專利名稱：一種用于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越控制方法，屬于風力發(fā)電技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前已有的雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)，如

圖1所示。它主要由風力機、 齒輪箱、雙饋發(fā)電機、電壓源型轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、電壓源型網(wǎng)側(cè)變流器、撬棒保護電路以及檢 測電路、控制系統(tǒng)這幾部分組成。其中，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器均采用強迫性換流器件 (如IGBT，GTO等)，并且這兩組變流器直流側(cè)共用一個直流母線電容。直流母線電容兩端 可以并聯(lián)直流母線斬波器。當電網(wǎng)電壓正常時，采用有功功率和無功功率的解耦控制，通過 控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器實現(xiàn)雙饋發(fā)電機最大風能捕獲以及無功功率或功率因數(shù)的控制；通過控 制網(wǎng)側(cè)變流器保持直流母線電壓穩(wěn)定，必要時也可以向電網(wǎng)注入無功功率。正常情況下直 流母線斬波器不工作。當檢測電路檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器立即從 正?？刂颇Ｊ角袚Q到低壓穿越控制模式，直到電網(wǎng)故障切除、電網(wǎng)電壓恢復穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)子變 流器再從低壓穿越控制模式重新切換到正常控制模式。故障期間，控制系統(tǒng)通過控制網(wǎng)側(cè) 變流器和直流母線斬波器保持直流母線電壓穩(wěn)定。對于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)，當電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱跌落故障時，雙饋發(fā)電機的定子 磁鏈會產(chǎn)生直流分量，當發(fā)生不對稱跌落故障時，定子磁鏈還會產(chǎn)生負序分量，定子磁鏈的 直流分量和負序分量會在雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢。但是在電網(wǎng)故障 期間，由于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器直流母線電壓基本保持不變，因此轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出的轉(zhuǎn)子電壓 的大小是有限的。當雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電動勢的大小超出了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制 能力范圍，轉(zhuǎn)子回路就會產(chǎn)生過電流，嚴重時會燒毀轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。目前，對于雙饋式風力 發(fā)電系統(tǒng)而言，主要包括兩種低壓穿越控制方法，一種是轉(zhuǎn)子勵磁控制方法，另一種是轉(zhuǎn)子 撬棒保護控制方法。轉(zhuǎn)子勵磁控制方法不增加任何硬件電路，在電網(wǎng)故障期間，通過改變轉(zhuǎn) 子側(cè)變流器的控制方法來抑制雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的增大，但是這種控制方式受轉(zhuǎn)子側(cè)變 流器容量的限制，只適用于故障較輕的情況；轉(zhuǎn)子撬棒保護控制方法需要在雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn) 子回路增加撬棒保護電路，在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時，通過觸發(fā)撬棒保護電路旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變 流器，從而保護轉(zhuǎn)子側(cè)變流器不被燒毀，這種控制方式適用于故障較嚴重的情況。但是，撬 棒保護電路接入轉(zhuǎn)子回路后，雙饋發(fā)電機會失去可控性，以繞線式異步電機的方式運行，并 且需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。還有的方法是將兩種控制方 法結(jié)合起來，在電網(wǎng)電壓跌落故障不嚴重時，優(yōu)先采用轉(zhuǎn)子勵磁控制方法，而當故障比較嚴 重，超出了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制范圍時，將撬棒保護電路接入轉(zhuǎn)子回路，從而保證轉(zhuǎn)子側(cè)變 流器的安全?？梢姡绾卧诓挥|發(fā)撬棒保護電路的前提下，通過充分利用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控 制能力提高雙饋式風電系統(tǒng)的低壓穿越能力，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是非常有意義的。