本發(fā)明的實施例涉及新能源并網(wǎng)發(fā)電控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙饋風機的低電壓穿越控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風力發(fā)電系統(tǒng)是一種將風能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。作為一種可再生能源，風能的開發(fā)利用近年來得到了極大的關(guān)注，大量的風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)投入運行。風力發(fā)電系統(tǒng)按照風機轉(zhuǎn)速可分為恒頻/恒速和恒頻/變速兩種。其中恒頻/變速風力發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)風速的狀況實時地調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使風機運行在最佳葉尖速比附近，優(yōu)化風機的運行效率，同時通過控制系統(tǒng)可以保證發(fā)電機向電網(wǎng)輸出頻率恒定的電功率。

恒頻/變速風力發(fā)電系統(tǒng)中最為常見就是雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋風機的定子與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子通過變頻器連接到電網(wǎng)中，變頻器可以改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸入電流的頻率，進而可以保證發(fā)電機定子輸出跟電網(wǎng)頻率同步，實現(xiàn)變速恒頻控制。隨著風力發(fā)電容量、風電場規(guī)模越來越大，風電并網(wǎng)標準要求雙饋風機必須具備低電壓穿越能力。常用的低電壓穿越控制策略是利用撬棒電路(Crowbar)在故障期間將風機轉(zhuǎn)子繞組短路以減小流入轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的故障電流，從而避免風機退出運行。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中，當出現(xiàn)遠端交流系統(tǒng)故障時，往往會帶來暫態(tài)功率擾動，影響交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供一種雙饋風機的低電壓穿越控制方法及系統(tǒng)，能夠提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了達成上述目的，本申請的實施例采用如下技術(shù)方案：

第一方面，提供一種雙饋風機的低電壓穿越控制方法，包括：

檢測雙饋風機的出口電壓有效值；

當確定所述出口電壓有效值小于低電壓穿越啟動值時，控制網(wǎng)側(cè)換流器由穩(wěn)態(tài)時的定無功電流控制切換到定暫態(tài)交流電壓控制；

定暫態(tài)交流電壓控制啟動后，所述網(wǎng)側(cè)換流器的Q軸電流增大，雙饋風機增大輸出的無功功率。

第二方面，提供一種雙饋風機的低電壓穿越控制系統(tǒng)，包括：低電壓穿越控制器、網(wǎng)側(cè)換流器控制器、網(wǎng)側(cè)換流器以及雙饋風機；

所述低電壓穿越控制器，用于檢測雙饋風機的出口電壓有效值，當確定所述出口電壓有效值小于低電壓穿越啟動值時，向所述網(wǎng)側(cè)換流器控制器輸出切換使能信號；

所述網(wǎng)側(cè)換流器控制器接收到所述換使能信號后，控制網(wǎng)側(cè)換流器由穩(wěn)態(tài)時的定無功電流控制切換到定暫態(tài)交流電壓控制；

定暫態(tài)交流電壓控制啟動后，所述網(wǎng)側(cè)換流器Q軸電流增大，所述雙饋風機增大輸出的無功功率。

本發(fā)明的實施例所提供的雙饋風機的低電壓穿越控制方法及系統(tǒng)，在出現(xiàn)遠端交流系統(tǒng)故障時，若確定雙饋風機的出口電壓有效值小于低電壓穿越啟動值，則Q軸電流由定電流控制切換為暫態(tài)交流電壓控制，雙饋風機輸出一定的無功功率對交流系統(tǒng)電壓進行支撐，從而提高了交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的實施例所提供的雙饋風機的低電壓穿越控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實施例所提供的雙饋風機的低電壓穿越控制方法流程示意圖；

圖3為風速、雙饋風機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及輸出有功功率之間對應(yīng)關(guān)系的說明示意圖；

圖4本發(fā)明的實施例中對轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制器結(jié)構(gòu)的說明示意圖；

