CN101986552B - 电网故障下双馈风力发电机转子电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机功率变换装置控制领域，涉及一种电网故障下双馈风力发电机转子电流控制方法，该方法包括：将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压和转子电流；计算定子磁链及位置角；计算滑差角度和滑差角速度；将定子磁链位置角与转子位置角求和后进行微分得到磁链角速度与转子角速度之和；计算转子两相静止坐标系下的转子电流给定值；将转子两相静止坐标系下的转子电流给定值分别与两相静止坐标系下的转子电流相减，然后经过PR控制器计算得到两相静止坐标系下转子电压的参考值；生成控制功率器件的开关信号。本发明可以有效抑制电网故障引起的DFIG转子电流振荡，实现双馈风力发电机的不脱网运行，提高DFIG在电网故障下的运行性能。

Description

电网故障下双馈风力发电机转子电流控制方法

技术领域

本发明涉及一种电网故障下双馈风力发电机(DFIG)转子侧逆变器的控制方法，属于风力发电机控制领域。

背景技术

由于双馈感应发电机(DFIG)的定子侧直接和电网相连，对电网故障非常敏感。电网故障会造成发电机定子电压突变，定子电流产生振荡，同时发电机定子有功和无功功率和电磁转矩也会出现振荡现象。另外，由于转子与定子之间的强耦合，突变的定子电压会导致转子电流大幅波动，影响到双馈电机的运行状态。当电网故障达到一定程度时，为保护变频装置的运行安全，风电机组将不得不从电网中解列。大规模风电机组从电网解列，将进一步恶化电网，对电网的稳定运行造成严重影响。对此，电网运营商要求风电机组在电网电压发生跌落故障时，在一定范围内风力发电机不能脱离电网，并向电网提供有功和无功支持。例如，英国国家电网要求在图1所示的电压范围内风电场能够并网运行。图中电压范围所指为风电场连接点电压，由于发电机和连接点存在电气隔离，电网故障时发电机机端电压跌落程度会小于连接点电压跌落程度。

目前国内、外对电网故障下DFIG转子侧的控制方法主要是采用了转子短路保护技术。该方法在电网故障时，虽然保护了励磁变流器和转子绕组，但此时发电机运行在感应电动机方式，需要从电网吸收大量的无功功率，这将进一步恶化电网；第二，保护电路的投切操作会对***产生暂态冲击；另外，加设新的保护装置提高了***成本。有学者引入新型拓扑结构，该方案控制复杂，且由于该方案在输电***故障时发电机脱网运行，因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用；同样，该方案需要增加***的成本。

采用改进的励磁控制算法通过对转子侧的控制在一定程度上能够弥补电网电压故障对双馈电机运行所造成的影响。其优点在于无需提高***成本，且在电网跌落时可以给电网提供有功无功支持。因此，有必要设计一种电网故障下DFIG转子电流的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种电网故障下DFIG转子电流控制方法，该方法不需要添设额外的硬件装置，可以有效抑制电网故障引起的DFIG转子电流振荡，实现双馈风力发电机故障下并网运行，提高了DFIG在电网故障下的运行性能。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种电网故障下双馈风力发电机转子电流控制方法，包括以下步骤

(1)检测三相定子电压，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；

(2)将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压和转子电流；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号经软件锁相环，得到定子磁链位置角；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑差角速度；将定子磁链位置角与转子位置角求和后进行微分得到磁链角速度与转子角速度之和；

(4)将旋转坐标系下d、q轴转子电流参考值以滑差角度为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电流给定值；

(5)将步骤(4)中计算得到的转子两相静止坐标系下的转子电流给定值分别与步骤(2)所计算得到的两相静止坐标系下的转子电流相减，然后经过比例谐振(PR)控制器计算得到两相静止坐标系下转子电压的参考值；

(6)将步骤(5)得到的两相静止坐标系下的转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(5)中所述的PR控制器，其传递函数为

$K_p+\frac{K_{r}S}{S^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}+\frac{K_{r1}S}{S^2+{\mathrm{\ω}}_{c1}^2}+\frac{K_{r2}S}{S^2+{\mathrm{\ω}}_{c2}^2}$

PR控制器中频率ω_c、ω_c1、ω_c2分别设置为滑差角速度、转子角速度和转子角速度与同步角速度之和。

本发明的控制方法在不改动硬件结构的情况下，仅通过将传统有功、无功功率解耦的矢量控制的两个PI控制器替换为带补偿项的PR控制器，其补偿项用来补偿电网故障瞬间定子磁链直流分量和负序分量对发电机转子产生的影响，抑制电网电压故障所带来的转子过电流，实现双馈风力发电机的稳定控制和故障下并网运行。同时，由于转子电流得到很好抑制，定子电流，定子有功、无功功率以及电磁转矩在电网对称跌落故障时产生的振荡也得到相应的改善。

