一種提高雙饋風機故障穿越能力的暫態重構系統及控制方法與流程
2023-12-04 15:42:46
本發明涉及電力系統的運行、分析與調度領域，特別涉及一種提高雙饋風機故障穿越能力的暫態重構系統及控制方法。
背景技術：
隨著近些年風電的迅猛發展，風電在電網中的滲透率不斷增大，承擔著電力系統一部分的功率平衡，但由於風電機組不具備故障穿越能力，造成各風電場發生多起大面積脫網事故，對電力系統的穩定運行造成較大威脅。其中，作為主流機型之一的雙饋風機(DFIG)因其定子側直接與電網相連，對電網電壓故障特別敏感，極易發生由電網電壓跌落或驟升引起的脫網事故，嚴重製約了DFIG的併網運行。
為了保證在電網故障情況下雙饋風電機組能夠不脫網連續運行，並且滿足各國電網公司對風電併網的要求，國內外很多學者對DFIG的故障穿越技術進行了大量的研究。目前，故障穿越的解決方案主要分為兩類：一類是在DFIG運行特性和傳統控制策略的研究基礎上提出的雙饋變流器改進控制策略；另一類是增加硬體輔助及相應的控制策略設計。改進控制策略，如滅磁控制、引入PI-R控制器作為PI控制器的補充等，可以提高DFIG的故障穿越能力，但仍然難以滿足併網導則對風電機組日益嚴格的入網要求。增加硬體輔助方法，如在定子側加裝動態電壓恢復器(DVR)、串聯耦合補償裝置(SCC)等，可有效補償定子端電壓至正常水平，提高DFIG的故障穿越能力，但顯然會大幅增加系統硬體成本。
儲能裝置具有動態吸收多餘的能量並適時釋放的能力，能夠很好地彌補風電的間歇性、波動性等缺點，目前，有大量研究在每颱風力發電機勵磁直流環節單獨配置儲能裝置構成儲能型DFIG，可以較好的風電場輸出功率的波動。本文基於該儲能型DFIG結構，對DFIG的故障穿越技術進行研究，不僅可以提高DFIG的故障穿越能力，同時還可以提高儲能型DFIG的經濟效益。
技術實現要素：
本發明基於儲能型DFIG，提出了一種提高DFIG故障穿越能力的暫態重構方案及控制方法，其特徵在於，包括以下步驟：
一種提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統，其特徵在於，以傳統DFIG為基礎，採用分布配置方式，將儲能裝置通過雙向DC/DC變換器並聯至DFIG雙饋變流器的直流側，構成儲能型DFIG；對GSC進行暫態重構，為其新增一條與電網相連的串聯接口電路(l2)，該串聯接口電路由串接在DFIG機端與併網點(PCC)之間的串聯變壓器、制動電阻、LC濾波器和兩個電力電子開關組成，其中濾波器用於消除GSC開關管產生的諧波，制動電阻用於消耗串聯接口電路上的過載功率，保護GSC；為了濾除開關諧波，並聯接口電路(l1)上也串接LC濾波器以及控制該支路開斷的電力電子開關。
在上述的一種提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統，正常運行狀態下，儲能型DFIG運行在穩態拓撲結構及穩態控制策略下；即GSC通過並聯接口電路l1與電網相連，串聯接口電路被旁路，此時，GSC負責維持直流母線電壓的恆定，ESD調節GSC與電網之間的交換功率，可實現DFIG輸出功率的平滑控制；
在電網電壓故障狀態下，儲能型DFIG運行在暫態重構拓撲結構及暫態控制策略下；即GSC通過串聯接口電路l1與電網相連，此時，儲能裝置(ESD)、GSC和串聯接口電路構成儲能型串聯動態電壓恢復器(ESD-DVR)，在暫態控制策略下，ESD-DVR實現對定子電壓進行補償，阻隔電網電壓驟變對DFIG的影響，同時ESD代替GSC，負責維持直流母線電壓的恆定，從而提高儲能型DFIG的低電壓穿越能力；當電網電壓恢復正常時，儲能型DFIG由暫態運行模式切換至穩態運行模式。
一種基於提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統的控制方法，其特徵在於，包括：
步驟1，以傳統DFIG為基礎，構建儲能型DFIG故障穿越暫態重構拓撲結構，實現正常運行狀態下和電網電壓故障狀態下儲能型DFIG結構的切換；
