一种交流励磁电源故障穿越控制系统的制作方法

本发明涉及一种双馈风电机组用交流励磁电源，尤其涉及的是，一种交流励磁电源故障穿越控制系统。

背景技术：

双馈风电机组的故障穿越能力受到交流励磁电源容量的限制，其对公共连接点电压的故障比较敏感，需要采取保护措施，抑制双馈发电机dfig转子侧过电流，保护交流励磁电源。采用改进交流励磁电源的控制技术，如比例谐振控制技术、双dq-pi转子电流控制技术、基于电压的功率补偿方法、采用主动阻尼器的控制方法等可以抑制交流励磁电源的过电流，可以提高公共连接点pcc电压跌落故障期间双馈风电机组的运行能力。

采用转子撬棒crowbar和定子撬棒crowbar保护技术作为双馈风电机组实现故障穿越的有效手段之一，其在公共连接点电压跌落故障期间，封锁交流励磁电源的触发脉冲，同时在双馈发电机转子侧接通撬棒电阻，可以有效限制双馈发电机dfig转子过电流。

在双馈发电机dfig定子侧加装辅助装置如动态电压恢复器，可以保护交流励磁电源。

部分文献将上述多个故障穿越方法组合运用，保护交流励磁电源，实现双馈风电机组的故障穿越，收到了一定的效果。

少量文献考虑在双馈发电机dfig的定子侧、转子侧和机侧变流器与网侧变流器的交流侧之间安装三相电子开关，根据公共连接点pcc电压情况控制电子开关的导通和关断，将机侧变流器mc的交流侧接入公共连接点pcc，将其作静止无功发生器使用，帮助公共连接点电压恢复，具有一定的理论意义。

但是，现有技术主要存在以下不足：

1、公共连接点pcc电压发生不对称跌落故障时，传统的比例积分谐振控制方法仅考虑电流内环的控制，由于采样和处理电路的延时滞后，直流电容器电压会存在二次纹波，此二次纹波会在网侧变流器gc的交流侧产生谐波电流，控制效果不理想。

2、采用撬棒crowbar保护电路的双馈风电机组故障穿越技术，在撬棒crowbar保护电路投入工作过程中，双馈发电机dfig转子侧的交流励磁电源退出工作，交流励磁电源失去对双馈发电机dfig的控制作用，不能为公共连接点电压恢复提供无功功率支撑，此时网侧变流器gc即使输出无功功率，其输出无功功率的容量较小。

3、仅在双馈发电机dfig的定子侧、转子侧和机侧变流器与网侧变流器的交流侧之间安装三相电子开关，会造成公共连接点电压故障时双馈发电机dfig的频繁启停，不利于双馈发电机dfig的控制，同时没有考虑公共连接点pcc电压发生不对称跌落故障时交流励磁电源的控制方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种交流励磁电源故障穿越控制系统，不仅能够实现公共连接点pcc电压轻度跌落时的故障穿越，也能够实现pcc电压深度跌落时的故障穿越；公共连接点pcc电压发生轻度跌落故障时，机侧变流器mc采用转速与pcc电压有效值外环和电流内环的双环控制策略，pcc电压有效值外环可帮助公共连接点pcc电压恢复，电流内环采用比例积分谐振控制和可变阻尼器并联的控制方法，不仅可消除公共连接点pcc电压不对称跌落故障引起的机侧变流器mc交流侧负序电流，也可以抑制双馈发电机dfig转子过电流，实现双馈发电机dfig的故障穿越运行；在pcc电压深度跌落故障时机侧变流器mc工作于静止无功发生器工作方式，且其采用无功功率外环和电流内环的双环控制策略，此时网侧变流器gc也采用无功功率外环和电流内环的双环控制策略，两者配合以增强交流励磁电源发出无功功率的能力，提高双馈风电机组的故障穿越能力；在交流励磁电源的网侧变流器gc采用双环控制策略，直流电压外环采用比例积分谐振控制方法，无功功率外环采用传统pi控制方法，电流内环采用比例积分谐振控制方法，不仅能够满足公共连接点pcc电压对称跌落时的故障穿越要求，也能满足pcc电压发生不对称跌落时的故障穿越要求。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。提供一种交流励磁电源故障穿越控制系统，主要用于双馈风电机组，其特征在于，包括三相电子开关k1、三相电子开关k2、交流励磁电源主电路、直流电压测量单元、三相交流电压测量单元、三相交流电流测量单元一、三相交流电流测量单元二、锁相环单元、风速测量单元、双馈发电机测速单元、双馈发电机转子位置检测单元、交流励磁电源控制单元；

