本发明涉及风电机组控制技术领域，具体涉及一种全功率风电机组的低电压故障穿越控制系统。
背景技术：
现有技术中，公开号为cn109217366a、申请号为cn201811124760.8的中国发明专利，公开了一种电压源控制的全功率风电机组，其并网系统结构如图1所示，其中机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制，网侧变流器采用“惯性同步”控制。在网侧变流器控制环路中，直流侧电压的标幺值输入到积分控制器，该控制器的输出作为网侧变流器输出电压ug的相位θ用于脉冲宽度调制(pwm)。可以通过调节调制电压幅值来控制网侧变流器输出的无功功率pwm模块基于θ，和生成三相开关信号sabc。机侧变流器采用功率外环、电流内环的双环控制结构，根据风轮转速产生最优功率参考值实现最优功率控制。
在图1所示的控制方式下，风电机组直流侧电压能够自主感知电网频率变化。惯量传递控制器通过检测直流电压的变化率，并将变化率乘以惯量传递系数kc，该结果乘以-1即为惯量传递控制器的输出值加上最大功率控制器的输出值作为有功功率参考值图1中的惯量传递控制环路能够将风轮惯量传递到电网侧，实现风电机组对电网的惯量响应功能。然而，该中国发明专利没有提供这种新型电压源控制的风电机组的低电压故障穿越控制系统，不利于这种电压源控制的风电机组的工程应用。
技术实现要素：
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种全功率风电机组的低电压故障穿越控制系统，包括电压源控制的全功率风电机组，还包括连接风电机组的故障检测器、网侧控制器、撬棒控制器、机侧控制器以及变桨控制器；所述故障检测器，用于检测风电机组交流出口端的电压幅值和电流幅值根据交流出口端的电压幅值和电流幅值故障检测器生成短路故障标志位flag；当电网出现短路故障时，故障检测器生成的短路故障标志位flag为1，网侧控制器封锁网侧变流器触发脉冲，撬棒控制器将直流侧卸荷电路投入，机侧控制器降低机侧变流器的输出功率，同时变桨控制器增大桨距角实现变桨；当短路故障切除后，故障检测器生成的短路故障标志位flag变为0，网侧控制器重新开启网侧变流器触发脉冲，待网侧变流器并网启动完毕后，撬棒控制器将直流侧卸荷电路切出，机侧控制器恢复到最优功率控制模式，同时变桨控制器将桨距角减小到0。
作为本发明的优选技术方案：在低电压故障检测器中，当风电机组输出电流幅值大于电流设定值上限时，fi为1；否则，fi为0；当公共连接点电压幅值小于电压设定值下限时，fu为1；否则，fu为0；fi与fu经过一个或门，其输出为短路故障标志位flag；为防止故障检测器误动作，在fi与或门之间加入下降沿延时器delayer1。
作为本发明的优选技术方案：在网侧控制器中，直流侧电压标幺值与额定直流侧电压标幺值之差经过pi调节器进入选通开关sg1的位置1，选通开关sg2的位置1输入为0；锁相环观测并网点电压的相位θp与选通开关sg1的输出之和作为受控开关sg2位置1的输入，直流侧电压标幺值经过一个增益为ωbg的积分器后作为受控开关sg2位置2的输入，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer2后进入受控开关sg2的控制标志位ctrl；无功功率的参考标幺值与无功功率反馈的标幺值之差经过一个pi调节器作为受控开关sg3位置2的输入，受控开关sg3位置1的输入为零，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer3后进入受控开关sg3的控制标志位ctrl。受控开关sg3的输出与调制电压设定的标幺值之和作为网侧变流器调制电压幅值的标幺值受控开关sg2的输出θ与网侧变流器调制电压幅值的标幺值进入spwm调制环节；受控开关sg4位置1的输入为零，受控开关sg4位置2的输入为spwm调制环节的输出，受控开关sg4的输出为网侧变流器的调制信号，短路故障标志位flag进入受控开关sg4的控制标志位ctrl。
