一种双馈异步风力发电机高电压穿越的协调控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种双馈异步风力发电机高电压穿越的协调控制方法，其以双馈异步风力发电机及其网侧和转子侧变换器的数学模型为基础，计算电网电压高电压时双馈风电机组网侧和转子侧变流器有功、无功功率的分配原则，给出了其有功、无功电流的极限表达，基于此提出了一种能为电网有效提供动态无功支持和消除直流母线电压、有功功率、无功功率和电磁转矩波动的高电压穿越实现方案。本发明可以克服现有技术中风电机组高压穿越能力弱和电网稳定性差等缺陷，达到电网电压高电压时对发电机优化控制的目标；并完全可在原有低电压穿越硬件基础上实施，与机组现有低电压穿越方案实现衔接，构成可应对电网电压幅值骤变的广义电压故障穿越控制策略。
【专利说明】-种双馈异步风力发电机高电压穿越的协调控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力发电机控制【技术领域】，具体涉及一种双馈异步风力发电机高电压 穿越的协调控制方法。
【背景技术】
[0002] 双馈异步风力发电机（DFIG)系统中发电机定子通过变压器与电网直接联接，电 网出现的故障将直接影响到发电机本身的运行。另外其与转子相连的励磁变换器的容量有 限，仅能对发电机实施有限能力的控制，与基于全功率变换器的风力发电系统相比，双馈异 步风电系统表现出对电网故障非常敏感，承受能力也较差的特点。
[0003] 目前，大量发明及研究均是关于电网电压跌落故障对风电机组的影响及低电压穿 越（LVRT)技术，而电网电压骤升对风电机组的影响及相应的高电压穿越（HVRT)【技术领域】 的研究与发明相对较少。与电压跌落相对应，电压骤升也是一种电网电压异常现象，发生在 电网电压恢复或电网无功功率过剩时刻。在配置无功补偿装置的风电场中，正常情况下其 无功功率处于动态平衡，但当电网电压发生跌落时，常会引发一些无 LVRT能力的风电机组 从电网中解列，此时无功补偿装置如未得到及时调节，将导致电网无功功率过剩，进而抬升 并网点的端电压。那些曾通过LVRT考验的机组如未考虑过电压保护设计，此时也不得不继 续从电网中解列，再次造成风电机组大规模脱网。因此，DFIG暂态保护设计中除需认真考 虑电压跌落故障外，还需防范电压骤升的危害，以实现机组的高电压穿越运行。
[0004] 随着风力发电装机容量的不断扩大和并网准则的完善，具有HVRT能力已逐步成 为对风电场的必然要求。近年来关于HVRT方案的研究与发明可概括为两大类：基于增加硬 件电路的HVRT方案；基于改进系统控制策略的HVRT方案。其中基于硬件的HVRT方案主要 是通过附加硬件设备对双馈风电变流器实施拓扑结构的改造以提升风电机组HVRT能力。 显然这些基于硬件的解决方案中，由于增加了成套的硬件系统，成本大幅增加，同时系统的 设计和控制也更加复杂。
[0005] 而很多基于改进系统控制策略的HVRT的发明，没有深入讨论电网电压骤升期间 风电机组网侧变流器、转子侧变流器的运行安全要求，也未分析两变流器各自及其相互间 的有功、无功功率约束关系，所提出的控制策略尚未考虑风电机组的动态无功支持能力，难 以满足并网导则对风电机组日益严格的入网要求，而有些仅从变流器角度给出了 HVRT的 解决思路，没有充分考虑电机自身的电磁暂态特性。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种双馈异步风力发电机高 电压穿越的协调控制方法，具有风电机组高压穿越能力强和电网适应性好的优点，以及对 已经装备低电压穿越设施的风电机组本发明无需增加额外硬件，且控制结构简单，能够达 到较好的静态和动态性能。
[0007] -种双馈异步风力发电机高电压穿越的协调控制方法，如下：
[0008] 对于DFIG机侧变流器的控制；