步驟2，分析電網電壓驟降和驟升時，儲能型DFIG在暫態重構拓撲結構下的定子電壓補償機理及其功率流動；
步驟3，基於步驟1所得到的儲能型DFIG故障穿越暫態重構拓撲結構，根據步驟2分析得到的定子電壓補償機理，得到儲能型DFIG的暫態重構拓撲結構控制方法，實現電網電壓故障下DFIG的故障穿越控制。
在上述的一種基於提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統的控制方法，所述的步驟2中，電網電壓故障下，儲能型DFIG的定子電壓補償機理及其功率流動的具體分析如下：
當檢測到電網電壓正序分量低於0.9p.u或高於1.1p.u時，儲能型DFIG將通過電力電子開關的控制實現故障穿越暫態重構，即由穩態拓撲結構切換至暫態重構拓撲結構；此時，ESD-DVR將通過串聯接口電路實現對定子電壓的補償，將其抬升並維持至故障前電網電壓，從而可阻隔電網電壓驟降或驟升對DFIG的影響；相應的，ESD-DVR所需提供的補償電壓為
Ucom＝Ug_pre-Ug＝ΔUg1+ΔUg2 式一
式中，Ug_pre為故障前電網電壓，以同步速ωs旋轉，電網故障時跌落為Ug，可知，Ug包含以同步速ωs旋轉的正序電壓分量和以-ωs旋轉的負序電壓分量(不對稱故障下)，即Ug＝Ug1+Ug2，ΔUg1＝Ug_pre-Ug1為正序電壓跌落，ΔUg2＝-Ug2；因此，ΔUg1、ΔUg2即為ESD-DVR所需提供的補償電壓正序分量和負序分量；
由於故障過程中，ESD-DVR對DFIG定子電壓進行實時補償，DFIG定子電壓維持不變，DFIG可以按照常規控制策略進行有功、無功功率調節；
設定DFIG運行在單位功率因數狀態(即Φ1＝0)，設故障時定子正序電壓跌落深度為d，忽略串聯變壓器的損耗，則故障期間，ESD-DVR輸出或吸收的有功功率可以表示為：
由式可知，ESD-DVR吸收或者輸出的有功功率主要由正序電壓跌落深度和故障前DFIG定子輸出功率決定；
當DFIG運行在超同步運行狀態時，轉子側功率由發電機流向直流側電容；當電網電壓發生跌落時，由式可知，ESD-DVR將從電網吸收功率並流向直流側電容；此時，並聯接在DFIG直流側電容的ESD，將吸收轉子功率和DVR功率以維持直流側電容電壓的恆定，避免了兩側流入功率造成直流側電容電壓泵升，將威脅電容的安全運行；由於GSC額定功率通常為風電機組額定功率的30-35％，嚴重電網電壓跌落情況下，ESD-DVR吸收的功率將大於GSC的額定功率，此時，制動電阻將被觸發自動投入消耗部分DVR吸收的功率，保證GSC的運行安全；
當DFIG運行在次同步運行狀態時，轉子側功率由直流側電容流向發電機；當電網電壓發生瞬態驟升時，由式可知ESD-DVR將向電網輸出功率；此時，ESD將釋放出功率滿足轉子側和ESD-DVR的功率需求，維持直流側功率平衡，從而維持直流側電壓恆定，避免了兩側流出功率引起直流側電壓急劇降低，造成RSC或者GSC過調製，無法實現DFIG的高電壓故障穿越。
在上述的一種基於提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統的控制方法，所述步驟3中的具體控制方法是：
步驟3.1，為了準確識別電網故障以及便於定子電壓的補償，電網發生短路故障時，須準確提取電網電壓正序分量Ug1和負序分量Ug2(不對稱故障下)；設故障情況下三相靜止ABC坐標系下電網實時電壓為Uga、Ugb、Ugc，按式可將其轉換到兩相靜止αβ坐標系下，得到αβ坐標系下電網電壓如式：
其中，分別為t＝0時刻，電網電壓正序分量Ug1和負序分量Ug2與α軸(A軸)之間的初始夾角；
根據式，T/4的延時後，電網電壓將變為
結合式四和式五，可以得到電網電壓正負序分量在αβ坐標系下可分別表示如下：
為了更簡單表示上述關係，可對式和採用矩陣形式進行表示：
通過鎖相環(PLL)可提取得到t＝0時刻d軸與α軸之間的夾角為θ，則式中αβ坐標系下的電網電壓正、負序分量可分別轉換為正序和負序dq坐標系下，如下式所示：
同理可提取得到定子電壓的正負序分量的實時值Us1dq和Us2dq；