所述交流励磁电源包括网侧变流器gc、机侧变流器mc和直流电容器c，所述网侧变流器gc和所述机侧变流器mc结构相同，采用三相半桥结构；所述网侧变流器gc和所述机侧变流器mc的直流侧同时与所述直流电容器c并联连接，所述网侧变流器gc和所述机侧变流器mc的交流侧分别连接滤波电路lcl1和lcl2；

所述三相电子开关k1、所述三相电子开关k2为电力电子开关器件gto、igbt或igct组成的电路；

所述网侧变流器gc交流侧lcl1的输出端连接至双馈发电机的定子输出端，称其为公共连接点pcc；所述机侧变流器mc交流侧lcl2的输出端连接至所述三相电子开关k1的一侧与所述三相电子开关k2的一侧，三相电子开关k1的另一侧连接双馈发电机的转子端口，所述三相电子开关k2的另一侧连接至公共连接点pcc。

优选的，所述直流电压测量单元输入端连接所述直流电容器c两侧，其输出端连接交流励磁电源控制单元的直流电压输入端；所述三相交流电压测量单元输入端连接所述网侧变流器gc交流侧，其输出端连接交流励磁电源控制单元的交流电压输入端；所述三相交流电流测量单元一输入端连接所述网侧变流器gc交流侧lcl1的输出端，其输出端连接交流励磁电源控制单元的交流电流输入端一；所述三相交流电流测量单元二输入端连接所述机侧变流器交流侧lcl2的输出端，其输出端连接交流励磁电源控制单元的交流电流输入端二；所述锁相环单元的输入端连接公共连接点pcc，其输出连接交流励磁电源控制单元的定子相角输入端；所述风速测量单元的输入端连接风力机的风速捕获装置，其输出端连接交流励磁电源控制单元的风速输入端；所述双馈发电机测速单元的输入端连接双馈发电机的转轴，其输出端连接交流励磁电源控制单元的转速输入端；所述双馈发电机转子位置检测单元的输入端连接双馈发电机的转轴，其输出端连接交流励磁电源控制单元的转子相角输入端；所述交流励磁电源控制单元的输出端一连接所述网侧变流器gc主电路的六个功率开关器件；所述交流励磁电源控制单元的输出端二连接所述机侧变流器mc主电路的六个功率开关器件。

优选的，所述交流励磁电源的风速输入端的信号送入特定风力机的最大功率追踪查询表，查询表输出该风速下对应的最大功率和最佳转速。

优选的，所述交流励磁电源的机侧变流器mc共有两套控制程序，当公共连接点pcc电压跌落幅度较小，引起双馈发电机转子过电流幅度不大时，所述三相电子开关k1闭合，所述三相电子开关k2断开，机侧变流器mc采用双环控制策略一，其电流内环为比例积分谐振控制并联可变阻尼器控制，有效控制双馈发电机输出有功功率和无功功率，帮助公共连接点pcc电压恢复；当公共连接点pcc电压跌落幅度较大，引起双馈发电机转子过电流幅度较大时，所述三相电子开关k1断开，所述三相电子开关k2闭合，机侧变流器mc采用双环控制策略二，工作于静止无功发生器模式，与网侧变流器gc一起为公共连接点pcc提供无功功率，帮助公共连接点pcc电压恢复。

优选的，机侧变流器mc的双环控制策略一，外环包括转速和公共连接点pcc电压幅值，采用pi控制方法；内环包括双馈发电机转子电流的d、q轴分量，采用比例积分谐振控制方法。

