CN113300372B - 一种可变速水电机组低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，它包括：步骤1、机侧变流器的控制目标为保持直流母线电压恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，q轴控制实现直流母线电压恒定；步骤2、网侧变流器控制目标为维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定；步骤3、调速器控制目标为机组转速稳定至最优转速；解决了现有技术中存在的电网电压跌落过程中变流器直流侧母线电压上升较高、***结构复杂、可靠性不足等问题。

Description

一种可变速水电机组低电压穿越控制方法

技术领域

本发明属于水轮机调节方法技术领域，又去涉及一种可变速水电机组低电压穿越控制方法。

技术背景

可变速水力发电机组利用全功率变流器与电网相连，保证了电网频率恒定的前提下机组转速可连续调节，从而实现了机组运行在最优效率工况点，同时能更快速度响应电网功率变化需求，对消纳间歇性与随机性强的新能源具有重要意义。在电网电压跌落故障过程中，提高机组低电压穿越能力是实现机组稳定并网运行的关键。现有技术借鉴风力发电机组的网侧变流器控制直流母线电压、机侧变流器控制机组功率、直流侧配备Crowbar电路的策略，不能充分利用水电机组旋转部件的储能能力大，输入机组功率可通过调速器进行灵活调节的特点，存在电网电压跌落过程中变流器直流侧母线电压上升较高、***结构复杂、可靠性不足等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，以解决现有技术机组低电压穿越存在的电网电压跌落过程中变流器直流侧母线电压上升较高、***结构复杂、可靠性不足等技术问题。

本发明技术方案：

一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，它包括：

步骤1、机侧变流器的控制目标为保持直流母线电压恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，q轴控制实现直流母线电压恒定；

步骤2、网侧变流器控制目标为维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定；

步骤3、调速器控制目标为机组转速稳定至最优转速。

步骤1所述d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，q轴控制实现直流母线电压恒定的方法包括：

步骤1.1、机侧变流器d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，第k次采样的机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}(k)为：

u_{sd_ref}(k)＝u_{sd_ref}(k-1)-K_{P_isd}[i_sd(k)-i_sd(k-1)]-K_{I_isd}i_sd(k)ΔT (9)；

式中：k为采样次数，ΔT为采样周期，K_{P_isd}为机侧变流器d轴电流控制环比例增益；K_{I_isd}为机侧变流器d轴电流控制环积分增益；i_sd为机侧变流器d轴电流；

步骤1.2、机侧变流器q轴控制实现直流母线电压恒定，第k次采样的机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}(k)为：

i_{sq_ref}(k)＝i_{sq_ref}(k-1)+K_{P_usq}[e_dc(k)-e_dc(k-1)]+K_{I_usq}e_dc(k)ΔT (12)；

式中：K_{P_usq}为机侧变流器q轴电压控制环比例增益；K_{I_usq}为机侧变流器q轴电压控制环积分增益；u_{dc_ref}为变流器直流母线电压参考值；u_dc为变流器直流母线电压；

步骤1.3、机侧变流器q轴控制实现直流母线电压恒定，第k次采样的机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}(k)为：

u_{sq_ref}(k)＝u_{sq_ref}(k)+K_{P_isq}[e_isq(k)-e_isq(k-1)]+K_{I_isq}e_isq(k)ΔT+ω_s(k)[L_sdi_sd(k)+ψ_f] (15)；

式中：K_{P_isq}为机侧变流器q轴电流控制环比例增益；K_{I_isq}为机侧变流器q轴电流控制环积分增益；i_sq为变流器q轴电流；ω_s为发电机转子电角速度；L_sd为发电机定子d轴电感；ψ_f为永磁体磁链；

