基于对称和不对称电网故障下双馈风电机组转子侧协调控制方法与流程

1.本发明涉及一种基于对称和不对称电网故障下双馈风电机组转子侧协调控制方法，属于转子侧协调控制技术领域。


背景技术：

2.随着可再生能源的大力推广，风电作为主要的清洁能源之一，总装机容量、在电网中所占的比例也不断扩大。其中基于双馈发电机的变频双馈风电系统仍是目前风力发电的主流选择。在风电系统的运行过程中，电网电压的状态也影响着风电的发电量和稳定性，同时由于电网故障时有发生，在故障期间电网电压总处于波动期间，因此研究在电网电压跌落时双馈风电系统的稳定性十分重要。
3.电网电压发生跌落时，dfig的定子和转子电压必然会发生变化，导致暂态过程也会发生相应的变化。由于dfig的定子侧直接与电网相连，电网故障会导致dfig过流和过压，并可能会造成机侧和转子侧变流器的损坏。
4.目前国内外风电机组低压穿越控制方法主要可分为两大类：分别是增加硬件电路和改进变流器控制方法。增加硬件电路主要是在直流侧母线增加crowbar(撬棍电路)，利用电阻等元件吸收多余的有功功率，抑制直流侧电压的升高和系统的稳定，但是由于此方法会增加额外的硬件电路，经济性较差。改进变流器的控制方法主要集中于对称故障或不对称故障下的改进研究，但是电网发生故障的类型和时间具有不确定性和复杂性，少有考虑对称故障和不对称故障的协调控制。
5.因此，本发明综合考虑了电网对称故障和不对称故障的情况，在不增加器件电路的前提下，分别设计了基于对称故障和不对称故障的转子侧改进控制策略，提高了系统的经济性。为了协调两种故障类型下的转子侧变流器控制方法，还设计了故障类型检测和转子侧变流器控制方式选择模块，可根据实际运行中发生的不同类型的故障，动态地选择转子侧的控制方式，提高系统应对电网故障的能力。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是为了提供克服现有技术中存在的不足的基于对称和不对称电网故障下双馈风电机组转子侧协调控制方法。
7.技术方案：本发明提出一种基于对称和不对称电网故障下双馈风电机组转子侧协调控制方法，该方法包括以下步骤：
8.s1：检测电网故障的类型，当电网发生对称故障时，转子侧变流器采用s3中的控制策略；
9.s2：检测到电网发生不对称故障时，转子侧变流器采用s4中的控制策略；
10.s3：根据检测的三相电压跌落深度，计算q轴无功电流和d轴转子电流的控制参考值，与双馈风电机的实际转子电流进行比较，二者的差值经pi控制器后得到转子电压的控
制值，根据定子电流的励磁动态过程，在转子电压控制值的基础上增加动态补偿量，新的转子电压控制值经过坐标变换后输送给svpwm模块，生成svpwm波输出给转子侧变流器，控制转子侧变流器的通断，使双馈风电机实际转子电流与计算得到的转子电流参考值之差在预设范围内；
11.s4：在旋转坐标系下分离出正序电压、电流和负序电压、电流分量，计算转子正序电流控制参考值，将转子正序电流参考值与实际正序电流作差，经pi控制器后输出正序转子电压的控制值，再根据变流器输出电压极限，计算负序转子电压的控制值，将正、负序转子电压的控制值经过坐标变换，再输送给svpwm模块，输出svpwm波控制转子侧变流器的通断，使双馈电机的转子正序电流参考值与实际正序电流值的差值在预设范围内的同时，转子负序电压控制值与转子负序电压实际值的差值也在预设范围内。
12.优选的，所述步骤s1中，在风电系统并网点实时检测三相电网电压幅值的变化，当检测到三相电网电压幅值均发生改变且均减小到正常值的0.9倍以下时，记录此时的电压跌落深度p，同时检测装置发出电平信号1，转子侧变流器接收信号后，采用s3中的控制方式。
13.优选的，所述步骤s2中，在风电系统并网点实时检测三相电网电压幅值的变化，当检测到三相电压发生不对称跌落且任一相幅值减小到正常情况的0.9倍以下时，检测装置发出电平信号
‑
1，转子侧变流器接收信号后，采用s4中的控制方式。
14.优选的，所述步骤s3中，根据s1中检测到的电网电压跌落的程度p计算无功电流的控制参考值，先计算定子电流的d轴和q轴分量如下：
[0015][0016]
再根据定子电流，结合功率传输公式推导转子电流为：
[0017][0018]
式中，i
sd
、i
sq
为定子d轴、q轴电流；i
rd
、i
rq
为转子d轴、q轴电流；l
s
为定子漏感，l
m
为定转子互感；p为电网电压跌落深度，u为正常运行下电网电压；p
s
