雙饋風電系統對稱高電壓故障穿越控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙饋風電系統對稱高電壓故障穿越控制方法，本方法涉及對串聯網側變換器的控制、轉子側變換器的控制以及并聯網側變換器的控制。串聯網側變換器通過控制其串入定子回路的輸出電壓矢量，使定子電壓矢量維持為正常運行工況下的值不變，從而保證了發電系統的安全穩定運行；通過對并聯網側變換器及機側變換器輸出電壓矢量的控制，不僅使發電系統實現了對輸出有功功率的有效控制，而且控制發電系統所輸出的無功功率為故障電網提供了最大限度的動態無功支持，有利于電網電壓的快速恢復。
【專利說明】雙饋風電系統對稱高電壓故障穿越控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及雙饋風電系統的技術改進，特別是涉及該系統在電網電壓發生對稱驟 升故障時的故障穿越控制方法，屬于電力控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 傳統雙饋風力發電系統中，由于發電機定子直接與電網相連，導致發電系統對于 電網的故障非常敏感，包括電網電壓驟升故障和電網電壓跌落故障。電網電壓驟升故障期 間，一方面由于發電機定子電壓隨電網電壓升高，這將可能損壞定子繞組的絕緣材料、降低 定子繞組的絕緣水平；另一方面，故障時由磁鏈守恒引起的暫態過程將導致發電機轉子出 現過電壓、過電流并引起定、轉子電流的不平衡，進而使得發電機的電磁轉矩、輸出功率產 生較大程度的波動，嚴重影響發電機的安全穩定運行及發電系統的輸出電能質量。隨著風 電滲透率的不斷增加，高電壓故障穿越運行能力將成為電網對風電系統的必然要求。目前， 針對電網電壓對稱驟升下雙饋風力發電系統的故障穿越運行已有一些解決方法，如已公開 的下列文獻：
[0003] (1)謝震，張興，楊淑英，等.基于虛擬阻抗的雙饋風力發電機高電壓穿越控制策 略[J].中國電機工程學報，2012, 32 (27) :16-23.
[0004] ⑵徐海亮，章諱，陳建生，等.考慮動態無功支持的雙饋風電機組高電壓穿越控 制策略[J].中國電機工程學報，2013, 36 (33) :112-119.
[0005] 文獻（1)提出了在轉子電流環中引入虛擬阻抗從而實現系統高電壓穿越運行的 控制策略，該策略減小了故障期間轉子電壓和轉子電流的振蕩幅度和振蕩時間，在一定程 度上提高了雙饋風電機組的對稱高電壓穿越運行能力。然而該控制策略并沒有對發電機電 磁轉矩及輸出有功功率、無功功率的波動提出有效的抑制措施，對所并電網電能質量的改 善效果并不明顯。此外，該控制策略未能使系統在故障期間為電網提供有效的動態無功支 持，不能滿足已有電網導則對風電機組的高電壓穿越運行要求。
[0006] 文獻（2)提出了一種在電網電壓驟升故障期間采用無功優先原則控制策略使雙 饋風力發電機組實現高電壓穿越運行，該控制策略通過在故障期間注入較大的無功功率對 電網電壓的快速恢復提供了有利的支持，在一定程度上提高了風電系統的高電壓穿越運行 能力，但該控制策略未能從根本上消除雙饋風力發電系統本身在電網故障期間的過電壓、 過電流問題以及功率和電磁轉矩波動問題，而且當風力發電系統所并電網容量較大時，該 控制方法對于風電系統并網點電壓的改善效果并不明顯。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提出一種電網電壓對稱驟升下 雙饋風電系統實現故障穿越運行的方法，該方法在保證雙饋風力發電系統安全穩定運行的 同時亦實現了對故障電網提供最大程度的動態無功支持。
[0008] 本發明的技術方案是這樣實現的：
[0009] 雙饋風電系統對稱高電壓故障穿越控制方法，本方法涉及對串聯網側變換器的控 制、轉子側變換器的控制以及并聯網側變換器的控制，各變換器的控制方法分別為：
[0010] A)串聯網側變換器的控制方法為：
[0011] A1)利用電壓傳感器采集電網三相電壓ugab。、雙饋感應發電機定子三相電壓usabc 及直流母線電Sud。的信號；
[0012] A2)利用鎖相功能部件取得ugab。的合成矢量幅值Ugm、電角度Θ g和同步電角速度 ω s ；
[0013] A3)將步驟Α1)采集到的usab。經靜止三相abc坐標軸系到靜止兩相α β坐標軸 系的恒功率坐標變換，得靜止兩相α β坐標軸系下的定子電壓信號，即usae ;
[0014] A4)采用電網電壓d軸定向方式，將步驟A2)所得的0g和步驟A3)所得的usae 經過靜止兩相α β坐標軸系到同步角速度旋轉dq坐標軸系的恒功率變換，得到定子三相 電壓在電網電壓定向的同步旋轉dq坐標系下的d、q軸分量，S卩：u sd、usq ;
[0015] A5)串聯網側變換器采用電壓閉環來實現對定子電壓的控制，電網電壓定向的同 步角速度旋轉dq坐標軸系下串聯網側變換器的電壓控制方程如下 ：
[0016]
【權利要求】