步骤1.4、将机侧变流器d轴参考电压和q轴参考电压转换为abc坐标系下得到机侧变流器abc三相参考电压：

进行PWM调制后用于控制机侧变流器。

网侧变流器控制目标为维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定的方法包括：

步骤2.1、网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴功率控制环输出为i_Q(k)为：

i_Q(k)＝i_Q(k-1)+K_{P_Qgq}[e_Qg(k)-e_Qg(k-1)]+K_{I_Qgq}e(k)ΔT (19)；

对输出进行限幅，得到q轴参考电流为：

式中K_{P_Qgq}为网侧变流器q轴功率控制环比例增益；K_{I_Qgq}为网侧变流器q轴功率控制环积分增益；Q_ref为无功功率参考值；Q_g为输出至电网的无功功率；i_max为机组对***可提供的最大电流；i_{gq_min}为网侧q轴电流最小限制值；

步骤2.2、网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}(k)为：

u_{gq_ref}(k)＝u_{gq_ref}(k-1)+K_{P_igq}[e_igq(k)-e_igq(k-1)]+K_{I_igq}e_igq(k)ΔT-ω_g(k)L_gdi_gd(k) (23)；

式中K_{P_igq}为网侧变流器q轴电流控制环比例增益；K_{I_igq}为网侧变流器q轴电流控制环积分增益；i_gq为网侧变流器q轴电流；ω_g为电网频率对应的同步角速度；i_gd为网侧变流器d轴电流；L_gd为滤波电感的d轴分量；

步骤2.3、网侧变流器d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，第k次采样的网侧变流器d轴功率控制环输出为i_P(k)为：

i_P(k)＝i_P(k-1)+K_{P_Pgd}[e_Pg(k)-e_Pg(k-1)]+K_{I_Pgd}e_Pg(k)ΔT (26)；

对输出进行限幅，得到d轴参考电流为：

式中，K_{P_Pgd}为网侧变流器d轴功率控制环比例增益；K_{I_Pgd}为网侧变流器d轴功率换积分增益；P_ref为有功功率参考值；P_g为输出至电网的有功功率；

步骤2.4、网侧变流器d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，第k次采样的网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}(k)为：

u_{gd_ref}(k)＝u_{gd_ref}(k-1)+K_{P_igd}[e_igd(k)-e_igd(k-1)]+K_{I_igd}e_igd(k)ΔT+ω_g(k)L_gqi_gq(k)+e_g(k) (30)；

式中，K_{P_igd}为网侧变流器d轴电流控制环比例增益；K_{I_igd}为网侧变流器d轴电流控制环积分增益；i_gd为网侧变流器d轴电流；i_gq为网侧变流器q轴电流；L_gq为滤波电感的q轴分量；e_g为电网电压；

步骤2.5、将网侧变流器d轴参考电压和q轴参考电压转换为abc坐标系下得到网侧变流器abc三相参考电压：

进行PWM调制后用于控制网侧变流器。

步骤3所述调速器控制目标为机组转速稳定至最优转速的方法包括：

步骤3.1、调速器控制机组转速稳定至最优转速，最优转速发生器输出的最优转速ω_r为：

式中，H₁、H₂为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的水头值；P₁、P₂为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的有功功率值；ω₁、ω₂、ω₃、ω₄为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的最优转速值；

步骤3.2、调速器输出值为

Y_PID(s)＝Y_P(s)+Y_I(s)+Y_D(s) (33)；

式中，Y_P为调速器比例项输出；Y_I为调速器积分项输出；Y_D为调速器微分项输出；

步骤3.2、比例项输出值Y_P为：

Y_P(k)＝K_P[ω_r(k)-ω(k)] (34)；

步骤3.3、积分项输出值Y_I为：

Y_I(k)＝Y_I(k-1)+K_I[ω_r(k)-ω(k)]ΔT (35)；

步骤3.4、微分项输出值Y_D为：

式中，T_D为调速器微分时间常数；K_D为调速器微分增益。

步骤1.1所述第k次采样的机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}(k)的实现方法为：

机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}为：

采用增量型进行离散，得到第k次采样的机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}(k)

所述第k次采样的机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}(k)的计算方法为：

机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}为：

其中e_dc为直流侧电压偏差，表示为：

e_dc(t)＝u_{dc_ref}(t)-u_dc(t) (11)；

对式(10)进行增量型离散，得到第k次采样的机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}(k)；

