本發(fā)明涉及一種雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：
隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機組(Doubly-fedInductionGenerator，DFIG)在電網(wǎng)中所占容量逐年驟增，當電網(wǎng)故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時，若大裝機容量風(fēng)電場的風(fēng)機全部脫網(wǎng)，將會給電力系統(tǒng)的安全運行帶來不利影響，嚴重時甚至?xí)斐呻娏ο到y(tǒng)崩潰，因此要求風(fēng)力發(fā)電機組具備低電壓穿越(LowVoltageRide-through，LVRT)能力?，F(xiàn)有的低電壓穿越技術(shù)主要通過在轉(zhuǎn)子側(cè)增加短路保護(Crowbar)電路來實現(xiàn)，如公開號為CN102005779A的中國專利提出一種基于變流器的風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)，在直流側(cè)正極母線和直流側(cè)負極母線之間添加連接電容和卸荷電阻，在電網(wǎng)電壓急劇跌落時，變流器的轉(zhuǎn)子側(cè)電流增大，同時直流側(cè)的電壓升高，當直流側(cè)電壓超過設(shè)置的上限時，絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)導(dǎo)通，接入Crowbar電路和卸荷電阻，當電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，切除Crowbar電路和卸荷電阻，有效實現(xiàn)低電壓穿越控制。公開號為CN102097825A的中國專利給出一種雙饋風(fēng)電變流器IGBT型Crowbar切除方法，根據(jù)電流互感器采集到的定子三相電流，由Crowbar控制器構(gòu)造出與Crowbar電流相關(guān)的虛擬直流電流估算Crowbar電流的波谷時刻，在波谷時刻切出Crowbar電路，以減少IGBT關(guān)斷時的開關(guān)應(yīng)力，進而簡化了IGBT緩沖吸收電路的設(shè)計。但是上述方法都沒有考慮投入Crowbar電路時接入的電阻范圍，而不同的電阻范圍會影響電網(wǎng)的恢復(fù)時間，針對該問題，張曼等人在《基于撬棒并聯(lián)動態(tài)電阻的自適應(yīng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越》一文中根據(jù)Crowbar電路的電阻情況，并聯(lián)了動態(tài)改變電阻，有效改善Crowbar電路的魯棒性。然而，該方法不能根據(jù)電流的峰值不同，選擇接入不同的Crowbar電阻，而且當超出電流閾值時，減少的電阻是個定值，因此不能很好改善低電壓故障的恢復(fù)時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了克服以上不足，提供了一種有效改善低電壓故障的恢復(fù)時間的雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)及其控制方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)，包括雙饋異步發(fā)電機、變流器、電流檢測模塊、Crowbar電路控制模塊和Crowbar模塊；所述雙饋異步發(fā)電機連接至電網(wǎng)，用于模擬風(fēng)機的低電壓運行；所述變流器設(shè)于雙饋異步發(fā)電機和電網(wǎng)之間；所述電流檢測模塊、Crowbar電路控制模塊和Crowbar模塊依次連接后設(shè)于所述變流器和雙饋異步發(fā)電機之間；電流檢測模塊檢測變流器的電流，并將檢測信號傳給Crowbar電路控制模塊；Crowbar電路控制模塊計算電流的變化率，并輸出Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號至Crowbar模塊；Crowbar模塊控制Crowbar的投斷和接入的Crowbar電阻值。進一步，所述變流器包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC和網(wǎng)側(cè)變流器GSC，所述轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC和網(wǎng)側(cè)變流器GSC之間還并聯(lián)一個電容。進一步，所述電流檢測模塊包括電流互感器和濾波器，所述電流互感器檢測轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC靠近雙饋異步發(fā)電機一側(cè)的電流，并經(jīng)過濾波器濾波后將檢測信號傳給Crowbar電路控制模塊。