CN103560517B - 双馈风机低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双馈风机低电压穿越方法，具体的：转子电压的负序分量按照变流器最大可控转子电压进行限幅值输出；限幅值输出后、网侧变流器以最大的给定电流的限定幅值运行，将转子电压的负序分量大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量尽可能地通过网侧变流器送入电网，同时，使用chopper装置释放该部分压差能量；在电网电压恢复后，双馈风机的变流器切换至正常的功率控制、以利于电网的正常稳定运行。本发明可以在深度不对称短路故障时有效保护双馈风电变流器的安全，同时能够在故障期间保证双馈风力发电机的不间断运行，成功实现低电压穿越，并在跌落过程中向电网注入有功和无功功率。

Description

双馈风机低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及低电压穿越方法，具体是一种兆瓦级风力发电变流器在电网电压深度不对称跌落时低电压穿越的运行和控制方法，保证风力发电机组在电网故障时不脱网运行，满足国家电网颁布的低电压穿越要求。

背景技术

随着风电装机容量的不断增加，风电在电力***中的地位发生了转变。风电装机容量较小时，它的运行对***稳定性的影响可以不予考虑；当风电装机容量越来越大，在***中所占比例逐年增加时，它的运行对***稳定性的影响变得不容忽视。

为了保证电力***的安全稳定运行，欧洲、北美及澳大利亚的一些电力协会或电网公司都制定了风机并网的技术导则，主要包括：电网频率控制、无功功率和电网电压控制、低电压穿越（LVRT）控制以及电能质量控制等。

目前国家电网已经出版了低电压穿越标准（LVRT），具体曲线见图1。

其中，低电压穿越（LVRT）控制的目的是：为了能使风力发电得到大规模的应用，而且不会危及到电网的稳定运行。当电网发生电压跌落故障时，在一定范围内，风机必须不脱离电网，并且要像常规机组那样，向电网提供有功功率（频率）和无功功率（电压）支撑。

现有技术生产的双馈风力发电机，由于发电机定子与电网直接相连，电网电压跌落将导致转子侧过压和过电流。虽然配置了撬棒保护电路（无源crowbar），但只是一种电压跌落发生时的变频器保护措施，动作之后必须停机，不能实现低电压穿越（LVRT）。

国家电网公司颁布的风电场低电压穿越标准实施后，不具备低电压穿越要求的双馈风机变流器将不再被电网接纳，故研发低电压穿越有源撬棒以实现低电压穿越意义重大，应用前景广阔.

发明内容

本发明的目的在于：提供一种电网电压深度不对称跌落时、双馈风机低电压穿越的方法，以达到各种电网工况下变流器直流链和功率单元的安全和稳定运行的目的。

本发明所采用的技术方案是：

双馈风机低电压穿越方法，在双馈风机的变流器检测到电网电压深度不对称跌落后、投入crowbar以释放由于电机耦合而产生的瞬间过压过流冲击，避免变流器损坏；当电磁冲击的直流分量基本衰减完毕后、启动机侧变流器控制发电机组向电网注入可靠的有功和无功功率；当机侧变流器不能按照正常的正负序算法进行控制时，采用优先正序的策略控制转子电压的正序分量，由于转子电压的负序分量大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量；此时：

（1）转子电压的负序分量按照变流器最大可控转子电压进行限幅值输出、尽可能的减少转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量；

（2）限幅值输出后、剩余的压差能量由网侧变流器和chopper装置承担，实现风力发电机的可靠控制；具体的：

网侧变流器以最大的给定电流的限定幅值运行，将转子电压的负序分量大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量尽可能地通过网侧变流器送入电网，以保证变流器直流母线的安全；同时，使用chopper装置释放该部分压差能量，以稳定直流母线电压不超过硬件保护值；