为电网有功功率，w1为同步角速度；
[0019]
通过式(2)计算得到q轴无功电流的参考值i
rq
和d轴电流的参考值i
rd
，与双馈风电机实际的d、q轴电流作差，经pi控制器得到转子电压的控制值，在pi控制器输出的转子电压控制值的基础上，计算在定子电流励磁动态过程影响下的d、q轴转子电压动态补偿量如下：
[0020][0021]
式中：δu
rd
、δu
rq
为d、q轴转子电压补偿量；r
s
为定子电阻；w
s
为定子角速度；ψ
sd
、ψ
sq
为定子d轴、q轴磁链，ψ
rd
、ψ
rq
为转子d轴、q轴磁链；u
sd
为定子d轴电压。
[0022]
将pi控制器输出的转子电压控制值与式(3)中的转子电压动态补偿项相加，得到准确的转子电压控制值，经过坐标变换后输送给svpwm模块，产生svpwm波控制转子侧变流器的通断，使双馈风电机的实际转子电流与计算的转子电流参考值之间的差值在预设范围内；所述将pi控制器输出的转子电压控制值与式(3)中的电压动态补偿项相加，得到准确的转子电压控制值如下：
[0023][0024]
其中，r
r
为转子电阻，σ为电机漏磁系数，l
r
为转子漏感，u
sq
为定子q轴电压；u
rd
、u
rq
为转子d、q轴电压。
[0025]
优选的，所述步骤s4中，电网电压发生不对称跌落时，dfig在同步旋转坐标系下的正负序电压方程为：
[0026][0027]
式中，w
slip
、w
slip
‑
为正反转滑差角频率，其表示为：
[0028][0029]
式中，u
sdq
、u
rdq
为定、转子正序电压矢量，u
sdq
‑
、u
rdq
‑
为定、转子负序电压矢量；i
sdq
、i
rdq
为定、转子正序电流矢量，i
sdq
‑
、i
rdq
‑
为定、转子负序电流矢量；ψ
sdq
、ψ
rdq
为定、转子正序磁链矢量；ψ
sdq
‑
、ψ
rdq
‑
为定、转子负序磁链矢量；w
r
为转子角速度，w1为同步角速度；
[0030]
在电网发生不对称故障时，考虑变流器输出电压极限的正序电流和负序电压的参考值计算通过以下方法进行：
[0031]
s4.1：忽略磁阻和定子暂态过程，根据式(5)推导得到正序转子电流和定子电流关系为：
[0032][0033]
式中，i
sd
、i
sq
为定子电流正序d轴和q轴分量，i
rd
、i
rq
为转子电流正序d轴和q轴分量，u
sd
为定子电压正序d轴分量；l
s
为定子漏感；l
m
为定转子互感；
[0034]
为抑制转子电流正序分量，同时保证系统输出的无功功率为0，即i
sq
＝0，则将转子电流正序分量的参考值i
rd *
、i
rq *
设置为：
[0035][0036]
根据式(8)计算得到正序转子电流的控制参考值，与实际双馈风电机的正序转子电流做差，将差值经pi控制器得到正序电压的控制值；
[0037]
s4.2：根据式(5)可以得到负序定子电流和转子电流的关系为：
[0038][0039]
式中，i
sd
‑
、i
sq
‑
为定子电流负序d轴和q轴分量，i
rd
‑
、i
rq
‑
为转子电流负序d轴和q轴分量，u
sd
‑
为定子电压负序d轴分量；
[0040]
转子电压的正负序方程表示为：
[0041][0042]
式中，l
r
为转子漏感；u
rd
、u
rq
为转子正序电压的d轴、q轴分量；u
rd
‑
、u
rq
‑
为转子负序电压的d轴、q轴分量；u
sq
、u
sq
‑
为定子电压正序、负序q轴分量；σ为电机漏磁系数；
[0043]
根据式(9)和式(10)，转子负序电压参考值u
rd
‑
*
、u
rq
‑
*
计算如下：
[0044][0045]
正、负序电压控制值之和不能超过变流器输出电压极限值，在s4.1中得到转子正序电压控制值后，转子负序电压参考值要满足：
[0046][0047]
式中，u
rd *
、u
rq *
为s4.1中经pi控制器输出的转子正序电压控制值，u
dc
为风电机组直流侧电压，k
max
为一个常数，取值受到调制方式的影响，在svpwm调制方式下，
[0048]
当计算的负序电压参考值满足式(12)时，直接采用计算得到的负序电压作为参考值；当计算的负序电压参考值不满足式(12)时，应取负序电压的极限值作为参考值，计算如下：
[0049][0050]
其中，u
rdlimit
‑
*
、u
rqlimit
‑
*
为超过变流器输出电压极限后的转子负序电压参考值；
[0051]