所述机侧变流器q轴控制实现直流母线电压恒定，第k次采样的机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}(k)的计算方法为：

机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}为：

其中e_isq为机侧变流器q轴电流偏差，表示为：

e_isq(t)＝i_{sq_ref}(t)-i_sq(t) (14)；

对式(13)进行增量型离散，得到第k次采样的机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}(k)。

所述网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴功率控制环输出为i_Q(k)的计算方法为：

网侧变流器的控制目标是维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，其中d轴控制实现输出至电网的有功功率恒定，q轴控制实现输出至电网的无功功率恒定，网侧变流器q轴功率控制环输出为：

其中e_Qg为网侧变流器q轴无功功率偏差，表示为：

e_Qg(t)＝Q_ref(t)-Q_g(t) (18)；

对式(17)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器q轴功率控制环输出为i_Q(k)；

所述网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}(k)的计算方法为：

网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}为：

其中e_igq为网侧变流器q轴电流偏差，表示为：

e_igq(t)＝i_{gq_ref}(t)-i_gq(t) (22)；

对式(21)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}(k)。

所述网侧变流器d轴功率控制环输出为i_P(k)的计算方法为：

网侧变流器d轴功率控制环输出为：

其中e_Pg为网侧变流器d轴有功功率偏差，表示为：

e_Pg(t)＝P_ref(t)-P_g(t) (25)；

对式(24)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器d轴功率控制环输出为i_P(k)；

所述第k次采样的网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}(k)的计算方法为：

网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}为：

其中e_igd为网侧变流器d轴电流偏差，表示为：

e_igd(t)＝i_{gd_ref}(t)-i_gd(t) (29)；

对式(28)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}(k)。

本发明有益效果：

本发明利用转子升速储能的可变速水力机组低电压穿越控制方法，通过机侧变流器控制保持直流母线电压恒定、网侧变流器控制机组输出至电网的有功功率和无功功率恒定、调速器控制机组转速稳定至最佳转速，解决了现有技术中存在的电网电压跌落过程中变流器直流侧母线电压上升较高、***结构复杂、可靠性不足等问题。

附图说明：

图1是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的可变速水力发电机组示意图；

图2是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的机侧变流器控制框图；

图3是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的网侧变流器控制框图；

图4是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的调速器控制框图；

图5是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的最优转速发生器插值点示意图；

图6是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的电网电压跌落曲线图；

图7是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的某电站低电压穿越过程机侧有功功率曲线图；

图8是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的某电站低电压穿越过程网侧有功功率曲线图；

图9是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的某电站低电压穿越过程流入直流母线净功率曲线图；

图10是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的某电站低电压穿越过程流入直流母线电压曲线图；

图11是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的某电站低电压穿越过程机组输出无功电流曲线图；

图12是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的某电站低电压穿越过程机组转速曲线图；

图13是本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法的某电站低电压穿越过程机组导叶开度曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法，建立了***数学模型，***结构如图1所示，由上游水库、引水管道、水轮机、排水管道、下游水库组成的引水***驱动水轮机转动，将水体的势能转换为机械能，水轮机与永磁发电机相连，将机械能转换为电能，永磁发电机通过机侧变流器及网侧变流器与电网相连，将电能转换为符合电网要求的电能。

水轮机及引水***采用IEEE提供的考虑水轮机空载流量的非线性数学模型:

P_m＝A_th(q-q_nl)-DY(ω_s/ω_r-1) (2)；

其中，q为机组流量相对值；h为机组水头相对值；h_l为引水***水头损失相对值；T_w为引水***水流惯性时间常数；P_m为水轮机出力相对值；A_t为水轮机增益；q_nl为空载流量相对值；D为转速偏差阻尼系数；Y为水轮机导叶开度相对值；ω_s为转子电角速度；ω_r为转子电角速度参考值。

在dq坐标系下，忽略机侧变流器功率损耗，得到发电机及机侧变流器模型为：

式中：e_sd为感应电动势的d轴分量；e_sq为感应电动势的q轴分量；i_sd为定子电流d轴分量；i_sq为定子电流q轴分量；L_sd为定子绕组电感d轴分量；L_sq为定子绕组电感q轴分量；R_s为定子绕组电阻；S_sd、S_sq为机侧变流器开关函数的d轴和q轴分量；u_dc为直流侧电压；C为直流电容量；i_dc为机侧变流器输出电流。