[0009] A1.采集DFIG的三相定子电压Usab。、三相定子电流Isab。、三相转子电流I rab。、转速 和转子位置角利用锁相环（PLL)提取三相定子电压的角频率c〇s和相位0s，进而 根据相位Θ s对三相定子电压Usab。、三相定子电流Isab。和三相转子电流I Mb。进行dq变换， 对应得到d_q旋转坐标系中的定子电压矢量Usdq、定子电流矢量1_和转子电流矢量;
[0010] A2.根据转子电流矢量通过解耦补偿算法计算出转子电压前馈补偿量Λ ; 根据定子电压矢量U_和定子电流矢量Isdq通过暂态磁链补偿算法计算出转子电流灭磁补 偿量1__。_，并通过定子功率计算得到DFIG的机侧有功功率P s和机侧无功功率Qs ;
[0011] A3.使给定的机侧参考有功功率PSMf和机侧参考无功功率Q_f分别减去机侧有功 功率Ps和机侧无功功率Qs后，通过PI调节并利用转子电流灭磁补偿量1__。_进行补偿， 得到转子电流指令I__Mf;使转子电流指令减去转子电流矢量1_后，通过PI调节 并利用转子电压前馈补偿量△ 进行补偿，得到转子电压指令U_ ;
[0012] A4.对转子电压指令Urigef进行Park反变换得到α-β静止坐标系下的转子电 压指令，进而通过SVPWM(空间矢量脉宽调制）构造得到一组开关信号以对DFIG机侧变流 器进行控制；
[0013] 对于DFIG网侧变流器的控制；
[0014] B1.采集三相电网电压Ugab。和三相电网电流Igab。以及DFIG网侧变流器的直流母 线电压v d。和直流母线电流Id。；利用锁相环提取三相电网电压的角频率ω g和相位Θ g，进 而根据相位Θ g对三相电网电压Ugab。和三相电网电流Igab。进行dq变换，对应得到d_q旋转 坐标系中的电网电压矢量U gd(^P电网电流矢量Igdq ;
[0015] B2.根据电网电压矢量UgdjP电网电流矢量Igdq通过解耦补偿算法计算出电网电 压前馈补偿量Λ Ugdq ;使给定的参考直流母线电压Vd_f减去直流母线电压Vd。后通过PI调 节，得到网侧d轴电流指令值I gdMf ;
[0016] B3.使网侧d轴电流指令值Igd,ef减去电网电流矢量Igdq的d轴分量I gd并加上负 载电流前馈补偿量Λ IlMd，使给定的网侧q轴电流指令值Ig_f减去电网电流矢量I gdq的q 轴分量Igq，进而通过PI调节并利用电网电压前馈补偿量Λ Ugdq进行补偿，得到网侧电压指 7 Ugdq-ref ;
[0017] B4.对网侧电压指令Ugd(LMf进行Park反变换得到α-β静止坐标系下的网侧电 压指令，进而通过SVPWM构造得到一组开关信号以对DFIG网侧变流器进行控制。
[0018] 所述的步骤A2中通过暂态磁链补偿算法计算转子电流灭磁补偿量1_。_的具体 过程如下：
[0019] 首先，根据定子电压矢量Usd(^P定子电流矢量1_，通过定子磁链观测计算出DFIG 的定子磁链vs;
[0020] 然后，使定子磁链通过陷波器分离得到其稳态分量Vsf，使定子磁链减去 其稳态分量v sf得到定子磁链的暂态分量Ψ3η;
[0021] 最后，对暂态分量Ψ3η进行比例放大后即得到转子电流灭磁补偿量
[0022] 所述的机侧参考有功功率Ps,ef为DFIG在正常电网条件下的最大风能追踪模式指 令值。
[0023] 所述的机侧参考无功功率Q_f在满足以下关系式的条件下取值：
[0024]
【权利要求】
1. 一种双馈异步风力发电机高电压穿越的协调控制方法，如下： 对于DFIG机侧变流器的控制； A1.采集DFIG的三相定子电压Usabc、三相定子电流Isabc、三相转子电流I Mbc、转速、和 转子位置角利用锁相环提取三相定子电压的角频率c〇s和相位0s，进而根据相位0s 对三相定子电压Usab。、三相定子电流Isab。和三相转子电流Irab。进行dq变换，对应得到d-q 旋转坐标系中的定子电压矢量Usdq、定子电流矢量1_和转子电流矢量; A2.