一种抑制直流母线电压偏移的方法

1.本发明涉及风电机组的运行控制技术领域，尤其涉及一种抑制直流母线电压偏移的方法。


背景技术：

2.风电机组并网导则要求风电机组并网运行时需具备应对电网故障工况，维持一定时间的持续运行以支撑电网稳定的能力。因而风电机组需具备较强的低电压穿越能力，以应对电网故障引起的机端电压跌落。永磁同步风电机组在低电压穿越过程中，机端电压跌落导致其其网侧变流器的输出功率能力受限，引起机侧变流器和网侧变流器的有功输出功率不平衡，导致背靠背变流器的直流母线电压发生大幅偏移。抑制低电压穿越过程中直流母线电压的偏移是实现永磁同步风电机组低电压穿越的关键。
3.现有辅助永磁同步风电机组低电压穿越的方法较多采用硬件保护设备实现。当检测到低电压穿越过程中，直流母线电压上升至超出安全约束范围的时候，投入并联在直流电容两侧的制动电阻保护电路，以耗散积聚在直流电容上的能量。该保护方案增加了硬件投资成本，通过电阻耗散能量不仅对元件散热提出了要求，还降低了风电机组的运行效率。此外，由于该方案无法从根本上解决机侧变流器与网侧变流器输出有功不平衡的问题，因而在故障穿越过程中存在硬件保护设备多次反复投入以及直流母线电压大幅振荡的问题。通过机侧变流器与网侧变流器控制策略改进以平衡两者的有功功率输出是实现故障穿越过程中直流母线电压稳定的较优方案。
4.在现有技术中，针对永磁同步风电机组的低电压穿越，通过将机侧变流器的有功控制目标设定为维持直流母线电压，可使得机侧变流器有功输出主动追踪网侧变流器的有功输出。但该方案仍采用功率外环与电流内环的双环pi控制实现机侧变流器的有功输出调节。双环pi控制中的外环控制响应速度较慢，应用于时间尺度较短的低电压穿越过程控制效果不佳。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了提供一种在永磁同步风电机组低电压穿越过程中抑制直流母线电压偏移的方法，能够通过变流器直接电流控制，实现永磁同步机组有功出力快速响应网侧变流器有功出力变化。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种抑制直流母线电压偏移的方法，应用在永磁同步风电机组低电压穿越过程中，其特征在于：包含以下步骤：
8.s1：当风电系统发生故障，永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，将机侧变流器与网侧变流器的控制方案由双环pi控制切换为直接电流控制；
9.s2：按照风电机组并网导则要求设定低电压穿越过程中永磁同步风电机组网侧变流器的直轴有功电流参考值i
gd,ref
与交轴无功电流参考值i
gq,ref
；
10.s3：结合永磁同步风电机组低电压穿越过程中的机端电压变化情况，计算所述网侧变流器的有功功率输出pg；
11.s4：对比永磁同步风电机组低电压穿越之前的有功功率p
g,pre
与网侧变流器电流参考值设定后的有功功率pg的大小，确定网侧变流器在低电压穿越过程中的有功功率控制目标；
12.s5：为避免直流母线电压发生大幅度偏移，将永磁同步风电机组网侧变流器的有功功率设定为机侧变流器的有功功率控制目标ps；
13.s6：对应永磁同步风电机组的机侧变流器有功功率控制目标ps，求解机侧变流器控制所需的直轴电流参考值i
sd,ref
与交轴电流参考值i
sq,ref
；
14.s7：将求解得到的永磁同步风电机组机侧变流器与网侧变流器电流参考值应用于低电压穿越期间的直接电流控制；
15.s8：当风电系统故障清除后，永磁同步风电机组离开低电压穿越状态，将永磁同步风电机组机侧变流器与网侧变流器的控制方案由直接电流控制切换回双环pi控制，机组恢复正常运行状态。
16.优选的，所述永磁同步风电机组的组成包括：风力机、永磁同步发电机、机侧变流器与网侧变流器。
17.优选的，所述s2包含以下步骤：
18.应电网导则要求，网侧变流器向电网提供无功电流支撑所设置的交轴无功电流参考值i
gq,ref
的计算表达式为：
19.i
gq,ref
＝-1.5(0.9-k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
