称故障时转子电流负序分量的和irfv、 "qV，即 <formula>formula see original document page 4</formula> <formula>formula see original document page 4</formula> ⑤将转子电流给定值ir/、i^减去上述④中求得"dv、"qv后，作为新的转子电流
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将、、'分别与转子电流ird、、相减后，经PI调节得到转子侧变换器调制电压信号。 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本发明是一种以数字信号处理器(DSP)为核心的对转子侧变换器进行控制的低电压穿越方
法，它不改变原有转子侧变换器的硬件结构，而根据电网电压瞬降时双馈感应发电机转子电流的特点，利用数字信号处理器处理速度快的特点，在软件上对转子电流进行同步旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下的转子电流，并对其进行低通滤波，将转子电流旋转分量以及电网不对称故障时转子电流负序分量滤出，将转子电流旋转分量以及负序分量反向加入转子电流给定值，作为新的转子电流给定，再由数字信号处理器生成调制电压控制转子侧变换器。这种控制方法简单实用，易于数字信号处理器的编程实现。
图1是本发明电网电压瞬降时双馈感应风力发电机低电压穿越控制系统结构 图2是电网对称故障发电机端电压降落到40%时，采用传统控制方式的定子电流实验波形； 图3是电网对称故障发电机端电压降落到40%时，采用LVRT控制方式的定子电流实验波形； 图4是发电网对称故障电机端电压降落到40%时，采用传统控制方式的转子电流实验波形； 图5是电网对称故障发电机端电压降落到40%时，采用LVRT控制方式的转子电流实验波形； 图6是电网对称故障发电机端电压降落到20%时，采用传统控制方式的定子电流实验波形； 图7是电网对称故障发电机端电压降落到20%时，采用LVRT控制方式的定子电流实验波形； 图8是电网对称故障发电机端电压降落到20%时，采用传统控制方式的转子电流实验波形； 图9是电网对称故障发电机端电压降落到20%时，采用LVRT控制方式的转子电流实验波形； 图10是电网两相对地短路故障发电机端电压降落到50%时，采用传统控制方式的定子电流实验波形； 图11是电网两相对地短路故障发电机端电压降落到50%时，采用LVRT控制方式的定子电流实验波形； 图12是电网两相对地短路故障发电机端电压降落到50%时，采用传统控制方式的转子电流实验波形； 图13是电网两相对地短路故障发电机端电压降落到50%时，采用LVRT控制方式的转子电流实验波形。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的一个优选实施例进行详述。参见图1，本电网电压瞬降时双馈感应风力发电机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1由转子侧变换器3和网侧变换器4两部分构成，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Prc上安装电压霍尔传感器5，双馈感应风力发电机1转子绕组出线端安装电流霍尔传感器6，由一个数字信号处理器7连接所述的转子励磁变换器2、电压霍尔传感器5和电流霍尔传感器6，所述的数字信号处理器7根据电压霍尔传感器5采集的电压信号进行电网电压瞬降判断，并利用电流霍尔传感器6采集的电流信号作为转子电流反馈值经计算得到调制电压信号控制转子侧变换器3。所述的数字信号处理器7采用TI公司的DSP2407或DSP2812，它通过调制算法模块输出调制信号。转子侧变换器3由IGBT功率管构成三相桥式电路实现。 本电网电压瞬降时双馈感应风力发电机低电压穿越控制方法采用上述系统进行
检测及控制，数字信号处理器7根据电压霍尔传感器5采集的电压信号进行电网电压瞬降
判断，若判断出电压瞬降，数字信号处理器7对电流霍尔传感器6采集的电流信号进行同步
旋转坐标变换，之后将电网电压瞬降时双馈感应发电机转子中感应出的转子电流旋转分量
以及电网不对称故障时转子电流负序分量滤出，将转子电流旋转分量以及负序分量反向加
入转子电流给定值后，作为新的转子电流给定，由数字信号处理器7计算生成调制电压信
号控制转子侧变换器3。上述转子侧变换器调制电压信号的产生步骤如下 ①利用上述电压霍尔传感器5检测电网电压，当检测到电网电压瞬降时，执行如