1.雙饋風電系統對稱高電壓故障穿越控制方法，其特征在于，本方法涉及對串聯網側 變換器的控制、轉子側變換器的控制以及并聯網側變換器的控制，各變換器的控制方法分 別為： A) 串聯網側變換器的控制方法為： A1)利用電壓傳感器采集電網三相電壓ugab。、雙饋感應發電機定子三相電壓usab。及直 流母線電壓Ud。的信號； A2)利用鎖相功能部件取得ugab。的合成矢量幅值Ugm、電角度Θ g和同步電角速度c〇s ; A3)將步驟A1)采集到的usab。經靜止三相abc坐標軸系到靜止兩相α β坐標軸系的 恒功率坐標變換，得靜止兩相α β坐標軸系下的定子電壓信號，即Usa0 ; A4)采用電網電壓d軸定向方式，將步驟A2)所得的0g和步驟A3)所得的usae經過 靜止兩相α β坐標軸系到同步角速度旋轉dq坐標軸系的恒功率變換，得到定子三相電壓 在電網電壓定向的同步旋轉dq坐標系下的d、q軸分量，S卩：u sd、usq ; A5)串聯網側變換器采用電壓閉環來實現對定子電壓的控制，電網電壓定向的同步角 速度旋轉dq坐標軸系下串聯網側變換器的電壓控制方程如下：
其中，usc;(^Pusc;(1分別為以電網電壓定向的正向同步旋轉dq軸系下串聯網側變換器控 制電壓的d、q軸分量，Κρ1、τ η分別為PI控制器的比例系數和積分時間常數；Vsm為正常運 行時定子電壓矢量的幅值； A6)將步驟A2)所得的0g和步驟A5)所得到的usc;d、Usc;(1經同步角速度旋轉dq坐標軸 系到靜止兩相α β坐標軸系的恒功率變換，得到靜止兩相α β坐標軸系下串聯網側變換 器的控制電壓usc；a、usc；e ; A7)將步驟A6)所得的usc；a、Usc；e和步驟A1)所得的Ud。經空間矢量脈寬調制產生串聯 網側變換器的PWM驅動信號； B) 并聯網側變換器的控制方法為： B1)利用電流傳感器采集并聯網側變換器的三相進線電流信號igab。； B2)將采集得到的igab。經靜止三相abc坐標系到靜止兩相α β坐標軸系的恒功率變 換，得靜止兩相α β軸系下并聯網側變換器的進線電流igae ; B3)采用電網電壓d軸定向，將步驟A2)所得的0g和步驟B2)所得的igae經靜止兩 相α β坐標軸系到同步角速度旋轉dq坐標軸系的恒功率變換，得并聯網側變換器進線電 流在以電網電壓定向的同步旋轉dq坐標系下的d、q軸分量i gd、igq ; B4)直流母線電壓給定值設定為將A1)所得的Ud。經PI調節器進行調節，其輸出 值加上構成流經并聯網側變換器的平均有功功率給定值^?，即：
其中，Kpu和τ iu分別為PI調節器的比例系數和積分時間常數； B5)將步驟A2)所得和步驟M)所得經并聯網側變換器d軸電流參考值計算， 得并聯網側變換器的d軸參考電流指令值 Β6)將步驟Α2)所得ugm和％通過考慮到變換器調制比的并聯網側變換器q軸電流給 定值計算，得并聯網側變換器的q軸參考電流指令值 B7)并聯網側變換器在電網電壓定向的同步旋轉dq坐標軸系下的控制方程為：
其中：ugd和ugq分別為并聯網側變換器控制電壓的d、q軸分量，Kp4和τ i4分別為PI調 節器的比例系數和積分系數，Lg為并聯網側變換器的進線電抗器的電感，Rg為并聯網側變 換器的進線電阻，Au gd、Augd分別為d、q軸控制電壓的補償分量； B8)將步驟A2)所得得Θ g和步驟B7)所得的ugd、ugq經同步角速度旋轉dq坐標軸系 到靜止兩相α β坐標軸系的恒功率變換，得靜止兩相α β坐標軸系下并聯網側變換器的 控制電壓uga、ug0 ; B9)將步驟B8)所得的uga、ug0和步驟A1)所得的Udc經空間矢量脈寬調制，得并聯網 側變換器的PWM驅動信號； C)轉子側變換器的控制方法為： 轉子側變換器采用傳統矢量控制策略，其控制電壓和直流側電壓Ud。通過空間矢量調 制產生轉子側變換器的PWM驅動信號；其功率外環的無功功率給定值Q_經定子無功功率 給定值計算得出。
2. 根據權利要求1所述的雙饋風電系統對稱高電壓故障穿越控制方法，其特征在于， 轉子側變換器功率外環的無功功率給定值計算方法如下式：
其中，Is_為發電機定子所允許的三相電流合成矢量的最大幅值，isq為發電機定子側 輸出有功功率維持為非故障期間數值不變時采用定子磁鏈定向的同步旋轉dq軸系下定子 電流的q軸分量，isdfflax為該坐標軸系下定子電流d軸分量的最大值，該坐標軸系下 定子電壓的q軸分量，Q max為定子側輸出有功功率的最大值也即轉子側變換器功率外環無 功功率的給定值。
3. 根據權利要求1所述的雙饋風電系統對稱高電壓故障穿越控制方法，其特征在于， 所述步驟B6)中/丨q的計算方法如下式：
其中，Lg為并聯網側變換器的進線電感。
【文檔編號】H02P21/14GK104218613SQ201410524460
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】姚駿, 曾欣, 余夢婷, 周特, 趙磊 申請人:重慶大學