CN111628684B - 双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法及***，建立DFIG简化暂态分量数学模型；基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且两者幅值符合预定比例关系；控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度。同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压。综上所述，优化灭磁控制能够准确地控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度。同时，优化灭磁控制也有效地降低了暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，有效抑制了直流母线过电压。

Description

双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法及***

技术领域

本发明属于控制技术领域，尤其涉及双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法及***。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着风力发电行业的快速发展，风力发电机的装机容量日益增加，对电网运行的影响越来越大，因此风机的安全运行受到越来越多的关注。在众多的风机类型中，双馈风机(DFIG)由于尺寸小和成本低等优点被广泛应用。

DFIG的定子侧直接连接到电网，电网故障扰动会给DFIG带来巨大影响。当电网故障时，DFIG产生定子暂态磁链并在转子绕组中感应出暂态电动势，这可能导致转子回路中的过电流以及直流母线的过电压，威胁DFIG的安全运行。

在故障穿越期间，为确保双馈风机的安全运行，有许多的软硬件策略被提出：其中一种硬件策略是在转子绕组中接入撬棒电路，在转子绕组电流超过规定值以后投入撬棒电路，能够有效保护转子绕组；目前应用更为广泛的硬件策略是在转子过电流后闭锁转子侧变换器(RSC)的IGBT，通过二极管进行不控整流，避免IGBT被过电流损坏，同时暂态功率通过二极管不控整流流入直流母线中引起直流母线电压的上升，此时再通过直流斩波器(DCChopper)电路消耗掉直流母线电容中的多余能量抑制直流母线电压的上升。这些硬件保护策略的投入都会使DFIG失去可控性，并且额外的硬件电路会使成本增加，但它们是面对电网严重故障时不可缺少的保护手段。

在面临轻度电网故障或硬件保护策略退出后续问题时，灭磁控制是一种比较流行的软件控制策略，这种控制策略试图控制转子暂态电流幅值与定子暂态磁链幅值成一定比例关系，同时让转子暂态电流与定子暂态磁链反相以加快暂态过程的衰减。然而，传统灭磁控制的实际效果并不理想，无法有效控制转子暂态电流的幅值和相位，无法达到预期目标。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，优化灭磁控制能够准确地控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度。同时，优化灭磁控制也有效地降低了暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，有效抑制了直流母线过电压。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，包括：

建立DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型，使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且两者的幅值符合预定的比例关系；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度，同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压。

进一步的技术方案，DFIG简化暂态分量数学模型建立时：

对DFIG建立三阶复数状态空间方程模型，在电网电压扰动后将其分解为描述工频分量调整过程的状态方程(GPT)和描述由电压扰动引起的暂态衰减分量的状态方程(ZTS)；

仅考虑主要暂态分量(MTC)，将三阶状态方程降阶为一阶状态方程并对主要暂态分量进行求解。

进一步的技术方案，在DFIG简化暂态分量模型中，基于定子暂态磁链的衰减变化规律，得定子暂态磁链的微分方程，基于微分方程，控制转子暂态电流幅值与定子暂态磁链幅值成一定比例关系，同时让转子暂态电流与定子暂态磁链反相以加快暂态过程的衰减。

进一步的技术方案，将灭磁控制的比例系数从实数转变为复数K_{mag_real}+jK_{mag_imag}，使得转子暂态电流和定子暂态磁链的倍数关系为一负实数，且该负实数绝对值等于期望的灭磁控制增益。

进一步的技术方案，灭磁控制系数的实部和虚部应满足以下两式：

根据式子得到灭磁控制系数的实部和虚部。

双馈风机故障穿越的优化灭磁控制***，包括控制器，所述控制器被配置为：

建立DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度。同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本文基于DFIG的简化暂态分量模型，对传统灭磁控制进行改进，提出了一种优化灭磁控制策略。优化灭磁控制能够准确地控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度，同时，优化灭磁控制也有效地降低了暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，有效抑制了直流母线过电压。

本发明基于定子暂态磁链的衰减特性，建立了DFIG简化暂态分量数学模型，对传统灭磁控制进行改进，提出了一种优化灭磁控制策略，优化灭磁控制能够准确地控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度。同时，优化灭磁控制也有效地降低了暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，有效抑制了直流母线过电压。在PowerFactory软件中搭建了采用优化灭磁控制技术的并网DFIG模型，仿真结果验证了优化灭磁控制策略的有效性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为传统灭磁控制框图；

