CN111917129A - 一种双馈风力发电机零电压穿越控制方法 - Google Patents

一种双馈风力发电机零电压穿越控制方法 Download PDF

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赵兵
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China University of Petroleum East China
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Abstract

本发明提供了一种双馈风力发电机零电压穿越的控制方法，包括：动态有源Crowbar硬件保护电路的阻值范围确定和分级投入，以此限制转子侧过电流，吸收过剩能量，保护转子侧变换器；通过改进磁链有源衰减控制策略加速定子磁链的衰减，避免保护电路多次投入、双馈风机长时间失控的问题；以网侧变换器控制策略的改进减小直流电压变换率，保证重度故障时直流母线电压迅速趋于稳定；通过改进双馈风力发电机变桨策略在相同时间内更大程度减小风轮捕获的功率，降低风机因能量不平衡而引起的转子转速升高致飞车的危险；加入D‑Statcom无功补偿帮助故障后***电压的快速恢复。该方法通过所述五种策略协同作用形成的综合控制方法助力双馈风力发电机零电压穿越能力的提升，保障和维护风电***的安全稳定运行。

Description

一种双馈风力发电机零电压穿越控制方法
技术领域
本发明属于风力发电新能源领域，具体涉及双馈风力发电机零电压穿越能力控制方法。
背景技术
能源是社会发展和进步的物质基础，工业革命以来，人类大规模开采煤、石油、天然气等不可再生能源，能源问题已成为世界各国的一道难题。伴随化石能源的消耗，生态环境也在不断恶化。为缓解能源危机，提高燃料利用率、避免过度消耗资源，世界多国已把可再生、无污染的新型清洁能源作为可持续发展的重点。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的广泛关注。在全球经济的快速发展带动下，风能市场发展迅速，全球风电的装机容量迅速扩大。
随着风力发电的不断发展，风电场控制及其对电网安全稳定的影响已成为风电发展的重要课题之一。电压跌落是风电***中常见的故障形式，对于常规的风力发电***，当电网出现故障电压骤降至零时，风机将实施被动式自我保护而立即解列,并不考虑故障的持续时间和严重程度,最大限度保障风机的安全。但风机的被动保护式解列,将会增加整个***的恢复难度,甚至可能加剧故障,最终导致***其它机组全部解列,这种情况在过去很长一段时间是允许的，但随着风电容量在电网总容量中所占比例不断增大，风电机组的脱网将有可能造成电网的电压崩溃和严重的频率震荡，这将给工业生产带来巨大的损失。所以，世界上许多国家已经将风机零电压穿越(ZVRT)能力要求纳入本国电网导则中。零电压穿越是以低电压穿越概念为基础，指当并网点电压完全跌落至0时，风电机组保持不脱网、连续运行的能力。由于各类风电机组在结构上存在明显的区别，零电压穿越的技术实现难度存在一定的差异。现阶段双馈感应风力发电机以其功率解耦控制、换流器容量小、调速范围宽等良好的运行调节性能，成为风电市场的主流机型。但由于双馈风机定子侧与电网直接相连这一特殊的拓扑结构，使其对电网电压故障尤为敏感，抗电网扰动能力相对较弱，且受换流器自身功率的限制，降低了双馈风机的故障穿越能力，所以，研究此类机型的零电压穿越能力对电网的安全稳定显得尤为重要。
发明内容
本发明技术解决的问题：克服现有技术实时性调节较弱、频频外加硬件保护装置增加成本和不便的不足，当风电***发生重度电压跌落电压骤降至0时，成功得实现双馈风力发电机零电压穿越，保障和维护风场电网的安全稳定运行。
这种双馈风力发电机零电压穿越技术的解决方案具体包括：
