一种提高双馈风机故障穿越能力的暂态重构系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种提高双馈风机故障穿越能力的暂态重构系统及控制方法。首先以传统DFIG为基础，构建储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，实现正常运行状态下和电网电压故障状态下储能型DFIG结构的切换；然后分析电网电压骤降和骤升时，储能型DFIG在暂态重构拓扑结构下的定子电压补偿机理及其功率流动；最后得到储能型DFIG的暂态重构拓扑结构控制方法，实现电网电压故障下DFIG的故障穿越控制。本发明专利技术不仅能够在电网正常运行情况下实现风电场输出功率的平滑控制，同时还能够在电网电压骤降或骤升的故障情况下，辅助实现DFIG的故障穿越控制，提高了储能装置在双馈风力发电系统中的应用价值和经济效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统的运行、分析与调度领域，特别涉及一种提高双馈风机故障穿越能力的暂态重构系统及控制方法。
技术介绍
随着近些年风电的迅猛发展，风电在电网中的渗透率不断增大，承担着电力系统一部分的功率平衡，但由于风电机组不具备故障穿越能力，造成各风电场发生多起大面积脱网事故，对电力系统的稳定运行造成较大威胁。其中，作为主流机型之一的双馈风机(DFIG)因其定子侧直接与电网相连，对电网电压故障特别敏感，极易发生由电网电压跌落或骤升引起的脱网事故，严重制约了DFIG的并网运行。为了保证在电网故障情况下双馈风电机组能够不脱网连续运行，并且满足各国电网公司对风电并网的要求，国内外很多学者对DFIG的故障穿越技术进行了大量的研究。目前，故障穿越的解决方案主要分为两类：一类是在DFIG运行特性和传统控制策略的研究基础上提出的双馈变流器改进控制策略；另一类是增加硬件辅助及相应的控制策略设计。改进控制策略，如灭磁控制、引入PI-R控制器作为PI控制器的补充等，可以提高DFIG的故障穿越能力，但仍然难以满足并网导则对风电机组日益严格的入网要求。增加硬件辅助方法，如在定子侧加装动态电压恢复器(DVR)、串联耦合补偿装置(SCC)等，可有效补偿定子端电压至正常水平，提高DFIG的故障穿越能力，但显然会大幅增加系统硬件成本。储能装置具有动态吸收多余的能量并适时释放的能力，能够很好地弥补风电的间歇性、波动性等缺点，目前，有大量研究在每台风力发电机励磁直流环节单独配置储能装置构成储能型DFIG，可以较好的风电场输出功率的波动。本文基于该储能型DFIG结构，对DFIG的故障穿越技术进行研究，不仅可以提高DFIG的故障穿越能力，同时还可以提高储能型DFIG的经济效益。
技术实现思路
本专利技术基于储能型DFIG，提出了一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构方案及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，其特征在于，以传统DFIG为基础，采用分布配置方式，将储能装置通过双向DC/DC变换器并联至DFIG双馈变流器的直流侧，构成储能型DFIG；对GSC进行暂态重构，为其新增一条与电网相连的串联接口电路(l2)，该串联接口电路由串接在DFIG机端与并网点(PCC)之间的串联变压器、制动电阻、LC滤波器和两个电力电子开关组成，其中滤波器用于消除GSC开关管产生的谐波，制动电阻用于消耗串联接口电路上的过载功率，保护GSC；为了滤除开关谐波，并联接口电路(l1)上也串接LC滤波器以及控制该支路开断的电力电子开关。在上述的一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，正常运行状态下，储能型DFIG运行在稳态拓扑结构及稳态控制策略下；即GSC通过并联接口电路l1与电网相连，串联接口电路被旁路，此时，GSC负责维持直流母线电压的恒定，ESD调节GSC与电网之间的交换功率，可实现DFIG输出功率的平滑控制；在电网电压故障状态下，储能型DFIG运行在暂态重构拓扑结构及暂态控制策略下；即GSC通过串联接口电路l1与电网相连，此时，储能装置(ESD)、GSC和串联接口电路构成储能型串联动态电压恢复器(ESD-DVR)，在暂态控制策略下，ESD-DVR实现对定子电压进行补偿，阻隔电网电压骤变对DFIG的影响，同时ESD代替GSC，负责维持直流母线电压的恒定，从而提高储能型DFIG的低电压穿越能力；当电网电压恢复正常时，储能型DFIG由暂态运行模式切换至稳态运行模式。