（3）在电网电压恢复后，双馈风机的变流器切换至正常的功率控制、以利于电网的正常稳定运行。

所述步骤（2）中，网侧变流器的最大给定电流是功率单元短时过载电流。

所述步骤（2）中，当转子负序电压过大、网侧变流器以最大给定电流运行依然不能送出全部压差能量时，chopper装置在整个故障穿越过程中反复动作，释放剩余压差能量。

本发明所产生的有益效果是：

在电网电压发生深度不对称跌落时，转子负序电压幅值非常大，正常的变流器直流母线电压（1100V左右）按照空间矢量调试方法（SVPWM）是无法给出对应的转子控制电压，从而使得正常的变流器控制算法（见图6、7）没法满足控制的需要，而采用上述控制方法，机侧变流器以正序优先的控制方法后，可以有效地控制电机进行有功和无功调节，而不会由于转子控制电压限幅而失去对电机的有效控制，同时对于转子电压的负序分量部分，机侧变流器按照变流器最大可控转子电压（1100/1.414=778V）进行限幅值输出，不加控制的话会由于能量不能外送而导致直流母线过压停机，不能实现低电压穿越（见图9），同时需要网侧变流器向电网输送部分转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量，并且chopper装置需要时消耗部分转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量。如果网侧变流器容量足够大，则可以通过足够大的网侧变流器电流将转子电压负序能量送入电网，从而避免直流母线过压而停机，具体见图10、11；而实际上由于容量等限制，网侧变流器容量不可能无限大，所以将网侧变流器以最大电流运行的同时，还需要配合chopper装置，使得整个低电压穿越过程中直流母线都在一个安全的范围内运行，具体见图12、13，通过机侧和网侧变流器的有效控制，配合chopper装置的保护作用，成功实现了电网电压发生深度不对称跌落时的故障穿越。

附图说明

图1是低电压穿越标准(LVRT)曲线图；

图2实际风场低电压穿越时电网故障示意图；

图3为装有低电压穿越装置的风力发电机组***结构图；

图4为双馈风电变流器低电压穿越装置原理图；

图5为有源crowbar装置、直流链chopper装置的拓扑结构图；

图6为风电双馈变流器网侧变流器功率控制框图；

图7为风电双馈变流器机侧变流器功率控制框图；

图8为电网深度不对称故障时低电压穿越控制流程示意图；

图9为转子电压的负序分量部分不加控制时直流母线过压停机数据

图10为网侧变流器容量足够大时、深度不对称故障穿越直流母线的电压数据；

图11为网侧变流器容量足够大时、深度不对称故障穿越网侧变流器的电流数据；

图12为实际变流器容量时、深度不对称故障穿越直流母线的电压数据；

图13为实际变流器容量时、深度不对称故障网侧变流器的电流数据。

具体实施方式

如图2～10所示，本发明是一种双馈风机低电压穿越方法（Low Voltage Ride Through，LVRT），本发明可以在深度不对称短路故障时有效保护双馈风电变流器的安全，同时能够在故障期间保证双馈风力发电机的不间断运行，成功实现低电压穿越，并在跌落过程中向电网注入有功和无功功率。

在双馈风机的变流器检测到电网电压深度不对称跌落后、迅速投入crowbar以释放由于电机耦合而产生的瞬间过压过流冲击，避免变流器损坏。当电磁冲击的直流分量基本衰减完毕后、启动机侧变流器控制发电机组向电网注入可靠的有功和无功功率。由于电机的电磁耦合特性，在定子电压出现严重不对称时，会在电机转子侧产生很高的负序电压，该负序电压轻则造成机侧变流器失控，重则导致变流器损坏而不能实现低电压穿越。

因此，本发明提供了一种双馈风机低电压穿越方法，具体的：

为确保发电机组向电网注入可靠的有功和无功功率，当机侧变流器不能按照正常的正负序算法进行控制时，采用优先正序的策略控制转子电压的正序分量，由于转子电压的负序分量大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量；此时：

（1）转子电压的负序分量按照变流器最大可控转子电压进行限幅值输出、尽可能的减少转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量；

（2）限幅值输出后、剩余的压差能量由网侧变流器和chopper装置承担，实现风力发电机的可靠控制；具体的：

网侧变流器以最大的给定电流的限定幅值运行，将转子电压的负序分量大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量尽可能地通过网侧变流器送入电网，以保证变流器直流母线的安全。同时，在网侧变流器调节至最大电流的过程中，使用chopper装置释放该部分压差能量，以稳定直流母线电压不超过硬件保护值。

本具体实施方式中，网侧变流器的最大给定电流是功率单元短时过载电流。

需要注意的是：针对部分电机参数不同、使得转子负序电压过大的情况时，网侧变流器以最大给定电流（即功率单元短时过载电流）运行依然不能送出全部压差能量，chopper装置在整个故障穿越过程中反复动作，释放剩余压差能量。

在整个深度不对称故障穿越中，借助于机侧变流器、网侧变流器、crowbar和chopper装置的协同配合控制，以保证双馈风机低电压穿越的可行性和可靠性。

（3）在电网电压恢复后，双馈风机的变流器切换至正常的功率控制、以利于电网的正常稳定运行。

下面以一个具体的实施例举例说明：

本具体实施方式中的电网电压深度不对称故障为：两相电压短路下降至0.2pu。此时，按照对称分量法计算可知：电网电压负序分量为0.26pu，风电机组满功率运行时转速1800rpm（对于1500rpm为同步转速的电机而言，转差率s为-0.2，而电机开口电压Uk=2000V）；根据双馈电机特性可知转子负序电压为（2-s）*Uk*0.26=2.2*2000*0.26=1144V。

