基于暂态可控域的双馈风机对称故障主动支撑控制方法与流程

1.本发明属于电网故障控制技术领域，具体涉及一种基于暂态可控域的双馈风机对称故障主动支撑控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.双馈风机(dfig)在电网故障后需要对电网提供有功、无功电流支撑，然而受到dfig暂态特性和转子侧变流器(rsc)容量的限制，dfig的故障主动支撑能力有限且呈现时变特性，无法再保证自身安全的前提下向电网提供连续的支撑。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种基于暂态可控域的双馈风机对称故障主动支撑控制方法，本发明能够保证双馈风机自身安全的前提下向电网提供连续的支撑，避免或减少双馈风机的硬件保护的动作。
5.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于暂态可控域的双馈风机对称故障主动支撑控制方法，包括以下步骤：
7.根据双馈风机机组参数计算τ1、ω1随转速的变化情况；
8.选取硬件保护装置的交流等效电阻值；
9.测量双馈风机端电压，进行电压坐标转换，计算转子电流dr分量；
10.根据计算得到的转子电流dr分量，结合rsc最大瞬态电流限制，计算暂态可控域；
11.在故障后暂态可控域存在的情况下，根据计算所得到的暂态可控域，对转子电流参考值进行进一步限幅。
12.作为可选择的实施方式，当暂态可控域充足，能够覆盖控制路径时，无需对控制路径进行优化；
13.当暂态可控域缩小，需要对控制路径进行优化限制。
14.作为可选择的实施方式，在故障后暂态可控域不存在的情况下，硬件保护装置被触发后，根据式(11)(12)(17)的暂态可控域的计算结果预测切除硬件保护装置后双馈风机的暂态可控域大小，以保证暂态可控域存在后硬件保护装置能够一次切除成功。
15.作为进一步的限定，当硬件保护装置切除后，根据计算所得到的暂态可控域，对由主动支撑策略所得出的转子电流参考值进行进一步限幅。
16.作为可选择的实施方式，选取硬件保护装置的交流等效电阻值的具体原则是，选取的硬件保护装置的交流等效电阻值，能够使τ
′1和ω
′1与τ1和ω1相等或尽量相等，τ
′1和ω
′1为硬件保护装置投入后的τ1和ω1变化为的值。其阻值选取按照式(22)进行。
17.作为可选择的实施方式，进行电压坐标转换的过程是将abc三相电压转换到pll旋转坐标系下。
18.作为可选择的实施方式，计算转子电流dr分量时，根据此时转子转速对各参数进行实时更新后再计算。
19.一种基于暂态可控域的双馈风机对称故障主动支撑控制系统，包括：
20.参数计算模块，被配置为根据双馈风机机组参数计算τ1、ω1随转速的变化情况；
21.电阻值选取模块，被配置为根据式(22)选取硬件保护装置的交流等效电阻值；
22.电流dr分量计算模块，被配置为测量双馈风机端电压，进行电压坐标转换，计算转子电流dr分量；
23.暂态可控域计算模块，被配置为根据计算得到的转子电流dr分量，结合rsc最大瞬态电流限制、均方根值限制，计算暂态可控域；
24.主动支撑控制模块，被配置为在故障后暂态可控域存在的情况下，根据计算所得到的暂态可控域，对转子电流参考值进行进一步限幅。
25.一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述一种方法中的步骤。
26.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述一种中的步骤。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
28.本发明提供了一种考虑暂态可控域的控制方式，尽可能避免硬件保护装置(如crowbar)的投入，使dfig在故障后的外特性平稳连续过渡。在严重故障情况下，根据对暂态可控域的识别确定硬件保护的退出时刻，使硬件保护装置只在故障初期投入一次，避免过电流和crowbar的多次投入，保证了dfig自身的安全和对电网支撑的连续性，确保dfig端电压的稳定。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.图1为并网dfig系统以及典型的rsc控制结构，其中(a)并网dfig系统、(b)典型rsc控制结构；
32.图2为暂态可控域应用的三种场景；
33.图3为dfig暂态可控域参数；
34.图4为仿真系统示意图
35.图5为故障1不考虑暂态可控域仿真结果，其中(a)转子电流幅值、(b)转子电流参考值；
36.图6为故障1考虑暂态可控域仿真结果，其中(a)转子电流幅值、(b)计算得到的转子电流dr分量幅值、(c)转子电流参考值；
37.图7为故障2不考虑暂态可控域仿真结果，其中(a)dfig端电压、(b)转子电流幅值、
(c)转子电流参考值；