步驟3.2，根據步驟3.1提取得到的電網電壓正負序分量，設計系統運行模式切換的控制方法；由式九可以獲得電網電壓正序分量大小，即
當電網電壓正序分量Ug1跌落到0.9p.u.以下或者驟升到1.1p.u.以上時，儲能型DFIG進行故障穿越暫態重構，GSC控制器切換到暫態電壓補償模式，當故障切除後，當電壓恢復到區間(0.9p.u.,1.1p.u.)時，儲能型DFIG恢復到穩態運行模式，因此可建立相應邏輯判斷模塊，實現GSC並聯穩態運行模式和暫態串聯電壓補償模式之間的切換控制，即
步驟3.3，在暫態重構拓撲結構下，對儲能型DFIG的故障穿越控制方法進行設計，使其通過串聯接口電路l2對儲能型DFIG提供定子電壓補償，實現故障穿越控制。
在上述的一種基於提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統的控制方法，所述步驟3.3的具體控制方法是：步驟3.3.1，由式一可知，ESD-DVR所需提供的補償電壓包含正序分量和負序分量；在正序同步旋轉dq坐標系下，補償電壓的正負序分量分別為直流量和頻率為100Hz的交流量，而在負序旋轉dq坐標系下，補償電壓的正序分量為交流量，負序分量為直流量；由於PI控制器只能對直流量進行調節，在正序同步旋轉dq坐標系下，PI控制器無法同時實現對補償電壓正序分量和負序分量的控制；因此，在正、負序同步旋轉坐標系下分別採用PI控制器實現對補償電壓正序分量和負序分量的獨立控制，並對ESD-DVR輸出正負序電壓採用直接電壓控制策略；
根據步驟3.1的正負序電壓提取方法，可提取得到定子電壓正負序分量的實時值分別為Us1dq和Us2dq，則在雙序dq坐標系下，補償電壓正負序分量的指令值和實時值分別為
在(dq)+坐標系和(dq)-坐標下，ESD-DVR輸出電壓的正負分量(Ucom1dq)和負序分量(Ucom2dq)分別與相應正序電壓參考值(U*com1dq)和負序電壓參考值(U*com2dq)進行比較，經PI控制器調節後分別得到ESD-DVR的正負序調製電壓(Uf1dq，Uf2dq)，再經坐標變換投影到三相靜止坐標軸系下，其合成電壓空間矢量經限幅後作為GSC輸電電壓的控制信號，產生變流器的觸發脈衝；
步驟3.3.2，本專利採用基於雙層電容器(EDLC)的儲能裝置，其通過雙向DC/DC變換器與DFIG的直流電容並聯；故障期間，ESD主要以維持直流母線電壓恆定為目標，通過對DC/DC變換器控制EDLC吸收或輸出有功功率維持直流側功率平衡，進而調節直流電容電壓恆定；
當RSC和GSC流向直流側的功率增大導致直流母線電壓上升時，DC/DC變換器工作於降壓模式，將直流側功率儲存在EDLC中；當直流側向RSC和GSC輸出的功率增大導致直流母線電壓下降時，DC/DC變換器工作於升壓模式，EDLC釋能，以補償直流母線電壓；
DC/DC變換器控制策略具體是：DC/DC採用電壓電流雙閉環控制結構，外環為直流母線電壓控制器，將直流母線電壓測量值Udc與直流母線電壓參考值Udcref進行比較，兩者偏差通過PI電壓調節器產生EDLC電流參考值；內環EDLC電流控制器將與EDLC電流測量值進行比較，兩者偏差經過PI電流調節器，為DC/DC變換器的IGBT開關產生門控信號，開關器件g1和g2的門控信號互補；通過g1和g2的導通控制實現EDLC的儲能和釋放能量，即當g1導通，g2關閉時，DC/DC變換器工作於升壓運行狀態；當g1關閉，g2導通時，DC/DC變換器工作於降壓運行狀態；DC/DC變換器即是通過調節兩個開關導通的佔空比來控制EDLC儲存和釋放的能量，從而維持直流母線電壓的恆定。
本發明與現有技術相比，具有以下優點：1、充分發揮了儲能裝置能夠快速吸收和釋放功率的技術優勢，使其不僅能夠在電網正常運行情況下實現風電場輸出功率的平滑控制，同時還能夠在電網電壓驟降或驟升的故障情況下，輔助實現DFIG的故障穿越控制，提高了儲能裝置在雙饋風力發電系統中的應用價值和經濟效益。2、在該暫態拓撲結構及其控制方法下，能夠自動實現DFIG的低電壓和高電壓穿越控制，並取得較好效果。