圖5本發(fā)明的實施例中對網(wǎng)側(cè)換流器控制器結(jié)構(gòu)的說明示意圖；

圖6本發(fā)明的實施例中對低電壓穿越恢復(fù)值、低電壓穿越啟動值以及低電壓穿越閉鎖值的說明示意圖；

圖7本發(fā)明的實施例中對低電壓穿越控制器的結(jié)構(gòu)說明示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的實施例提供一種雙饋風機改進低電壓穿越控制方法及系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)在雙饋風機有功功率與無功功率解耦控制的基礎(chǔ)上，通過暫態(tài)交流電壓控制與Crowbar控制相結(jié)合的方式控制低電壓穿越，使雙饋風機在遠端故障期間輸出一定的無功功率支撐系統(tǒng)電壓，并進一步使雙饋風機在近端故障時迅速投入Crowbar控制并閉鎖轉(zhuǎn)子換流器迅速減小轉(zhuǎn)子電流。以下結(jié)合實施例做具體說明。

實施例

本發(fā)明的實施例提供一種雙饋風機的低電壓穿越控制方法，應(yīng)用于本發(fā)明的實施例所提供的雙饋風機的低電壓穿越控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)如圖1所示，包括雙饋風機101、網(wǎng)側(cè)換流器102、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103，還可以進一步包括轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路104。以上各部分均包括各自的控制器(圖1中未畫出)，具體為低電壓穿越控制器、網(wǎng)側(cè)換流器控制器以及轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制器。結(jié)合圖2，低電壓穿越控制方法包括以下步驟：

201、檢測雙饋風機101的出口電壓有效值。

可對雙饋風機101的電壓有效值進行實時檢測，對檢測結(jié)果進行判斷確定是否執(zhí)行步驟202。

202、遠端故障時啟動定暫態(tài)交流電壓控制。

當確定出口電壓有效值小于低電壓穿越啟動值時，控制網(wǎng)側(cè)換流器102由穩(wěn)態(tài)時的定無功電流控制切換到定暫態(tài)交流電壓控制；

203、輸出無功功率對交流系統(tǒng)電壓進行支撐。

定暫態(tài)交流電壓控制啟動后，為提高風機出口母線電壓，網(wǎng)側(cè)換流器102的Q軸電流迅速增大，雙饋風機101輸出的無功功率也隨之增大。

204、遠端故障恢復(fù)時無功功率恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。

當確定出口電壓有效值大于低電壓穿越恢復(fù)值時，控制網(wǎng)側(cè)換流器102由定暫態(tài)交流電壓控制切換回定無功電流控制，雙饋風機101輸出的無功功率恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值，雙饋風機101穩(wěn)態(tài)時輸出無功功率為0。

205、近端故障時Crowbar電路投入運行。

當近端交流系統(tǒng)故障時，雙饋風機101出口電壓有效值低于低電壓穿越閉鎖值，Q軸電流保持定電流控制，此時若轉(zhuǎn)子電流有效值大于Crowbar控制啟動值，則投入Crowbar電路并閉鎖轉(zhuǎn)子換流器，以防止轉(zhuǎn)子換流器過流。

實時檢測雙饋風機101的轉(zhuǎn)子電流有效值；當確定轉(zhuǎn)子電流有效值大于Crowbar控制啟動值且出口電壓有效值小于低電壓穿越閉鎖值時，轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路104投入運行，并閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103。受Crowbar電路分流作用影響，轉(zhuǎn)子電流迅速降低。此時，由于近端故障期間網(wǎng)側(cè)電壓值通常較低，雙饋風機101提升出口母線電壓的作用不明顯，因此Crowbar啟動的同時，網(wǎng)側(cè)換流器102應(yīng)該保持定無功電流控制。

結(jié)合圖1，本發(fā)明的提供一種雙饋風機的低電壓穿越控制系統(tǒng)，用于執(zhí)行上述控制方法。

低電壓穿越控制器，用于檢測雙饋風機101的出口電壓有效值，當確定出口電壓有效值小于低電壓穿越啟動值時，向網(wǎng)側(cè)換流器控制器輸出切換使能信號。

網(wǎng)側(cè)換流器控制器接收到換使能信號后，控制網(wǎng)側(cè)換流器102由穩(wěn)態(tài)時的定無功電流控制切換到定暫態(tài)交流電壓控制。