一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，包括：步骤1，以传统DFIG为基础，构建储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，实现正常运行状态下和电网电压故障状态下储能型DFIG结构的切换；步骤2，分析电网电压骤降和骤升时，储能型DFIG在暂态重构拓扑结构下的定子电压补偿机理及其功率流动；步骤3，基于步骤1所得到的储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，根据步骤2分析得到的定子电压补偿机理，得到储能型DFIG的暂态重构拓扑结构控制方法，实现电网电压故障下DFIG的故障穿越控制。在上述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，所述的步骤2中，电网电压故障下，储能型DFIG的定子电压补偿机理及其功率流动的具体分析如下：当检测到电网电压正序分量低于0.9p.u或高于1.1p.u时，储能型DFIG将通过电力电子开关的控制实现故障穿越暂态重构，即由稳态拓扑结构切换至暂态重构拓扑结构；此时，ESD-DVR将通过串联接口电路实现对定子电压的补偿，将其抬升并维持至故障前电网电压，从而可阻隔电网电压骤降或骤升对DFIG的影响；相应的，ESD-DVR所需提供的补偿电压为Ucom＝Ug_pre-Ug＝ΔUg1+ΔUg2式一式中，Ug_pre为故障前电网电压，以同步速ωs旋转，电网故障时跌落为Ug，可知，Ug包含以同步速ωs旋转的正序电压分量和以-ωs旋转的负序电压分量(不对称故障下)，即Ug＝Ug1+Ug2，ΔUg1＝Ug_pre-Ug1为正序电压跌落，ΔUg2＝-Ug2；因此，ΔUg1、ΔUg2即为ESD-DVR所需提供的补偿电压正序分量和负序分量；由于故障过程中，ESD-DVR对DFIG定子电压进行实时补偿，DFIG定子电压维持不变，DFIG可以按照常规控制策略进行有功、无功功率调节；设定DFIG运行在单位功率因数状态(即Φ1＝0)，设故障时定子正序电压跌落深度为d，忽略串联变压器的损耗，则故障期间，ESD-DVR输出或吸收的有功功率可以表示为：由式可知，ESD-DVR吸收或者输出的有功功率主要由正序电压跌落深度和故障前DFIG定子输出功率决定；当DFIG运行在超同步运行状态时，转子侧功率由发电机流向直流侧电容；当电网电压发生跌落时，由式可知，ESD-DVR将从电网吸收功率并流向直流侧电容；此时，并联接在DFIG直流侧电容的ESD，将吸收转子功率和DVR功率以维持直流侧电容电压的恒定，避免了两侧流入功率造成直流侧电容电压泵升，将威胁电容的安全运行；由于GSC额定功率通常为风电机组额定功率的30-35％，严重电网电压跌落情况下，ESD-DVR吸收的功率将大于GSC的额定功率，此时，制动电阻将被触发自动投入消耗部分DVR吸收的功率，保证GSC的运行安全；当DFIG运行在次同步运行状态时，转子侧功率由直流侧电容流向发电机；当电网电压发生瞬态骤升时，由式可知ESD-DVR将向电网输出功率；此时，ESD将释放出功率满足转子侧和ESD-DVR的功率需求，维持直流侧功率平衡，从而维持直流侧电压恒定，避免了两侧流出功率引起直流侧电压急剧降低，造成RSC或者GSC过调制，无法实现DFIG的高电压故障穿越。在上述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，所述步骤3中的具体控制方法是：步骤3.1，为了准确识别电网故障以及便于定子电压的补偿，电网发生短路故障时，须准确提取电网电压正序分量Ug1和负序分量Ug2(不对称故障下)；设故障情况下三相静止ABC坐标系下电网实时电压为Uga、Ugb、Ugc，按式可将其转换到两相静止αβ坐标系下，得到αβ坐标系下电网电压如式：其中，分别为t＝0时刻，电网电压正序分量Ug1和负序分量Ug2与α轴(A轴)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，其特征在于，以传统DFIG为基础，采用分布配置方式，将储能装置通过双向DC/DC变换器并联至DFIG双馈变流器的直流侧，构成储能型DFIG；对GSC进行暂态重构，为其新增一条与电网相连的串联接口电路(l2)，该串联接口电路由串接在DFIG机端与并网点(PCC)之间的串联变压器、制动电阻、LC滤波器和两个电力电子开关组成，其中滤波器用于消除GSC开关管产生的谐波，制动电阻用于消耗串联接口电路上的过载功率，保护GSC；为了滤除开关谐波，并联接口电路(l1)上也串接LC滤波器以及控制该支路开断的电力电子开关。

【技术特征摘要】