進一步，所述Crowbar電路控制模塊包括依次連接的電流變化率計算模塊和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，所述電流變化率計算模塊連接所述電流檢測模塊的輸出端，接收電流信號并計算出電流變化率，傳給所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊根據(jù)電流變化率預(yù)測電流峰值和達到電流閾值上、下限的時間輸出Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號送給Crowbar模塊。進一步，所述Crowbar模塊包括IGBT控制模塊、IGBT開關(guān)和電阻Rcb、R1、R2、R3，IGBT控制模塊接收所述Crowbar電路控制模塊輸出的Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號，控制IGBT的通斷，所述IGBT開關(guān)控制Crowbar電路的接入時間，以及通過控制電阻Rcb、R1、R2和R3的接入或斷開來調(diào)節(jié)Crowbar電路的阻值大小。一種雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下幾個步驟：S1：雙饋異步發(fā)電機模擬風(fēng)機的低電壓運行；S2：電流檢測模塊檢測變流器一側(cè)的電流，將檢測信號傳給Crowbar電路控制模塊；S3：Crowbar電路控制模塊根據(jù)檢測信號計算電流的變化率，并通過判斷輸出Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號至Crowbar模塊；S4：Crowbar模塊根據(jù)Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號控制Crowbar的投斷和接入的Crowbar電阻值，直到低電壓穿越結(jié)束。進一步，所述步驟S2中還包括對檢測到的電流進行濾波。進一步，所述步驟S3包括以下步驟：首先接收電流信號并通過電流變化率計算模塊計算出電流變化率，接著通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊根據(jù)電流變化率預(yù)測電流峰值和達到電流閾值上、下限的時間輸出Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號送給Crowbar模塊。進一步，所述步驟S4包括：通過IGBT控制模塊接收Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號，控制IGBT的通斷，同時通過IGBT開關(guān)控制控制Crowbar的投斷和接入的Crowbar電阻值。本發(fā)明提供的雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)及其控制方法，通過設(shè)置Crowbar電路控制模塊計算電流的變化率，并預(yù)測電流的峰值和達到峰值的時間，得到接入Crowbar電路的合適時間以及最佳阻值，針對不同程度的低電壓故障，保證Crowbar電路的接入電阻值和接入時間最佳，有效改善了低電壓故障的恢復(fù)時間，降低了能量消耗，大大提升了雙饋異步發(fā)電機組低電壓的穿越能力。附圖說明圖1是本發(fā)明雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路圖；圖3是本發(fā)明雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)控制方法流程圖；圖4a、4b分別是電網(wǎng)電壓下降100％、80％時轉(zhuǎn)子電流平均斜率隨時間變化圖；圖5a、5b分別是電網(wǎng)電壓下降100％時本發(fā)明方法和基于并聯(lián)動態(tài)電阻的方法控制的電阻接入脈沖圖；圖6a、6b分別是電網(wǎng)電壓下降80％時本發(fā)明方法和基于并聯(lián)動態(tài)電阻的方法控制的電阻接入脈沖圖；圖7a、7b分別是電網(wǎng)電壓下降100％、80％時平均斜率控制和動態(tài)電阻控制的轉(zhuǎn)子側(cè)電流隨時間變化圖。圖中所示：1、雙饋異步電機；2、變流器；3、電流檢測模塊；4、Crowbar電路控制模塊；5、Crowbar模塊。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述：如圖1所示，本發(fā)明提供了一種雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)，包括雙饋異步發(fā)電機1、變流器2、電流檢測模塊3、Crowbar電路控制模塊4和Crowbar模塊5；雙饋異步發(fā)電機1連接至電網(wǎng)，用于模擬風(fēng)機的低電壓運行；變流器2設(shè)于雙饋異步發(fā)電機1和電網(wǎng)之間，變流器2包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC和網(wǎng)側(cè)變流器GSC，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC和網(wǎng)側(cè)變流器GSC之間并聯(lián)有一個電容C。