采用i_sd＝0控制策略时，表贴式永磁发电机电磁转矩T_e的表达式为：

式中：n_p为电机磁极对数；ψ_f为永磁体磁链。

发电机转子的运动方程如下：

式中：J为转子转动惯量；B_m为转动粘滞系数。

网侧变流器dq坐标下的电压方程为：

式中：e_gd为电网电压的d轴分量；e_gq为电网电压的q轴分量；L_gd为滤波电感的d轴分量；L_gq为滤波电感的q轴分量；i_gd为网侧电流的d轴分量；i_gq为网侧电流的q轴分量；ω_g为电网频率对应的同步角速度；S_gd、S_gq为网侧变流器开关函数的d轴和q轴分量。

将电网按照无穷大容量进行考虑，其电压与频率恒定不变。此时联立式(1)～式(7)，可得控制对象数学模型，其中包括了11个独立方程，其中常量有：T_w、h_l、A_t、q_nl、D、R_s、L_sd、L_sq、C、ψ_f、n_p、J、B_m、R_g、L_gd、L_gq、e_gd、e_gq、e_sd、e_sq、ω_g；自变量有：ω_r、Y、S_sd、S_sq、S_gd、S_gq；11个应变量包括：q、h、P_m、ω_s、u_dc、i_dc、T_e、i_sd、i_sq、i_gd、i_gq。

机侧变流器的控制目标是保持直流母线电压恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，q轴控制实现直流母线电压恒定，控制结构框图如图2所示。

机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}为：

采用增量型进行离散，得到第k次采样的机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}(k)为：

u_{sd_ref}(k)＝u_{sd_ref}(k-1)-K_{P_isd}[i_sd(k)-i_sd(k-1)]-K_{I_isd}i_sd(k)ΔT (9)；

其中，k为采样次数，ΔT为采样周期，K_{P_isd}为机侧变流器d轴电流控制环比例增益；K_{I_isd}为机侧变流器d轴电流控制环积分增益；i_sd为机侧变流器d轴电流；

机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}为：

其中e_dc为直流侧电压偏差，表示为：

e_dc(t)＝u_{dc_ref}(t)-u_dc(t) (11)；

对式(10)进行增量型离散，得到第k次采样的机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}(k)为：

i_{sq_ref}(k)＝i_{sq_ref}(k-1)+K_{P_usq}[e_dc(k)-e_dc(k-1)]+K_{I_usq}e_dc(k)ΔT (12)；

其中，K_{P_usq}为机侧变流器q轴电压控制环比例增益；K_{I_usq}为机侧变流器q轴电压控制环积分增益；u_{dc_ref}为变流器直流母线电压参考值；u_dc为变流器直流母线电压；

机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}为：

其中e_isq为机侧变流器q轴电流偏差，表示为：

e_isq(t)＝i_{sq_ref}(t)-i_sq(t) (14)；

对式(13)进行增量型离散，得到第k次采样的机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}(k)为：

u_{sq_ref}(k)＝u_{sq_ref}(k)+K_{P_isq}[e_isq(k)-e_isq(k-1)]+K_{I_isq}e_isq(k)ΔT+ω_s(k)[L_sdi_sd(k)+ψ_f] (15)；

其中，K_{P_isq}为机侧变流器q轴电流控制环比例增益；K_{I_isq}为机侧变流器q轴电流控制环积分增益；i_sq为变流器q轴电流；ω_s为发电机转子电角速度；L_sd为发电机定子d轴电感；ψ_f为永磁体磁链；

将机侧变流器d轴参考电压和q轴参考电压转换为abc坐标系下得到机侧变流器abc三相参考电压：

对其进行PWM调制后用于控制机侧变流器。

网侧变流器的控制目标是维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，其中d轴控制实现输出至电网的有功功率恒定，q轴控制实现输出至电网的无功功率恒定，其控制结构框图如图3所示。

