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技術方案

本發明專利技術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。首先以傳統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；然后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；最后得到儲能型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。本發明專利技術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。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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。
技術介紹
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，但由于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，嚴重制約了DFIG的并網運行。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，并且滿足各國電網公司對風電并網的要求，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；另一類是增加硬件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，但仍然難以滿足并網導則對風電機組日益嚴格的入網要求。增加硬件輔助方法，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件成本。儲能裝置具有動態吸收多余的能量并適時釋放的能力，能夠很好地彌補風電的間歇性、波動性等缺點，目前，有大量研究在每臺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。本文基于該儲能型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。
技術實現思路
本專利技術基于儲能型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，其特征在于，包括以下步驟：一種提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統，其特征在于，以傳統DFIG為基礎，采用分布配置方式，將儲能裝置通過雙向DC/DC變換器并聯至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機端與并網點(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，其中濾波器用于消除GSC開關管產生的諧波，制動電阻用于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，并聯接口電路(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通過并聯接口電路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恒定，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恒定，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。一種基于提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統的控制方法，其特征在于，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，基于步驟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。在上述的一種基于提高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于0.9p.u或高于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，將其抬升并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；由于故障過程中，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將從電網吸收功率并流向直流側電容；此時，并聯接在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恒定，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；由于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吸收的功率將大于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恒定，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過調制，無法實現DFIG的高電壓故障穿越。在上述的一種基于提高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于定子電壓的補償，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)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統，其特征在于，以傳統DFIG為基礎，采用分布配置方式，將儲能裝置通過雙向DC/DC變換器并聯至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機端與并網點(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，其中濾波器用于消除GSC開關管產生的諧波，制動電阻用于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，并聯接口電路(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。

【技術特征摘要】
1.一種提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統，其特征在于，以傳統DFIG為基礎，采用分布配置方式，將儲能裝置通過雙向DC/DC變換器并聯至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機端與并網點(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，其中濾波器用于消除GSC開關管產生的諧波，制動電阻用于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，并聯接口電路(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。2.根據權利要求1所述的一種提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統，其特征在于，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通過并聯接口電路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恒定，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恒定，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。3.一種基于提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統的控制方法，其特征在于，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，基于步驟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。4.根據權利要求1所述的一種基于提高DFIG故障穿越能力的暫態重構系統的控制方法，其特征在于，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于0.9p.u或高于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，將其抬升并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；由于故障過程中，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將從電網吸收功率并流向直流側電容；此時，并聯接在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恒定，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；由于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吸收的功率將大于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恒定，避免了兩側流出功率引起直流側電壓急劇降低，造成R...

【專利技術屬性】
技術研發人員：毛荀，夏俊麗，張旭昶，劉軍，葉朝陽，劉巖松，胡江，鄭國強，羅亞橋，占勇，王家寶，孫瓊，王勤，趙仲陽，郭力，
申請(專利權)人：國家電網公司，國網安徽省電力公司電力科學研究院，國網安徽省電力公司合肥供電公司，
類型：發明
國別省市：北京;11