作为本发明的优选技术方案：在撬棒控制器中，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer4后进入受控开关sc2、sc3的控制标志位ctrl；受控开关sc2位置1的输入为受控开关sc2位置2的输入为受控开关sc2的输出为受控开关sc3位置1的输入为受控开关sc3位置2的输入为受控开关sc3的输出为直流侧电压标幺值进入一个滞环比较器作为其输出，滞环比较器的上下限分别为受控开关sc3的输出受控开关sc2的输出滞环比较器的输入大于上限值其输出为1，滞环比较器的输入小于下限值其输出为0；滞环比较器的输出进入受控开关sc1的控制标志位ctrl，直流侧电压标幺值作为受控开关sc1位置1的输入，额定直流侧电压标幺值作为受控开关sc1位置2的输入，受控开关sc1的输出与额定直流侧电压标幺值之差进入一个具有输出清零功能的pi调节器，滞环比较器的输出经过一个非门进入pi调节器的清零标志位；pi调节器的输出进入比较器，比较器的输出用来控制撬棒的开通和关断。
作为本发明的优选技术方案：在机侧控制器中，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer5后进入受控开关sm1的控制标志位ctrl，受控开关sm1位置1的输入为零，受控开关sm1位置2的输入为直流侧电压标幺值与-skc/(ts+1)的乘积；短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer6后进入受控开关sm2的控制标志位ctrl，受控开关sm2位置1的输入为较低的机侧有功功率参考值受控开关sm2位置2的输入为最优功率的参考标幺值等于受控开关sm2的输出进入限幅环节后与受控开关sm1的输出之和，减去机侧变流器输出功率的标幺值后进入一个pi调节器，pi调节器的输出作为机侧变流器q轴电流的参考值。
作为本发明的优选技术方案：在变桨控制器中，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer7后进入受控开关sp1的控制标志位ctrl，受控开关sp1位置1的输入为0，受控开关sp1位置2的输入为有功功率的最大限定值受控开关sp1的输出为有功功率的限定值机侧变流器输出有功功率的标幺值与有功功率的限定值之差经过一个含有限幅环节的pi调节器，风轮转速的标幺值与转速的限定值也经过一个含有限幅环节的pi调节器，两个pi调节器的输出经过一个变化率限制环节后再经过一个限幅环节后作为作为风轮的桨距角。
作为本发明的优选技术方案：当控制标志位ctrl的输入为0时，受控开关sg2、sg3、sg4、sc1、sc2、sc3、sm1、sm2、sp1的输出为位置2的输出量；当控制标志位ctrl的输入为1时，受控开关sg2、sg3、sg4、sc1、sc2、sc3、sm1、sm2、sp1的输出为位置1的输出量。
作为本发明的优选技术方案：对于下降沿延时器，当输入由0变到1时，延时器输出立刻由0变为1，当输入由1变到0时，延时器输出在延时一定时间后由1变为0；下降沿延时器在下降沿延时的时间分别为tf1-tf7。
本发明所述的一种全功率风电机组的低电压故障穿越控制系统，，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明能够保证电压源控制的全功率风电机组在低电压故障时的故障穿越，避免因低电网电压引起风电机组的停机。
附图说明
图1是电压源控制的全功率风电机组系统结构；
图2是本发明的低电压故障穿越整机控制框图；
图3是本发明的故障检测器控制框图；
图4是本发明的用于低电压故障穿越的网侧控制器框图；
图5是本发明的用于低电压故障穿越的撬棒控制器框图；
图6是本发明的用于低电压故障穿越的机侧控制器框图；
图7是本发明的用于低电压故障穿越的变桨控制器框图；
图8是本发明一仿真实施例的低电压故障穿越仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
在图2所示的低电压故障穿越整机控制框图中，故障检测器检测风电机组交流出口端的电压幅值和电流幅值根据交流出口端的电压幅值和电流幅值故障检测器生成短路故障标志位flag。当电网出现短路故障时，故障检测器生成的短路故障标志位flag为1，网侧控制器封锁网侧变流器触发脉冲，撬棒控制器将直流侧卸荷电路投入，机侧控制器降低机侧变流器的输出功率，同时变桨控制器增大桨距角实现变桨。当短路故障切除后，故障检测器生成的短路故障标志位flag变为0，网侧控制器重新开启网侧变流器触发脉冲，待网侧变流器并网启动完毕后，撬棒控制器将直流侧卸荷电路切出，机侧控制器恢复到最优功率控制模式，同时变桨控制器将桨距角减小到0。
在图3所示的低电压故障检测器中，当风电机组输出电流幅值大于电流设定值上限时，fi为1；否则，fi为0。当公共连接点电压幅值小于电压设定值下限时，fu为1；否则，fu为0。fi与fu经过一个或门，其输出为短路故障标志位flag。为防止故障检测器误动作，在fi与或门之间加入下降沿延时器delayer1。