网侧变流器q轴功率控制环输出为：

其中e_Qg为网侧变流器q轴无功功率偏差，表示为：

e_Qg(t)＝Q_ref(t)-Q_g(t) (18)；

对式(17)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器q轴功率控制环输出为i_Q(k)为：

i_Q(k)＝i_Q(k-1)+K_{P_Qgq}[e_Qg(k)-e_Qg(k-1)]+K_{I_Qgq}e(k)ΔT (19)；

对其输出进行限幅，得到q轴参考电流i_{gq_ref}(k)为：

其中，K_{P_Qgq}为网侧变流器q轴功率控制环比例增益；K_{I_Qgq}为网侧变流器q轴功率控制环积分增益；Q_ref为无功功率参考值；Q_g为输出至电网的无功功率；i_max为机组对***可提供的最大电流；i_{gq_min}为网侧q轴电流最小限制值；

网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}为：

其中e_igq为网侧变流器q轴电流偏差，表示为：

e_igq(t)＝i_{gq_ref}(t)-i_gq(t) (22)；

对式(21)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}(k)为：

u_{gq_ref}(k)＝u_{gq_ref}(k-1)+K_{P_igq}[e_igq(k)-e_igq(k-1)]+K_{I_igq}e_igq(k)ΔT-ω_g(k)L_gdi_gd(k) (23)；

其中，K_{P_igq}为网侧变流器q轴电流控制环比例增益；K_{I_igq}为网侧变流器q轴电流控制环积分增益；i_gq为网侧变流器q轴电流；ω_g为电网频率对应的同步角速度；i_gd为网侧变流器d轴电流；L_gd为滤波电感的d轴分量；

网侧变流器d轴功率控制环输出为：

其中e_Pg为网侧变流器d轴有功功率偏差，表示为：

e_Pg(t)＝P_ref(t)-P_g(t) (25)；

对式(24)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器d轴功率控制环输出为i_P(k)为：

i_P(k)＝i_P(k-1)+K_{P_Pgd}[e_Pg(k)-e_Pg(k-1)]+K_{I_Pgd}e_Pg(k)ΔT (26)；

对其输出进行限幅，得到d轴参考电流i_{gd_ref}(k)为：

其中，K_{P_Pgd}为网侧变流器d轴功率控制环比例增益；K_{I_Pgd}为网侧变流器d轴功率换积分增益；P_ref为有功功率参考值；P_g为输出至电网的有功功率；

网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}为：

其中e_igd为网侧变流器d轴电流偏差，表示为：

e_igd(t)＝i_{gd_ref}(t)-i_gd(t) (29)；

对式(28)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}(k)为：

u_{gd_ref}(k)＝u_{gd_ref}(k-1)+K_{P_igd}[e_igd(k)-e_igd(k-1)]+K_{I_igd}e_igd(k)ΔT+ω_g(k)L_gqi_gq(k)+e_g(k) (30)；

其中，K_{P_igd}为网侧变流器d轴电流控制环比例增益；K_{I_igd}为网侧变流器d轴电流控制环积分增益；i_gd为网侧变流器d轴电流；i_gq为网侧变流器q轴电流；L_gq为滤波电感的q轴分量；e_g为电网电压；

将网侧变流器d轴参考电压和q轴参考电压转换为abc坐标系下得到网侧变流器abc三相参考电压：

对其进行PWM调制后用于控制网侧变流器。

调速器的控制目标是调整机组转速至最优转速，其控制结构框图如图4所示。

最优转速发生器由功率给定P_ref和水头测量值H，并根据事先设置在调速器内部的水轮机最优转速数据表进行插值获得最优转速ω_r：

其中，H₁、H₂为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的水头值；P₁、P₂为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的有功功率值；ω₁、ω₂、ω₃、ω₄为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的最优转速值；各点位置见图5所示。

