CN108988380A - 一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法 - Google Patents

一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法 Download PDF

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江宁强
张�杰
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Abstract

本发明提出了一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法，其配备的储能装置主要用于维持电网故障暂态直流母线电压的稳定。具体方法：储能装置与直流母线相连，转子侧换流器采用恒电压，网侧换流器与储能装置控制策略配合，维持直流母线电压的恒定。当并网点发生故障，检测到并网点电压的跌落，然后立即投入储能装置用于稳定故障过程中直流母线的电压。同时，由于网侧换流器不再控制直流母线电压，根据转子侧有功功率，计算出网侧电流指令，用于转子侧的有功功率向电网的传输。同时转子变流器剩余容量能够用来向电网输出无功，支撑并网点电压。本发明具有改善机端电压动态性能，提高直流母线电压稳定性，减小储能装置容量等优点。

Description

一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别是含储能装置的双馈感应发电机控制方法。
背景技术
双馈感应发电机(DFIG)由风力机经过齿轮箱带动双馈风力发电机，双馈风力发电机定子直接与电网相连直接向电网输送功率，转子通过“背靠背”的双PWM变流器实现频率变换，使转子电流频率与转子转速满足定子频率与电网频率一致，根据转差率的不同，向电网输送或吸收功率。
双馈感应发电机由于其转速范围调节大，转子输送功率仅为转差功率，换流器容量小等优点，在风力发电行业占有重要地位。
在电网故障与恢复过程中，定子暂态过程对保持直流母线电压稳定具有较大扰动。以往采用的控制策略不能很好的稳定直流母线电压，同时未能充分利用网侧换流器和发电机对电网提供无功功率，进行电压支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法，用以解决电网故障导致双馈风力发电机组直流母线电压波动幅度大，进而导致的脱网问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法，包括：
转子侧换流器控制策略采用有功-端电压控制；
转子侧换流器参考电流采用限流控制策略，在保证端电压稳定的情况下，输出有功功率；
网侧换流器控制策略与储能装置控制策略相互配合，具体为：
正常运行时，网侧换流器采用直流母线电压-端电压控制，储能装置自行充电控制；
发生故障时，网侧换流器采用有功-端电压控制，储能装置采用直流母线电压控制；
网侧换流器参考电流采用限流控制策略，在保证直流母线电压稳定或者有功输出足够的情况下，输送所需无功功率来支撑发电机端电压。
优选地，采用定子电压定向。
优选地，转子侧换流器控制中限流控制环节，端电压环节产生的无功电流参考值优先级高于有功控制环节产生的电流参考值即：
ir_max为电流限值，为无功电流值。
优选地，网侧换流器控制策略与储能装置控制策略相互配合，在正常运行时，直流母线电压由网侧换流器控制，储能装置能够自行充电，充电电流iesd，当检测到发电机端电压的下降沿，网侧换流器由直流母线电压控制切换到有功功率控制，计算有功功率电流参考值，具体为Pr为转子侧有功功率，vsd为定子侧d轴电压，无功电流持续时间ts，无功电流持续时间ts取值为低电压穿越要求时间的一半。
优选地，网侧换流器控制策略中限流控制有功功率参考电流优先级高于端电压控制参考电流即：
同时储能装置电流参考值由充电电流参考值iesd切换至直流母线电压控制电流参考值，持续时间为ts。
优选地，转子侧换流器控制策略采用有功-端电压控制时，最大功率点的实现具体为根据实时转速对应最大功率点曲线上的功率点给出有功参考值。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明能够改善机端电压动态性能，提高直流母线电压稳定性，减小储能装置容量。
附图说明
图1是本发明含储能装置的双馈感应发电机控制方法的原理图。
图2是本发明含储能装置的双馈感应发电机的电流参考值控制原理图。
图3是本发明风力机的功率转速曲线图。
图4是本发明的实施例中并网点电压仿真曲线图。
图5是本发明的实施例中直流母线电压仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和工作原理对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明的主要工作原理是基于在电网故障引起的暂态过程中，双馈风力发电机端电压急剧下降，引起定子磁链跌落，进而在转子侧感应出较大电动势，引起转子电流的振荡，进而使转子直流母线电压波动，影响转子侧换流器控制，通过所述控制策略能够有效解决直流母线电压波动问题。