20.式中，k为永磁同步风电机组在低电压穿越过程中的机端电压标幺值，k的取值范围为0≤k≤0.9；
21.所述网侧变流器的直轴有功电流参考值i
gd,ref
由网侧变流器在提供无功电流支撑后的剩余容量决定，其计算表达式为：
[0022][0023]
式中，i
g,max
为所述网侧变流器允许流过的电流最大值。
[0024]
优选的，所述s3中pg的计算表达式为：
[0025]
pg＝v
gdigd,ref
+v
gqigq,ref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0026]
式中，v
gd
与v
gq
为永磁同步风电机组网侧变流器电压的直轴分量与交轴分量。
[0027]
优选的，所述s4包含以下步骤：
[0028]
对比永磁同步风电机组低电压穿越之前的有功功率p
g,pre
与网侧变流器电流参考值设定后的有功功率pg的大小，若pg《p
g,pre
，则网侧变流器的有功功率控制目标为pg；若pg≧p
g,pre
，则需对网侧变流器直轴有功电流参考值i
gd,ref
进行修正，使得pg＝p
g,pre
。
[0029]
优选的，所述s4中修正直轴有功电流参考值i
gd,ref
包含以下步骤：
[0030]
基于网侧变流器有功功率计算方法，求解网侧变流器以p
g,pre
为有功功率输出目标条件下的直轴有功电流参考值i
gd,ref
，其计算表达式为：
[0031]
[0032]
优选的，所述s6包含以下步骤：
[0033]
对应永磁同步风电机组的机侧变流器有功功率控制目标ps，在零直轴定子电流控制的条件下，机侧变流器的直轴电流参考值i
sd,ref
设定为0，求解机侧变流器有功控制对应的交轴电流参考值i
sq,ref
，其计算表达式如下：
[0034][0035]
式中，ωr、ψf、rs分别为永磁同步风电机组的转速、永磁体磁链以及定子电阻。
[0036]
优选的，所述s8包含以下步骤：
[0037]
为实现永磁同步风电机组机侧变流器与网侧变流器平滑切换至双环pi控制，在恢复双环pi控制前，先将机侧变流器交轴电压外环pi控制的积分环节输出量int
mq
参照式(6)进行调整，将网侧变流器直轴与交轴电压外环控制的积分环节输出量int
gd
、int
gq
分别参照式(7)与式(8)进行调整：
[0038]
int
mq
＝i
sq,ref-k
mq
(v
dc,ref-v
dc
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0039]
int
gd
＝i
gd,ref-k
gd
(p
g,ref-pg)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0040]
int
gq
＝i
gq,ref-k
gq
(v
pcc-v
pcc,ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0041]
式中，k
mq
为机侧变流器交轴电压外环pi控制的比例系数，v
dc
与v
dc,ref
分别为变流器直流母线电压及其参考值，k
gd
与k
gq
分别为网侧变流器直轴与交轴电压外环pi控制的比例系数，p
g,ref
为网侧变流器有功功率参考值，v
pcc
与v
pcc,ref
分别为永磁同步风电机组并网点电压及其参考值。
[0042]
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0043]
1、本发明可在不额外加装硬件保护设备的条件下，通过改进变流器控制在永磁风电机组的低电压穿越过程中维持直流母线电压，可降低低电压穿越保护系统的构建成本。
[0044]
2、相较现有将永磁同步风电机组故障穿越过程中机侧变流器与网侧变流器有功不平衡量在电阻上耗散的保护方案相比，本发明可在故障穿越短时过程中限制永磁同步风电机组的有功输出，风机捕获的机械功率部分传输至电网，剩余部分可转化成动能，储存在转速增加的风力机内。因而本发明可有效降低低电压穿越过程中，永磁同步风电机组运行的能量损耗。
[0045]