目前已有一些關(guān)于低壓穿越控制方法的研究工作，例如1、Dawei Xiang, Li Ran，Peter J.Tavner, and Shunchang Yang. Controlof a doubly fedinduction generator in a wind turbine during grid fault ride-through[J]. IEEE Transactions onEnergy Conversion, vol. 21, no. 3,pp.652-662, September 2006。2、Manoj R Rathi，Ned Mohan. A novel robust low voltage and fault ride through for windturbine application operating in weak grids[C]. Proceedings of the 31st Annual Conference ofIEEE on Industrial Electronics Society,2005 2481-2486。3、Morren J，Haan S W H. Ridethrough of wind turbines with doubly-fed inductiongenerator during a voltage dip [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 20，no. 2，pp. 435-441，June 2005。文獻1提出了一種轉(zhuǎn)子勵磁控制方法，通過控制雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流來抵消定 子磁鏈中的直流分量和負序分量，從而減小轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電動勢的大小，可以有效抑制轉(zhuǎn) 子電流的增大。但是由于轉(zhuǎn)子電流只含有直流分量和負序分量，因此雙饋發(fā)電機輸出的電 磁轉(zhuǎn)矩振蕩幅值比較大。文獻2提出了一種基于Hoofl μ-analysis的魯棒控制器，其中網(wǎng) 側(cè)變流器控制器檢測直流母線電壓和雙饋發(fā)電機定子電壓的幅值變化，通過控制網(wǎng)側(cè)變流 器產(chǎn)生相應(yīng)的電流進行補償；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器檢測雙饋發(fā)電機定子側(cè)輸出的有功和無 功的變化，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進行補償。該控制方法增強了對系統(tǒng)參數(shù)的魯棒性，在外界干 擾和參數(shù)測量存在誤差的情況下，仍然可以進行有效的控制，但是控制較為復雜。文獻3提 出了一種增加crowbar保護電路的控制方法，在故障期間通過觸發(fā)crowbar保護電路，為轉(zhuǎn) 子短路電流提供泄放回路，從而保護轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。該控制方法適用于電網(wǎng)故障較嚴重的 情況，但是crowbar的接入會使得雙饋發(fā)電機會失去可控性，并且需要從電網(wǎng)吸收大量的 無功功率，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越控制方法，在電網(wǎng) 電壓發(fā)生跌落故障時，通過改變雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略，保障轉(zhuǎn) 子側(cè)變流器的安全，并有效抑制雙饋發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩，實現(xiàn)雙饋式風力發(fā)電系 統(tǒng)的不脫網(wǎng)運行。本發(fā)明提出的一種用于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越控制方法，包括以下各步 驟(1)獲取雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋發(fā)電機的極對數(shù)np、定子電感Ls、定轉(zhuǎn)子互感 Lm、轉(zhuǎn)子電阻艮和轉(zhuǎn)子電感(2)采用電流傳感器測量雙饋發(fā)電機的定子電流isa，isb，is。和轉(zhuǎn)子電流iM，irb,i .Irc ,(3)使用鎖相環(huán)方法獲取雙饋發(fā)電機定子電壓的角頻率；(4)采用編碼器測量雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子機械角頻率ωω ；(5)根據(jù)步驟⑴中的雙饋發(fā)電機的極對數(shù)ηρ以及步驟⑷中的雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子 機械角頻率ωω，計算得到雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子電角頻率G^ = ηρωω ；(6)根據(jù)步驟(3)中的雙饋發(fā)電機定子電壓的角頻率和步驟(5)中的雙饋發(fā)電
權(quán)利要求