38.图8为故障2考虑暂态可控域仿真结果，其中(a)dfig端电压、(b)转子电流幅值、(c)计算得到的转子电流dr分量幅值、(d)转子电流参考值；
39.图9为故障3不考虑暂态可控域仿真结果，其中(a)dfig端电压、(b)转子电流幅值、(c)转子电流参考值；
40.图10为故障3考虑暂态可控域仿真结果，其中(a)dfig端电压、(b)转子电流幅值、(c)计算得到的转子电流dr分量幅值、(d)转子电流参考值。
具体实施方式：
41.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
42.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
44.本发明提出了暂态可控域的概念对dfig故障主动支撑能力进行描述，并提出了对称故障下暂态可控域定量刻画的方法，将其应用于对dfig的故障暂态主动支撑控制中，限制故障后dfig的控制路径在暂态可控域以内，从而在保证dfig自身安全的前提下向电网提供连续的支撑，避免或减少dfig硬件保护(如crowbar装置)的动作。
45.并网dfig系统以及典型的rsc控制结构如图1所示。
46.将0与dfig的电压、磁链方程，如公式(1)所示，相结合，可以得到以定子电流、转子电流和rsc积分输出电压为状态变量的状态方程如(2)所示。其中为dfig定、转子电压，为转子侧变流器积分输出电压，为dfig定、转子电流，ω
b
为角速度基值，ω
pll*
为旋转坐标系转速，ω
r*
为转子转速，r
s*
r
r*
为定、转子电阻，l
s*
l
r*
l
m*
为定、转子电感以及互感，下表*代表标幺值。
47.[0048][0049]
假设dfig运行于稳态，在0s时刻端电压发生阶跃跌落扰动，和分别代表扰动前后的dfig定子端电压，两者只有幅值上的差异。在这种扰动下，锁相环不会发生动态变化，式(2)可以写为如下形式：
[0050][0051]
其中a是3
×
3矩阵，b是3
×
2矩阵，其各元素如式(4)所示。
[0052][0053]
将故障前稳态的定子电流、转子电流以及rsc积分输出电压记为
和他们之间具有如下关系：
[0054][0055]
在电压阶跃扰动后，dfig的暂态响应可以被分解为两部分：调整响应(ar)和衰减响应(dr)。其中ar取决于扰动后的转子电流参考值，dr则取决于由于电压扰动引起的需要被耗散的定、转子绕组储存能量。式(3)和式(5)可以分解为式(6)和式(7)来分别描述ar和dr。
[0056][0057]
如式(6)所示，ar的初始状态取决于和其初始状态构成了在下的稳态。如果扰动后的转子电流参考值等于ar的转子电流初始值，那么ar将完全呈现为一个稳态响应。但是如果扰动后的转子电流参考值不等于ar的转子电流初始值，这是更为普遍的情况，那么ar可以被看作是在电流控制环的作用下由一个稳态追踪转子电流参考值的过程，其暂态可以被忽略。
[0058][0059]
dr的初始状态仅取决于电压扰动量，与故障前dfig的运行状态无关，并且dr的演变不受转子电流参考值的影响。dr代表了由于电压跌落而需要被耗散掉的定、转子绕组储能的释放过程，其具有较大的幅值和较长的持续时间。
[0060]
dr分量的解根据式(7)可以表述为如下形式：
[0061][0062]
其中其中τ1，τ2，τ3，ω1，ω2，ω3随着转子转速的变化而发生变化。在三个频率的衰减分量中，有一个频率的衰减分量其衰减速度远远慢于其他两个频率分量，将其称为主要暂态分量并近似代表整个dr分量，如式(9)所示。
[0063][0064]
在故障暂态过程中，rsc的过电流和过调制约束是最为紧急的两个约束，dr分量将
会占用一部分rsc的容量，那么为了避免rsc的过电流和过调制，ar分量需要被限制在一定的范围内，而ar是由转子电流参考值决定，因此转子电流参考值在故障后将存在一个时变的允许范围，我们将其定义为dfig的暂态可控域。由于dfig对电网的输出特性依靠转子电流进行控制，因此dfig的暂态可控域描述了故障后dfig对电网的主动支撑能力的变化情况。
[0065]
故障暂态期间，rsc的过电流和过调制约束具体可以表述为三个方面：最大瞬态电流i
r_max*
约束，最大rms电流i
r_lim*
约束，和最大调制电压u
r_max*
约束。
[0066]
为了避免rsc过电流，和需要满足i
r_max*
约束和i
r_lim*
约束，如式(10)所示。
[0067][0068]
于是的剩余容量可以表示为：
[0069][0070]
由i
r_res*
(t)所决定的转子电流参考值允许范围可以表示为：
[0071][0072]
为了避免rsc过调制，和需要满足
[0073][0074]
于是的剩余容量可以表示为：
[0075][0076]
根据和之间的稳态关系，如式(15)所示，由u
r_res*
(t)所决定的转子电流参考值允许范围如式(16)所示。