而双馈风电变流器母线电压受IGBT器件特性（额定1700V）限制为1100Vdc，保护电压为1250Vdc，根据空间矢量调制算法（SVPWM）可知：机侧变流器可控的最高转子电压为1100/1.414=778V。考虑到机侧变流器还需要控制正序转子电压以满足有功和无功功率调节的需要，因此机侧变流器能够调节的转子负序控制电压远远小于电机真实的负序电压1144V。

因此在电网电压深度不对称故障时，机侧变流器不能按照正常算法进行控制，同时必然存在转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量。

在电网电压深度不对称故障时，机侧变流器不能按照正常算法进行控制，采用优先正序转子电压正常控制的策略以实现发电机正序分量的正常控制，确保发电机组向电网注入有功和无功功率。然后负序转子电压按照变流器最大可控转子电压（1100/1.414=778V）进行限幅值输出，尽可能的减小上述的转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量，而剩余压差能量需要网侧变流器和chopper装置来处理。

此时，网侧变流器不能按照常规控制算法额定工况运行（如1.5MW风电机组网侧变流器额定电流为305A），而需要网侧变流器将电流限定在最大的给定电流（即功率单元短时过载电流，如1.5MW风电机组变流器为720A）限幅值运行，将转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量尽可能地通过网侧变流器送入电网以保证变流器直流母线的安全。

chopper装置在网侧变流器未将电流调节至最大的给定电流（即功率单元短时过载电流，如1.5MW风电机组变流器为720A）时，释放转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量，以稳定直流母线电压不超过硬件保护值（1250V）。在网侧变流器电流调节至最大给定电流之后，主要依靠网侧变流器来输送该部分压差能量至电网。针对部分电机参数不同而导致转子负序电压更大的情况，网侧变流器以最大给定电流运行依然不能送出全部压差能量，此时，还需要chopper装置在整个故障穿越过程中反复动作、释放掉剩余压差能量。

实际双馈风力风电场主回路如图2所示，双馈风力发电***通过升压变压器升压至35kV，然后通过架空线路或者电缆送至升压站，而测试低电压穿越性能的连接点也如图2所示。为了满足国家电网规定的低电压穿越要求（具体见图1），设计了装有低电压穿越装置的风力发电机组***（具体见图3），同时为双馈风电变流器设计了低电压穿越装置，其原理和拓扑结构图分别见图4和图5。

当电网发生不对称短路故障引起风电场母线电压骤降时，因DFIG定子直接与电网相连，电网电压的突变将直接传递至DFIG机端，使DFIG定子电压发生突变，进而导致发电机定子磁链中出现暂态直流分量及负序分量。故障后发电机定子磁链各分量与定子电压各分量之间的关系为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s^{\′}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sDC}}^{\′}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sP}}^{\′}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sN}}^{\′}\\ =(\frac{U_s}{\mathrm{j\ω}}-\frac{U_{\mathrm{sP}}^{\′}}{\mathrm{j\ω}}-\frac{U_{\mathrm{sN}}^{\′}}{-\mathrm{j\ω}})e^{-t/{\mathrm{\τ}}_s}+\frac{u_{\mathrm{sP}}^{\′}}{\mathrm{j\ω}}+\frac{u_{\mathrm{sN}}^{\′}}{-\mathrm{j\ω}}\end{array}---\left(1\right)$

式中：ψ'_s为故障后发电机定子磁链空间矢量，ψ'_sDC为故障后发电机定子磁链暂态直流分量的空间矢量，ψ'_sP和ψ'_sN分别为故障后发电机定子磁链正、负序分量的空间矢量，U_s为故障前瞬间发电机定子电压空间矢量，U'_sP和U'_sN分别为故障后瞬间发电机定子电压正、负序分量的空间矢量，ω为定子电角频率，τ_s为发电机定子磁链暂态直流分量的衰减时间常数，u'_sP和u'_sN分别为故障后发电机定子电压正、负序分量的空间矢量。