优选的，机侧变流器mc的双环控制策略一的内环电流控制包括可变阻尼器控制策略，可变阻尼器采用电阻电感串联电路，且其中的电阻和电感分别随着公共连接点pcc电压跌落的程度变化，可变阻尼器的输出与比例积分谐振控制器输出叠加，作为控制信号产生触发脉冲，驱动机侧变流器主电路功率开关器件。

优选的，机侧变流器mc的双环控制策略二，外环包括直流侧电压和机侧变流器mc输出无功功率，其中直流侧电压控制环采用比例积分谐振控制方法，无功功率控制环采用pi控制方法；内环包括机侧变流器mc输出电流的d、q轴分量，采用比例积分谐振控制方法。

优选的，网侧变流器gc采用双环控制策略，外环包括直流侧电压和网侧变流器gc输出无功功率，其中直流侧电压采用比例积分谐振控制方法，无功功率控制环采用pi控制方法；内环包括网侧变流器gc输出电流的d、q轴分量，采用比例积分谐振控制方法。

本发明的交流励磁电源故障穿越控制系统独有的技术特征是：交流励磁电源中机侧变流器mc采用的可变阻尼器故障穿越技术，其反馈电阻电感的取值随pcc电压的跌落程度实时优化，有效抑制双馈发电机dfig转子过电流；网侧变流器gc的直流侧电压控制环采用比例积分谐振控制方法，电流内环也采用比例积分谐振控制方法；机侧变流器mc采用两套控制策略，轻度跌落故障时采用的控制策略1中pcc电压有效值外环可帮助公共连接点pcc电压恢复，深度跌落故障时采用的控制策略2中无功功率外环可以提高机侧变流器mc输出无功功率的能力；机侧变流器mc的控制策略1中电流内环采用比例积分谐振控制和可变阻尼器并联的控制方法，不仅可消除公共连接点pcc电压不对称跌落故障引起的机侧变流器mc交流侧负序电流，也可以抑制双馈发电机dfig转子过电流。

本发明的交流励磁电源故障穿越控制系统的有益效果是：本发明提供的一种交流励磁电源故障穿越控制系统，不仅能够实现公共连接点pcc电压轻度跌落时的故障穿越，也能够实现pcc电压深度跌落时的故障穿越；公共连接点pcc电压发生轻度跌落故障时，机侧变流器mc采用转速与pcc电压有效值外环和电流内环的双环控制策略，pcc电压有效值外环可帮助公共连接点pcc电压恢复，电流内环采用比例积分谐振控制和可变阻尼器并联的控制方法，不仅可消除公共连接点pcc电压不对称跌落故障引起的机侧变流器mc交流侧负序电流，也可以抑制双馈发电机dfig转子过电流，实现双馈发电机dfig的故障穿越运行；在pcc电压深度跌落故障时机侧变流器mc工作于静止无功发生器工作方式，且其采用无功功率外环和电流内环的双环控制策略，此时网侧变流器gc也采用无功功率外环和电流内环的双环控制策略，两者配合以增强交流励磁电源发出无功功率的能力，提高双馈风电机组的故障穿越能力；在交流励磁电源的网侧变流器gc采用双环控制策略，直流电压外环采用比例积分谐振控制方法，无功功率外环采用传统pi控制方法，电流内环采用比例积分谐振控制方法，不仅能够满足公共连接点pcc电压对称跌落时的故障穿越要求，也能满足pcc电压发生不对称跌落时的故障穿越要求。

附图说明

图1是本发明的交流励磁电源故障穿越控制系统总体结构图；

图2是本发明的交流励磁电源故障穿越控制系统控制流程图；

图3是本发明的机侧变流器控制框图；

图4是本发明的可变阻尼器结构图；

图5是本发明的dfig引入可变阻尼器的单相转子电流控制框图；

图6是本发明的引入可变阻尼器的dfig单相转子等效电路；

图7是本发明的机侧变流器控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，下面的实施例可以组合使用，并且，本发明可利用各种形式来实现，不限于本说明书所描述各个具体的实施例，提供这些实施例的目的是对本发明的公开内容更加透彻全面地说明，便于理解。