下步骤； ②对三相转子电流进行同步旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d轴水平分量ird和q轴垂直分量、；③将上述②中ird和、经低通滤波，得到转子电流励磁分量irdDC、 (同步旋转
坐标系下为直流)。 ④用上述②中的ird、、分别减去上述③中的irdDC、i一C，得到转子电流旋转分量以及电网不对称故障时负序分量的和irdv、 "qV，即 i由—ird_irdDC irqur — irq-irqDc ⑤将转子电流给定值ir/、i^减去上述④中求得"dv、"qv后，作为新的转子电流
么厶中i z i z
一P At^丄rd 、丄rq 0 将、 分别与转子电流ird、、相减后，经PI调节得到转子侧变流器调
制电压信号。
电网电压瞬降时双馈感应风力发电机低电压穿越控制方法原理简述如下
(1)电网故障发生时，假设转子开路 根据磁链守恒原则，磁链不能突变，如果外来条件迫使线圈的磁链发生突变时，线圈中就要感应出一个自由电流，该自由电流将产生一个反作用磁场以保持其磁链不发生突变。在电网三相对称故障发生瞬间，双馈感应发电机定子磁链可分解为以同步速度旋转的定子磁链分量，其大小由当前定子电压值确定；由定子电压突降所引起的定子磁链直流分量，此直流分量在空间保持静止，并以一定的时间速率衰减。电网发生不对称故障时，除上述两个分量外，还存在以同步速度反向旋转的定子磁链负序分量。以上三个分量中，定子磁链直流分量，以转子转速切割转子绕组，在电机转子中产生与转子转速成正比的旋转电动势，该旋转电动势是引起转子过电压、过电流的主要原因。当电网发生不对称故障时，定子磁链负序分量以同步速度与转子转速之和切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电势。
(2)电网故障发生时，转子连接变流器 双感应风力发电机正常运行时转子由转子侧变流器提供励磁电流，当电网三相对称故障发生时，转子电流由两个分量组成转子电流励磁分量、由定子磁链直流分量引起的转子电流旋转分量。电网不对称故障时，除上述两个分量外，转子电流还增加了 一个负序分量。上述这些分量共同作用的结果，造成电网故障时转子产生过电流现象。
(3)电网故障切除时 电网故障消失，即电网电压恢复正常值的过程通常称电网故障切除，它是故障发生的逆过程。电网电压由故障恢复到正常值的过程中，发电机定子电压同样会出现突变，根据以上分析，发电机定子中将产生定子磁链直流分量，使转子感应电势突增。若转子与变流器相连，则转子同样会出现过电流。(4)双馈感应风力发电机低电压穿越控制方法 上已述及，双馈感应风力发电机在电网三相对称故障时，转子电流由两个分量组成，当电网不对称故障时，还增加了一个负序分量。本说明书从抑制转子电流中旋转分量以及负序分量的角度出发，提出一种转子侧变流器低电压穿越的控制方法。 设双馈感应发电机转子三相电流为ira、 irt、 ire，对其进行同步旋转坐标变换得到同步旋转坐标系下转子电流的d、q轴分量ird、ir,，经坐标变换后，转子电流中的励磁分量为直流量，而转子电流旋转分量以及电网不对称故障时负序分量为交流量。将ird、ir。经低通滤波后，得到转子电流励磁分量(直流量)ird。e、 i一e，用"d、 "q分别减去" 、 i一e得到转
子电流旋转分量以及负序分量的和irdV、 "。V，即<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula> 为抵消定子磁链直流分量(以及电网不对称故障时负序分量)对转子的作用，将转子电流给定"/、 "q*减去上述"dv、 "qv，作为本方法中新的转子电流给定，即
<formula>formula see original document page 7</formula> <formula>formula see original document page 7</formula> 将、 分别与转子电流irf、、相减后，经PI调节得到转子侧变流器调制