附圖說明
圖1為儲能型DFIG的故障穿越暫態重構拓撲結構。
圖2為ESD-DVR拓撲結構圖。
圖3a為電網電壓驟降下補償電壓向量圖。
圖3b為電網電壓驟升下補償電壓向量圖。
圖4a為儲能型DFIG故障穿越暫態拓撲結構功率流圖(超同步運行狀態)。
圖4b為儲能型DFIG故障穿越暫態拓撲結構功率流圖(次同步運行狀態)。
圖5為系統運行模式切換控制策略。
圖6為ESD-DVR正、負序電壓補償控制策略。
圖7為ESD的拓撲結構圖及DC/DC變換器控制策略。
圖8a為暫態重構控制方案下的電壓波形(故障期間傳統控制方案下的定子電壓)。
圖8b為暫態重構控制方案下的電壓波形(ESD-DVR補償電壓)。
圖8c為暫態重構控制方案下的電壓波形(定子電壓)。
圖9a為暫態重構控制方案和傳統控制方案下的暫態特性對比(轉子電流)。
圖9b為暫態重構控制方案和傳統控制方案下的暫態特性對比(直流母線電壓(kV))。
圖9c為暫態重構控制方案和傳統控制方案下的暫態特性對比(定子有功功率)。
圖9d為暫態重構控制方案和傳統控制方案下的暫態特性對比(轉子轉速)。
圖10a為故障期間暫態重構方案下的系統潮流(注入電網的有功功率)。
圖10b為故障期間暫態重構方案下的系統潮流(DVR吸收的有功功率)。
圖10c為故障期間暫態重構方案下的系統潮流(流入GSC的有功功率)。
圖10d為故障期間暫態重構方案下的系統潮流(轉子有功功率)。
圖10e為故障期間暫態重構方案下的系統潮流(ESD吸收的有功功率)。
圖11a為三相電壓驟升時的電壓波形(電網電壓)。
圖11b為三相電壓驟升時的電壓波形(DVR補償電壓)。
圖11c為電壓對比。
圖11d為三相電壓驟升時的電壓波形(定子電壓)。
圖12a為三相電壓驟升時暫態重構控制方案和傳統控制方案的仿真結果對比(注入電網的有功功率)。
圖12b為三相電壓驟升時暫態重構控制方案和傳統控制方案的仿真結果對比(直流母線電壓)。
圖12c為三相電壓驟升時暫態重構控制方案和傳統控制方案的仿真結果對比(轉子電流)。
圖12d為三相電壓驟升時暫態重構控制方案和傳統控制方案的仿真結果對比(轉子轉速)。
圖13為三相電壓驟升時的DFIG-ESD功率潮流。
具體實施方式
下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
實施例：
本專利分別在以下兩種故障情況下驗證了該控制方法在提高DFIG故障穿越能力方面的有效性：1)兩相接地，電壓跌落故障；2)三相電壓驟升故障。本專利選取了傳統的不附加方案的DFIG控制方法作為對比方案，以驗證本文所提策略的優越性。具體情況如下：
1)低電壓穿越控制的仿真算例
故障前系統運行在超同步運行狀態，轉差率s＝-0.2。電網在t＝5s發生AB兩相接地故障，PCC點故障相電壓跌落85％，且故障持續時間為300ms。由於故障持續時間很短，風速變化很小，因此假設風速恆定。
附圖8(a)為故障期間電網電壓波形，當檢測到電網故障發生時，DFIG從穩態運行模式切換到暫態運行模式，ESD-DVR輸出電壓補償電網電壓的跌落(見附圖8(b))，因此DFIG定子電壓維持在故障前水平，如附圖8(c)所示。
傳統控制方案下，在電網電壓開始跌落和恢復過程中，定子電壓的劇烈變化，將會感應出較高的轉子暫態電流。如附圖9(a)所示，故障發生時，轉子電流增大為4p.u.，超過了RSC的電流上限，將對變流器造成嚴重損傷。同時，感應出的轉子電流波動較大，不利用DFIG的正常運行。另外，如附圖9(b)所示，轉子暫態電流經RSC流入直流側後，將直流側的電壓抬升至1.4p.u。而採用本文所提出的暫態重構方案時，轉子迴路中的暫態轉子電流得到了有效的控制，轉子電流最高僅為1.7p.u.(見附圖9(a))，且電流振蕩較小，完全在RSC的電流承受範圍內。相應地，直流側電壓也未超過其電壓上限,如附圖9(b)所示。