電流檢測模塊3、Crowbar電路控制模塊4和Crowbar模塊5依次串聯(lián)后設(shè)于變流器2和雙饋異步發(fā)電機1之間。電流檢測模塊3包括電流互感器和濾波器，電流互感器檢測轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC靠近雙饋異步發(fā)電機1一側(cè)的電流，濾波器對電流濾波后將電流信號傳給Crowbar電路控制模塊4。Crowbar電路控制模塊4包括依次連接的電流變化率計算模塊和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，電流變化率計算模塊連接電流檢測模塊3的輸出端，接收電流信號并計算出電流變化率，并傳給所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊根據(jù)電流變化率預(yù)測電流峰值和到達電流閾值上、下限的時間，并根據(jù)峰值的大小和達到電流閾值上、下限的時間輸出Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號送給Crowbar模塊5。Crowbar模塊5包括IGBT控制模塊、IGBT開關(guān)和電阻Rcb、R1、R2、R3，電阻R1、R2、R3并聯(lián)之后與Rcb串聯(lián)，IGBT控制模塊接收所述Crowbar電路控制模塊4輸出的Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號，控制IGBT的通斷，所述IGBT開關(guān)控制Crowbar電路的接入時間，以及通過控制電阻Rcb、R1、R2和R3的接入或斷開來調(diào)節(jié)Crowbar電路的阻值大小。本發(fā)明雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)的控制原理為：電網(wǎng)故障前，雙饋異步發(fā)電機1處于穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電壓的表達式為：其中上標r表示方程以轉(zhuǎn)子側(cè)作為參考坐標系，下標s、r分別表示定子和轉(zhuǎn)子變量，為轉(zhuǎn)子電壓和電流的矢量；Lm為勵磁電感，Lr、Ls分別為轉(zhuǎn)子、定子自感，Rr、Rs分別為轉(zhuǎn)子、定子電阻；為定子磁通，σ為漏感系數(shù)?？梢娹D(zhuǎn)子電壓可分解成兩部分，第一部分是由定子磁通產(chǎn)生的電動勢，第二部分是由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的電動勢，第一部分可以表示為：其中s為轉(zhuǎn)差率，ωsr是滑差角頻率，電動勢的幅值與s成比例，一般s的取值范圍為-0.3-0.3，所以電動勢在額定條件下是很小的。當磁通發(fā)生對稱故障時，定子磁通會包含一個和正序分量一個直流分量，表示為：式中n是電壓下降的深度，Vs是定子電壓，τs＝Ls/Rs是定子磁通的時間常數(shù)，將磁通ψ以定子側(cè)為參考系轉(zhuǎn)變?yōu)橐赞D(zhuǎn)子側(cè)為參考系，可表示為：式中ωr是轉(zhuǎn)子的電角頻率，由(2)、(3)、(4)式得電動勢在電網(wǎng)電壓對稱跌落的表達式為：式中s是轉(zhuǎn)差率，且因為1/τs一般很小，可以忽略，因此(5)式可以簡化為：式中第一項是正序磁通分量推出的，第二項是定子磁通的直流分量推出的，可以看出電動勢的初始值中第二項大于第一項。當電網(wǎng)電壓跌落時由于定子磁通產(chǎn)生了直流分量，使得轉(zhuǎn)子側(cè)電壓和電流升高，當電流超過變流器的承受能力時，就會損壞變流器和風(fēng)機，使得風(fēng)機脫網(wǎng)。根據(jù)式(2)和(6)，若令正常狀態(tài)電動勢為電網(wǎng)電壓降落期間的電動勢為則電動勢的斜率為：式中Lm＝2.9pu,Ls＝3.08pu,Vs＝1pu,s＝0.2,ωs＝1pu,ωr＝0.8pu，根據(jù)(7)、(8)式，當t＝0時，當電網(wǎng)下降深度n在0到100％之間變化時，和的斜率如圖2所示，從圖中可以看出電網(wǎng)電壓跌落越深，電動勢的斜率越大，因此可根據(jù)電動勢的斜率來預(yù)測轉(zhuǎn)子電流。如圖2所示，當crowbar電路接入后，電動勢相當于電源，令其中RT＝Rcb+Rs，Rs是電阻R1,R2,R3的等效電阻。此時變流器閉鎖，電流經(jīng)crowbar電路流回雙饋異步電機，由式(1)可推出：根據(jù)式(6)和(9)可推出轉(zhuǎn)子電流為：因此的最大幅值為：如果電阻RT是恒定的，則轉(zhuǎn)子電流的最大值隨著電網(wǎng)電壓下降深度的增加而增大。和應(yīng)滿足條件：轉(zhuǎn)子電流的平均斜率Kav為：其中I(t1)、I(t2)為相鄰的兩個時間點t1、t2對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)式(12)、(13)可知:因此隨電壓跌落深度不同，可以選擇合適的RT值使得接入crowbar的時間最短，從而可以達到更好的控制效果。