一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法

摘要

本发明公开了双馈风机设备技术领域的一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法，建立基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法的系统，当电网电压暂降时，DFIG检测电压暂降幅值和转子电流幅值，根据电压暂降幅值和转子电流幅值的范围，DFIG在延时模块的作用下，分别工作于超导故障限流器保护模式、超导DVR电压补偿模式、超导故障限流器‑超导DVR协同保护模式。本发明利用超导故障限流器和超导DVR对提升DFIG低电压穿越能力的不同作用特性，通过协调两种装置的投切运行状态，大大提升了DFIG低电压穿越的可靠程度，并且相对于单一超导装置单独作用情形，也减少了每种超导装置的性能需求，从而延长了整个装置的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及双馈风机设备技术领域，特别是涉及一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法。

背景技术

随着风电技术的不断发展，风电场的规模和容量越来越大，风电场在整个电力系统中所占发电比例也持续上升，因而其对系统的影响也越来越显著。当系统因故障而导致电压暂降时，双馈感应风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)输出功率无法输送至电网，导致能量只能储存在DFIG内部。此时，DFIG内部将发生强烈的电磁暂态振荡，定子和转子电流将会急剧增加，直流侧电压也会急剧变化，这将对DFIG本身造成严重的危害。而以往DFIG容量较小时，为了保证自身的安全，DFIG通常会脱离电网。但随着风力发电机容量的不断增大，如果系统发生故障时仍旧采用脱网的方式来保证自身安全，那么系统的稳定性将会收到极大的影响。因此，当电网电压发生暂降时，应当能够实现DFIG的低电压穿越，保证DIFG不会脱离电网。

低电压穿越的实现，当前主要有改进控制策略和增加硬件设备两种方法。改进控制策略目前有基于定子电压动态补偿的控制策略、改进矢量控制策略和基于H∞和μ分析的新型鲁棒控制器法等，但这种方法受到励磁变频器的限制，在电压严重跌落的情况下可能无法实现穿越。增加硬件设备的方法主要包括转子侧并联Crowbar电路、直流母线电容并联储能装置、电网侧串联变换器、定子侧串接电阻阵列等。增加硬件设备的效果明显，不仅能实现低电压穿越同时也能保护设备。

动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)是一种基于现代电力电子技术的定制电力设备，能有效解决电压暂降和电压暂升等问题。DVR主要由储能单元、逆变单元、滤波单元和控制单元等模块组成，通常串接于电网中，相当于一个幅值和相位可调的电压源。其中，超导DVR采用超导磁储能作为直流储能装置，具有快速补偿电压的优点。

故障限流器是一种用于限制故障时短路电流的电气设备。超导故障限流器(superconducting fault current limiter,SFCL)是利用超导体的零电阻特性制作的一种故障限流器，相对于常规的故障限流器有着十分明显的优势。其中，电阻型超导故障限流器由于其体积较小、结构与原理简单，且不需要额外的故障检测装置，具有自检测与自启动的能力，得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于利用超导故障限流器和超导DVR的优势，提高DFIG低电压穿越的可靠性，提供一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法，包括以下步骤：

S1：建立基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法的系统，系统包括DFIG、超导DVR、SFCL及其旁路开关K，DFIG包含转子侧变换器和定子侧转换器，SFCL一端与DFIG连接，另一端与转子侧变换器连接，旁路开关K并接于SFCL两端，超导DVR位于定子侧转换器一侧，超导DVR经由三个单相串联变压器与电网连接；

S2：当电网电压突降时，DFIG检测电压暂降幅值和转子电流幅值，根据电压暂降幅值和转子电流幅值的范围，DFIG在延时模块的作用下，分别工作于超导故障限流器保护模式、超导DVR电压补偿模式或超导故障限流器-超导DVR协同保护模式。

根据电压暂降幅值和转子电流幅值的范围，DFIG在延时模块的作用下，分别工作于超导故障限流器保护模式、超导DVR电压补偿模式或超导故障限流器-超导DVR协同保护模式，模式切换过程为：

当转子电流幅值大于电流幅值设定值时，转子侧变换器感应到过电流，引发SFCL失超，DFIG自动进入超导故障限流器保护模式，仅SFCL投入运行；

当转子电流幅值大于电流幅值设定值，同时电压暂降幅值大于电压幅值设定值时，产生旁路导通信号，旁路导通信号置为1，旁路导通信号传送至延时模块，保持延时状态，旁路开关延时导通，直到超导DVR完全启动，延时结束时，旁路开关立即导通，DFIG由超导故障限流器保护模式切换为超导DVR电压补偿模式，仅超导DVR投入运行；

当转子电流幅值大于电流幅值设定值，同时电压暂降幅值小于电压幅值设定值时，产生旁路导通信号，旁路导通信号置为0，旁路导通信号传送至延时模块，保持延时状态，旁路开关延时关断，直到超导DVR完全启动，延时结束时，旁路开关立即关断，DFIG由超导故障限流器保护模式切换为超导故障限流器-超导DVR协同保护模式，SFCL和超导DVR均投入运行。

整定参数为SFCL的电阻值R、超导DVR的容量P、超导DVR超导磁体电感值L，延时模块的延时时长t_delay。

超导DVR的容量P的计算公式为：

P_DVR＝(1-U_sag)P_rate

其中，P_rate是风电机组正常运行时注入电网的额定有功功率，U_sag是电压暂降幅值。

超导DVR超导磁体电感值L的计算公式为：

其中，P_rate是风电机组正常运行时注入电网的额定有功功率，U_sag是电压暂降幅值，i_sc为超导动态电压恢复器DVR的超导线圈初始运行电流，t_fault是电压暂降持续时间。