调速器采用PID控制策略，输出值Y_PID为比例项输出值Y_P、积分项输出值Y_I、微分项输出值Y_D之和：

Y_PID(s)＝Y_P(s)+Y_I(s)+Y_D(s) (33)；

第k个采样周期比例项输出值Y_P为：

Y_P(k)＝K_P[ω_r(k)-ω(k)] (34)；

其中，K_P为调速器比例增益；

第k个采样周期积分项输出值Y_I为：

Y_I(k)＝Y_I(k-1)+K_I[ω_r(k)-ω(k)]ΔT (35)；

其中，K_I为调速器积分增益；

第k个采样周期微分项输出值Y_D为：

其中，T_D为调速器微分时间常数；K_D为调速器微分增益；

实施案例

以某电站为例，分析其机组可变速运行时的低电压穿越过程，其引水***水流惯性时间常数T_w为1.25s，引水***水头损失相对值h_l＝0.0001，水轮机增益A_t＝1.06，空载流量相对值q_nl＝0.05，转速偏差阻尼系数D＝0.5，定子绕组电阻R_s＝0.0117Ω，定子绕组电感d轴分量L_sd＝0.00071H，定子绕组电感q轴分量L_sq＝0.00071H，直流电容量C＝0.06F，永磁体磁链ψ_f＝1.35T，电机磁极对数n_p＝24，转子转动惯量J＝4.619t·m²，转动粘滞系数B_m＝0，滤波电阻R_g＝0.0013Ω，滤波电感的d轴分量L_gd＝0.000415H，滤波电感的q轴分量L_gq＝0.000415H，电网电压的d轴分量e_gd＝332V，电网电压的q轴分量e_gq＝0V，感应电动势的d轴分量e_sd＝0V，感应电动势的q轴分量e_sq＝424V，电网频率对应的同步角速度ω_g＝314.16rad/s。

鉴于目前还没有相关全功率变速水力发电机组低电压穿越的标准，参照我国《风电场接入电网技术规定》中对风电场低电压穿越的要求，拟定全功率可变速水力发电机组低电压穿越时，电网电压跌落至20％标称电压时机组不脱网连续运行625ms，电网电压发生跌落后2s内能够恢复到90％的标称电压，机组不脱网连续运行，电网电压跌落过程曲线如图6所示。所得机组在低电压穿越过程过渡过程曲线如图7-图13所示。由图7-图13可以看出，采用本发明的功率调节与转子储能结合的可变速水电机组低电压穿越控制方法后，电网电压跌落过程中直流侧母线电压上升较低、***取消了Crowbar电路而得到简化、同时可以对***提供一定的无功电流支撑，***可靠性不足等问题得到明显改善。

Claims (7)

1.一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，它包括：

步骤1、机侧变流器的控制目标为保持直流母线电压恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，q轴控制实现直流母线电压恒定；

步骤2、网侧变流器控制目标为维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定；

步骤3、调速器控制目标为机组转速稳定至最优转速；

步骤3所述调速器控制目标为机组转速稳定至最优转速的方法包括：

步骤3.1、调速器控制机组转速稳定至最优转速，最优转速发生器输出的最优转速ω_r为：

式中，H₁、H₂为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的水头值；P₁、P₂为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的有功功率值；ω₁、ω₂、ω₃、ω₄为水轮机最优转速数据表中插值点附近各点的最优转速值；

步骤3.2、调速器输出值为

Y_PID(s)＝Y_P(s)+Y_I(s)+Y_D(s) (33)；

式中，Y_P为调速器比例项输出；Y_I为调速器积分项输出；Y_D为调速器微分项输出；

步骤3.3、比例项输出值Y_P为：

Y_P(k)＝K_P[ω_r(k)-ω(k)] (34)；

步骤3.4、积分项输出值Y_I为：

Y_I(k)＝Y_I(k-1)+K_I[ω_r(k)-ω(k)]ΔT (35)；

步骤3.5、微分项输出值Y_D为：

式中，T_D为调速器微分时间常数；K_D为调速器微分增益；k为采样次数；P_ref为有功功率参考值；K_P为调速器比例增益；K_I为调速器积分增益；ΔT为采样周期。