[0077][0078][0079]
dfig的暂态可控域即为(12)和(16)的交集。但一般来说，dfig的暂态可控域主要由式(12)即剩余电流容量决定。
[0080]
以上的分析是在端电压阶跃跌落扰动下进行的，电压阶跃跌落扰动只是一种理想数学模型，在实际电网对称故障下，dfig的端电压将呈现复杂的连续变化。根据在阶跃扰动下的分析，可以得到在实际对称故障下dfig的暂态可控域的计算方法。
[0081]
将对称故障后dfig端口的连续电压变化分割成数个等时间间隔的阶跃变化，每一个阶跃变化都将产生ar和dr，将每一个ar的暂态忽略，关键需要求得各个dr的和，从而获得rsc的剩余容量以计算暂态可控域。当各个阶跃变化之间的时间间隔趋向于0时，根据式
(9)，忽略ω
pll*
的变化，我们可以得到各个阶跃变化下dr转子电流的和的表达式为：
[0082][0083]
根据式(17)，以端电压作为输入量，就可以实时计算出转子电流dr分量，然后根据式(11)(12)来确定dfig的暂态可控域，将由故障主动支撑策略形成的dfig的转子电流参考值限制在暂态可控域以内，以保证dfig自身的安全，避免crowbar保护的动作从而保持支撑的连续性。
[0084]
另一方面，在严重对称故障情况下，dr分量的初始值可能很大，导致dfig的暂态可控域可能在故障初始阶段不存在，在这种情况下，crowbar保护的动作不可避免。crowbar保护将在特定时刻退出并重启rsc的控制。随着电压扰动造成的需要被耗散的定、转子绕组储能的损耗，在crowbar退出时刻的dr分量会减小，从而dfig暂态可控域可能重新出现。然而，如果在crowbar退出时刻，dfig的暂态可控域仍然不存在，或者crowbar退出后暂态可控域虽然存在但控制路径超出暂态可控域范围，将会导致过电流的再次发生以及crowbar的再次投入。
[0085]
对crowbar投入后的dfig的暂态特性进行分析，一个端电压阶跃扰动将会引起暂态分量和稳态分量，其中暂态分量可以由式(18)描述，其中a’是一个2
×
2矩阵，各元素如式(19)所示。式(18)的解可以表述为式(20)。
[0086][0087][0088][0089]
式(20)的两个频率分量中有一个具有明显更慢的衰减速度，用它来近似代表整个暂态分量，如式(21)所示。
[0090][0091]
如果在式(17)对转子电流dr分量的计算中，当crowbar投入以后，将τ1和ω1替换为τ
′1和ω
′1，当crowbar退出后再替换回来的话，可以近似的考虑crowbar保护投入对dr分量的影响并进行计算。然而这样不仅需要对τ
′1和ω
′1随着转子转速变化的值进行计算，也使
得计算流程更加复杂。如果我们通过适当的选取crowbar的电阻，使τ
′1和ω
′1能够近似等于τ1和ω1的话，我们就可以无视crowbar保护的动作，始终利用式(17)对转子电流dr分量和暂态可控域进行计算识别。为了实现这一点，crowbar的交流等效阻值可以按式
[0092]
r
crowbar*
＝k
p
k
mod
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0093]
总结而言，dfig的暂态可控域将具有如图2所示的三类应用场景，其中，当暂态可控域充足，能够覆盖控制路径时，无需对控制路径进行优化。
[0094]
暂态可控域在dfig故障暂态控制上的具体应用方法如下：
[0095]
①
首先根据式(7)和dfig机组参数计算τ1、ω1随转速的变化情况。对于如表1所示参数的dfig，τ1、ω1随转速的变化情况如表1所示。
[0096]
表1 dfig参数
[0097][0098]
②
根据式(18)选取crowbar保护装置的交流等效电阻值，使τ
′1和ω
′1与τ1和ω1近似相等。
[0099]
③
实时测量dfig端电压，并将abc三相电压转换到pll旋转坐标系下，根据式(17)对转子电流dr分量进行计算，其中所用到的参数由步骤
①
获得并根据转速实时更新。
[0100]
④
根据计算得到的转子电流dr分量和rsc最大瞬态电流限制，由式(11)和式(12)得出转子电流参考值的允许范围，即暂态可控域。
[0101]
⑤
在故障后暂态可控域存在的情况下，由主动支撑策略所得出的转子电流参考值需要根据计算所得到的暂态可控域进行进一步限幅，以避免dfig的过电流来保证安全，以及避免crowbar保护装置的动作而失去对dfig的控制。
[0102]
⑥
在故障后暂态可控域不存在的情况下，crowbar装置被触发后，根据式(11)(12)(17)的暂态可控域的计算结果可以预测此时切除crowbar后dfig的暂态可控域大小，从而在暂态可控域存在后，下发指令切除crowbar，从而保证crowbar一次切除成功，避免多次投入。当crowbar切除后，仍然对由主动支撑策略所得出的转子电流参考值根据计算所得到的暂态可控域进行进一步限幅。