图2为本发明实施例改进灭磁控制框图；

图3为本发明实施例灭磁控制转子电流幅值对比图；

图4为传统灭磁控制转子暂态电流与定子暂态磁链幅值图；

图5为本发明实施例改进灭磁控制转子暂态电流与定子暂态磁链幅值图；

图6为传统灭磁控制下dq轴转子暂态电流与定子暂态磁链图；

图7为改进灭磁控制下dq轴转子暂态电流与定子暂态磁链；

图8为灭磁控制直流母线电压对比图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

正如背景技术中所介绍的：在双馈风机(DFIG)在故障穿越期间，受到电网电压扰动的影响将会在定、转子中产生暂态电流，容易造成转子侧变流器(RSC)过电流以及直流母线的过电压。灭磁控制是对转子暂态电流控制的一种方法，试图控制转子暂态电流幅值与定子暂态磁链幅值成一定比例关系。同时，让转子暂态电流与定子暂态磁链反相以加快暂态过程的衰减。然而传统灭磁控制的效果并不理想，无法有效控制转子暂态电流的幅值和相位，无法达到预期目标。

因此，本实施例公开了双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，建立了DFIG简化暂态分量数学模型，对传统灭磁控制进行改进，提出了一种优化灭磁控制策略，优化灭磁控制能够准确地控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度，同时，优化灭磁控制也有效地降低了暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，有效抑制了直流母线过电压。

首先介绍DFIG简化暂态分量数学模型，对DFIG建立三阶复数状态空间方程模型，在电网电压扰动后将其分解为描述工频分量调整过程的状态方程(GPT)和描述由电压扰动引起的暂态衰减分量的状态方程(ZTS)。GPT中的暂态过程持续时间非常短暂，而ZTS中的暂态过程持续时间长、幅值大，是故障后暂态过程的主要组成成分。其中ZTS的状态变量的解中存在三个频率的衰减分量，其中一个频率分量相较于其他两个频率分量衰减慢且初始值大，频率接近负的电网频率能够近似代表完整解，将其命名为主要暂态分量(MTC)。为了简化计算，仅考虑MTC分量，从而对ZTS这一三阶状态方程进行降阶，提出了一种仅考虑MTC分量的简化自然暂态状态方程的RSC自然暂态电压、电流求解方法，将三阶状态方程降阶为一阶状态方程并对MTC分量进行求解，主要公式如下：

其中：

其中下标*代表标幺值，

为转子暂态电流，

为定子暂态磁链，

为RSC输出暂态电压。L_s*、L_r*、L_m*、R_s*、R_r*均为DFIG参数，ω_r*为转子转速，ω_1*为电网频率，可作为常数100π，即等于ω_B。K_mod是电流环输出信号经由调制形成RSC输出电压的等效比例系数，是一个常数。K_p，K_i是电流环PI调节器的比例增益和积分增益。

定子暂态磁链的衰减特性：在DFIG简化暂态分量模型中，定子暂态磁链的衰减变化规律可由下式表示：

上式中，

是定子绕组暂态电流，根据定子磁链方程，可得定子暂态电流如下：

可得定子暂态磁链的微分方程如下：

由式(5)可知，在某一时刻，相同的转子暂态电流幅值下，如果转子暂态电流的相位和定子暂态磁链的相位相反，那么这种相位关系会使得在此刻定子暂态磁链的衰减速度快于其他所有相位关系。鉴于此，灭磁控制试图控制转子暂态电流幅值与定子暂态磁链幅值成一定比例关系同时让转子暂态电流与定子暂态磁链反相以加快暂态过程的衰减。

传统灭磁控制分析，如图1所示，DFIG的传统灭磁控制通过将与定子暂态磁链相反的一个转子暂态电流信号输入至电流控制指令，意图控制转子暂态电流与定子暂态磁链呈现特定的比例,并且使两者相位相反来加速暂态过程的衰减。

但是该电流指令在dq坐标系下为接近电网频率的交流量，采用PI调节器的转子电流控制并不能准确的使实现的转子暂态电流与指令值相等，无法使实现的转子暂态电流与定子磁链反相，并且转子暂态电流的幅值也不等于预期，因此也就不能达到预期的灭磁控制的效果，无法对转子暂态电流进行有效的控制，导致灭磁控制效果无法达到预期。