2.根据权利要求1所述的一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：步骤1所述d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，q轴控制实现直流母线电压恒定的方法包括：

步骤1.1、机侧变流器d轴控制实现永磁同步发电机d轴电流为0，第k次采样的机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}(k)为：

u_{sd_ref}(k)＝u_{sd_ref}(k-1)-K_{P_isd}[i_sd(k)-i_sd(k-1)]-K_{I_isd}i_sd(k)ΔT (9)；

式中：k为采样次数，ΔT为采样周期，K_{P_isd}为机侧变流器d轴电流控制环比例增益；K_{I_isd}为机侧变流器d轴电流控制环积分增益；i_sd为机侧变流器d轴电流；

步骤1.2、机侧变流器q轴控制实现直流母线电压恒定，第k次采样的机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}(k)为：

i_{sq_ref}(k)＝i_{sq_ref}(k-1)+K_{P_usq}[e_dc(k)-e_dc(k-1)]+K_{I_usq}e_dc(k)ΔT (12)；

e_dc(k)＝u_{dc_ref}(k)-u_dc(k)

式中：K_{P_usq}为机侧变流器q轴电压控制环比例增益；K_{I_usq}为机侧变流器q轴电压控制环积分增益；u_{dc_ref}为变流器直流母线电压参考值；u_dc为变流器直流母线电压；

步骤1.3、机侧变流器q轴控制实现直流母线电压恒定，第k次采样的机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}(k)为：

u_{sq_ref}(k)＝u_{sq_ref}(k-1)+K_{P_isq}[e_isq(k)-e_isq(k-1)]+K_{I_isq}e_isq*(k)ΔT+ω_s(k)[L_sdi_sd(k)+ψ_f] (15)；

e_isq(k)＝i_{sq_ref}(k)-i_sq(k)

式中：K_{P_isq}为机侧变流器q轴电流控制环比例增益；K_{I_isq}为机侧变流器q轴电流控制环积分增益；i_sq为变流器q轴电流；ω_s为发电机转子电角速度；L_sd为发电机定子d轴电感；ψ_f为永磁体磁链；

步骤1.4、将机侧变流器d轴参考电压和q轴参考电压转换为abc坐标系下得到机侧变流器abc三相参考电压：

进行PWM调制后用于控制机侧变流器。

3.根据权利要求1所述的一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：网侧变流器控制目标为维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，采用转子磁链方向的双闭环控制，其中d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定的方法包括：

步骤2.1、网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴功率控制环输出为i_Q(k)为：

i_Q(k)＝i_Q(k-1)+K_{P_Qgq}[e_Qg(k)-e_Qg(k-1)]+K_{I_Qgq}e(k)ΔT (19)；

e_Qg(k)＝Q_ref(k)-Q_g(k)

对输出进行限幅，得到q轴参考电流为：

式中K_{P_Qgq}为网侧变流器q轴功率控制环比例增益；K_{I_Qgq}为网侧变流器q轴功率控制环积分增益；Q_ref为无功功率参考值；Q_g为输出至电网的无功功率；i_max为机组对***可提供的最大电流；i_{gq_min}为网侧q轴电流最小限制值；ΔT为采样周期；

步骤2.2、网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}(k)为：

u_{gq_ref}(k)＝u_{gq_ref}(k-1)+K_{P_igq}[e_igq(k)-e_igq(k-1)]+K_{I_igq}e_igq(k)ΔT-ω_g(k)L_gdi_gd(k) (23)；

e_igq(k)＝i_{gq_ref}(k)-i_gq(k)

式中K_{P_igq}为网侧变流器q轴电流控制环比例增益；K_{I_igq}为网侧变流器q轴电流控制环积分增益；i_gq为网侧变流器q轴电流；ω_g为电网频率对应的同步角速度；i_gd为网侧变流器d轴电流；L_gd为滤波电感的d轴分量；

步骤2.3、网侧变流器d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，第k次采样的网侧变流器d轴功率控制环输出为i_P(k)为：

i_P(k)＝i_P(k-1)+K_{P_Pgd}[e_Pg(k)-e_Pg(k-1)]+K_{I_Pgd}e_Pg(k)ΔT (26)；

e_Pg(k)＝P_ref(k)-P_g(k)