附图说明

图1为英国国家电网对电网故障时风电场并网运行的电压范围要求。

图2为电网故障下双馈风力发电机转子电流控制原理图。

图3为本发明中PR控制器原理图。

图4为定子电压80％三相对称跌落故障下采用传统矢量控制方法的效果图，图中(a)为定子三相电压u_sabc(KA)；(b)为转子三相电流i_rabc(KA)；(c)为定子三相电流i_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图5为定子电压80％三相对称跌落故障下采用本发明控制方法的效果图，图中(a)为定子三相电压u_sabc(KA)；(b)为转子三相电流i_rabc(KA)；(c)为定子三相电流i_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图6为定子电压80％两相对地跌落故障下采用传统矢量控制方法的效果图，图中(a)为定子三相电压u_sabc(KA)；(b)为转子三相电流i_rabc(KA)；(c)为定子三相电流i_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图7为定子电压80％两相对地跌落故障下采用本发明控制方法的效果图，图中(a)为定子三相电压u_sabc(KA)；(b)为转子三相电流i_rabc(KA)；(c)为定子三相电流i_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)；(e)为电磁转矩T_e(KN·m)；(f)为定子有功功率P_s(MW)；(g)为定子无功功率Q_s(MVar)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

电网故障一般分为对称故障和不对称故障，对称故障一般是由电网三相对地短路引起，不对称故障分为单相对地短路故障、二相对地短路故障和相间短路故障。电网故障会造成的发电机定子电压的跌落，定子电压的变化将引起发电机定子磁链发生改变。正常情况下发电机定子电压方程可表示为空间矢量形式：

$u_s=R_s{i}_s+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_s}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中：u_s、i_s、ψ_s、R_s分别代表静止坐标系下定子电压、电流、磁链和电阻。

在电网故障发生时，定子电压瞬间发生跌落，在忽略定子电阻的情况下，由式(1)可以看出，定子磁链将跟着产生变化。然而，根据超导体闭合回路磁链守恒原理和楞次定律可知，虽然定子电压发生了突变，但故障瞬间发电机定子磁链将保持恒定不变。即定子磁链中将产生暂态直流分量和负序分量(不对称故障)来维持电压跌落瞬间发电机定子磁链恒定。如果考虑定子电阻的影响，此直流分量和负序分量会随时间衰减。

假设在故障发生瞬间只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程，即在暂态过程期间发电机保持转速不变。由于故障发生时，发电机转子还以故障前转速旋转，定子磁链直流分量和转子的相对速度为电机转速，同样定子磁链负序分量和转子的相对速度为同步旋转速度与电机转速之和。定子磁链直流分量和负序分量会对转子磁链分别产生频率为转子转速、同步旋转速度与电机转速之和的影响。根据闭合回路磁链守恒原理，为了保持转子磁链守恒，转子回路中将出现频率分别为电机转速和同步旋转速度与电机转速之和的交流电流分量，这两个交流电流分量将分别产生两个相应频率的磁链来抵消定子磁链对转子的影响。转子感生的交流电流即是故障发生时转子产生大电流的主要原因。

根据以上电网故障时风力发电机内部暂态电磁关系的分析可知，如果通过对转子励磁电压的补偿来抑制转子的感应电流，可以抵消定子磁链暂态直流分量和负序分量对发电机转子侧的不良影响，使双馈发电机能够在电网电压三相跌落故障发生时保证发电机的并网运行。

图2为电网故障下双馈风力发电机转子电流控制原理图。其控制方法具体包括如下步骤：

(1)采用电压传感器和电流传感器分别检测三相定子电压u_sabc，三相转子电流i_rabc，采用编码器检测转子位置角θ_r并计算旋转角速度ω_r；

(2)将步骤(1)检测到的三相定子电压u_sabc和三相转子电流i_rabc经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ和转子电流i_rα、i_rβ；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号u_sα、u_sβ经软件锁相环，得到定子磁链位置角θ_s；根据步骤(1)得到的转子位置角θ_r计算滑差角度θ_s-θ_r，对滑差角度微分得到滑差角速度ω_sl；将定子磁链位置角θ_s与转子位置角θ_r求和后进行微分得到磁链角速度与转子角速度之和ω_sr

(4)将旋转坐标系下d、q轴转子电流参考值i_rd ^*和i^rq*以滑差角度为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电流给定值i_rα ^*、i_rβ ^*；

(5)将步骤(4)中计算得到的转子两相静止坐标系下的转子电流给定值i_rα ^*、i_rβ ^*分别与步骤(2)所计算得到的两相静止坐标系下的转子电流i_rα、i_rβ相减，然后经过PR控制器计算得到两相静止坐标系下转子电压的参考值u_sα ^*、u_sβ ^*；