定暫態(tài)交流電壓控制啟動后，網(wǎng)側(cè)換流器102Q軸電流增大，雙饋風機101增大輸出的無功功率。

可選的，低電壓穿越控制系統(tǒng)還包括：轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103、Crowbar電路控制器以及轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路104。

參見圖3所示，在特定風速下，雙饋風機101轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和輸出有功功率最大值存在一一對應(yīng)的關(guān)系。

在一種具體的實施方式中，通過實時測量風速確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值，再通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速PI控制得到轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103Q軸電流參考值。轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制器，用于檢測雙饋風機101的轉(zhuǎn)子電流有效值；當轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制器確定轉(zhuǎn)子電流有效值大于Crowbar控制啟動值，且當?shù)碗妷捍┰娇刂破鞔_定出口電壓有效值小于低電壓穿越閉鎖值時，Crowbar電路控制器控制轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路104投入運行，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制器閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103；網(wǎng)側(cè)換流器102保持定無功電流控制。

可選的，結(jié)合圖4所示，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制器包括：無功功率減法器41、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減法器42、無功功率PI控制器43、轉(zhuǎn)速PI控制器44、定子電壓鎖相環(huán)45、相角減法器46和DQ軸坐標變換器47。本實施例中雙饋風機101轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103采用有功功率與無功功率解耦控制，并選取轉(zhuǎn)子磁鏈方向為參考方向。

圖4中，u_sabc為網(wǎng)側(cè)三相電壓，θ_s為網(wǎng)側(cè)電壓相角，θ_r為發(fā)電機轉(zhuǎn)子相角，θ_err為θ_s與θ_r的相角差，Q_ref為無功功率參考值，Q_w為雙饋風機101輸出的無功功率值，w_ref為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值，I_{rd_ref}、I_{rq_ref}為轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103DQ軸電流參考值，I_{ra_ref}、I_{rb_ref}、I_{rc_ref}為ABC三相電流參考值，用于生成轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103的觸發(fā)脈沖。

無功功率減法器41的輸入信號為無功功率參考值Q_ref以及雙饋風機101輸出無功功率值Q_w，無功功率減法器41的輸出信號作為無功功率PI控制器43的輸入信號，無功功率PI控制器43輸出轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103DQ軸電流參考值I_{rd_ref}；

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減法器42的輸入信號為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值w_ref以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測量值w，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減法器42的輸出信號作為轉(zhuǎn)速PI控制器44的輸入信號，轉(zhuǎn)速PI控制器44輸出轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103DQ軸電流參考值I_{rq_ref}；

定子電壓鎖相環(huán)45的輸入信號為網(wǎng)側(cè)三相電壓u_sabc，定子電壓鎖相環(huán)45的輸出信號網(wǎng)側(cè)電壓相角θ_s作為相角減法器46的輸入信號，相角減法器46的輸入信號還包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子相角θ_r，相角減法器46的輸出信號θ_err為θ_s與θ_r的相角差；

DQ軸坐標變換器47的輸入信號為I_{rd_ref}、I_{rq_ref}以及θ_err，通過DQ坐標系到ABC三相坐標系的變換得到I_{ra_ref}、I_{rb_ref}、I_{rc_ref}用來生成觸發(fā)脈沖。

本實施例中，雙饋風機101轉(zhuǎn)子側(cè)換流器103首先根據(jù)實時風速與功率-轉(zhuǎn)速曲線確定w_ref，w_ref與w相減再通過PI控制器得到I_{rq_ref}；接著，Q_ref與Q_w相減并通過PI控制器得到I_{rd_ref}；最后，通過DQ坐標系到ABC三相坐標系的變換得到I_{ra_ref}、I_{rb_ref}、I_{rc_ref}用來生成觸發(fā)脈沖。其中，坐標變換的角度θ_err等于θ_s與θ_r的差值，θ_s由u_sabc通過鎖相環(huán)獲得。

可選的，結(jié)合圖5所示，網(wǎng)側(cè)換流器控制器包括：包括直流電壓減法器51、直流電壓PI控制器52、交流電壓減法器53、交流電壓PI控制器54、低電壓穿越判斷環(huán)節(jié)55、兩個DQ軸電流參考值限幅環(huán)節(jié)分別用圖標56和57表示、網(wǎng)側(cè)電壓鎖相環(huán)58、兩個DQ軸電流減法器分別用圖標59和510表示、兩個DQ軸電流PI控制器分別用圖標511和512表示和兩個DQ軸坐標變換器分別用圖標513和514表示。