对输出进行限幅，得到d轴参考电流为：

式中，K_{P_Pgd}为网侧变流器d轴功率控制环比例增益；K_{I_Pgd}为网侧变流器d轴功率换积分增益；P_ref为有功功率参考值；P_g为输出至电网的有功功率；

步骤2.4、网侧变流器d轴控制实现机组输出至电网有功功率恒定，第k次采样的网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}(k)为：

u_{gd_ref}(k)＝u_{gd_ref}(k-1)+K_{P_igd}[e_igd(k)-e_igd(k-1)]+K_{I_igd}e_igd(k)ΔT+ω_g(k)L_gqi_gq(k)+e_g(k) (30)；

e_igd(k)＝i_{gd_ref}(k)-i_gd(k)

式中，K_{P_igd}为网侧变流器d轴电流控制环比例增益；K_{I_igd}为网侧变流器d轴电流控制环积分增益；i_gd为网侧变流器d轴电流；i_gq为网侧变流器q轴电流；L_gq为滤波电感的q轴分量；e_g为电网电压；

步骤2.5、将网侧变流器d轴参考电压和q轴参考电压转换为abc坐标系下得到网侧变流器abc三相参考电压：

进行PWM调制后用于控制网侧变流器。

4.根据权利要求2所述的一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：步骤1.1所述第k次采样的机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}(k)的实现方法为：

机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}为：

采用增量型进行离散，得到第k次采样的机侧变流器d轴参考电压u_{sd_ref}(k) 。

5.根据权利要求2所述的一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述第k次采样的机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}(k)的计算方法为：

机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}为：

其中e_dc为直流侧电压偏差，表示为：

e_dc(t)＝u_{dc_ref}(t)-u_dc(t) (11)；

对式(10)进行增量型离散，得到第k次采样的机侧变流器q轴参考电流i_{sq_ref}(k)；

所述机侧变流器q轴控制实现直流母线电压恒定，第k次采样的机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}(k)的计算方法为：

机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}为：

其中e_isq为机侧变流器q轴电流偏差，表示为：

e_isq(t)＝i_{sq_ref}(t)-i_sq(t) (14)；

对式(13)进行增量型离散，得到第k次采样的机侧变流器q轴参考电压u_{sq_ref}(k)。

6.根据权利要求3所述的一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴功率控制环输出为i_Q(k)的计算方法为：

网侧变流器的控制目标是维持输出至电网的有功功率和无功功率恒定，其中d轴控制实现输出至电网的有功功率恒定，q轴控制实现输出至电网的无功功率恒定，网侧变流器q轴功率控制环输出为：

其中e_Qg为网侧变流器q轴无功功率偏差，表示为：

e_Qg(t)＝Q_ref(t)-Q_g(t) (18)；

对式(17)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器q轴功率控制环输出为i_Q(k)；

所述网侧变流器q轴控制实现机组输出至电网无功功率恒定，第k次采样的网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}(k)的计算方法为：

网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}为：

其中e_igq为网侧变流器q轴电流偏差，表示为：

e_igq(t)＝i_{gq_ref}(t)-i_gq(t) (22)；

对式(21)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器q轴参考电压u_{gq_ref}(k)。

7.根据权利要求3所述的一种可变速水电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述网侧变流器d轴功率控制环输出为i_P(k)的计算方法为：

网侧变流器d轴功率控制环输出为：

其中e_Pg为网侧变流器d轴有功功率偏差，表示为：

e_Pg(t)＝P_ref(t)-P_g(t) (25)；

对式(24)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器d轴功率控制环输出为i_P(k)；

所述第k次采样的网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}(k)的计算方法为：

网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}为：

其中e_igd为网侧变流器d轴电流偏差，表示为：

e_igd(t)＝i_{gd_ref}(t)-i_gd(t) (29)；

对式(28)进行增量型离散，得到第k次采样的网侧变流器d轴参考电压u_{gd_ref}(k)。

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