1. 一種用于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越控制方法，其特征在于該方法包括以下各 步驟(1)獲取雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋發(fā)電機的極對數(shù)V定子電感Ls、定轉(zhuǎn)子互感Lm、 轉(zhuǎn)子電阻艮和轉(zhuǎn)子電感(2)采用電流傳感器測量雙饋發(fā)電機的定子電流isa，isb，is。和轉(zhuǎn)子電流ira，irb,irc ；(3)使用鎖相環(huán)方法獲取雙饋發(fā)電機定子電壓的角頻率；(4)采用編碼器測量雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子機械角頻率ωω；(5)根據(jù)步驟⑴中的雙饋發(fā)電機的極對數(shù)ηρ以及步驟⑷中的雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械 角頻率ωω，計算得到雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子電角頻率α^ = ηρωω ；(6)根據(jù)步驟C3)中的雙饋發(fā)電機定子電壓的角頻率和步驟( 中的雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn) 子電角頻率ω〃對上述步驟⑵中雙饋發(fā)電機的定子電流isa，isb，is。和轉(zhuǎn)子電流iM，irb,進行3s/2r坐標變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下雙饋發(fā)電機的定子電流isd，isa和轉(zhuǎn)子電流Ird' IrqΨ,Λ40Lm0lsdWsq0Ls0LmI sqΨμLm0k0KdWrq_0Lm0Lr_I rqVr=[ψrd，Ψ]τ rqJ (7)根據(jù)上述步驟(1)中的雙饋發(fā)電機的定子電感Ls、定轉(zhuǎn)子互感1^和轉(zhuǎn)子電 感k以及步驟(6)中的雙饋發(fā)電機的定子電流isd，isq和轉(zhuǎn)子電流irf，，通過公式，計算得到雙饋發(fā)電機的定子磁鏈Vs= [vsd，Ψ』τ和轉(zhuǎn)子磁鏈(8)根據(jù)上述定子磁鏈Vs=[￥sd, Ψ』τ，計算雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁鏈給定值Ψ: - kT^，其中、-LJiLsLr-LD，K-LJiLsLr-Li,，k為跟蹤系數(shù)，取值范圍為 丄；(9)根據(jù)步驟(3)中的雙饋發(fā)電機定子電壓的角頻率和步驟(5)中的雙饋發(fā)電機 轉(zhuǎn)子電角頻率ω〃計算得到雙饋發(fā)電機滑差角頻率ω^ = ω3-ωΓ ；(10)根據(jù)步驟(7)的雙饋發(fā)電機的定子磁鏈=[￥sd, Ψ』τ和轉(zhuǎn)子磁鏈=Iv , = -ω ψ ,-ω ψ=_- + q，其中^rqc① rm ^Vsq ① sr ^ rdl=KLm/(LA-0，Rr為步驟(1)中的雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電阻，并根據(jù)該前饋補償值，對風 力發(fā)電系統(tǒng)進行前饋補償解耦；(11)對解耦后的風力發(fā)電系統(tǒng)使用比例控制方法進行轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)控制，得到雙饋發(fā) 電機轉(zhuǎn)子電壓控制量uj，Ur；;(12)根據(jù)步驟C3)中的雙饋發(fā)電機定子電壓的角頻率和步驟( 中的雙饋發(fā)電機 轉(zhuǎn)子電角頻率ωρ對雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電壓控制量u,/，u:進行2r/3s坐標變換，得到三 相靜止坐標系下雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓的給定值ura*，urb*, ur；；(13)對上述轉(zhuǎn)子電壓給定值 Λurb% Uk*進行脈寬調(diào)制，得到雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)子變流器的控制信號，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子變流器的控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越控制方法，屬于風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。首先根據(jù)電流傳感器測得的雙饋發(fā)電機的定子電流和轉(zhuǎn)子電流，計算雙饋發(fā)電機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈。將定子磁鏈乘以相應(yīng)的比例系數(shù)作為雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鏈的給定值，對轉(zhuǎn)子磁鏈進行控制。轉(zhuǎn)子磁鏈的控制方式是進行前饋補償解耦的同時，對解耦后的系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，得到的轉(zhuǎn)子變流器電壓控制量經(jīng)過脈寬調(diào)制后，對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進行控制，從而實現(xiàn)故障期間的低壓穿越控制。本方法響應(yīng)快，在電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱和不對稱跌落故障時，均有很好的穿越效果，同時可以有效抑制雙饋發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩。該控制方法簡單，適合工程應(yīng)用。
文檔編號H02J3/38GK102055208SQ20101061986
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者周宏林, 楊耕, 肖帥, 鄭重 申請人:清華大學