将所推导的简化暂态分量模型推广到传统灭磁控制下的DFIG中，可得到传统灭磁控制下转子暂态电流与定子暂态磁链之间的近似关系如下：

其中，K_mag为灭磁控制的比例系数。根据式(6)可知，传统灭磁控制下的

与

并不能完全反相，并且

的幅值也不等于

的幅值。

优化灭磁控制策略：如果将K_mag从实数转变为复数K_{mag_real}+jK_{mag_imag}，使得等式(6)右边的系数整体为一负实数，且该负实数绝对值等于期望的灭磁控制增益(G_mag)，即希望转子暂态电流与定子暂态磁链为比例关系，则可以让灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系。为了实现这一目的，灭磁控制系数的实部和虚部应满足以下两式：

解得：

根据上述推导，优化灭磁控制策略的流程图可如图2所示，具体流程可表述如下：

(1)在转子侧变流器容量允许的情况下，确定优化灭磁控制的灭磁增益G_mag。

(2)根据式(8)计算灭磁控制比例系数的实部和虚部，并计算此时的暂态电流指令值。

(3)将(2)中的指令值和正序电流指令值叠加，可得总的电流指令值，将其输入到PI控制器，即可实现优化灭磁控制。

仿真验证：为了检验本文提出的双馈风机故障穿越的优化灭磁控制策略的性能，在DIgSILENT/Power Factory软件中搭建了2MW的并网运行双馈风机单机模型，部分参数如表1所示。

表1 DFIG部分参数

确定灭磁增益G_mag＝3，即期望控制转子暂态电流幅值是定子暂态磁链幅值的三倍且与定子暂态磁链反相。改进灭磁控制依据计算得到K_{mag_real}+jK_{mag_imag}的复系数生成灭磁控制暂态转子电流指令，传统灭磁控制则直接将-3

作为灭磁控制暂态转子电流指令。在0.3p.u电压阶跃跌落扰动下，无灭磁控制、传统灭磁控制以及改进灭磁控制下的转子电流幅值如图3所示。

传统灭磁控制和改进灭磁控制下转子暂态电流与定子暂态磁链的幅值如图4、5所示。

通过上两图可以看到，传统灭磁控制下的转子暂态电流幅值已经超过了3倍的定子暂态磁链幅值，没有实现预定的转子暂态电流幅值目标，这也是造成转子暂态过电流的原因。而改进灭磁控制下的转子暂态电流幅值则准确满足3倍的定子暂态磁链幅值这一目标。

此外，在对转子暂态电流相位的控制上，传统灭磁控制和改进灭磁控制的对比如图6及7所示。

可见，传统灭磁控制并没有实现转子暂态电流与定子暂态磁链的反相，无法达到当前转子电流幅值下的最快衰减；而改进灭磁控制则将转子暂态电流与定子暂态磁链的相位校正为反相，在实现对暂态电流幅值的准确控制下，达到了最快衰减的目的。

此外，改进灭磁控制还减少了整个暂态过程中通过转子侧变流器进入直流母线的暂态有功功率，抑制了直流母线电压的升高。

根据DFIG简化暂态分量模型，对传统灭磁控制进行了改进，提出了优化灭磁控制。优化灭磁控制能够对暂态转子电流的幅值和相位进行精确控制，使转子暂态电流幅值与定子暂态磁链幅值呈现特定比例关系，同时使转子暂态电流相位与定子暂态磁链准确反相，在对暂态电流幅值进行控制避免过电流的同时加快暂态过程的衰减速度。此外，优化灭磁控制能够有效降低故障暂态过程中直流过电压的问题。综上所述，优化灭磁控制能够显著改善DFIG的故障穿越运行情况。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤，包括：

建立DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度，同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：

建立DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度。同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压。

以上实施例二、三的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，其特征包括：

建立双馈风机DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系；

将灭磁控制的比例系数从实数转变为复数K_{mag_real}+jK_{mag_imag}，使得转子暂态电流和定子暂态磁链之间呈现负实数关系，且该负实数绝对值等于期望的灭磁控制增益；