在转子参考轴系下，当转子绕组切割定子磁场时，DFIG定子磁场各序分量将在转子绕组中感生相应的电势：

$\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rP}}^r=\left|u_{\mathrm{sP}}^{\′}\right|\·\frac{L_m}{L_s}\·s\·e^{\mathrm{js\ωt}}\\ u_{\mathrm{rN}}^r=\left|u_{\mathrm{sN}}^{\′}\right|\·\frac{L_m}{L_s}\·(2-s)\·e^{-j(2-s)\mathrm{\ωt}}\\ u_{\mathrm{rDC}}^r=-{\mathrm{j\ω}}_r\frac{L_m}{L_s}\·(\frac{U_s}{\mathrm{j\ω}}-\frac{U_{\mathrm{sP}}^{\′}}{\mathrm{j\ω}}-\frac{U_{\mathrm{sN}}^{\′}}{-\mathrm{j\ω}})\·e^{-t/{\mathrm{\τ}}_s}\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_{r}t}\end{array}---\left(2\right)$

式中：及分别为DFIG定子磁场正序分量、负序分量以及暂态直流分量在转子侧所感生的电势；s为转差率。

在电网电压发生深度不对称跌落时，电机定子电压可以按照对称分量法分解为正序（ω₀电网电压基波正序旋转角速度）和负序电压分量（-ω₀电网电压基波正序旋转角速度），对于按照一定转差率（s）运行的异步电机而言，转子电压也可以按照对称分量法分解为正序（ω_s）和负序电压分量（（2-s）ω₀）.对于1.5MW双馈风力发电机而言，转子开口电压2000V左右，同时转差率s大约为-0.2，从式2可见转子负序电压为（2-s）*U_k*0.26=2.2*2000*0.26=1144V，负序电压幅值非常大，正常的变流器直流母线电压（1100V左右）按照空间矢量调试方法（SVPWM）是无法给出对应的转子控制电压，如果还是按照常规的转子电压正负序双闭环控制的话，会由于转子控制电压限幅而失去对电机的有效控制，为此本方案采用机侧变流器以正序优先的控制方法，确保正序控制的可靠性而负序电压按照变流器最大可控转子电压（1100/1.414=778V）进行限幅值输出，如此可以有效地控制电机进行有功和无功调节。

对于转子电压的负序分量部分，机侧变流器能够调节的转子负序控制电压远远小于电机真实的负序电压1144V，因此在电网电压深度不对称故障时，必然存在转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量，如果不加控制的话会由于能量不能外送而导致直流母线过压停机，不能实现低电压穿越（见图9），所以需要网侧变流器和chopper装置联合抑制转子负序能量。如果网侧变流器容量足够大，则可以通过足够大的网侧变流器电流将转子电压负序能量送入电网，从而避免直流母线过压而停机，具体见图10、11；而实际上由于双馈变流器容量等的限制，网侧变流器容量不可能无限大，所以本方案将网侧变流器以最大电流运行的同时，还需要配合chopper装置，使得整个低电压穿越过程中直流母线都在一个安全的范围内运行，具体见图12、13，通过机侧和网侧变流器的有效控制，配合chopper装置的保护作用，成功实现了电网电压发生深度不对称跌落时的故障穿越。

Claims (3)

1. 一种双馈风机低电压穿越方法，在双馈风机的变流器检测到电网电压深度不对称跌落后、投入crowbar以释放由于电机耦合而产生的瞬间过压过流冲击，避免变流器损坏；当电磁冲击的直流分量基本衰减完毕后、启动机侧变流器控制发电机组向电网注入可靠的有功和无功功率；其特征在于，当机侧变流器不能按照正常的正负序算法进行控制时，采用优先正序的策略控制转子电压的正序分量，由于转子电压的负序分量大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量；此时：

（1）转子电压的负序分量按照机侧变流器最大可控转子电压进行限幅值输出、尽可能的减少转子负序电压大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量；

（2）限幅值输出后、剩余的压差能量由网侧变流器和chopper装置承担，实现风力发电机的可靠控制；具体的：

网侧变流器以最大的给定电流的限定幅值运行，将转子电压的负序分量大于机侧变流器负序控制电压部分的压差能量尽可能地通过网侧变流器送入电网，以保证变流器直流母线的安全；同时，使用chopper装置释放上述机侧变流器负序控制电压部分的压差能量，以稳定直流母线电压不超过硬件保护值；

（3）在电网电压恢复后，双馈风机的变流器切换至正常的功率控制、以利于电网的正常稳定运行。

2.根据权利要求1所述的双馈风机低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤（2）中，网侧变流器的最大给定电流是功率单元短时过载电流。

3.根据权利要求1所述的双馈风机低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤（2）中，当转子负序电压过大、网侧变流器以最大给定电流运行依然不能送出全部压差能量时，chopper装置在整个故障穿越过程中反复动作，释放剩余压差能量。