CN106532776A - 一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子应用技术领域，一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：(1)建立低电压穿越过程的描述方程，(2)设计四桥臂拓扑结构，(3)设计程序流程框图。本发明通过优化的拓扑结构，在机侧变流器和网侧变流器各增加一个冗余桥臂，在出现IGBT功率器件损坏的情况可以自动切换到冗余桥臂工作，通过冗余桥臂控制器实现四桥臂三相***灵活的桥臂选择，然后结合双馈变流器低电压穿越控制方法，实现双馈机组的低电压穿越功能，满足电网对风电场并网的要求。

Description

一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，属于电力电子应用技术领域。

背景技术

随着风力发电技术的不断进步和日益被大家认可，风力发电机组的装机容量正逐年增加，因此对电力***的影响也在不断的增大。当电力***中风电装机容量比例较大时，电力***故障导致电压跌落后，作为电源的风电场切除会严重影响***运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越能力，保证***发生故障后风电机组不间断并网运行。目前实现低电压穿越能力的方案一般有三种：一是，采用了转子短路保护技术，二是，引入新型拓扑结构，三是，采用合理的励磁控制算法。在以上三种方案中，目前都有所应用，同时也存在各自的优缺点。

发明内容

为了克服已有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，该方法通过优化的拓扑结构，在机侧变流器和网侧变流器各增加一个冗余桥臂，通过冗余桥臂控制器实现四桥臂三相***灵活的桥臂选择，然后结合双馈变流器低电压穿越控制方法，实现双馈机组的低电压穿越功能，满足电网对风电场并网的要求。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立低电压穿越过程的描述方程，具体包括以下子步骤：

(a)当双馈机组发生低电压时，直接导致双馈发电机转子出现过电流和变流器直流侧出现过电压情况，考虑对称跌落情况下，双馈发电机的电压方程和磁链方程矢量形式通过公式(1)、(2)进行描述，

式(1)、(2)中，ω表示双馈发电机旋转角速度，v_s表示双馈发电机定子电压矢量，v_r表示双馈发电机转子电压矢量，i_s表示双馈发电机定子电流矢量，i_r表示双馈发电机转子电流矢量，ψ_s表示双馈发电机定子磁链矢量，ψ_r表示双馈发电机转子磁链矢量，R_s表示双馈发电机定子电阻，R_r表示双馈发电机转子电阻，L_m表示互感，L_s表示双馈发电机定子自感，L_r表示双馈发电机转子自感，p表示微分算子，由式(2)得到，

式(3)中，表示瞬态电感，将式(3)带入式(1)中得到，

(b)假设双馈发电机转子开路时，双馈发电机转子侧电压方程为，

式(5)中，v_r0表示双馈发电机转子开路时电压，当双馈发电机稳态运行时，双馈发电机定子电压矢量为，

式(6)中，V_s表示双馈发电机定子电压幅值，ω_s表示同步旋转角速度，表示旋转分量；

(c)当忽略双馈发电机定子电阻时，由式(1)得到，

将式(7)带入式(5)中得到，

式(8)中，ω_r＝ω_s-ω，s＝ω_r/ω_s表示转差率，当非开路的可控情况下，

式(9)中，由于R_r和σL_r相对很小，且双馈发电机转子频率较低，v_r和v_r0的差值也很小，假设当电网电压在t＝t₀对称跌落到零时，双馈发电机的定子电压矢量为，

根据式(1)和(2)，得到双馈发电机定子磁链的一阶微分方程，

求解上述的一阶微分方程得到，

式(12)中，由于此时v_s跌至0，ψ_s与电网电压无关，而磁链不能突变，此直流分量磁链部分仅与跌落的暂态过程有关，或称自由分量ψ_sn，τ_s＝L_s/R_s表示双馈发电机定子时间常数；

步骤2、设计四桥臂拓扑结构，具体包括以下子步骤：

(a)、在常规的双PWM三桥臂拓扑结构中，各在原有的机侧变流器和网侧变流器中增加一个桥臂，构成了四桥臂拓扑结构，增加的冗余桥臂是T1′T2′和T7′T8′；

(b)、在机侧变流器和网侧变流器中各自增加一个冗余桥臂选择器是冗余桥臂选择器1和冗余桥臂选择器2，用来实现四桥臂的选择；

(c)、在实际工作中，一旦发现其中一个桥臂损坏后，可以切换到冗余桥臂上面继续工作，同时给出告警状态，提醒业主进行检修，进而达到了在大风发电和无风检修的目的；

(d)、采用Crowbar技术作为双馈发电机转子短路保护技术的一个有效途径，可以在变流器出现过电流和过电压情况下实现变流器的有效保护，在低电压穿越发生时刻通过增加双馈发电机转子电阻，也就是短接Crowbar电阻来降低双馈发电机转子短路过电流，一旦Crowbar电阻被短接后双馈发电机则变为一台普通的异步电机，随着Crowbar电阻的增大，其功率因数得到改善，因此在输入机械功率一定的前提下，可以有效的降低双馈发电机转子短路电流幅值；