灭磁控制系数的实部和虚部应满足以下两式：

根据上式得到灭磁控制系数的实部和虚部；其中下标*代表标幺值，L_s*、L_r*、R_s*均为DFIG参数，ω_r*为转子转速，ω_B为电网频率，K_p，K_i是电流环PI调节器的比例增益和积分增益，

由风机的物理参数和风机的转速决定，G_mag为期望的灭磁控制增益；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度，同时，降低暂态过程中通过转子侧变换器RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压。

2.如权利要求1所述的双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，其特征是，双馈风机DFIG简化暂态分量数学模型建立时：

对DFIG建立三阶复数状态空间方程模型，在电网电压扰动后将其分解为描述工频分量调整过程的状态方程GPT和描述由电压扰动引起的暂态衰减分量的状态方程ZTS。

3.如权利要求2所述的双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，其特征是，ZTS的状态变量的解中存在三个频率的衰减分量，其中一个频率分量相较于其他两个频率分量衰减慢且初始值大，频率接近负的电网频率，能够代表完整解，将其命名为主要暂态分量MTC。

4.如权利要求3所述的双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，其特征是，仅考虑MTC分量，将三阶状态方程降阶为一阶状态方程并对MTC分量进行求解。

5.如权利要求1所述的双馈风机故障穿越的优化灭磁控制方法，其特征是，在DFIG简化暂态分量模型中，基于定子暂态磁链的衰减变化规律，得定子暂态磁链的微分方程；基于微分方程，控制转子暂态电流幅值与定子暂态磁链幅值成一定比例关系，同时让转子暂态电流与定子暂态磁链反相以加快暂态过程的衰减。

6.双馈风机故障穿越的优化灭磁控制***，包括控制器，其特征是，所述控制器被配置为：

建立DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系；

将灭磁控制的比例系数从实数转变为复数K_{mag_real}+jK_{mag_imag}，使得转子暂态电流和定子暂态磁链之间呈现负实数关系，且该负实数绝对值等于期望的灭磁控制增益；

灭磁控制系数的实部和虚部应满足以下两式：

根据上式得到灭磁控制系数的实部和虚部；其中下标*代表标幺值，L_s*、L_r*、R_s*均为DFIG参数，ω_r*为转子转速，ω_B为电网频率，K_p，K_i是电流环PI调节器的比例增益和积分增益，

由风机的物理参数和风机的转速决定，G_mag为期望的灭磁控制增益；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度；同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压，其中RSC代表转子侧变流器。

7.一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤，包括：

建立DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系；

将灭磁控制的比例系数从实数转变为复数K_{mag_real}+jK_{mag_imag}，使得转子暂态电流和定子暂态磁链之间呈现负实数关系，且该负实数绝对值等于期望的灭磁控制增益；

灭磁控制系数的实部和虚部应满足以下两式：

根据上式得到灭磁控制系数的实部和虚部；其中下标*代表标幺值，L_s*、L_r*、R_s*均为DFIG参数，ω_r*为转子转速，ω_B为电网频率，K_p，K_i是电流环PI调节器的比例增益和积分增益，

由风机的物理参数和风机的转速决定，G_mag为期望的灭磁控制增益；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度；同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压，其中RSC代表转子侧变流器。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行以下步骤：

建立DFIG简化暂态分量数学模型；

基于上述模型使灭磁控制所得到的转子暂态电流与定子暂态磁链反相，并且其幅值符合预定的与定子暂态磁链的比例关系；

将灭磁控制的比例系数从实数转变为复数K_{mag_real}+jK_{mag_imag}，使得转子暂态电流和定子暂态磁链之间呈现负实数关系，且该负实数绝对值等于期望的灭磁控制增益；

灭磁控制系数的实部和虚部应满足以下两式：

根据上式得到灭磁控制系数的实部和虚部；其中下标*代表标幺值，L_s*、L_r*、R_s*均为DFIG参数，ω_r*为转子转速，ω_B为电网频率，K_p，K_i是电流环PI调节器的比例增益和积分增益，

由风机的物理参数和风机的转速决定，G_mag为期望的灭磁控制增益；

控制转子暂态电流的幅值和相位，在限制转子过电流的同时兼顾最快的暂态过程衰减速度；同时，降低暂态过程中通过RSC涌入直流母线的暂态功率，抑制直流母线过电压，其中RSC代表转子侧变流器。

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