本发明的一个例子是，一种交流励磁电源故障穿越控制系统，主要用于双馈风电机组，交流励磁电源故障穿越控制系统如图1所示，包括三相电子开关k1101、三相电子开关k2102、交流励磁电源主电路103、直流电压测量单元104、三相交流电压测量单元105、三相交流电流测量单元一106、三相交流电流测量单元二107、锁相环单元108、风速测量单元109、双馈发电机测速单元110、双馈发电机转子位置检测单元111、交流励磁电源控制单元112；

所述背交流励磁电源103包括网侧变流器gc、机侧变流器mc和直流电容器c，所述网侧变流器gc和所述机侧变流器mc结构相同，采用三相半桥结构；所述网侧变流器gc和所述机侧变流器mc的直流侧同时与所述直流电容器c并联连接，所述网侧变流器gc和所述机侧变流器mc的交流侧分别连接滤波电路lcl1和lcl2；

所述滤波电路lcl1和lcl2具有相同的结构；

所述网侧变流器gc交流侧lcl1的输出端连接至双馈发电机的定子输出端，称其为公共连接点pcc；所述机侧变流器mc交流侧lcl2的输出端连接至所述三相电子开关k1101的一侧与所述三相电子开关k2102的一侧，三相电子开关k1101的另一侧连接双馈发电机的转子端口，所述三相电子开关k2102的另一侧连接至公共连接点pcc；

所述三相电子开关k1101、所述三相电子开关k2102为电力电子开关器件gto、igbt或igct组成的电路，公共连接点pcc电压正常时，所述三相电子开关k1101闭合，所述三相电子开关k2102断开。

优选的，所述直流电压测量单元104输入端连接所述直流电容器c两侧，其输出端连接交流励磁电源控制单元112的直流电压输入端；所述三相交流电压测量单元105输入端连接所述网侧变流器gc交流侧，其输出端连接交流励磁电源控制单元112的交流电压输入端，交流励磁电源控制单元112在其内部将该电压进行clark变换和park变换，得到ugd、ugq；所述三相交流电流测量单元一106输入端连接所述网侧变流器gc交流侧lcl1的输出端，其输出端连接交流励磁电源控制单元112的交流电流输入端一，交流励磁电源控制单元112在其内部将该电流进行clark变换和park变换，得到igd、igq；所述三相交流电流测量单元二107输入端连接所述机侧变流器交流侧lcl2的输出端，其输出端连接交流励磁电源控制单元112的交流电流输入端二，交流励磁电源控制单元112在其内部将该电流进行clark变换和park变换，得到i2d、i2q；所述锁相环单元108的输入端连接公共连接点pcc，其输出连接交流励磁电源控制单元112的定子相角输入端；所述风速测量单元109的输入端连接风力机的风速捕获装置，其输出端连接交流励磁电源控制单元112的风速输入端；所述双馈发电机测速单元110的输入端连接双馈发电机的转轴，其输出端连接交流励磁电源控制单元112的转速输入端；所述双馈发电机转子位置检测单元111的输入端连接双馈发电机的转轴，其输出端连接交流励磁电源控制单元112的转子相角输入端；所述交流励磁电源控制单元112的输出端一连接所述网侧变流器gc主电路的六个功率开关器件；所述交流励磁电源控制单元112的输出端二连接所述机侧变流器mc主电路的六个功率开关器件。

优选的，所述交流励磁电源控制单元112的风速输入端的信号送入特定风力机的最大功率追踪查询表，查询表输出该风速下对应的最大功率和最佳转速，该最佳转速经过变速齿轮箱对应双馈发电机dfig最大功率的转速，所述交流励磁电源的机侧变流器mc控制双馈发电机dfig转子电流，使其输出最大电功率。