1.本发明的动态有源Crowbar保护电路,采用三相交流开关(SCR)和旁路电阻构成的保护电路，此电路成本较低且对过电流的承受能力比较大，故障期间为转子侧可能出现的大电流提供通路，保护转子侧变换器，且当电网电压跌落发生及恢复时，转子侧变换器可以与转子保持连接，当故障消除后，切除旁路电阻使***快速恢复正常运行；
2.本发明对Crowbar保护电路的投入进行改进，在双馈风机转子侧采用动态有源Crowbar硬件保护电路，使得保护电路可以分级投入，较好地限制电流幅值和吸收过剩能量；
3.确定动态有源Crowbar电路阻值范围，并对其退出时间进行控制，以保障机组故障期间及故障清除后***及机组的暂态稳定；
4.本发明加入了磁链有源衰减控制策略，改进了现行策略定子磁链衰减缓慢、过渡过程持续时间长的问题，避免了保护电路多次投入、机组长时间失控的情况；
5.本发明改进了网侧变换器(GSC)的控制策略，弥补电流环所用PI调节器的延时，保证直流母线电压在发生重度故障时迅速趋于稳定；
6.本发明加入了快速紧急变桨控制策略，改善了常规变桨策略的响应速度慢，对过剩能量抑制效果有限的问题，快速平衡故障期间机组能量，抑制转子转速上升；
7.本发明采用D-Statcom无功补偿，发出感性无功功率，抬高双馈风机机端电压，帮助电网重建故障后电压。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1.响应实时性：加入前馈补偿项改进网侧变换器控制策略后，使得网侧变换器电流的变化可以及时补偿直流母线电压的波动，改善直流电压PI调节器的滞后效应，有效提高了控制***对负载扰动和电网电压幅值突变的动态响应速度，从而较好地抑制了故障时直流母线电压的上升；
2.投入快速性：采用的磁链有源衰减策略和快速紧急变桨策略，可改善现行策略定子磁链衰减缓慢和变桨策略投入速度慢的问题，提高磁链衰减和变桨速度，较快稳定机组能量平衡；
3.实施便捷性：直流母线电压稳压等控制方面采用在控制策略上进行改进，改善了增加卸荷电路等外加装置方法的操作复杂性和不便性问题；
4.成本经济性：保护电路中采用SCR，成本较低且耐受能力较大，直流母线电压稳压等控制方面选择在策略上进行改进，节省了外加卸荷电路等装置的成本；
5.协同穿越性：本发明采用的五种控制方法协同抑制双馈风力发电机转子侧电流、转速及直流母线电压的升高，避免了由电力电子器件组成的机侧和网侧变换器因过流而造成的毁灭性损害，降低了因风力机俘获能量与发电机发出功率不平衡而引起的转子转速升高致飞车的危险，保护了直流环节电容，较好地实现了双馈风力发电机的零电压穿越。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术方法，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步得详细说明。
图1是本发明的双馈风力发电机零电压穿越控制方法流程图。
图2是本发明的动态有源Crowbar保护电路原理图。
图3是本发明的保护电路分级投入控制流程图。
图4是双馈风力发电机机端发生三相短路故障零电压跌落情况图。
图5是本发明的双馈风力发电机转子电流抑制效果仿真波形图。
图6是本发明的直流母线电压抑制效果仿真波形图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种双馈风力发电机零电压穿越控制技术方法，实施例具体步骤如下：
1.如图2所示,采用三相交流开关(SCR)和旁路电阻构成的电路作为动态有源Crowbar保护电路，此电路成本低且耐电流能力强，发生故障时迅速短接双馈风力发电机转子侧变换器，故障消除后快速切除旁路电阻恢复***正常运行。
2.Crowbar的电阻可以阻尼转子磁链但其阻值的大小将直接影响到故障期间及故障清除后***及机组的暂态稳定。电阻值越大，转子过电流衰减得越快，但其两端电位差随之增大，过大的电压会在Crowbar电路投入时，对直流母线电容进行反充电，从而影响母线电容安全运行，且阻值越大投入期间机组从***吸收的无功功率越多，所以Crowbar电阻值的范围确定至关重要。由式子