步骤3、设计程序流程框图，具体包括以下子步骤：

(a)、需要根据运行变流器的硬件故障来判断出故障桥臂，然后通过冗余桥臂选择器切除故障桥臂，投入正常运行的桥臂；

(b)、需要根据电网电压的状态确认低电压穿越状态，如果是低电压穿越状态，则进入低电压穿越控制，如果不是，则按照非低穿进行处理；

(c)、需要根据过电流和过电压的情况，以及电网电压跌落的情况，确认Crowbar动作规则。

本发明有益效果是：一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：(1)建立低电压穿越过程的描述方程，(2)设计四桥臂拓扑结构，(3)设计程序流程框图。已有技术相比，本发明通过冗余桥臂的拓扑设计可以进一步提高变流器的可靠性，在出现IGBT功率器件损坏的情况可以自动切换到冗余桥臂工作；通过冗余桥臂控制器的作用，可以灵活实现四个桥臂在三相回路中的自动切换；结合设计的低电压穿越控制方法，可以实现双馈机组的低电压穿越。

附图说明

图1是本发明***拓扑结构图。

图2是本发明方法步骤流程图。

图3是本发明冗余臂选择器控制流程图。

图4是本发明电压跌落判断流程图。

图5是本发明低电压穿越控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，在常规的双PWM三桥臂拓扑结构中，在原有的机侧变流器和网侧变流器中各增加一个冗余桥臂，即T1′T2′和T7′T8′构成了四桥臂拓扑结构，并在机侧变流器中功率器件T1、T2、T3、T4、T5、T6、T1′及T2′集电极-发射极之间分别并接一个二极管，在网侧变流器中功率器件T7、T8、T9、T10、T11、T12、T7′及T8′集电极-发射极之间分别并接一个二极管。机侧变流器中功率器件T1、T3、T5、T1′集电极相连在一起，T2、T4、T6、T2′发射极相连在一起。网侧变流器中功率器件T7、T9、T11、T7′集电极相连在一起，T8、T10、T12、T8′发射极相连在一起。另外，在机侧变流器和网侧变流器中分别增加一个冗余桥臂选择器1和冗余桥臂选择器2。其中：冗余桥臂选择器1分别与功率器件T1、T3、T5、T1′发射板，T2、T4、T6、T2′集电极相连，冗余桥臂选择器2分别与功率器件T7、T9、T11、T7′发射板，T8、T10、T12、T8′集电极相连。用来实现四桥臂的选择，一旦发现其中一个桥臂损坏后，可以切换到冗余桥臂上面继续工作，同时给出告警状态，提醒业主进行检修，进而达到了在大风发电和无风检修的目的。冗余桥臂选择器1还通过三相电力线分别与电抗器相连，电抗器通过三相电力线分别与双馈风力发电机转子相连。冗余桥臂选择器2通过三相电力线分别与变压器相连，变压器通过三相电力线分别与电网相连。Crowbar通过三相电力线分别与双馈风力发电机转子相连，作为转子短路保护技术的一个有效途径，可以在变流器出现过电流和过电压等情况下实现变流器的有效保护。在低穿发生时刻通过增加转子电阻，也就是短接Crowbar电阻来降低转子短路过电流。一旦Crowbar电阻被短接后双馈电机则变为一台普通的异步电机，可知随着Crowbar电阻的增大，其功率因数得到改善，因此在输入机械功率一定的前提下，可以有效的降低转子短路电流幅值。

如图2所示，一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立低电压穿越过程的描述方程，具体包括以下子步骤：

(a)当双馈机组发生低电压时，直接导致双馈发电机转子出现过电流和变流器直流侧出现过电压情况，考虑对称跌落情况下，双馈发电机的电压方程和磁链方程矢量形式通过公式(1)、(2)进行描述，

式(1)、(2)中，ω表示双馈发电机旋转角速度，v_s表示双馈发电机定子电压矢量，v_r表示双馈发电机转子电压矢量，i_s表示双馈发电机定子电流矢量，i_r表示双馈发电机转子电流矢量，ψ_s表示双馈发电机定子磁链矢量，ψ_r表示双馈发电机转子磁链矢量，R_s表示双馈发电机定子电阻，R_r表示双馈发电机转子电阻，L_m表示互感，L_s表示双馈发电机定子自感，L_r表示双馈发电机转子自感，p表示微分算子，由式(2)得到，

