专利名称：电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种电网故障下双馈风力发电机(DFIG)转子侧逆变器的控制方法， 属于风力发电机控制领域。
背景技术：
基于双馈感应发电机(DFIG)的变速风电机组由于具有能量转换效率高，有功和 无功功率独立调节等优点，成为世界风电市场上的主流机型。DFIG定子侧直接和电网相连， 对电网故障非常敏感。电网故障会造成发电机定子电压突变，定子电流产生振荡，同时发电 机定子有功和无功功率和电磁转矩也会出现振荡现象。另外，由于转子与定子之间的强耦 合，突变的定子电压会导致转子电流大幅波动，影响到双馈电机的运行状态。当电网故障达 到一定程度时，为保护变频装置的运行安全，风电机组将不得不从电网中解列。大规模风电 机组从电网解列，将进一步恶化电网，对电网的稳定运行造成严重影响。对此，电网运营商 要求风电机组在电网电压发生跌落故障时，在一定范围内风力发电机不能脱离电网，并向 电网提供有功和无功支持。例如，英国国家电网要求在图1所示的电压范围内风电场能够 不脱网运行。图中电压范围所指为风电场连接点电压，由于发电机和连接点存在电气隔离， 电网故障时发电机机端电压跌落程度会小于连接点电压跌落程度。目前国内、外对电网故障下DFIG转子侧的控制方法主要是采用了转子短路保护 技术。该方法在电网故障时，虽然保护了励磁变流器和转子绕组，但此时发电机运行在感应 电动机方式，需要从电网吸收大量的无功功率，这将进一步恶化电网；第二，保护电路的投 切操作会对系统产生暂态冲击；另外，加设新的保护装置提高了系统成本。有学者引入新型 拓扑结构，该方案控制复杂，且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行，因此对电网 恢复正常运行起不到积极的支持作用；同样，该方案需要增加系统的成本。采用改进的励磁控制算法通过对转子侧的控制在一定程度上能够弥补电网电压 故障对双馈电机运行所造成的影响。其优点在于无需提高系统成本，且在电网跌落时可以 给电网提供有功无功支持。因此，有必要设计一种电网故障下DFIG转子电流的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种电网故障下DFIG转子 过电流抑制方法，该方法不需要添设额外的硬件装置，可以有效抑制电网故障引起的DFIG 转子电流振荡，实现双馈风力发电机的不脱网运行，提高DFIG在电网故障下的运行性能。为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案—种电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，包括下列步骤(1)检测三相定子电压，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；(2)将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标 系下的定子电压和转子电流；(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号经软件锁相环，得到定子磁链以及定子磁链位置角；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑 差角速度；根据步骤( 中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流以滑差角度进行Park 变换，得到旋转坐标下d、q轴转子电流；(4)将旋转坐标下d、q轴转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得 到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，将一次分量和二倍频分量实际值求和并进行 相位变换得到旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值；(5)将步骤中计算得到的旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值分别与 步骤C3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流相减，然后经过PI控制器计算得到 旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；(6)将旋转坐标系下d、q轴转子电压参考值以滑差角度为变换角进行反Park变 换，得到转子两相静止坐标系下的转子电压；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产 生控制功率器件的开关信号。作为进一步的实施方式，步骤(4)将转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞 后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，所述两个带通滤波器角频率ω。 分别设置为同步角速度《3和二倍频角速度2 步骤(4)中对所求的和进行的相位变换， 变换后的相位和原相位差180°。本发明的控制方法在不改动硬件结构的情况下，通过两个带通滤波器获得转子电 流中的一次分量和二倍频分量，将获得的一次分量和二倍频分量进行相位转换，再将转换 后的值作为转子电流给定值来达到抑制电网故障造成的转子过电流的目的，实现双馈风力 发电机的稳定控制和不脱网运行。同时，由于转子电流得到很好抑制，定子电流，定子有功、 无功功率以及电磁转矩在电网对称跌落故障时产生的一次分量也得到相应的改善。