3、本发明为适应低电压穿越短时暂态过程的特性，取消了永磁同步风电机组变流器控制常采用的电压外环—电流内环双环控制结构中的外环控制。因为外环控制响应速度较慢，而内环控制响应速度则相对较快，所以本发明采用的变流器直接电流控制可有效改善变流器控制在故障穿越暂态的响应特性。
附图说明
[0046]
图1为本技术研究的永磁同步风电机组结构示意图；
[0047]
图2为本发明实施例的抑制永磁同步风电机组直流母线电压偏移的变流器直接电流控制方法流程图；
[0048]
图3为本发明一个实施例的网侧变流器直接电流控制框图；
[0049]
图4为本发明一个实施例的机侧变流器直接电流控制框图；
[0050]
图5为本发明一个实施例的机侧变流器双环pi控制框图；
[0051]
图6为本发明一个实施例的网侧变流器双环pi控制框图。
具体实施方式
[0052]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
[0053]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
[0054]
一种抑制直流母线电压偏移的方法，应用在永磁同步风电机组低电压穿越过程中，在一实施方式中，请参阅图1，所述永磁同步风电机组的组成包括风力机、永磁同步发电机、机侧变流器与网侧变流器。
[0055]
请参阅图2，所述抑制直流母线电压偏移的方法包含以下步骤：
[0056]
s1：当风电系统发生故障时，永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，将机侧变流器与网侧变流器的控制方案由双环pi控制切换为直接电流控制；
[0057]
s2：按照风电机组并网导则的要求，设定低电压穿越过程中永磁风电机组网侧变流器的直轴有功电流参考值i
gd,ref
与交轴无功电流参考值i
gq,ref
；
[0058]
具体的，在一实施方式中，应电网导则要求，网侧变流器向电网提供无功电流支撑所设置的交轴无功电流参考值i
gq,ref
的计算表达式为：
[0059]igq,ref
＝-1.5(0.9-k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]
上述公式中，k为永磁同步风电机组在低电压穿越过程中的机端电压标幺值，k的取值范围为0≤k≤0.9；
[0061]
所述网侧变流器的直轴有功电流参考值i
gd,ref
由网侧变流器在提供无功电流支撑后的剩余容量决定，其计算表达式为：
[0062][0063]
上述公式中，i
g,max
为所述网侧变流器允许流过的电流最大值；
[0064]
s3：结合永磁同步风电机组低电压穿越过程中的机端电压变化情况，计算所述网侧变流器的有功功率输出pg，在一实施方式中，其计算表达式为：
[0065]
pg＝v
gdigd,ref
+v
gqigq,ref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
其中，v
gd
与v
gq
为永磁同步风电机组网侧变流器电压的直轴分量与交轴分量；
[0067]
s4：对比永磁同步风电机组低电压穿越之前的有功功率p
g,pre
与网侧变流器电流参考值设定后的有功功率pg的大小，确定网侧变流器在低电压穿越过程中的有功功率控制目标；
[0068]
具体的，在一实施方式中，对比永磁同步风电机组低电压穿越之前的有功功率p
g,pre
与网侧变流器电流参考值设定后的有功功率pg的大小，若pg《p
g,pre
，则网侧变流器的有功功率控制目标为pg；若pg≧p
g,pre
，则需对网侧变流器直轴有功电流参考值i
gd,ref
进行修正，使得pg＝p
g,pre
。
[0069]
在一实施方式中，修正直轴有功电流参考值i
gd,ref
包含以下步骤：
[0070]
基于网侧变流器有功功率计算方法，求解网侧变流器以p
g,pre
为有功功率输出目标
条件下的直轴有功电流参考值i
gd,ref
，其计算表达式为：
[0071][0072]
请参阅图3，计算得到永磁风电机组网侧变流器的直轴有功电流参考值i
gd,ref
与交轴无功电流参考值i
gq,ref
后，将其应用于图3所示的网侧变流器直接电流控制。
[0073]