式(3)中，表示瞬态电感，将式(3)带入式(1)中得到，

(b)假设双馈发电机转子开路时，双馈发电机转子侧电压方程为，

式(5)中，v_r0表示双馈发电机转子开路时电压，当双馈发电机稳态运行时，双馈发电机定子电压矢量为，

式(6)中，V_s表示双馈发电机定子电压幅值，ω_s表示同步旋转角速度，表示旋转分量；

(c)当忽略双馈发电机定子电阻时，由式(1)得到，

将式(7)带入式(5)中得到，

式(8)中，ω_r＝ω_s-ω，s＝ω_r/ω_s表示转差率，当非开路的可控情况下，

式(9)中，由于R_r和σL_r相对很小，且双馈发电机转子频率较低，v_r和v_r0的差值也很小，假设当电网电压在t＝t₀对称跌落到零时，双馈发电机的定子电压矢量为，

根据式(1)和(2)，得到双馈发电机定子磁链的一阶微分方程，

求解上述的一阶微分方程得到，

式(12)中，由于此时v_s跌至0，ψ_s与电网电压无关，而磁链不能突变，此直流成分分量磁链部分仅与跌落的暂态过程有关，或称自由分量ψ_sn，τ_s＝L_s/R_s表示双馈发电机定子时间常数；

步骤2、设计四桥臂拓扑结构，具体包括以下子步骤：

(a)、在常规的双PWM三桥臂拓扑结构中，各在原有的机侧变流器和网侧变流器中增加一个桥臂，构成了四桥臂拓扑结构，增加的冗余桥臂是T1′T2′和T7′T8′；

(b)、在机侧变流器和网侧变流器中各自增加一个冗余桥臂选择器是冗余桥臂选择器1和冗余桥臂选择器2，用来实现四桥臂的选择；

(c)、在实际工作中，一旦发现其中一个桥臂损坏后，可以切换到冗余桥臂上面继续工作，同时给出告警状态，提醒业主进行检修，进而达到了在大风发电和无风检修的目的；

(d)、采用Crowbar技术作为双馈发电机转子短路保护技术的一个有效途径，可以在变流器出现过电流和过电压情况下实现变流器的有效保护，在低电压穿越发生时刻通过增加双馈发电机转子电阻，也就是短接Crowbar电阻来降低双馈发电机转子短路过电流，一旦Crowbar电阻被短接后双馈发电机则变为一台普通的异步电机，随着Crowbar电阻的增大，其功率因数得到改善，因此在输入机械功率一定的前提下，可以有效的降低双馈发电机转子短路电流幅值；

步骤3、设计程序流程框图，具体包括以下子步骤：

(a)、需要根据运行变流器的硬件故障来判断出故障桥臂，然后通过冗余桥臂选择器切除故障桥臂，投入正常运行的桥臂，冗余臂选择器控制流程图如图3所示。

(b)、需要根据电网电压的状态确认低电压穿越状态，如果是低电压穿越状态，则进入低电压穿越控制，如果不是，则按照非低穿进行处理，电压跌落判断流程图如图4所示。

(c)、需要根据过电流和过电压的情况，以及电网电压跌落的情况，确认Crowbar动作规则，低电压穿越控制流程图如图5所示。

Claims (1)

1.一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、建立低电压穿越过程的描述方程，具体包括以下子步骤：

(a)当双馈机组发生低电压时，直接导致双馈发电机转子出现过电流和变流器直流侧出现过电压情况，考虑对称跌落情况下，双馈发电机的电压方程和磁链方程矢量形式通过公式(1)、(2)进行描述，

$\left\{\begin{array}{c}{v}_s=R_s{i}_s+{\mathrm{p\ψ}}_s\\ v_r=R_r{i}_r+{\mathrm{p\ψ}}_r-{\mathrm{j\ω\ψ}}_r\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s=L_s{i}_s+L_m{i}_r\\ {\mathrm{\ψ}}_r=L_r{i}_r+L_m{i}_s\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(1)、(2)中，ω表示双馈发电机旋转角速度，v_s表示双馈发电机定子电压矢量，v_r表示双馈发电机转子电压矢量，i_s表示双馈发电机定子电流矢量，i_r表示双馈发电机转子电流矢量，ψ_s表示双馈发电机定子磁链矢量，ψ_r表示双馈发电机转子磁链矢量，R_s表示双馈发电机定子电阻，R_r表示双馈发电机转子电阻，L_m表示互感，L_s表示双馈发电机定子自感，L_r表示双馈发电机转子自感，p表示微分算子，由式(2)得到，

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_s-{\mathrm{\σL}}_r{i}_r---\left(3\right)$

式(3)中，表示瞬态电感，将式(3)带入式(1)中得到，

$v_r=\frac{L_m}{L_s}(p-j\mathrm{\ω}){\mathrm{\ψ}}_s+\[R_r+{\mathrm{\σL}}_r(p-j\mathrm{\ω})\]i_r;---\left(4\right)$