电压信号。 图2-图9为电网对称故障时，转子侧变流器分别采用传统控制方法和LVRT控制方法的定、转子电流的实验波形。图2-图5为电网对称故障发电机端电压降落到40%时的定、转子电流，图2和图3分别是采用传统控制方式和LVRT控制方式是的定子电流实验波形，后者由于对定子磁链直流分量进行了抵消，因此定子电流直流偏置明显减小；图4和图5分别为采用传统控制方式和LVRT控制方式的转子电流实验波形，在故障发生和解除的时，后者转子过电流被有效抑制。图6-图9是电网对称故障电机发电机端电压降落到20%时的定、转子电流，图6和图7分别为采用传统控制方式和LVRT控制方式的定子电流实验波形，在故障发生和解除时，后者定子电流明显减小；图8和图9是分别采用传统控制方式和LVRT控制方式的转子电流实验波形，后者转子电流基本保持电网正常时的发电机转子励磁电流的大小。图10-13是电网两相对地短路发电机端电压降落到50%时的定、转子电流，图10和图11是分别采用传统控制方式和LVRT控制方式的定子电流实验波形，在故障发生及解除时，后者定子电流较小；图12和图13是分别采用传统控制方式和LVRT控制方式的转子电流实验波形，采用传统控制方式时由定子电流负序分量引起的转子电流负序分量在故障时非常明显，而采用LVRT控制方法转子中的负序电流得到有效抑制。
权利要求
一种电网电压瞬降时双馈感应风力发电机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)，所述转子励磁变换器(2)由转子侧变换器(3)和网侧变换器(4)两部分构成，其特征在于所述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)，所述双馈感应风力发电机(1)转子绕组出线端装有电流霍尔传感器(6)，由一个数字信号处理器(7)连接所述转子励磁变换器(2)、电压霍尔传感器(5)和电流霍尔传感器(6)，所述数字信号处理器(7)根据电压霍尔传感器(5)采集的电压信号进行电网电压瞬降判断，并利用电流霍尔传感器(6)采集的电流信号计算得到调制电压信号控制转子侧变换器(3)。
2. —种电网电压瞬降时双馈感应风力发电机低电压穿越控制方法，采用权利要求1所述的电网电压瞬降时双馈感应风力发电机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(7)根据电压霍尔传感器(5)采集的电压信号进行电网电压瞬降判断，若判断出电压瞬降，数字信号处理器(7)对电流霍尔传感器(6)采集的转子电流信号进行同步旋转坐标变换，之后将电网电压瞬降时双馈感应风力发电机(1)转子中感应出的转子电流旋转分量以及电网不对称故障时转子电流负序分量滤出，将转子电流旋转分量以及负序分量反向加入转子电流给定值后，作为新的转子电流给定，再由数字信号处理器(7)计算生成调制电压信号控制转子侧变换器(3)。
3. 根据权利2所述的电网电压瞬降时双馈感应风力发电机低电压穿越控制方法，其特征为所述由数字信号处理器(7)计算生成调制电压信号控制转子侧变换器(3)步骤如下① 利用所述电压霍尔传感器(5)检测电网电压，当检测到电网电压瞬降时，执行如下步骤；② 对双馈感应风力发电机(1)三相转子电流进行同步旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d轴水平分量L和q轴垂直分量、；③ 将步骤②中、和、经低通滤波，得到转子电流励磁分量"dDC、 、DC。④ 用步骤②中的ird、、分别减去步骤③中的irdDC、irJ)C，得到转子电流旋转分量以及电网不对称故障时转子电流负序分量的和irdv、 "qV，即<formula>formula see original document page 2</formula>⑤ 将转子电流给定值"/、",*减去步骤 中求得"dv、"qv后，作为新的转子电流给定丄rd 、丄rq ， 将ird' 、 ir/分别与转子电流ird、、相减后，经PI调节得到转子侧变换器(3)调制电压信号。
全文摘要
本发明涉及一种电网电压瞬降时双馈感应风力发电机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，双馈感应风力发电机转子绕组出线端安装电流霍尔传感器一个数字信号处理器连接转子励磁变换器、电压霍尔传感器和电流霍尔传感器。本方法检测转子电流并对其进行同步旋转坐标变换，将电网电压瞬降时产生的定子磁链直流分量以及负序分量在转子上产生的感应电流滤出，并将其反向加入转子电流给定值，在转子中产生与定子磁链直流分量及负序分量相反的磁场，快速削弱定子磁链直流分量和负序分量，减小定子磁链直流分量以及负序分量对转子侧的影响，最终达到减小定子电流直流分量及负序分量的目标。本控制方法无需增加硬件保护电路，系统结构简单，可靠性高。
文档编号H02P9/00GK101710715SQ20091019958
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