专利名称：一种电网故障时双馈风力发电控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及双馈电机风力发电控制系统及方法，尤其是涉及一种电网故障时双馈风力发电控制系统及方法。
背景技术：
随着风电装机容量的不断增加，风电机组与电网之间的相互影响以及并网风电机组的安全运行问题成为关注的焦点。其中的研究热点是电网故障时，风电机组的不脱网运行问题，即低电压穿越(Low Voltage Ride Though,LVRT)问题。针对该问题我国国家电网也已经对并网发电的风电机组提出了具体的低电压穿越要求。双馈感应风力发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)的风电市场占有量相当大，其优点主要有励磁变换器容量小，功率解耦控制等，但正是由于其励磁变换器容量小，因而对电网故障的扰动非常敏感，对其实现低电压穿越造成困难。双馈感应发电机低电压穿越问题目前主要的解决方案有改进转子励磁变换器控制算法，如定子磁链的消磁方法，采用现代控制理论的方法等。另一种是增加硬件拓扑的方法，如基于硬件保护电路的 Crowbar保护方法，串联网侧变换器等。改进控制策略和硬件保护的方法都在一定程度上提高了电网故障时双馈发电机的低电压穿越能力，但又存在各自的不足。单纯改进控制策略的方法由于受到转子励磁变换器容量的限制，在电网电压大幅降落时其低电压穿越能力受限，而仅仅增加Crowbar保护电路的方法由于电路的接入及切除需要一定的时间，很难实现快速向电网提供功率支持、帮助电网恢复。因此在电网故障时快速有效的实现电网故障时双馈风力发电系统向电网供电，则是现有技术中有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能有效保护转子励磁变换器，提高电网故障时双馈风力发电系统低电压穿越能力，优化电网故障系统的拓扑结构以及实现发电机向电网快速提供功率支持的电网故障时双馈风力发电控制系统及方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种电网故障时双馈风力发电控制系统，包括双馈感应风力发电机和转子励磁变换器，所述的双馈感应风力发电机包括定子、 转子、三相定子输出端、转子绕组出线端，所述的转子励磁变换器包括转子侧变换器和网侧变换器，所述的三相定子输出端与电网通过电网公用连接点连接，所述的转子绕组出线端与转子侧变换器连接，所述的网侧变换器与电网公用连接点连接，其特征在于，还包括电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、数字信号处理器、Crowbar保护电路，所述的电压霍尔传感器的输入端与电网公用连接点连接，所述的电压霍尔传感器的输出端与数字信号处理器连接，所述的电流霍尔传感器的输入端与转子绕组出线端连接，所述的电流霍尔传感器的输出端与数字信号处理器连接，所述的数字信号处理器的第一输出端与转子励磁变换器输入端连接，所述的数字信号处理器的第二输出端与Crowbar保护电路的开关控制端连接，所
3述的Crowbar保护电路的输入端与转子绕组出线端连接。所述的转子侧变换器为IGBT功率管构成的三相桥式电路。该方法包括以下步骤1)数字信号处理器根据电压霍尔传感器检测到的电网电压，判断电网电压是否瞬降，如判断为是则进行步骤2)，如判断为否则由双馈发电机矢量算法控制双馈发电机，数字信号处理器重新判断电网电压是否瞬降；2)数字信号处理器根据电流霍尔传感器采集的转子电流计算得出转子侧变换器调制电压；3)判断转子侧变换器调制电压是否超出限幅值，如判断为是则进行步骤5)，如判断为否则进行步骤4) ；4)断开 Crowbar保护电路，数字信号处理器根据步骤2)得出的转子侧变换器调制电压对转子侧变换器进行控制，同时返回步骤1) ；5)封锁转子侧变换器脉冲信号，将Crowbar保护电路接入转子绕组回路，同时返回步骤3)判断转子侧变换器调制电压是否超出限幅值。所述的步骤2)中的计算得出转子侧变换器调制电压的具体计算方法为，对三相转子电流进行同步旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d、q轴分量、和