1.一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，其特征在于，以传统DFIG为基础，采用分布配置方式，将储能装置通过双向DC/DC变换器并联至DFIG双馈变流器的直流侧，构成储能型DFIG；对GSC进行暂态重构，为其新增一条与电网相连的串联接口电路(l2)，该串联接口电路由串接在DFIG机端与并网点(PCC)之间的串联变压器、制动电阻、LC滤波器和两个电力电子开关组成，其中滤波器用于消除GSC开关管产生的谐波，制动电阻用于消耗串联接口电路上的过载功率，保护GSC；为了滤除开关谐波，并联接口电路(l1)上也串接LC滤波器以及控制该支路开断的电力电子开关。2.根据权利要求1所述的一种提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统，其特征在于，正常运行状态下，储能型DFIG运行在稳态拓扑结构及稳态控制策略下；即GSC通过并联接口电路l1与电网相连，串联接口电路被旁路，此时，GSC负责维持直流母线电压的恒定，ESD调节GSC与电网之间的交换功率，可实现DFIG输出功率的平滑控制；在电网电压故障状态下，储能型DFIG运行在暂态重构拓扑结构及暂态控制策略下；即GSC通过串联接口电路l1与电网相连，此时，储能装置(ESD)、GSC和串联接口电路构成储能型串联动态电压恢复器(ESD-DVR)，在暂态控制策略下，ESD-DVR实现对定子电压进行补偿，阻隔电网电压骤变对DFIG的影响，同时ESD代替GSC，负责维持直流母线电压的恒定，从而提高储能型DFIG的低电压穿越能力；当电网电压恢复正常时，储能型DFIG由暂态运行模式切换至稳态运行模式。3.一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，包括：步骤1，以传统DFIG为基础，构建储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，实现正常运行状态下和电网电压故障状态下储能型DFIG结构的切换；步骤2，分析电网电压骤降和骤升时，储能型DFIG在暂态重构拓扑结构下的定子电压补偿机理及其功率流动；步骤3，基于步骤1所得到的储能型DFIG故障穿越暂态重构拓扑结构，根据步骤2分析得到的定子电压补偿机理，得到储能型DFIG的暂态重构拓扑结构控制方法，实现电网电压故障下DFIG的故障穿越控制。4.根据权利要求1所述的一种基于提高DFIG故障穿越能力的暂态重构系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，电网电压故障下，储能型DFIG的定子电压补偿机理及其功率流动的具体分析如下：当检测到电网电压正序分量低于0.9p.u或高于1.1p.u时，储能型DFIG将通过电力电子开关的控制实现故障穿越暂态重构，即由稳态拓扑结构切换至暂态重构拓扑结构；此时，ESD-DVR将通过串联接口电路实现对定子电压的补偿，将其抬升并维持至故障前电网电压，从而可阻隔电网电压骤降或骤升对DFIG的影响；相应的，ESD-DVR所需提供的补偿电压为Ucom＝Ug_pre-Ug＝ΔUg1+ΔUg2式一式中，Ug_pre为故障前电网电压，以同步速ωs旋转，电网故障时跌落为Ug，可知，Ug包含以同步速ωs旋转的正序电压分量和以-ωs旋转的负序电压分量(不对称故障下)，即Ug＝Ug1+Ug2，ΔUg1＝Ug_pre-Ug1为正序电压跌落，ΔUg2＝-Ug2；因此，ΔUg1、ΔUg2即为ESD-DVR所需提供的补偿电压正序分量和负序分量；由于故障过程中，ESD-DVR对DFIG定子电压进行实时补偿，DFIG定子电压维持不变，DFIG可以按照常规控制策略进行有功、无功功率调节；设定DFIG运行在单位功率因数状态(即Φ1＝0)，设故障时定子正序电压跌落深度为d，忽略串联变压器的损耗，则故障期间，ESD-DVR输出或吸收的有功功率可以表示为：由式可知，ESD-DVR吸收或者输出的有功功率主要由正序电压跌落深度和故障前DFIG定子输出功率决定；当DFIG运行在超同步运行状态时，转子侧功率由发电机流向直流侧电容；当电网电压发生跌落时，由式可知，ESD-DVR将从电网吸收功率并流向直流侧电容；此时，并联接在DFIG直流侧电容的ESD，将吸收转子功率和DVR功率以维持直流侧电容电压的恒定，避免了两侧流入功率造成直流侧电容电压泵升，将威胁电容的安全运行；由于GSC额定功率通常为风电机组额定功率的30-35％，严重电网电压跌落情况下，ESD-DVR吸收的功率将大于GSC的额定功率，此时，制动电阻将被触发自动投入消耗部分DVR吸收的功率，保证GSC的运行安全；当DFIG运行在次同步运行状态时，转子侧功率由直流侧电容流向发电机；当电网电压发生瞬态骤升时，由式可知ESD-DVR将向电网输出功率；此时，ESD将释放出功率满足转子侧和ESD-DVR的功率需求，维持直流侧功率平衡，从而维持直流侧电压恒定，避免了两侧流出功率引起直流侧电压急剧降低，造成R...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛荀，夏俊丽，张旭昶，刘军，叶朝阳，刘岩松，胡江，郑国强，罗亚桥，占勇，王家宝，孙琼，王勤，赵仲阳，郭力，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网安徽省电力公司电力科学研究院，国网安徽省电力公司合肥供电公司，
类型：发明
国别省市：北京;11