优选的，所述交流励磁电源的机侧变流器mc共有两套控制程序，当公共连接点pcc电压跌落幅度较小，引起双馈发电机转子过电流幅度不大时，所述三相电子开关k1闭合，所述三相电子开关k2断开，机侧变流器mc采用双环控制策略一，其电流内环为比例积分谐振控制并联可变阻尼器控制，有效控制双馈发电机输出有功功率和无功功率，帮助公共连接点pcc电压恢复；当公共连接点pcc电压跌落幅度较大，引起双馈发电机转子过电流幅度较大时，所述三相电子开关k1断开，所述三相电子开关k2闭合，机侧变流器mc采用双环控制策略二，工作于静止无功发生器模式，与网侧变流器gc一起为公共连接点pcc提供无功功率，帮助公共连接点pcc电压恢复，具体控制流程图如图2所示。

优选的，机侧变流器mc的双环控制策略一，外环包括转速和公共连接点pcc电压幅值，采用pi控制方法；内环包括双馈发电机转子电流的d、q轴分量，采用比例积分谐振控制方法，具体控制框图如图3所示，机侧变流器mc的双环控制策略一的内环电流控制包括可变阻尼器控制策略。

在图3中，根据捕获的风速，查询风力机的风速-功率-转速曲线表301，获取特定风速下最大功率对应的转速，通过齿轮箱变速后换算成双馈发电机dfig的最佳速度ωref，该最佳转速ωref与双馈发电机dfig的实际转速ω经过比较环节302，然后通过传统pi控制和限幅环节303，限幅环节303输出转子给定电流i2dref，i2dref与i2d经过比较环节304，比较环节304输出经过比例积分谐振控制和限幅环节305后获得电压v2'd，i2d另一路经过可变阻尼器控制环节306后输出电压v2”d，v2'd和v2”d相加后得到电压v2d；测量公共连接点pcc电压，取其三相中相电压的最小值uacmin与给定值uacref经过比较环节307，比较环节307输出送入传统pi控制和限幅环节308，限幅环节308输出转子给定电流i2qref，i2qref与i2q经过比较环节309，比较环节309输出经过比例积分谐振控制和限幅环节310后获得电压v2'q，i2q另一路经过可变阻尼器控制环节311后输出电压v2”q，v2'q和v2”q相加后得到电压v2q；公共连接点pcc的a相电压经过锁相环313后得到位置角度θ1，θ1与捕获的双馈发电机dfig转子位置角度θr经过比较环节314，比较环节314输出θ2；电压v2d、v2q和位置角度θ2同时送入反park变换环节315后输出电压u2α、u2β，电压u2α、u2β经过空间矢量脉冲宽度调制svpwm环节316输出机侧变流器mc主电路功率开关器件的触发脉冲。

优选的，可变阻尼器采用电阻电感串联电路，且其中的电阻和电感分别随着公共连接点pcc电压跌落的程度变化，如图4所示。

接下来详细分析可变阻尼器控制方法的工作原理，图5为双馈发电机dfig引入可变阻尼器的单相转子电流控制框图。在图5中：i2aref为双馈发电机dfiga相转子电流参考值，u'2a为引入可变阻尼器后dfiga相转子电压，u2a_o为双馈发电机dfiga相转子开路电压，r(s)为引入可变阻尼器控制中的电流调节器的传递函数，在此采用传统的pi调节器，g(s)为双馈发电机dfig内部的转子电压电流关系，在此处f(s)为引入可变阻尼器控制中的负反馈函数，在此将f(s)设计为一个比例微分函数f(s)＝rf+lfs。

引入比例微分负反馈之后，对于双馈发电机dfig转子侧，转子电压中与转子电流密切相关的部分的传递函数发生了变化，也就是图5中的内层闭环的传递函数成为

引入该比例微分负反馈，相当于在转子侧引入一个附加电阻电感电路，它就是用来抑制转子过电流的，但是这个电阻电感电路在实际的dfig转子侧是不存在的，也就避免了实际存在电阻的一些弊端，称其为可变阻尼器。引入可变阻尼器的dfig单相转子等效电路如图6所示。

