双馈风电系统对称高电压故障穿越控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种双馈风电系统对称高电压故障穿越控制方法，本方法涉及对串联网侧变换器的控制、转子侧变换器的控制以及并联网侧变换器的控制。串联网侧变换器通过控制其串入定子回路的输出电压矢量，使定子电压矢量维持为正常运行工况下的值不变，从而保证了发电系统的安全稳定运行；通过对并联网侧变换器及机侧变换器输出电压矢量的控制，不仅使发电系统实现了对输出有功功率的有效控制，而且控制发电系统所输出的无功功率为故障电网提供了最大限度的动态无功支持，有利于电网电压的快速恢复。
【专利说明】双馈风电系统对称高电压故障穿越控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及双馈风电系统的技术改进，特别是涉及该系统在电网电压发生对称骤 升故障时的故障穿越控制方法，属于电力控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 传统双馈风力发电系统中，由于发电机定子直接与电网相连，导致发电系统对于 电网的故障非常敏感，包括电网电压骤升故障和电网电压跌落故障。电网电压骤升故障期 间，一方面由于发电机定子电压随电网电压升高，这将可能损坏定子绕组的绝缘材料、降低 定子绕组的绝缘水平；另一方面，故障时由磁链守恒引起的暂态过程将导致发电机转子出 现过电压、过电流并引起定、转子电流的不平衡，进而使得发电机的电磁转矩、输出功率产 生较大程度的波动，严重影响发电机的安全稳定运行及发电系统的输出电能质量。随着风 电渗透率的不断增加，高电压故障穿越运行能力将成为电网对风电系统的必然要求。目前， 针对电网电压对称骤升下双馈风力发电系统的故障穿越运行已有一些解决方法，如已公开 的下列文献：
[0003] (1)谢震，张兴，杨淑英，等.基于虚拟阻抗的双馈风力发电机高电压穿越控制策 略[J].中国电机工程学报，2012, 32 (27) :16-23.
[0004] ⑵徐海亮，章讳，陈建生，等.考虑动态无功支持的双馈风电机组高电压穿越控 制策略[J].中国电机工程学报，2013, 36 (33) :112-119.
[0005] 文献（1)提出了在转子电流环中引入虚拟阻抗从而实现系统高电压穿越运行的 控制策略，该策略减小了故障期间转子电压和转子电流的振荡幅度和振荡时间，在一定程 度上提高了双馈风电机组的对称高电压穿越运行能力。然而该控制策略并没有对发电机电 磁转矩及输出有功功率、无功功率的波动提出有效的抑制措施，对所并电网电能质量的改 善效果并不明显。此外，该控制策略未能使系统在故障期间为电网提供有效的动态无功支 持，不能满足已有电网导则对风电机组的高电压穿越运行要求。
[0006] 文献（2)提出了一种在电网电压骤升故障期间采用无功优先原则控制策略使双 馈风力发电机组实现高电压穿越运行，该控制策略通过在故障期间注入较大的无功功率对 电网电压的快速恢复提供了有利的支持，在一定程度上提高了风电系统的高电压穿越运行 能力，但该控制策略未能从根本上消除双馈风力发电系统本身在电网故障期间的过电压、 过电流问题以及功率和电磁转矩波动问题，而且当风力发电系统所并电网容量较大时，该 控制方法对于风电系统并网点电压的改善效果并不明显。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种电网电压对称骤升下 双馈风电系统实现故障穿越运行的方法，该方法在保证双馈风力发电系统安全稳定运行的 同时亦实现了对故障电网提供最大程度的动态无功支持。
[0008] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0009] 双馈风电系统对称高电压故障穿越控制方法，本方法涉及对串联网侧变换器的控 制、转子侧变换器的控制以及并联网侧变换器的控制，各变换器的控制方法分别为：
[0010] A)串联网侧变换器的控制方法为：
[0011] A1)利用电压传感器采集电网三相电压ugab。、双馈感应发电机定子三相电压usabc 及直流母线电Sud。的信号；
[0012] A2)利用锁相功能部件取得ugab。的合成矢量幅值Ugm、电角度Θ g和同步电角速度 ω s ；
[0013] A3)将步骤Α1)采集到的usab。经静止三相abc坐标轴系到静止两相α β坐标轴 系的恒功率坐标变换，得静止两相α β坐标轴系下的定子电压信号，即usae ;
[0014] A4)采用电网电压d轴定向方式，将步骤A2)所得的0g和步骤A3)所得的usae 经过静止两相α β坐标轴系到同步角速度旋转dq坐标轴系的恒功率变换，得到定子三相 电压在电网电压定向的同步旋转dq坐标系下的d、q轴分量，S卩：u sd、usq ;
[0015] A5)串联网侧变换器采用电压闭环来实现对定子电压的控制，电网电压定向的同 步角速度旋转dq坐标轴系下串联网侧变换器的电压控制方程如下 ：
[0016]
【权利要求】