在图4所示的网侧控制器中，直流侧电压标幺值与额定直流侧电压标幺值(即1.0p.u.)之差经过pi调节器进入选通开关sg1的位置1，选通开关sg2的位置1输入为0。锁相环观测并网点电压的相位θp与选通开关sg1的输出之和作为受控开关sg2位置1的输入，直流侧电压标幺值经过一个增益为ωbg(ωbg值为314.16)的积分器后作为受控开关sg2位置2的输入，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer2后进入受控开关sg2的控制标志位ctrl。无功功率的参考标幺值与无功功率反馈的标幺值之差经过一个pi调节器作为受控开关sg3位置2的输入，受控开关sg3位置1的输入为零，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer3后进入受控开关sg3的控制标志位ctrl。受控开关sg3的输出与调制电压设定的标幺值之和作为网侧变流器调制电压幅值的标幺值受控开关sg2的输出θ与网侧变流器调制电压幅值的标幺值进入spwm调制环节。受控开关sg4位置1的输入为零，受控开关sg4位置2的输入为spwm调制环节的输出，受控开关sg4的输出为网侧变流器的调制信号，短路故障标志位flag进入受控开关sg4的控制标志位ctrl。
在图5所示的撬棒控制器中，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer4后进入受控开关sc2、sc3的控制标志位ctrl。受控开关sc2位置1的输入为受控开关sc2位置2的输入为受控开关sc2的输出为受控开关sc3位置1的输入为受控开关sc3位置2的输入为受控开关sc3的输出为直流侧电压标幺值进入一个滞环比较器作为其输出，滞环比较器的上下限分别为受控开关sc3的输出受控开关sc2的输出滞环比较器的输入大于上限值其输出为1，滞环比较器的输入小于下限值其输出为0。滞环比较器的输出进入受控开关sc1的控制标志位ctrl，直流侧电压标幺值作为受控开关sc1位置1的输入，额定直流侧电压标幺值(即1.0p.u.)作为受控开关sc1位置2的输入，受控开关sc1的输出与额定直流侧电压标幺值(即1.0p.u.)之差进入一个具有输出清零功能的pi调节器，滞环比较器的输出经过一个非门进入pi调节器的清零标志位。pi调节器的输出进入比较器，比较器的输出用来控制撬棒的开通和关断。
在图6所示的机侧控制器中，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer5后进入受控开关sm1的控制标志位ctrl，受控开关sm1位置1的输入为零，受控开关sm1位置2的输入为直流侧电压标幺值与-skc/(ts+1)的乘积。短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer6后进入受控开关sm2的控制标志位ctrl，受控开关sm2位置1的输入为较低的机侧有功功率参考值受控开关sm2位置2的输入为最优功率的参考标幺值(等于)。受控开关sm2的输出进入限幅环节后与受控开关sm1的输出之和，减去机侧变流器输出功率的标幺值后进入一个pi调节器，pi调节器的输出作为机侧变流器q轴电流的参考值。
在图7所示的变桨控制器中，短路故障标志位flag经过下降沿延时器delayer7后进入受控开关sp1的控制标志位ctrl，受控开关sp1位置1的输入为0，受控开关sp1位置2的输入为有功功率的最大限定值受控开关sp1的输出为有功功率的限定值机侧变流器输出有功功率的标幺值与有功功率的限定值之差经过一个含有限幅环节的pi调节器，风轮转速的标幺值与转速的限定值也经过一个含有限幅环节的pi调节器，两个pi调节器的输出经过一个变化率限制环节后再经过一个限幅环节后作为作为风轮的桨距角。
所示图4-图7中，当控制标志位ctrl的输入为0时，受控开关sg2、sg3、sg4、sc1、sc2、sc3、sm1、sm2、sp1的输出为位置2的输出量；当控制标志位ctrl的输入为1时，受控开关sg2、sg3、sg4、sc1、sc2、sc3、sm1、sm2、sp1的输出为位置1的输出量。
所示图3-图7中，对于下降沿延时器delayer1-delayer7，当输入由0变到1时，延时器输出立刻由0变为1，当输入由1变到0时，延时器输出在延时一定时间后由1变为0。下降沿延时器delayer1-delayer7在下降沿延时的时间分别为tf1-tf7。