将s4.1中得到的正序电压控制量与s4.2中确定的负序电压控制量分别进行坐标变换，将变换后的值相加输送给svpwm模块，产生svpwm波控制转子侧变流器的通断，使双馈电机转子正序电流的参考值与实际转子正序电流的差值在预设范围内的同时，转子负序电压控制值与转子负序电压实际值的差值也在预设范围内。
[0052]
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
[0053]
本发明公开了一种基于对称和不对称电网故障下双馈风电机组转子侧协调控制方法，协调控制电网发生对称故障和不对称故障时转子侧变流器控制策略，对电网发生各种类型的故障时均能起到很好地控制效果，可以应对更加复杂的运行工况。此外，本发明不增加撬棍电路而采用改进转子侧的控制方法，大幅度降低了建造成本。同时考虑了变流器的输出电压极限，增强了控制效果和运行的安全性。
附图说明
[0054]
图1为双馈风电系统结构图及电网发生故障的示意图；
[0055]
图2为本发明具体实施方式中电网发生对称故障时转子侧变流器的改进控制框图；
[0056]
图3为本发明具体实施方式中电网发生不对称故障时转子侧变流器的改进控制框图；
[0057]
图4为本发明具体实施方式中故障检测和转子侧变流器控制方式选择的流程图。
具体实施方式
[0058]
本发明提出一种基于对称和不对称电网故障下双馈风电机组转子侧协调控制方法，该方法包括以下步骤：
[0059]
s1：检测电网故障的类型，当电网发生对称故障时，转子侧变流器采用s3中的控制策略；
[0060]
s2：检测到电网发生不对称故障时，转子侧变流器采用s4中的控制策略；
[0061]
s3：根据检测的三相电压跌落深度，计算q轴无功电流和d轴转子电流的控制参考值，与双馈风电机的实际转子电流进行比较，二者的差值经pi控制器后得到转子电压的控制值，根据定子电流的励磁动态过程，在转子电压控制值的基础上增加动态补偿量，新的转子电压控制值经过坐标变换后输送给svpwm模块，生成svpwm波输出给转子侧变流器，控制转子侧变流器的通断，使双馈风电机实际转子电流与计算得到的转子电流参考值之差在预设范围内；
[0062]
s4：在旋转坐标系下分离出正序电压、电流和负序电压、电流分量，计算转子正序电流控制参考值，将转子正序电流参考值与实际正序电流作差，经pi控制器后输出正序转子电压的控制值，再根据变流器输出电压极限，计算负序转子电压的控制值，将正、负序转子电压的控制值经过坐标变换，再输送给svpwm模块，输出svpwm波控制转子侧变流器的通断，使双馈电机的转子正序电流参考值与实际正序电流值的差值在预设范围内的同时，转子负序电压控制值与转子负序电压实际值的差值也在预设范围内。
[0063]
所述步骤s1中，在风电系统并网点实时检测三相电网电压幅值的变化，当检测到三相电网电压幅值均发生改变且均减小到正常值的0.9倍以下时，记录此时的电压跌落深
度p，同时检测装置发出电平信号1，转子侧变流器接收信号后，采用s3中的控制方式。
[0064]
所述步骤s2中，在风电系统并网点实时检测三相电网电压幅值的变化，当检测到三相电压发生不对称跌落且任一相幅值减小到正常情况的0.9倍以下时，检测装置发出电平信号
‑
1，转子侧变流器接收信号后，采用s4中的控制方式。
[0065]
所述步骤s3中，根据s1中检测到的电网电压跌落的程度p计算无功电流的控制参考值，先计算定子电流的d轴和q轴分量如下：
[0066][0067]
再根据定子电流，结合功率传输公式推导转子电流为：
[0068][0069]
式中，i
sd
、i
sq
为定子d轴、q轴电流；i
rd
、i
rq
为转子d轴、q轴电流；l
s
为定子漏感，l
m
为定转子互感；p为电网电压跌落深度，u为正常运行下电网电压；p
s
为电网有功功率，w1为同步角速度；
[0070]
通过式(2)计算得到q轴无功电流的参考值i
rq
和d轴电流的参考值i
rd
，与双馈风电机实际的d、q轴电流作差，经pi控制器得到转子电压的控制值，在pi控制器输出的转子电压控制值的基础上，计算在定子电流励磁动态过程影响下的d、q轴转子电压动态补偿量如下：
[0071][0072]
式中：δu
rd
、δu
rq
为d、q轴转子电压补偿量；r
s
为定子电阻；w
s
为定子角速度；ψ
sd
、ψ
sq
为定子d轴、q轴磁链，ψ
rd
、ψ
rq
为转子d轴、q轴磁链；u
sd
为定子d轴电压。
[0073]