延时模块的延时时长t_delay需要满足的条件为t_delay＞t_res，其中t_res是超导动态电压恢复器DVR的启动时间。

SFCL的电阻值R为转子侧变换器过电流抑制目标和关系曲线的交点横坐标，关系曲线是指转子侧变换器过电流幅值与SFCL稳态电阻的关系曲线I_rp＝f(R_SFCL)。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

利用超导故障限流器和超导DVR对提升DFIG低电压穿越能力的不同作用特性，通过协调两种装置的投切运行状态，大大提升了实现DFIG低电压穿越的可靠程度，并且相对于单一超导装置单独作用情形，也减少了每种超导装置的性能需求，从而延长了整个装置的使用寿命。

附图说明：

图1是本发明基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法的系统结构示意图；

图2是本发明一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法流程图；

图3是本发明一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法的参数整定原理；

图4是本发明实施例1中的转子过电流I_rp与所述超导故障限流器稳态电阻R_SFCL的关系曲线。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种基于SFCL和超导DVR协同控制的DFIG低电压穿越方法的装置如图1所示，包括DFIG、超导DVR，SFCL及其旁路开关K，SFCL分别串接于DFIG转子侧A、B、C相与转子侧变流器交流侧A、B、C相之间，旁路开关K并联于SFCL的两端，超导DVR装置经由三个单相串联变压器分别串接于并网点母线A、B、C相中。

协同控制方法主要实现电网故障期间DFIG低电压穿越方案保护模式的选择，选择流程如图2所示。保护模式切换的过程如下：

(1)在电网故障发生后，超导DVR检测到电压暂降后开始启动，但存在一个启动过程。在此期间，DFIG转子侧将感应出过电流Irp。当检测到转子过电流满足Irp>1.1pu后，转子过电流将自动引发超导故障限流器失超从而自动进入“超导故障限流器保护模式”(模式1)。同时，根据暂降幅值Usag的大小，向超导故障限流器的旁路开关发送一个经由延时模块的延时开断信号。

(2)当检测到电压暂降幅值Usag满足Usag>0.5pu时，产生一个导通信号K_导通信号＝1并传送至具有延时时长为t_delay的延时模块。当所述超导DVR完全启动后，延时模块延时结束，此时旁路开关闭合，SFCL被旁路而退出运行，实现由模式1切换至“超导DVR电压补偿模式”(模式2)。

(3)当检测到电压暂降幅值Usag满足Usag<0.5pu时，产生一个关断信号K_导通信号＝0并传送至具有延时t_delay的延时模块。当所述超导DVR完全启动后，延时模块延时结束，此时旁路开关断开，SFCL保持投入运行，实现由模式1切换至“超导故障限流器-超导DVR协同保护模式”(模式3)。

协同控制的DFIG低电压穿越方法的参数整定原理如图3所示，超导故障限流器和超导DVR参数整定计算过程如下：

(1)按照满足暂降幅值为0.5pu时能补偿电压至故障前水平的原则来整定超导DVR容量P。动态电压恢复器容量按如下公式选取：

P_DVR＝(1-U_sag)P_rate>

式中：P_rate是风电机组正常运行时注入电网的额定有功功率，U_sag是电压暂降幅值。

(2)超导DVR的超导线圈电感整定。超导线圈储存的能量W如下：

式中：L为超导线圈电感；i_sc为超导线圈初始运行电流，其值需要满足在并网点电压暂降最严重情况下仍能提供所需补偿功率，即满足：

U_dcni_sc＝P_rate>

式中：U_dcn是电压源型逆变器的初始直流电压。

因此，对于持续时间为t_fault的电压暂降，储能量为W超导线圈输出功率为：

忽略超导DVR内部损耗，超导线圈输出功率等于超导DVR容量，即：

P_DVR＝P_sc>

因此，结合公式(1)至公式(5)，超导线圈电感按如下公式选取：

(3)按照转子过电流峰值要求对超导故障限流器稳态电阻整定。故障DFIG的转子过电流可表示为

式中：ωs和ωs分别为定子角频率和转子角频率；Vrm是DFIG转子侧变流器(RSC)最大允许输出电压；k_s＝L_m/L_s为定子耦合因数；R_s，R_r分别为定子电阻和转子电阻；s为转差率；、i_r(0-)为故障前的转子电流。

选取转子过电流不超过2pu作为电流抑制目标，按照公式(7)画出实际转子过电流Irp与所述超导故障限流器稳态电阻RSFCL的关系曲线I_rp＝f(R_SFCL)，则转子过电流抑制目标与所述关系曲线交点的横坐标即为所述超导故障限流器稳态电阻的整定值R_SFCL。

(4)按照所述超导DVR启动时间t_res对所述超导故障限流器旁路开关延时模块的延时t_delay进行整定。根据步骤A所述的协调控制策略，超导故障限流器需要在所述超导DVR启动过程中保持投入限制DFIG转子过电流，故而用以延迟旁路开关开断信号的延时模块时间t_delay满足：

t_del_ay＞t_res>

图4提供了一种算例情形下的DFIG转子过电流峰值与超导故障限流器电阻值的关系曲线。根据图4所示关系，为了将转子过电流峰值抑制在2pu，超导故障限流器电阻值应该整定为0.5Ω。若转子过电流峰值抑制目标I_rth发生变化，图4中的虚线将随之上下移动，之后与关系曲线Irp的新交点即为新的超导故障限流器电阻整定值。此外，图4也表明，若电流转子过电流峰值抑制程度越大，则超导故障限流器电阻整定值越大。