；然后通过滤波方法求得转子电流旋转分量与电网不对称故障时转子电流负序分量的和 irdΨ>、ν，将转子电流给定值ir/、ir；分别减去irdv、irqv得到的值ird'、irq'作为新的转子电流给定值，将>irq'分别与转子电流丨^!、、相减后，经PI调节得到转子侧变流器调制电压。与现有技术相比，本发明采用Crowbar硬件电路与控制策略相结合的控制方式， 有效保护了转子励磁变换器，提高了电网故障时双馈风力发电系统低电压穿越能力，优化了电网故障系统的拓扑结构，实现了发电机向电网快速提供功率支持。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的流程图。图1中1为双馈感应电机、2为转子励磁变换器、3为转子侧变换器、4为网侧变换器、5为电压霍尔传感器、6为电流霍尔传感器、7为数字信号处理器、8为Crowbar保护电路。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1所示，一种电网故障时双馈风力发电控制系统，包括双馈感应风力发电机 1和转子励磁变换器2，其中转子励磁变换器2又包括转子侧变换器3和网侧变换器4两部分，双馈感应风力发电机1的三相定子输出端与电网的公用连接点PCC上安装有电压霍尔传感器5，双馈感应风力发电机1的转子绕组出线端安装电流霍尔传感器6，转子绕组接 Crowbar保护电路8，由一个数字信号处理器7接收电压霍尔传感器5和电流霍尔传感器6 传来的信号，并进行计算进而输出控制信号控制转子励磁变换器2以及转子Crowbar保护电路8，数字信号处理器7根据电压霍尔传感器5采集的电压进行电网电压瞬降(此例中降到稳定运行电压的20% )判断，并对电流霍尔传感器6采集的电流信号进行同步旋转坐标变换，之后将电网电压瞬降时双馈感应发电机转子中感应出的转子电流旋转分量以及电网不对称故障时转子电流负序分量滤出，将转子电流旋转分量以及负序分量反向加入转子电流给定值后，作为新的转子电流给定，由数字信号处理器7计算生成调制电压控制转子侧变换器3，通过判断调制电压的大小控制Crowbar电路8的接入与切除。若调制电压大于最大限幅电压(限幅电压根据发电机功率及电机结构等因素确定)，则封锁转子侧变换器3 脉冲信号，并将转子Crowbar保护电路8接入，使得转子绕组通过Crowbar电路形成短路状态，当调制电压小于限幅值时，将Crowbar保护电路8从转子断开，解除转子侧变换器3脉冲封锁，并重新用调制电压进行控制。所述的数字信号处理器7通过调制算法模块输出调制信号。转子侧变换器3由IGBT功率管构成三相桥式电路实现。数字信号处理器7根据电压霍尔传感器5采集的电压进行电网电压瞬降判断，若判断出电压瞬降，上述转子侧变换器调制电压的产生步骤如下步骤SlOl利用电压霍尔传感器检测电网电压，当检测到电网电压瞬降时，执行步骤S102，否则由双馈发电机矢量算法控制双馈发电机，数字信号处理器重新判断电网电压是否瞬降。步骤S102采用软件消磁方法计算转子侧变换器调制电压，即对三相转子电流进行同步旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d、q轴分量、和、；并利用滤波方法得到转子电流旋转分量以及电网不对称故障时转子电流负序分量的和irfv、、Ψ，将转子电流给定值i^、ir；分别减去irfv、得到的值、irq'作为新的转子电流给定值， 将>irq'分别与转子电流if、相减后，经PI调节得到转子侧变流器调制电压。步骤S103判断步骤S102中转子侧变流器调制电压是否超出限幅值，若超出限幅值，则执行步骤S105，若没有超出限幅值，则进行步骤S104。步骤S104继续用步骤S102中的转子侧变流器调制电压进行转子侧变流器控制。步骤S105封锁转子侧变流器脉冲信号，将Crowbar保护电路接入转子绕组回路， 判断转子侧变流器调制电压是否超过限幅值，若超出限幅值，则保持步骤S105中的状态， 若小于限幅值，则断开Crowbar保护电路，解除转子侧变流器脉冲信号的封锁，用步骤S102 中的转子侧变流器调制电压进行转子侧变流器控制。