s5：为避免直流母线电压发生大幅度偏移，将永磁同步风电机组网侧变流器的有功功率设定为机侧变流器的有功功率控制目标ps；
[0074]
s6：对应永磁同步风电机组的机侧变流器有功功率控制目标ps，求解机侧变流器控制所需的直轴电流参考值i
sd,ref
与交轴电流参考值i
sq,ref
；
[0075]
具体的，在一实施方式中，对应永磁同步风电机组的机侧变流器有功功率控制目标ps，在零直轴定子电流控制的条件下，机侧变流器的直轴电流参考值i
sd,ref
设定为0，求解机侧变流器有功控制对应的交轴电流参考值i
sq,ref
，其计算表达式如下：
[0076][0077]
ωr、ψf、rs分别为永磁同步风电机组的转速、永磁体磁链以及定子电阻。
[0078]
请参阅图4，计算得到永磁风电机组机侧变流器的直轴电流参考值i
sd,ref
与交轴电流参考值i
sq,ref
后，将其应用于图4所示的机侧变流器直接电流控制。
[0079]
s7：将求解得到的永磁同步风电机组机侧变流器与网侧变流器电流参考值应用于低电压穿越期间的直接电流控制；
[0080]
s8：当风电系统故障清除后，永磁同步风电机组离开低电压穿越状态，将永磁同步风电机组机侧变流器与网侧变流器的控制方案由直接电流控制切换回双环pi控制，机组恢复正常运行状态。
[0081]
具体的，在一实施方式中，为实现永磁同步风电机组机侧变流器与网侧变流器平滑切换至双环pi控制，在恢复双环pi控制前，先将机侧变流器交轴电压外环pi控制的积分环节输出量int
mq
参照式(6)进行调整，将网侧变流器直轴与交轴电压外环控制的积分环节输出量int
gd
、int
gq
分别参照式(7)与式(8)进行调整：
[0082]
int
mq
＝i
sq,ref-k
mq
(v
dc,ref-v
dc
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0083]
int
gd
＝i
gd,ref-k
gd
(p
g,ref-pg)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0084]
int
gq
＝i
gq,ref-k
gq
(v
pcc-v
pcc,ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0085]
上述公式中，k
mq
为机侧变流器交轴电压外环pi控制的比例系数，v
dc
与v
dc,ref
分别为变流器直流母线电压及其参考值，k
gd
与k
gq
分别为网侧变流器直轴与交轴电压外环pi控制的比例系数，p
g,ref
为网侧变流器有功功率参考值，v
pcc
与v
pcc,ref
分别为永磁同步风电机组并网点电压及其参考值。
[0086]
请参阅图5，计算得到机侧变流器交轴电压外环pi控制的积分环节输出量int
mq
后，将其应用于图5所示的机侧变流器双环pi控制。
[0087]
请参阅图6，计算得到网侧变流器直轴与交轴电压外环控制的积分环节输出量int
gd
、int
gq
后，将其应用于图6所示的网侧变流器双环pi控制。
[0088]
本技术所提供的一种抑制直流母线电压偏移的方法，在不额外加装硬件保护设备的条件下，通过改变变流器控制在永磁风电机组的低电压穿越过程中维持直流母线电压，
可降低低电压穿越保护系统的构建成本；
[0089]
且相较于现有将永磁同步电机组故障穿越过程中机侧变流器与网侧变流器有功不平衡量在电阻上耗散的保护方案相比，本技术可在故障穿越短时过程中限制永磁同步风电机组的有功输出，风机捕获的机械功率部分传输至电网，剩余部分可转化成动能，储存在转速增加的风力机内。因而本技术可有效降低低电压穿越过程中，永磁同步风电机组运行的能量损耗；
[0090]
且本技术为适应低电压穿越短时暂态过程中的特性，取消了永磁同步电机组变流器控制常采用的电压外环—电流内环双环控制结构中的外环控制。因为外环控制响应速度较慢，而内环控制响应速度则相对较快，所以本技术采用的变流器直接电流控制可有效改善变流器控制在故障穿越暂态的响应特性。
[0091]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围。