根据转子电流矢量通过解耦补偿算法计算出转子电压前馈补偿量AU_;根据 定子电压矢量U_和定子电流矢量通过暂态磁链补偿算法计算出转子电流灭磁补偿量 Iri(L_P，并通过定子功率计算得到DFIG的机侧有功功率Ps和机侧无功功率Q s ; A3.使给定的机侧参考有功功率PSMf和机侧参考无功功率Q_f分别减去机侧有功功率 Ps和机侧无功功率Qs后，通过PI调节并利用转子电流灭磁补偿量1__。_进行补偿，得到转 子电流指令;使转子电流指令减去转子电流矢量后，通过PI调节并利用 转子电压前馈补偿量△仏 (1(1进行补偿，得到转子电压指; A4.对转子电压指令进行Park反变换得到α-β静止坐标系下的转子电压指 令，进而通过SVPWM构造得到一组开关信号以对DFIG机侧变流器进行控制； 对于DFIG网侧变流器的控制； Β1.采集三相电网电压Ugab。和三相电网电流Igab。以及DFIG网侧变流器的直流母线电 压1。和直流母线电流Id。；利用锁相环提取三相电网电压的角频率c〇g和相位0g，进而根 据相位Θ g对三相电网电压Ugab。和三相电网电流Igab。进行dq变换，对应得到d-q旋转坐标 系中的电网电压矢量U gd(^P电网电流矢量Igdq ; B2.根据电网电压矢量Ugdq和电网电流矢量Igdq通过解耦补偿算法计算出电网电压前 馈补偿量Λ Ugdq ;使给定的参考直流母线电压Vd_f减去直流母线电压Vd。后通过PI调节， 得到网侧d轴电流指令值I gdMf ; B3.使网侧d轴电流指令值IgdMf减去电网电流矢量Igdq的d轴分量18(1并加上负载电流 前馈补偿量Λ IlMd，使给定的网侧q轴电流指令值Ig_f减去电网电流矢量I gdq的q轴分量 ΙΜ，进而通过PI调节并利用电网电压前馈补偿量Λ Ugdq进行补偿，得到网侧电压指令Ugdq ref * B4.对网侧电压指令Ugd(LMf进行Park反变换得到α-β静止坐标系下的网侧电压指 令，进而通过SVPWM构造得到一组开关信号以对DFIG网侧变流器进行控制。
2. 根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于：所述的步骤A2中通过暂态磁链 补偿算法计算转子电流灭磁补偿量的具体过程如下 ： 首先，根据定子电压矢量Usd(^P定子电流矢量1_，通过定子磁链观测计算出DFIG的定 子磁链; 然后，使定子磁链通过陷波器分离得到其稳态分量Vsf，使定子磁链11^减去其稳 态分量Vsf得到定子磁链的暂态分量Ψ3η; 最后，对暂态分量1^"进行比例放大后即得到转子电流灭磁补偿量1__。_。
3. 根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于：所述的机侧参考有功功率PSMf 为DFIG在正常电网条件下的最大风能追踪模式指令值。
4. 根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于：所述的机侧参考无功功率QSMf 在满足以下关系式的条件下取值：
其中：Us为三相定子电压Usab。的幅值，Ls为DFIG的定子电感，L m为DFIG的定转子互 感，s为DFIG的滑差率且s = (c〇s-c^)/c〇s，Pt为DFIG总的有功功率，〇^为电网角频率， IM为DFIG机侧变流器的最大允许电流。
5.根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于：所述的网侧q轴电流指令值 Ig_f在满足以下关系式的条件下取值：
其中：Ug为三相电网电压Ugab。的幅值，Ι_χ为DFIG网侧变流器的最大允许电流，s为 DFIG的滑差率且s = (c〇s-c^)/cos，Pt为DFIG总的有功功率，ωι为电网角频率，L g为进 线电抗器的电感。
【文档编号】H02P9/10GK104113077SQ201410305648
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】孙丹, 熊平化, 方扬 申请人:浙江大学