圖5中，U_{dc_ref}為直流電壓參考值，U_dc為直流電壓測量值，I_{dref_max}、I_{dref_min}、I_{qref_max}、I_{qref_min}為D軸參考電流限幅值。

其中，

I_{d_ref}、I_{q_ref}為DQ軸電流參考值，I_d、I_q為DQ軸電流測量值，U_{d_ref}、U_{q_ref}為DQ軸電壓參考值，U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}為三相電壓參考值用來生成觸發(fā)脈沖，i_a、i_b、i_c為三相電流測量值，U_{ac_ref}為交流電壓參考值，U_{rms_ac}為交流電壓測量值有效值，LVRT_EN為低電壓穿越使能信號。

直流電壓減法器51的輸入信號為直流電壓參考值U_{dc_ref}以及直流電壓測量值U_dc，直流電壓減法器51的輸出信號作為直流電壓PI控制器52的輸入信號，直流電壓PI控制器52的輸出信號經(jīng)過一個DQ軸電流參考值限幅環(huán)節(jié)56后輸出DQ軸電流參考值I_{d_ref}，I_{d_ref}與DQ軸電流測量值I_d作為一個DQ軸電流減法器59的輸入信號，一個DQ軸電流減法器59的輸出信號作為一個DQ軸電流PI控制器511的輸入信號，一個DQ軸電流PI控制器511輸出DQ軸電壓參考值U_{d_ref}；

交流電壓減法器53的輸入信號為交流電壓參考值U_{ac_ref}以及交流電壓測量值有效值U_{rms_ac}，交流電壓減法器53的輸出信號作為交流電壓PI控制器54的輸入信號；

低電壓穿越判斷環(huán)節(jié)55的輸入信號包括DQ軸電流參考值I_{q_ref}，交流電壓PI控制器54的輸出信號經(jīng)過另一個DQ軸電流參考值限幅環(huán)節(jié)57后的輸出信號、從低電壓穿越控制器接收到的低電壓穿越使能信號LVRT_EN，低電壓穿越判斷環(huán)節(jié)55的輸出信號與DQ軸電流測量值I_q作為另一個DQ軸電流減法器510的輸入信號，另一個DQ軸電流減法器510的輸出信號作為另一個DQ軸電流PI控制器512的輸入信號，另一個DQ軸電流PI控制器512輸出DQ軸電壓參考值U_{q_ref}；

網(wǎng)側(cè)電壓鎖相環(huán)58的輸入信號為網(wǎng)側(cè)三相電壓u_sabc，輸出信號為網(wǎng)側(cè)電壓相角θ_s；U_{d_ref}、U_{q_ref}以及θ_s作為一個DQ軸坐標變換器513的輸入信號，一個DQ軸坐標變換器513輸出三相電壓參考值U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}用來生成觸發(fā)脈沖；

I_d和I_q為另一個DQ軸坐標變換器514的輸出信號，另一個DQ軸坐標變換器514的輸入信號為三相電流測量值i_a、i_b、i_c以及θ_s。

本實施例中，網(wǎng)側(cè)換流器102首先將U_{dc_ref}與U_dc相減并經(jīng)過PI控制和限幅環(huán)節(jié)得到I_{d_ref}，同時穩(wěn)態(tài)條件下直接設(shè)定I_{q_ref}，LVRT_EN為1時則進入暫態(tài)交流電壓控制，將U_{ac_ref}與U_{rms_ac}相減并經(jīng)過PI控制和限幅環(huán)節(jié)得到I_{q_ref}；I_{d_ref}與I_{q_ref}經(jīng)過內(nèi)環(huán)PI控制得到U_{d_ref}與U_{q_ref}為DQ軸電壓參考值，U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}為三相電壓參考值用來生成；最后通過DQ坐標系到ABC坐標系的變換得到U_{a_ref}、U_{b_ref}、U_{c_ref}用來生成觸發(fā)脈沖。