1.双馈风电系统对称高电压故障穿越控制方法，其特征在于，本方法涉及对串联网侧 变换器的控制、转子侧变换器的控制以及并联网侧变换器的控制，各变换器的控制方法分 别为： A) 串联网侧变换器的控制方法为： A1)利用电压传感器采集电网三相电压ugab。、双馈感应发电机定子三相电压usab。及直 流母线电压Ud。的信号； A2)利用锁相功能部件取得ugab。的合成矢量幅值Ugm、电角度Θ g和同步电角速度c〇s ; A3)将步骤A1)采集到的usab。经静止三相abc坐标轴系到静止两相α β坐标轴系的 恒功率坐标变换，得静止两相α β坐标轴系下的定子电压信号，即Usa0 ; A4)采用电网电压d轴定向方式，将步骤A2)所得的0g和步骤A3)所得的usae经过 静止两相α β坐标轴系到同步角速度旋转dq坐标轴系的恒功率变换，得到定子三相电压 在电网电压定向的同步旋转dq坐标系下的d、q轴分量，S卩：u sd、usq ; A5)串联网侧变换器采用电压闭环来实现对定子电压的控制，电网电压定向的同步角 速度旋转dq坐标轴系下串联网侧变换器的电压控制方程如下：
其中，usc;(^Pusc;(1分别为以电网电压定向的正向同步旋转dq轴系下串联网侧变换器控 制电压的d、q轴分量，Κρ1、τ η分别为PI控制器的比例系数和积分时间常数；Vsm为正常运 行时定子电压矢量的幅值； A6)将步骤A2)所得的0g和步骤A5)所得到的usc;d、Usc;(1经同步角速度旋转dq坐标轴 系到静止两相α β坐标轴系的恒功率变换，得到静止两相α β坐标轴系下串联网侧变换 器的控制电压usc；a、usc；e ; A7)将步骤A6)所得的usc；a、Usc；e和步骤A1)所得的Ud。经空间矢量脉宽调制产生串联 网侧变换器的PWM驱动信号； B) 并联网侧变换器的控制方法为： B1)利用电流传感器采集并联网侧变换器的三相进线电流信号igab。； B2)将采集得到的igab。经静止三相abc坐标系到静止两相α β坐标轴系的恒功率变 换，得静止两相α β轴系下并联网侧变换器的进线电流igae ; B3)采用电网电压d轴定向，将步骤A2)所得的0g和步骤B2)所得的igae经静止两 相α β坐标轴系到同步角速度旋转dq坐标轴系的恒功率变换，得并联网侧变换器进线电 流在以电网电压定向的同步旋转dq坐标系下的d、q轴分量i gd、igq ; B4)直流母线电压给定值设定为将A1)所得的Ud。经PI调节器进行调节，其输出 值加上构成流经并联网侧变换器的平均有功功率给定值^?，即：
其中，Kpu和τ iu分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数； B5)将步骤A2)所得和步骤M)所得经并联网侧变换器d轴电流参考值计算， 得并联网侧变换器的d轴参考电流指令值 Β6)将步骤Α2)所得ugm和％通过考虑到变换器调制比的并联网侧变换器q轴电流给 定值计算，得并联网侧变换器的q轴参考电流指令值 B7)并联网侧变换器在电网电压定向的同步旋转dq坐标轴系下的控制方程为：
其中：ugd和ugq分别为并联网侧变换器控制电压的d、q轴分量，Kp4和τ i4分别为PI调 节器的比例系数和积分系数，Lg为并联网侧变换器的进线电抗器的电感，Rg为并联网侧变 换器的进线电阻，Au gd、Augd分别为d、q轴控制电压的补偿分量； B8)将步骤A2)所得得Θ g和步骤B7)所得的ugd、ugq经同步角速度旋转dq坐标轴系 到静止两相α β坐标轴系的恒功率变换，得静止两相α β坐标轴系下并联网侧变换器的 控制电压uga、ug0 ; B9)将步骤B8)所得的uga、ug0和步骤A1)所得的Udc经空间矢量脉宽调制，得并联网 侧变换器的PWM驱动信号； C)转子侧变换器的控制方法为： 转子侧变换器采用传统矢量控制策略，其控制电压和直流侧电压Ud。通过空间矢量调 制产生转子侧变换器的PWM驱动信号；其功率外环的无功功率给定值Q_经定子无功功率 给定值计算得出。
2. 根据权利要求1所述的双馈风电系统对称高电压故障穿越控制方法，其特征在于， 转子侧变换器功率外环的无功功率给定值计算方法如下式：
其中，Is_为发电机定子所允许的三相电流合成矢量的最大幅值，isq为发电机定子侧 输出有功功率维持为非故障期间数值不变时采用定子磁链定向的同步旋转dq轴系下定子 电流的q轴分量，isdfflax为该坐标轴系下定子电流d轴分量的最大值，该坐标轴系下 定子电压的q轴分量，Q max为定子侧输出有功功率的最大值也即转子侧变换器功率外环无 功功率的给定值。
3. 根据权利要求1所述的双馈风电系统对称高电压故障穿越控制方法，其特征在于， 所述步骤B6)中/丨q的计算方法如下式：
其中，Lg为并联网侧变换器的进线电感。
【文档编号】H02P21/14GK104218613SQ201410524460
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】姚骏, 曾欣, 余梦婷, 周特, 赵磊 申请人:重庆大学