(6)将步骤(5)得到的两相静止坐标系下的转子电压信号u_sα ^*、u_sβ ^*经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

图2中PR控制器的具体形式如图3所示，其传递函数为

$K_p+\frac{K_{r}S}{S^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}+\frac{K_{r1}S}{S^2+{\mathrm{\ω}}_{c1}^2}+\frac{K_{r2}S}{S^2+{\mathrm{\ω}}_{c2}^2}---\left(2\right)$

为抑制电网故障下定子引起的转子静止坐标系下频率分别为电机转速和电机转速与同步角速度之和的转子电流，PR控制器中频率ω_c、ω_c1、ω_c2分别设置为滑差角速度ω_sl、转子角速度ω_r和转子角速度与同步角速度之和ω_sr。

本发明的设计要点即是在上述电网故障下双馈风力发电机转子电流控制方法中，通过分析过电流产生的原因及过电流的特点，利用PR控制器的补偿项对转子故障时产生的特殊频率的感应电流进行抑制。实现了电网故障下双馈风力发电机的并网运行。

为验证理论的正确性和补偿控制策略的有效性，假设电网故障使发电机定子机端电压跌落的条件下，采用本发明提出的方法对一台额定功率为1.5MW DFIG***实施控制，转子电流已折算到定子侧。设在控制过程中保持风力发电机始终并网运行，且变频器始终正常工作。

对传统定子磁链定向矢量控制策略和提出的电网故障下转子电流控制策略进行比较，图4和图5分别为采用传统双馈风力发电机控制方法和本发明控制方法在电网故障引起的定子电压80％三相对称跌落条件下的运行结果。电网电压在0.1s时刻发生跌落，在0.3s时刻恢复正常。图3的传统控制方法在电网电压跌落故障发生时，由于定子电压变化所产生的定子磁链直流分量的影响，在电网电压跌落期间DFIG的定、转子电流大幅增加，实际***中将会超过变频装置的电流限制值，致使风力发电机组将不得不与电网解列，这既不利于发电机的稳定运行，也不利于电网的故障恢复和稳定运行。定子有功、无功功率和电磁转矩均产生了剧烈振荡，有功、无功功率的大幅度振荡将影响电网的稳定，电磁转矩的剧烈振荡将会造成发电机机械损坏。与传统控制方法相比，电网故障下图5控制方法有效消除了转子电流脉动，抑制了转子过电流的发生，同时定子电流、有功、无功功率和电磁转矩脉动明显减小，电机可以发出持续的有功、无功功率支持电网的恢复。本方法控制的风力发电机组满足故障下并网运行的条件，提高了DFIG在电网故障条件下的运行控制能力，改善了控制***的动态品质。

图6和图7分别为采用传统双馈风力发电机控制方法和本发明方法在电网故障引起的定子电压80％两相跌落条件下的运行结果。电网电压在0.1s时刻发生跌落，在0.3s时刻恢复正常。由图6看出电网故障发生和恢复时刻，定、转子电流发生剧烈振荡，产生严重过电流，这时保护装置必须启动以保护变频器的安全。发电机组必须与电网解列，进一步影响了电网故障的恢复。

图7为本发明方法的控制效果图，图中在电网故障发生和恢复时刻，本控制方法有效抑制了由定子磁链直流分量和负序分量引起的转子电流的脉动。电流的振荡很小，不影响风力发电机组的运行。由图7中看出，在电网电压恢复后，转速很快得到控制，满足电网严重故障下风力发电机并网运行的要求。

综上所述，本发明的控制方法与传统定子磁链定向矢量控制相比，在电网故障下，控制***能够有效的消除转子的电流波动，抑制转子过电流的产生，增强了DFIG风电机组在电网故障下的不间断运行能力；所提控制***算法简单，只需要将传统有功、无功功率解耦矢量控制中电流环的PI控制器改为含有谐波补偿项的PR控制器，就可以抑制电网故障所带来的转子过电流，并减小的转子电流对定子磁链的影响，使得定子过电流也得到了明显抑制。

Claims (1)

1.一种电网故障下双馈风力发电机转子电流控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)检测三相定子电压，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；

(2)将检测到的三相定子电压和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压和转子电流；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压经软件锁相环，得到定子磁链位置角；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑差角速度；将定子磁链位置角与转子位置角求和后进行微分得到磁链角速度与转子角速度之和；

(4)将旋转坐标系下d、q轴转子电流参考值以滑差角度为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电流给定值；

(5)将步骤(4)中计算得到的转子两相静止坐标系下的转子电流给定值分别与步骤(2)所计算得到的两相静止坐标系下的转子电流相减，然后经过比例谐振控制器计算得到两相静止坐标系下转子电压的参考值；

(6)将步骤(5)得到的两相静止坐标系下转子电压的参考值经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

Images