Figure BDA0002593585730000031
可得
Figure BDA0002593585730000032
3.将双馈风机转子侧采用的动态有源Crowbar硬件保护电路分级投入，第一级投入的主要目的是限制故障电流幅值、降低电磁转矩对轴系的冲击；第二级投入的主要作用是增加保护电路能耗，吸收过剩能量。以转子电流作为保护电路投入以及各级之间选择切换的主要监测变量并控制其退出时间，保护电路分级投入具体控制策略如图3所示。其中：Ir、Ir,max1、Ir,max2分别表示转子电流以及两级保护电路的动作限值，Ir,max2＜Ir,max1；Udc、Udc,max表示直流母线电压以及母线电压最大值；Δt1、Δt2表示两级保护电路各自投入的时间。转子电流抑制及恢复情况如图5所示。
4.改进磁链有源衰减控制策略，在电流给定值上添加与定子磁链暂态分量相关的补偿项，以此改变控制***特征根，加快定子磁链暂态分量的衰减速度。零电压故障时，定子磁链的表达式为
Figure BDA0002593585730000041
式中：ψs t为定子磁链暂态分量。合理地控制转子侧变换器，加入转子暂态电流分量
Figure BDA0002593585730000042
后，定子磁链暂态表达式为
Figure BDA0002593585730000043
通过改变控制系数kdq的大小达到加速定子磁链衰减的控制目的。
5.改进网侧变换器(GSC)控制策略，加入前馈补偿量2Pr/(3Ug)与网侧变换器的直流电压PI调节器输出一起作为网侧变换器电流内环的d轴电流给定值，其中：Pr为双馈风力发电机转子的总有功功率，则网侧变换器的输入瞬时功率能立即跟随转子励磁功率的变化，网侧变换器电流Ig能立即跟随负载的变化，大大减小直流电压变化率，增强双馈风力发电机的故障穿越能力，直流母线电压抑制情况如图6所示。
6.加入快速紧急变桨控制策略，改进紧急变桨控制阶段的控制器的比例、积分环节控制参数，实时监测机端电压、转速与机械功率，当故障前风机处于高功率输出状态且故障期间机端电压不大于0.1pu时，则立即执行该控制。该控制策略在相同时间内更大程度地降低了风轮捕获的功率。
7.在双馈风机出口母线处加入D-Statcom无功补偿，根据风电场输出到母线处的各个分量来确定对***无功补偿的时间和容量，***发生电压跌落时，D-Statcom帮助风机及整个***维持电压的稳定性，显著提升双馈风力发电机零电压穿越能力。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种双馈风力发电机零电压穿越控制方法，其特征在于，包括：动态有源Crowbar硬件保护电路、磁链有源衰减控制策略、网侧变换器控制策略、快速紧急变桨控制策略、D-Statcom无功补偿五种策略的协同作用。
2.如权利要求1所述的动态有源Crowbar硬件保护电路方法，其特征在于：硬件保护电路的分级投入。以转子电流幅值作为各级切换的检测量，以投入的第一级电路限制故障电流幅值、降低电磁转矩对轴系的冲击，以投入的第二级电路增加保护电路能耗，吸收过剩能量。
3.如权利要求1所述的磁链有源衰减控制策略，其特征在于：磁链暂态表达式的改进，包括加入转子暂态电流分量
Figure FDA0002593585720000011
其中：ψs t为定子磁链暂态分量，通过改变定子磁链暂态表达式
Figure FDA0002593585720000012
中的控制系数kdq大小达到加速定子磁链衰减的控制目的。
4.如权利要求1所述的网侧变换器控制策略，其特征在于：网侧变换器电流内环d轴电流给定值的改进，包括前馈补偿量2Pr/(3Ug)的加入，其中：Pr为双馈风力发电机转子的总有功功率。
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