可变阻尼器中比例微分函数f(s)的比例系数取值如果太小，有利于交流励磁电源内部参数的调整，但太小的比例系数，抑制公共连接点pcc电压故障情况下转子过电流的能力太差。可变阻尼器的比例微分函数f(s)的比例系数取值越大，越有利于双馈风力发电系统抑制故障状态下的转子过电流，可实现公共连接点pcc电压较深跌落幅度下的故障穿越，但其取值也不能无限制地增大，达到最大值rf_max时就不能再增大，即限幅值为rf_max。为了提高引入可变阻尼器的双馈风力发电系统的故障穿越能力，负反馈函数f(s)中的rf的取值应跟随公共连接点pcc电压跌落故障的严重程度进行实时优化。

负反馈函数中的rf应与公共连接点pcc电压跌落的严重程度相关。当公共连接点pcc电压发生轻度跌落故障时，负反馈函数f(s)中的rf与λ是反向比例关系。当公共连接点pcc电压发生深度跌落故障时，rf应该增大，但太大的比例函数取值，一方面会增加交流励磁电源的负担，使其不能全额有效地提供双馈发电机dfig工作过程中所需的无功功率；另一方面，有可能引起转子侧过电压，需要对rf进行限幅，不能随着λ的减小而继续增加，此时双馈风电机组故障处理控制器需要考虑采用所述深度故障处理控制器工作。为了使引入的可变阻尼器能满足抑制电流的要求，同时又不会增加交流励磁电源的负担，采用式(2)确定其取值。

将引入可变阻尼器的控制方法与撬棒crowbar电路的控制方法相比较可以看出，在转子侧引入撬棒crowbar保护电路之后，转子侧的励磁电源会退出，dfig转子侧没有了励磁电源，则dfig就变成了感应异步发电机。尽管撬棒crowbar保护电路可以抑制转子的过电流幅度，当双馈风力发电系统的交流励磁电源退出工作，dfig可以输出有功功率，但此时它相当于异步发电机，需要电网为其提供无功功率，相当于异步发电机工作方式的dfig还需要并联其他的无功发生器来为公共连接点pcc电压恢复提供无功支撑。采用引入可变阻尼器的负反馈控制方法，在dfig转子侧引入可变电阻，抑制转子过电流。

优选的，网侧变流器gc采用双环控制策略，如图7所示，外环包括直流侧电压和网侧变流器gc输出无功功率，其中直流侧电压采用比例积分谐振控制方法，无功功率控制环采用pi控制方法；内环包括网侧变流器gc输出电流的d、q轴分量，采用比例积分谐振控制方法。在图7中，交流励磁电源直流侧电压给定值udcref与交流励磁电源直流侧电压测量值udc经过比较环节701，然后通过比例积分谐振控制和限幅环节702，限幅环节702输出网侧变流器gc交流侧给定电流igdref，igdref与igd经过比较环节703，比较环节703输出经过比例积分谐振控制和限幅环节704后获得电压ugd；将获取的网侧变流器gc交流侧电压ugd、ugq和电流igd、igq计算无功功率qg，无功功率计算采用公式(3)，

qg＝ugβigα-ugαigβ(3)

根据网侧变流器gc的额定容量可以计算其无功功率给定值qgref，qgref与qg经过比较环节705，比较环节705输出送入传统pi控制和限幅环节706，限幅环节706输出网侧变流器gc交流侧给定电流igqref，igqref与igq经过比较环节707，比较环节707输出经过比例积分谐振控制和限幅环节708后获得电压ugq；公共连接点pcc的a相电压经过锁相环709后得到位置角度θ1；电压ugd、ugq和位置角度θ1同时送入反park变换环节710后输出电压ugα、ugβ，电压ugα、ugβ经过空间矢量脉冲宽度调制svpwm环节711输出网侧变流器gc主电路功率开关器件的触发脉冲。

优选的，机侧变流器mc的双环控制策略二与网侧变流器gc控制策略相同。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。