如图1、图2所示，本发明一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法，在网侧故障导致并网点电压大幅下降时，为了维持直流母线电压的稳定，接入储能装置，并切换网侧与储能装置的控制策略，具体包括：
转子侧换流器控制策略采用有功-端电压控制；
转子侧换流器参考电流采用限流控制策略，在保证端电压稳定的情况下，输出有功功率；
网侧换流器控制策略与储能装置控制测量相互配合，具体为：
正常运行时，网侧换流器采用直流母线电压-端电压控制，储能装置自行充电控制；
发生故障时，网侧换流器采用有功-端电压控制，储能装置采用直流母线电压控制；
网侧换流器参考电流采用限流控制策略，在保证直流母线电压稳定或者有功输出足够的情况下，输送所需无功率来支撑发电机端电压。在实际运用时，具体步骤为：
(1)检测并网点电压，当并网点电压跌落恢复，置故障标志flag为1。持续时间ts；
(2)在故障标志为1时，切换网侧换流器控制策略为有功-端电压控制。
(3)在故障标志为1时，切换储能装置控制策略为直流母线电压控制。
(4)在故障标志恢复为0时，切换网侧换流器控制策略为直流电压-端电压控制；
(5)在故障标志恢复为0时，切换储能装置控制策略为自行充电。
(6)转子侧换流器与网侧换流器都使用恒电压控制，当并网点电压跌落，双馈风机定子和网侧换流器均向电网提供无功支撑。
进一步的实施例中，采用定子电压定向。
进一步的实施例中，转子侧换流器控制中限流控制环节，端电压环节产生的无功电流参考值优先级高于有功控制环节产生的电流参考值即：
ir_max为电流限值，为无功电流值。
进一步的实施例中，网侧换流器控制策略与储能装置控制策略相互配合，在正常运行时，直流母线电压由网侧换流器控制，储能装置能够自行充电，充电电流iesd，当检测到发电机端电压的下降沿，网侧换流器由直流母线电压控制切换到有功功率控制，计算有功功率电流参考值，具体为Pr为转子侧有功功率，vsd为定子侧d轴电压，无功电流持续时间ts，无功电流持续时间ts取值低电压穿越要求时间的一半。
进一步的实施例中，网侧换流器控制策略中限流控制有功功率参考电流优先级高于端电压控制参考电流即：
同时储能装置电流参考值由充电电流参考值iesd切换至直流母线电压控制电流参考值，持续时间为ts。
进一步的实施例中，转子侧换流器控制策略采用有功-端电压控制时，最大功率点的实现具体为根据实时转速对应最大功率点曲线上的功率点给出有功参考值。
本发明储能装置与直流母线相连，转子侧换流器采用恒电压，网侧换流器与储能装置控制策略配合，维持直流母线电压的恒定。当并网点发生故障，检测到并网点电压的跌落，然后立即投入储能装置用于稳定故障过程中直流母线的电压。同时，由于网侧换流器不再控制直流母线电压，根据转子侧有功功率，计算出网侧电流指令，用于转子侧的有功功率向电网的传输。同时转子换流器剩余容量能够用来向电网输出无功，支撑并网点电压。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例
本实例的控制方法包括以下步骤：
1、初始化各参数，风力机采用标幺值模型，额定功率Pn＝1MVA；双馈感应发电机参数：定子电阻rs＝3.569e-3Ω，定子电阻rr＝3.654e-3Ω，定子漏感Lls＝0.1304e-3H，转子漏感Llr＝0.1198e-3H，定转子互感Lm＝4.12e-3H，额定功率Pn＝1MVA，额定转速wr＝2160r/min，额定频率f＝60Hz，极对数p＝2；电容参数：电容：C＝0.01F，电容电压Udc＝1200V；电网参数：电压Um＝575V，频率f＝60Hz。
2、整体控制策略采用定子电压定向，即转子侧换流器d轴控制策略采用功率外环、电流内环。如图3所示，外环的功率参考值为ps_ref *，由转速wr经过最大功率点曲线产生，由最大功率点曲线与功率转速曲线图形可知，当前风速下的最大功率点即为平衡点。经过PI调节器得到有功电流的参考值转子侧换流器q轴控制策略，采用电压外环、电流内环。发电机额定电压作为参考电压，与端电压比较经过PI控制器产生，无功电流参考值为经过限流控制单元，满足以下关系：
获得dq轴电流参考值与将与与实际测量值比较，经过电流调节器，再加入解耦控制的前馈补偿得到参考电压vrd和vrq。经过dq/abc的变换得到vrabc。
3、网侧换流器控制策略与转子侧类似，仍然采用定子电压定向，dq轴均采用电压外环电流内环的控制策略。限流控制策略与转子侧控制策略不同，满足以下关系：
4、故障状态下的控制策略：当检测到电网电压发生故障，触发故障标志，储能装置接入，稳定故障状态电压。同时转子侧换流器d轴控制与直流母线电压控制切换为有功功率控制，有功功率电流参考值由实时测量的定子有功功率与发电机端电压求得，保证两侧换流器功率平衡，防止储能装置大量的吸收或者释放电能。
5、在1.0s引入故障，发电机端电压跌落至0.3，储能装置立即投入，维持直流母线电压，网侧换流器切换至功率控制，储能装置投入持续时间ts＝0.3s，1.3s时切出储能装置，由网侧控制直流母线电压。1.6s时电压恢复，检测到电压的上升沿信号，延时0.3s后，切出储能装置。
结果如图5所示，当发电机端电压发生如图4所示的电压跌落时，采用本实施例的控制策略的直流母线电压基本稳定在参考值附近，实现上述所说的功能。