本發(fā)明還提供一種雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟，如圖3所示：S1：雙饋異步發(fā)電機1模擬風(fēng)機的低電壓運行；S2：電流檢測模塊3檢測變流器2一側(cè)的電流，將檢測信號傳給Crowbar電路控制模塊4；具體的，電流檢測模塊3包括電流互感器和濾波器，通過電流互感器檢測轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC靠近雙饋異步發(fā)電機1一側(cè)的電流，并經(jīng)過濾波器濾波后將檢測信號傳給Crowbar電路控制模塊4。S3：Crowbar電路控制模塊4根據(jù)檢測信號計算電流的變化率，并通過判斷輸出Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號至Crowbar模塊；具體的，Crowbar電路控制模塊4包括依次連接的電流變化率計算模塊和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，電流變化率計算模塊連接電流檢測模塊的輸出端，接收電流信號，當轉(zhuǎn)子電流Ir超過1pu時，開始計算在0.001s時間內(nèi)電流的平均斜率，并傳給BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊根據(jù)電流變化率預(yù)測電流峰值和達到電流閾值上、下限的時間，并根據(jù)峰值的大小和達到電流閾值上、下限的時間輸出Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號送給Crowbar模塊5，需要說明的是，當轉(zhuǎn)子電流Ir達到閾值上限Irmax時，接入crowbar電路，閉鎖變流器，當電流下降到閾值下限Irmin時切除crowbar電路，本實施例中設(shè)定電流的閾值上限Irmax為1.2pu，閾值下限Irmin為1.1pu。S4：Crowbar模塊5根據(jù)Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號控制Crowbar的投斷和接入的Crowbar電阻值，具體的，Crowbar模塊5包括IGBT控制模塊、IGBT開關(guān)和電阻Rcb、R1、R2、R3，電阻R1、R2、R3并聯(lián)之后與Rcb串聯(lián)，IGBT控制模塊接收Crowbar電路控制模塊輸出的Crowbar電阻值信號和Crowbar接入時間信號，控制IGBT的通斷，所述IGBT開關(guān)控制Crowbar電路的接入時間，以及通過控制電阻Rcb、R1、R2和R3的接入或斷開來調(diào)節(jié)Crowbar電路的阻值大小，直到低電壓穿越結(jié)束。本實施例針對本發(fā)明雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)的控制效果進行了仿真實驗。實驗采用1.5MW的雙饋異步電機，其參數(shù)如表1中所示，此外設(shè)定Rcb＝1Ω，R1＝0.8Ω，R2＝0.5Ω，R3＝0.5Ω，實驗中在0.43s時電網(wǎng)電壓跌落，持續(xù)時間為0.2s，在0.63s時，電網(wǎng)電壓恢復(fù)。本實施例針對電網(wǎng)電壓下降80％和100％時，將本發(fā)明基于平均斜率的低電壓穿越控制方法與已有的并聯(lián)動態(tài)電阻的低電壓穿越方法做了仿真比較，結(jié)果如圖3至7b所示。表1雙饋異步電機參數(shù)從圖4a、4b中可以看出，轉(zhuǎn)子電流的平均斜率在電網(wǎng)電壓跌落程度不同時是不同的，跌落越深，平均斜率越大。從圖5a、5b和6a、6b中可以看出，采用本發(fā)明方法控制的Crowbar接入脈沖少，且總投入時間明顯縮短，延長了變流器的控制時間，提高IGBT的使用壽命，有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。從圖7a、7b中可以看出，采用基于并聯(lián)動態(tài)電阻的方法相比本發(fā)明方法控制的電流波動大，使得轉(zhuǎn)子電流的峰值偏高，容易造成電路元件燒壞，而采用本發(fā)明的方法選擇阻值，在Crowbar接入期間，Crowbar電路阻值不變，因此減少了電流的波動，從而使電路更加穩(wěn)定。綜上所述，本發(fā)明提供的雙饋異步發(fā)電機組低電壓穿越控制系統(tǒng)和控制方法，通過設(shè)置Crowbar電路控制模塊4計算電流的變化率，并預(yù)測電流的峰值和到達電流閾值上、下限的時間，得到投入和斷開Crowbar電路的合適時間以及最佳阻值，針對不同程度的低電壓故障，保證Crowbar電路的接入電阻值和接入時間最佳，有效改善了低電壓故障的恢復(fù)時間，降低了能量消耗，大大提升了雙饋異步發(fā)電機組低電壓的穿越能力。雖然說明書中對本發(fā)明的實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應(yīng)限定本發(fā)明的保護范圍。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進行各種省略、置換和變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。