将pi控制器输出的转子电压控制值与式(3)中的转子电压动态补偿项相加，得到准确的转子电压控制值，经过坐标变换后输送给svpwm模块，产生svpwm波控制转子侧变流器的通断，使双馈风电机的实际转子电流与计算的转子电流参考值之间的差值在预设范围内；所述将pi控制器输出的转子电压控制值与式(3)中的电压动态补偿项相加，得到准确的转子电压控制值如下：
[0074][0075]
其中，r
r
为转子电阻，σ为电机漏磁系数，l
r
为转子漏感，u
sq
为定子q轴电压；u
rd
、u
rq
为转子d、q轴电压。
[0076]
优选的，所述步骤s4中，电网电压发生不对称跌落时，dfig在同步旋转坐标系下的正负序电压方程为：
[0077][0078]
式中，w
slip
、w
slip
‑
为正反转滑差角频率，其表示为：
[0079][0080]
式中，u
sdq
、u
rdq
为定、转子正序电压矢量，u
sdq
‑
、u
rdq
‑
为定、转子负序电压矢量；i
sdq
、i
rdq
为定、转子正序电流矢量，i
sdq
‑
、i
rdq
‑
为定、转子负序电流矢量；ψ
sdq
、ψ
rdq
为定、转子正序磁链矢量；ψ
sdq
‑
、ψ
rdq
‑
为定、转子负序磁链矢量；w
r
为转子角速度，w1为同步角速度；
[0081]
在电网发生不对称故障时，考虑变流器输出电压极限的正序电流和负序电压的参考值计算通过以下方法进行：
[0082]
s4.1：忽略磁阻和定子暂态过程，根据式(5)推导得到正序转子电流和定子电流关系为：
[0083][0084]
式中，i
sd
、i
sq
为定子电流正序d轴和q轴分量，i
rd
、i
rq
为转子电流正序d轴和q轴分量，u
sd
为定子电压正序d轴分量；l
s
为定子漏感；l
m
为定转子互感；
[0085]
为抑制转子电流正序分量，同时保证系统输出的无功功率为0，即i
sq
＝0，则将转子电流正序分量的参考值i
rd *
、i
rq *
设置为：
[0086][0087]
根据式(8)计算得到正序转子电流的控制参考值，与实际双馈风电机的正序转子电流做差，将差值经pi控制器得到正序电压的控制值；
[0088]
s4.2：根据式(5)可以得到负序定子电流和转子电流的关系为：
[0089][0090]
式中，i
sd
‑
、i
sq
‑
为定子电流负序d轴和q轴分量，i
rd
‑
、i
rq
‑
为转子电流负序d轴和q轴分量，u
sd
‑
为定子电压负序d轴分量；
[0091]
转子电压的正负序方程表示为：
[0092][0093]
式中，l
r
为转子漏感；u
rd
、u
rq
为转子正序电压的d轴、q轴分量；u
rd
‑
、u
rq
‑
为转子负序电压的d轴、q轴分量；u
sq
、u
sq
‑
为定子电压正序、负序q轴分量；σ为电机漏磁系数；
[0094]
根据式(9)和式(10)，转子负序电压参考值u
rd
‑
*
、u
rq
‑
*
计算如下：
[0095][0096]
正、负序电压控制值之和不能超过变流器输出电压极限值，在s4.1中得到转子正序电压控制值后，转子负序电压参考值要满足：
[0097][0098]
式中，u
rd *
、u
rq *
为s4.1中经pi控制器输出的转子正序电压控制值，u
dc
为风电机组直流侧电压，k
max
为一个常数，取值受到调制方式的影响，在svpwm调制方式下，
[0099]
当计算的负序电压参考值满足式(12)时，直接采用计算得到的负序电压作为参考值；当计算的负序电压参考值不满足式(12)时，应取负序电压的极限值作为参考值，计算如下：
[0100][0101]
其中，u
rdlimit
‑
*
、u
rqlimit
‑
*
为超过变流器输出电压极限后的转子负序电压参考值；
[0102]
将s4.1中得到的正序电压控制量与s4.2中确定的负序电压控制量分别进行坐标变换，将变换后的值相加输送给svpwm模块，产生svpwm波控制转子侧变流器的通断，使双馈电机转子正序电流的参考值与实际转子正序电流的差值在预设范围内的同时，转子负序电压控制值与转子负序电压实际值的差值也在预设范围内。双馈风电系统结构图及电网发生故障地点的示意图如图1所示，当电网发生对称故障时，对转子侧变流器的控制要考虑定子励磁电流动态过程，增加动态补偿量的控制框图如图2所示。当电网发生不对称故障时，分别对转子侧正序分量和负序分量进行抑制，并且考虑变流器输出电压极限的控制框图如图3所示。为了协调两种故障类型，故障检测和转子侧变流器控制方式选择的流程图如图4所示。