[0103]
下面结合具体实例，说明将dfig暂态可控域方法应用到dfig故障暂态控制上的作用效果。
[0104]
在digsilent powerfactory软件中搭建如下系统的电磁暂态仿真模型。参数如表
2所示。
[0105]
表2仿真系统参数
[0106][0107][0108]
dfig按照以下规则对故障后的电网提供主动支撑：
[0109][0110]
其中
[0111][0112]
这意味着故障后dfig定子向电网提供1.5(0.9
‑
u
s*
)的无功电流，且无功电流需要被优先保证；有功电流在考虑i
r_lim*
的约束下，尽可能保持故障前有功电流不变。
[0113]
在以下三种故障情况下，分别应用和不应用dfig暂态可控域对故障后的dfig控制行为作出限制，对比dfig的在故障期间的表现。crowbar保护的启动电流设为1.7p.u.，不考虑暂态可控域情况下，crowbar触发15ms后切除；考虑暂态可控域情况下，在暂态可控域存在的情况下，通过对转子电流参考值的限制可以避免crowbar的触发，而在暂态可控域在故障后初期不存在的情况下，触发crowbar后将实时监测暂态可控域，当暂态可控域重新出现时，切除crowbar。
[0114]
一般来说，转子转速越快、故障导致的端电压跌落程度越大，暂态可控域在故障初始阶段越小。三种故障情况表3所示，将分别对应图2中暂态可控域的三种应用场景。
[0115]
表3三种故障情况
[0116]
序号转子转速有功功率输出故障位置故障10.9p.u.2mw线路3末端(靠近负荷)故障21.1p.u.4mw线路3 3/4位置(靠近负荷)故障31.2p.u.4.5mw线路3 1/4位置(远离负荷)
[0117]
不考虑暂态可控域的仿真结果如图5所示，考虑暂态可控域的仿真结果如图6所示，在故障1情况下，由于dfig转速慢，故障点远离dfig，使得转子电流dr分量较小，dfig的暂态可控域在整个故障期间具有相当大的范围。dfig可以跟随主动支撑策略来确定转子电流参考值而无需对dfig的控制路径做出额外的限制。可以看到，考虑和不考虑dfig暂态可控域，在这种故障情况下，dfig具有相同的表现。暂态可控域在这种情况下不具有明显的效果。
[0118]
故障2,不考虑暂态可控域的仿真结果如图7所示，触发crowbar期间用虚线框表示；考虑暂态可控域的仿真结果如图8所示，在故障2情况下，不考虑dfig的暂态可控域而直接遵循主动支撑策略所确定的转子电流参考值，会使得故障后转子电流幅值快速增大，威胁rsc安全的同时其值超过crowbar触发电流，从而触发crowbar旁路rsc，失去对dfig的控制。并且经过15ms，crowbar切除以后，转子电流又多次超过crowbar触发电流，引起crowbar保护的多次重投入。由于dfig在crowbar投入和切除两种运行状态间的频繁切换，导致dfig端电压出现明显的波动。
[0119]
当考虑dfig的暂态可控域，对遵循主动支撑策略所确定的转子电流参考值做出进一步的限幅，可以将dfig转子电流幅值限制在i
r_max*
以下，保证rsc的安全同时避免触发crowbar保护，使dfig能够保持可控性而向电网提供持续的支撑作用，使得dfig端电压更加稳定。
[0120]
故障3，不考虑暂态可控域的仿真结果如图9所示，考虑暂态可控域的仿真结果如图10所示，可以看出，在故障3情况下，故障发生后产生了非常大的转子电流dr分量，dfig暂态可控域不存在，必须投入crowbar保护rsc。不考虑暂态可控域的方式导致crowbar连续多次投入，威胁dfig自身安全稳定以及端电压的稳定。而考虑暂态可控域的控制方式使crowbar只在故障初期投入一次后，便可以限制转子电流在i
r_max*
以下，避免过电流和crowbar的多次投入，保证了dfig自身的安全和对电网支撑的连续性，确保dfig端电压的稳定。
[0121]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0122]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0123]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0124]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0125]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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保护范围之内。
[0126]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。