(b)假设双馈发电机转子开路时，双馈发电机转子侧电压方程为，

$v_{r0}=\frac{L_m}{L_s}(p-j\mathrm{\ω}){\mathrm{\ψ}}_s---\left(5\right)$

式(5)中，v_r0表示双馈发电机转子开路时电压，当双馈发电机稳态运行时，双馈发电机定子电压矢量为，

$v_s=V_s{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}---\left(6\right)$

式(6)中，V_s表示双馈发电机定子电压幅值，ω_s表示同步旋转角速度，表示旋转分量；

(c)当忽略双馈发电机定子电阻时，由式(1)得到，

${\mathrm{\ψ}}_s=\frac{V_s{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}}{{\mathrm{j\ω}}_s}---\left(7\right)$

将式(7)带入式(5)中得到，

$v_{r0}=\frac{L_m}{L_s}(p-j\mathrm{\ω}){\mathrm{\ψ}}_s=\frac{L_m}{L_s}(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_s})v_s=\frac{L_m}{L_s}\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{{\mathrm{\ω}}_s}{v}_s=\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{sv}}_s---\left(8\right)$

式(8)中，ω_r＝ω_s-ω，s＝ω_r/ω_s表示转差率，当非开路的可控情况下，

$v_r=\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{sv}}_s+\[R_r+{\mathrm{\σL}}_r(p-j\mathrm{\ω})\]i_r---\left(9\right)$

式(9)中，由于R_r和σL_r相对很小，且双馈发电机转子频率较低，v_r和v_r0的差值也很小，假设当电网电压在t＝t₀对称跌落到零时，双馈发电机的定子电压矢量为，

$v_s=\left\{\begin{array}{cc}{V}_s{e}^{{\mathrm{j\&omega;}}_{s}t}& (t<t_0)\\ 0& (t\&GreaterEqual;t_0)\end{array}\right.---\left(10\right)$

根据式(1)和(2)，得到双馈发电机定子磁链的一阶微分方程，

${\mathrm{p\&psi;}}_s=v_s-\frac{R_s}{L_s}{\mathrm{\&psi;}}_s---\left(11\right)$

求解上述的一阶微分方程得到，

${\mathrm{\&psi;}}_s(t\&GreaterEqual;t_0)={\mathrm{\&psi;}}_{sn}=\frac{V_s{e}^{{\mathrm{j\&omega;}}_s{t}_0}{e}^{-{\mathrm{tR}}_s/L_s}}{{\mathrm{j\&omega;}}_s}=\frac{V_s{e}^{{\mathrm{j\&omega;}}_s{t}_0}{e}^{-t/{\mathrm{\&tau;}}_s}}{{\mathrm{j\&omega;}}_s}---\left(12\right)$

式(12)中，由于此时v_s跌至0，ψ_s与电网电压无关，而磁链不能突变，此直流成分分量磁链部分仅与跌落的暂态过程有关，或称自由分量ψ_sn，τ_s＝L_s/R_s表示双馈发电机定子时间常数；

步骤2、设计四桥臂拓扑结构，具体包括以下子步骤：

(a)、在常规的双PWM三桥臂拓扑结构中，各在原有的机侧变流器和网侧变流器中增加一个桥臂，构成了四桥臂拓扑结构，增加的冗余桥臂是T1′T2′和T7′T8′；

(b)、在机侧变流器和网侧变流器中各自增加一个冗余桥臂选择器是冗余桥臂选择器1和冗余桥臂选择器2，用来实现四桥臂的选择；

(c)、在实际工作中，一旦发现其中一个桥臂损坏后，可以切换到冗余桥臂上面继续工作，同时给出告警状态，提醒业主进行检修，进而达到了在大风发电和无风检修的目的；

(d)、采用Crowbar技术作为双馈发电机转子短路保护技术的一个有效途径，可以在变流器出现过电流和过电压情况下实现变流器的有效保护，在低电压穿越发生时刻通过增加双馈发电机转子电阻，也就是短接Crowbar电阻来降低双馈发电机转子短路过电流，一旦Crowbar电阻被短接后双馈发电机则变为一台普通的异步电机，随着Crowbar电阻的增大，其功率因数得到改善，因此在输入机械功率一定的前提下，可以有效的降低双馈发电机转子短路电流幅值；

步骤3、设计程序流程框图，具体包括以下子步骤：

(a)、需要根据运行变流器的硬件故障来判断出故障桥臂，然后通过冗余桥臂选择器切除故障桥臂，投入正常运行的桥臂；

(b)、需要根据电网电压的状态确认低电压穿越状态，如果是低电压穿越状态，则进入低电压穿越控制，如果不是，则按照非低穿进行处理；

(c)、需要根据过电流和过电压的情况，以及电网电压跌落的情况，确认Crowbar动作规则。