图1为英国国家电网对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求。图2为电网故障下双馈风力发电机转子电流控制原理图。图3为定子电压80%三相跌落故障下采用传统矢量控制方法的电流控制效果 图，图中(a)为定子三相电压Usabe(KA) ； (b)为转子三相电流Irabe(KA) ； (c)为定子三相电 流Isabe(KA) ； (d)为电机转速n(r/min) ； (e)为电磁转矩Te(KN · m) ； (f)为定子有功功率 Ps(MW) ； (g)为定子无功功率A(MVar)。图4为定子电压80%三相跌落故障下采用本发明控制方法的电流抑制效果图， 图中(a)为定子三相电压Usabe(KA) ； (b)为转子三相电流Irabe(KA) ； (c)为定子三相电 流Isabe(KA) ； (d)为电机转速n(r/min) ； (e)为电磁转矩Te(KN · m) ； (f)为定子有功功率 Ps(MW) ； (g)为定子无功功率A(MVar)。图5为定子电压80%两相对地跌落故障下采用传统矢量控制方法的电流抑制效 果图，图中(a)为定子三相电压Usabe(KA) ； (b)为转子三相电流IMb。(KA) ； (c)为定子三相 电流Isab。(KA) ； (d)为电机转速n(r/min) ； (e)为电磁转矩Te (KN · m) ； (f)为定子有功功率 Ps(MW) ； (g)为定子无功功率A(MVar)。图6为定子电压80%两相对地跌落故障下采用本发明控制方法的电流抑制效果 图，图中(a)为定子三相电压Usabe(KA) ； (b)为转子三相电流Irabe(KA) ； (c)为定子三相电流Isabe(KA) ； (d)为电机转速n(r/min) ； (e)为电磁转矩Te(KN · m) ； (f)为定子有功功率 Ps(MW) ； (g)为定子无功功率A(MVar)。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。电网故障一般分为对称故障和不对称故障，对称故障一般是由电网三相对地短路 引起，不对称故障分为单相对地短路故障、二相对地短路故障和相间短路故障。电网故障会 造成的发电机定子电压的跌落，定子电压的变化将引起发电机定子磁链发生改变。正常情 况下发电机定、转子电压方程可表示为空间矢量形式
权利要求
1.一种电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，其特征在于包括以下步骤(1)检测三相定子电压，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；(2)将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下 的定子电压和转子电流；(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号经软件锁相环，得到定子磁链以及定子 磁链位置角；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑差角 速度；根据步骤O)中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流以滑差角度进行Park变 换，得到旋转坐标下d、q轴转子电流；(4)将旋转坐标下d、q轴转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转 子电流的一次分量和二倍频分量实际值，将一次分量和二倍频分量实际值求和并进行相位 变换得到旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值；(5)将步骤中计算得到的旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值分别与步骤 (3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流相减，然后经过PI控制器计算得到旋转 坐标系下d、q轴转子电压的参考值；(6)将旋转坐标系下d、q轴转子电压参考值以滑差角度为变换角进行反Park变换，得 到转子两相静止坐标系下的转子电压；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控 制功率器件的开关信号。
2.根据权利要求1所述的电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，其特征在 于步骤中将转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一 次分量和二倍频分量实际值，所述两个带通滤波器角频率ω。分别设置为同步角速度0^和 二倍频角速度2 ω s。
3.根据权利要求1所述的电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，其特征在 于步骤中对所求的和进行的相位变换，变换后的相位和原相位差180°。
全文摘要
本发明属于风力发电机功率变换装置控制领域，涉及一种电网故障下双馈风力发电机转子过电流抑制方法，该方法包括将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压和转子电流；计算定子磁链及位置角；计算滑差角度和滑差角速度；计算旋转坐标下d、q轴转子电流；将旋转坐标下d、q轴转子电流分别通过两个带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量和二倍频分量实际值，将一次分量和二倍频分量实际值求和并进行相位变换得到旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值；计算旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；计算转子两相静止坐标系下的转子电压；生成控制功率器件的开关信号。本发明可以有效抑制电网故障引起的DFIG转子电流振荡，实现双馈风力发电机的不脱网运行，提高DFIG在电网故障下的运行性能。
文档编号H02P21/08GK102082541SQ20101052397
公开日2011年6月1日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者史婷娜, 夏长亮, 王萌, 陈炜 申请人:天津大学