如图3所示，低电压故障检测器中，电流设定值上限为1.25p.u.，电压设定值下限为0.8p.u.。下降沿延时器delayer1的延时时间tf1取0.1s。
如图4所示，网侧控制器中，下降沿延时器delayer2的延时时间tf2取0.2s，下降沿延时器delayer3的延时时间tf3取1s。
如图5所示，撬棒控制器中，下降沿延时器delayer4的延时时间tf4取0.2s，受控开关sc2位置1的输入为0.99，受控开关sc2位置2的输入为0.90，受控开关sc3位置1的输入为1.01，受控开关sc3位置2的输入为1.10。
如图6所示，机侧控制器中，下降沿延时器delayer5的延时时间tf5取1.2s，下降沿延时器delayer6的延时时间tf6取0.25s，受控开关sm2位置1的输入为0.05。
如图7所示，变桨控制器中，下降沿延时器delayer7的延时时间tf7取0.25s，受控开关sp1位置2的输入为1.2。
如图8所示，本发明一仿真实施例的低电压故障穿越仿真波形，电网短路比为2.5，在10s时电网出现三相短路故障，电网公共连接点电压跌落至0.2p.u.，故障持续时间为0.625s。
图8所示的仿真实施例，电网出现三相短路故障时各个控制器的控制过程如下：
1)图3中低电压故障检测器输出的短路故障标志位flag由0变为1。
2)图4所示的网侧控制器中，受控开关sg2-sg4由位置2变到位置1，sgabc变为0，封锁网侧变流器的触发脉冲，避免过电流对开关管的损坏，对应图8中网侧变流器输出有功功率无功功率变为0，并网电流在故障发生时先增大而后由于触发脉冲sgabc被封锁而变为0，sg2处在位置2意味着由锁相环pll观测pcc点电压相位θ，sg3处在位置2无功功率控制被切出，便于短路故障切除后网侧变流器的重新启动。
3)图5所示的撬棒控制器中，短路故障发生时flag为1，滞环比较器中为0.99，为1.01，撬棒控制器将直流电压控制在0.99p.u.至1.01p.u.范围内。
4)图6所示的机侧控制器中，受控开关sm1、sm2由位置2切换到位置1，惯量传递控制被切出，机侧变流器由最优功率控制变为恒功率控制。机侧变流器有功功率参考值设为0.05p.u.的目的是维持直流侧电压不跌落。
5)图7所示的变桨控制器中，受控开关sp1由位置2切换到位置1，对应有功功率设定值由1.2p.u.变为0，变桨控制器输出桨距角β增大，减小因机侧变流器输出有功功率降低引起风轮转速的过度增大。
图8所示的仿真实施例，电网的三相短路故障切除后风电组的重启动控制过程如下：
1)图3中低电压故障检测器输出的短路故障标志位flag由1变为0。
2)图4所示的网侧控制器中，受控开关sg4切换到位置2，网侧变流器重新启动。受控开关sg2延迟0.2s后由位置1切换到位置2，网侧变流器根据直流电压动态特性与电网同步。受控开关sg3延迟1s后由位置1切换到位置2，无功功率控制被投入，此时故障切除后网侧变流器的重启动完成。
3)图5所示的撬棒控制器中，短路故障切除后flag为0，在延迟0.2s后滞环比较器中变为为0.90，为1.10，此时撬棒控制从直流侧切除。
4)图6所示的机侧控制器中，短路故障切除后，受控开关sm1延迟0.25s后由位置1切换到位置2，机侧变流器变回最优功率控制。受控开关sm2延迟1.2s后由位置1切换到位置2，惯量传递控制被投入。
5)图7所示的变桨控制器中，故障清除后，受控开关sp1延迟0.25s后由位置1切换到位置2，有功功率设定值变为1.2p.u.，变桨控制器恢复正常。
在图8中，在故障持续期间标志位flag变为1，网侧变流器输出功率变为0，并网电流在故障发生时先增大而后由于触发脉冲sgabc被封锁而变为0。机侧变流器输出有功功率在故障期间被调节到0.05p.u.，机侧变流器调节输出有功功率使得出现小幅下降而后增大，直流侧卸荷电路的投入将直流电压稳定在额定值附近。当故障清除后，在网侧变流器的重启动时并网电流平稳增大无畸变，直流电压维持在额定值不变。在整个低电压故障穿越过程中桨距角β先增大后恢复，风轮转速的变化约为0.1p.u.，网侧变流器输出有功功率机侧变流器输出有功功率恢复到额定值的时长约为4s。
图8所示的仿真结果验证了本发明提供的故障穿越控制系统能够有效实现全功率风电机组的低电压故障穿越。
本发明能够保证电压源控制的全功率风电机组在低电压故障时的故障穿越，避免因低电网电压引起风电机组的停机。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。