參見圖6所示，U_{LVRT_RS}為低電壓穿越恢復(fù)值，U_LVRT為低電壓穿越啟動值，U_{LVRT_OFF}為低電壓穿越閉鎖值。當U_LVRT<U_{rms_ac}<1時，網(wǎng)側(cè)換流器102Q軸電流采用定電流控制；當U_{LVRT_OFF}<U_{rms_ac}<U_LVRT時，Q軸電流切換為暫態(tài)交流電壓控制，此時由于雙饋風機101輸出的無功功率很難將系統(tǒng)電壓恢復(fù)到額定值因此I_{q_ref}將達到最大限幅值I_{qref_max}，直至

U_{LVRT_RS}<U_{rms_ac}時才恢復(fù)定電流控制；當U_{rms_ac}<U_{LVRT_OFF}時，Q軸電流依然采用定電流控制，若此時轉(zhuǎn)子換流器電流大于Crowbar電流啟動值，則投入轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路104。定電流控制下，I_{q_ref}通常取0。

可選的，結(jié)合圖7所示，低電壓穿越控制器包括：兩個交流電壓有效值比較器分別用圖標71和72表示、低電壓穿越啟動判斷環(huán)節(jié)73、低電壓穿越終止判斷環(huán)節(jié)74、取反邏輯75與低穿啟動乘法器76。

圖7中，S_LVRT為低電壓穿越啟動標志；S_{LVRT_RS}為低電壓穿越恢復(fù)標志；Fault_start為低穿開始信號；Fault_end為低穿結(jié)束信號。

交流電壓測量值有效值U_{rms_ac}通過一個交流電壓有效值比較器71低電壓穿越啟動值U_LVRT比較，輸出信號作為低電壓穿越啟動判斷環(huán)節(jié)73的輸入信號，低電壓穿越啟動判斷環(huán)節(jié)73輸出低穿開始信號Fault_start。

交流電壓測量值有效值U_{rms_ac}通過另一個交流電壓有效值比較器72與低電壓穿越恢復(fù)值U_{LVRT_RS}比較，輸出信號作為低電壓穿越終止判斷環(huán)節(jié)74的輸入信號，低電壓穿越終止判斷環(huán)節(jié)74輸出低穿結(jié)束信號Fault_end，F(xiàn)ault_end經(jīng)過取反邏輯75后，與Fault_start信號一同輸入低穿啟動乘法器76，低穿啟動乘法器76輸出低電壓穿越使能信號LVRT_EN。

本實施例中，當遠端交流系統(tǒng)故障且U_{LVRT_OFF}<U_{rms_ac}<U_LVRT時，S_LVRT為1，則Fault_start為1，由于Fault_end為0，所以Fault_end取反后再乘以Fault_start得到的LVRT_EN為1，即低電壓穿越控制使能；當故障恢復(fù)且U_{LVRT_RS}<U_{rms_ac}時，S_{LVRT_RS}為1，則Fault_end為1，經(jīng)過取反并乘以Fault_start后等于0，也就是LVRT_EN為0，低電壓穿越結(jié)束。

本發(fā)明的實施例所提供的一種雙饋風機的低電壓穿越控制方法及系統(tǒng)，在出現(xiàn)遠端交流系統(tǒng)故障時，若確定雙饋風機的出口電壓有效值小于低電壓穿越啟動值，則Q軸電流由定電流控制切換為暫態(tài)交流電壓控制，雙饋風機輸出一定的無功功率對交流系統(tǒng)電壓進行支撐。故障恢復(fù)時，若確定出口電壓有效值大于低電壓穿越恢復(fù)值，則Q軸電流由暫態(tài)交流電壓控制切換為定電流控制，雙饋風機穩(wěn)態(tài)時輸出無功功率為0。進一步地，當近端交流系統(tǒng)故障時，若雙饋風機出口電壓有效值低于低電壓穿越閉鎖值，則Q軸電流保持定電流控制，此時若轉(zhuǎn)子電流有效值大于Crowbar控制啟動值，則投入轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路并閉鎖轉(zhuǎn)子換流器，以防止轉(zhuǎn)子換流器過流，從而提高了交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以上，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準。