Claims (6)

1.一种含储能装置的双馈感应发电机控制方法，其特征在于，包括：
转子侧换流器控制策略采用有功-端电压控制；
转子侧换流器参考电流采用限流控制策略，在保证端电压稳定的情况下，输出有功功率；
网侧换流器控制策略与储能装置控制策略相互配合，具体为：
正常运行时，网侧换流器采用直流母线电压-端电压控制，储能装置自行充电控制；
发生故障时，网侧换流器采用有功-端电压控制，储能装置采用直流母线电压控制；
网侧换流器参考电流采用限流控制策略，在保证直流母线电压稳定或者有功输出足够的情况下，输送所需无功功率来支撑发电机端电压。
2.根据权利要求1所述的含储能装置的双馈感应发电机控制方法，其特征在于，采用定子电压定向。
3.根据权利要求1所述的含储能装置的双馈感应发电机控制方法，其特征在于，转子侧换流器控制中限流控制环节，端电压环节产生的无功电流参考值优先级高于有功控制环节产生的电流参考值即：
ir_max为电流限值，为无功电流值。
4.根据权利要求1所述的含储能装置的双馈感应发电机控制方法，其特征在于，网侧换流器控制策略与储能装置控制策略相互配合，在正常运行时，直流母线电压由网侧换流器控制，储能装置能够自行充电，充电电流iesd，当检测到发电机端电压的下降沿，网侧换流器由直流母线电压控制切换到有功功率控制，计算有功功率电流参考值，具体为Pr为转子侧有功功率，vsd为定子侧d轴电压，无功电流持续时间ts，无功电流持续时间ts取值为低电压穿越要求时间的一半。
5.根据权利要求1所述的含储能装置的双馈感应发电机控制方法，其特征在于，网侧换流器控制策略中限流控制有功功率参考电流优先级高于端电压控制参考电流即：
同时储能装置电流参考值由充电电流参考值iesd切换至直流母线电压控制电流参考值，持续时间为ts。
6.根据权利要求1所述的含储能装置的双馈感应发电机控制方法，其特征在于，转子侧换流器控制策略采用有功-端电压控制时，最大功率点的实现具体为根据实时转速对应最大功率点曲线上的功率点给出有功参考值。
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