附圖9(c)給出了兩種控制方案下的DFIG有功輸出波形。由附圖9(c)可知，傳統控制方案下，定子有功輸出下降為0.52p.u.，引起了機械轉矩和電磁轉矩間的嚴重不平衡以及機組轉速的上升。而採用DVR補償後，DFIG在故障期間基本不受電網故障的影響，有功輸出發生短暫波動後即可恢復，大大增加了DFIG在故障期間功率控制的靈活性。相應地，如附圖9(d)所示，由於有功輸出的快速恢復，機組的不平衡轉矩消失，DFIG機組的轉速也不會發生變化。
附圖10給出了採用ESD-DVR補償控制後故障期間的有功潮流變化。由附圖10(a)、(b)可知，故障期間，DFIG注入電網的有功功率減少，剩餘的風電功率經DVR輸送到網側變流器。由附圖10(c)可以發現，DVR吸收的功率超過了GSC的額定容量，但是由於制動電阻的存在，經制動電阻吸收部分功率後，流經GSC的功率將下降為0.35p.u.。
2)高電壓穿越控制的仿真算例
切除大負荷以及併入大容量的電容時均可能導致電網電壓上升，而本專利所提出的控制方法還可以解決電網電壓升高的問題。仿真時，設置t＝5s時，電網電壓上升至1.25p.u.，並持續300ms，故障過程中風速為9.2m/s且保持不變。
正常情況下，GSC作為網側變流器，與儲能裝置協調控制DFIG的有功輸出。當檢測到電網電壓上升至1.1p.u.時，儲能型DFIG系統將切換至暫態運行模式，ESD-DVR將對DFIG定子電壓進行補償，此時ESD-DVR補償的電壓為負值，ESD-DVR向電網輸出功率。通過ESD-DVR的補償，DFIG定子電壓可基本維持不變。附圖11給出了電網電壓，ESD-DVR補償電壓以及定子電壓的有效值。
由附圖12(d)可知，在傳統控制方案下，故障發生時，電網電壓上升，DFIG定子側將會受到有功衝擊，此時DFIG轉速從0.94p.u.下降到0.91p.u.，以補償功率不平衡。而採用本專利所提的儲能型DFIG補償控制後，由於ESD-DVR的電壓補償，定子側功率能夠快速恢復到正常工作範圍，而不會導致功率不平衡，因此故障消失後DFIG亦不會受到故障的影響，而能繼續正常併網運行。採用定子電壓補償後，DFIG的轉速也得到了有效的控制，能夠在故障過程中維持在正常範圍內。
傳統控制方案中，一般採用PI控制，為了補償定子電壓，GSC會增大其調製係數，控制網側冗餘的有功功率流向直流側，以保持直流側電壓恆定。但是採用這種補償方式，將導致組成GSC的反向並聯的二極體正嚮導通，使得部分功率回流至GSC，即直流側將從電網吸收能量。如附圖12(b)所示，採用傳統的控制方案時，最終將導致直流側電壓上升至1.36p.u.，且故障過程中，直流側過電壓將一直存在，為保護直流側電容，最終有可能導致DFIG脫網運行。但是，採用儲能型DVR控制後，GSC將向電網注入反向電壓，以保持定子電壓恆定，使得故障過程中直流側電壓維持在安全範圍內，最終可避免傳統控制中的直流側過電壓。另外，如附圖12(c)所示，與傳統控制方案相比，採用儲能型DVR控制後，轉子暫態電流的振蕩程度也得到了有效的抑制，且能較快地恢復到平穩水平。因此，本文所提出的故障穿越控制策略亦能有效提高DFIG高電壓穿越能力。
附圖13給出了電壓上升故障下的有功輸出波形。故障發生前，DFIG運行在超同步狀態，轉子勵磁電流從直流側流向轉子迴路。故障發生時，如附圖13所示，GSC作為DVR動作，向電網注入反向電壓，以維持定子電壓恆定。在GSC向電網補償電網電壓的同時，儲能系統向轉子迴路和GSC提供了0.13p.u.有功功率，其中GSC向電網注入約0.1p.u.的有功功率。因為有了GSC的注入功率，DFIG-ESD系統最終的有功輸出從0.4p.u.提高至0.5p.u.。故障過程中，轉子功率由儲能系統提供。
根據上述仿真算例結果可以看出，本發明能夠在電網電壓驟降或驟升情況下，實現儲能型DFIG的系統模式切換及其低電壓穿越控制和高電壓穿越控制，使DFIG的轉子及直流側的暫態特性能夠維持在正常範圍。同時，儲能裝置在DFIG的暫態控制中得到了充分的利用，提高了儲能裝置的經濟效益，具有重要的現實意義和良好的應用前景。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。