权利要求
1.一种电网故障时双馈风力发电控制系统，包括双馈感应风力发电机和转子励磁变换器，所述的双馈感应风力发电机包括定子、转子、三相定子输出端、转子绕组出线端，所述的转子励磁变换器包括转子侧变换器和网侧变换器，所述的三相定子输出端与电网通过电网公用连接点连接，所述的转子绕组出线端与转子侧变换器连接，所述的网侧变换器与电网公用连接点连接，其特征在于，还包括电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、数字信号处理器、 Crowbar保护电路，所述的电压霍尔传感器的输入端与电网公用连接点连接，所述的电压霍尔传感器的输出端与数字信号处理器连接，所述的电流霍尔传感器的输入端与转子绕组出线端连接，所述的电流霍尔传感器的输出端与数字信号处理器连接，所述的数字信号处理器的第一输出端与转子励磁变换器输入端连接，所述的数字信号处理器的第二输出端与 Crowbar保护电路的开关控制端连接，所述的Crowbar保护电路的输入端与转子绕组出线端连接。
2.根据权利要求1所述的一种电网故障时双馈风力发电控制系统，其特征在于，所述的转子侧变换器为IGBT功率管构成的三相桥式电路。
3.—种电网故障时双馈风力发电控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)数字信号处理器根据电压霍尔传感器检测到的电网电压，判断电网电压是否瞬降， 如判断为是则进行步骤2)，如判断为否则由双馈发电机矢量算法控制双馈发电机，数字信号处理器重新判断电网电压是否瞬降；2)数字信号处理器根据电流霍尔传感器采集的转子电流计算得出转子侧变换器调制电压；3)判断转子侧变换器调制电压是否超出限幅值，如判断为是则进行步骤5)，如判断为否则进行步骤4)；4)断开Crowbar保护电路，数字信号处理器根据步骤2)得出的转子侧变换器调制电压对转子侧变换器进行控制，同时返回步骤1)；5)封锁转子侧变换器脉冲信号，将Crowbar保护电路接入转子绕组回路，同时返回步骤3)判断转子侧变换器调制电压是否超出限幅值。
4.根据权利要求3所述的一种电网故障时双馈风力发电控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中的计算得出转子侧变换器调制电压的具体计算方法为，对三相转子电流进行同步旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d、q轴分量、和、；然后通过滤波方法求得转子电流旋转分量与电网不对称故障时转子电流负序分量的和irfv、、Ψ，将转子电流给定值仁/、ir；分别减去irfv、得到的值、irq'作为新的转子电流给定值，将 ird‘ >irq'分别与转子电流丨^!、、相减后，经PI调节得到转子侧变流器调制电压。
全文摘要
本发明涉及一种电网故障时双馈风力发电控制系统及方法，该系统包括双馈感应风力发电机和转子励磁变换器、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、数字信号处理器、Crowbar保护电路；该方法包括1)判断双馈发电机端是否有电压瞬降；2)采用软件消磁方法计算转子侧变换器调制电压；3)根据调制电压是否超出限幅值选择进行步骤5)或步骤4)；4)采用转子侧变换器调制电压对转子侧变换器进行控制；5)将Crowbar保护电路接入转子绕组回路。与现有技术相比，本发明具有能有效保护转子励磁变换器，提高电网故障时双馈风力发电系统低电压穿越能力，还能优化电网故障系统的拓扑结构以及实现发电机向电网快速提供功率支持等优点。
文档编号H02J3/38GK102447263SQ20101050145
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者蔚兰 申请人:上海工程技术大学