一种含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场群的对称故障穿越控制方法

摘要

本发明公开了一种含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场群的对称故障穿越控制方法，本方法同时包含对双馈风电机组转子侧变换器、网侧变换器的控制，以及永磁直驱机组电机侧变换器、网侧变换器的控制。通过对双馈风电机组和永磁直驱机组的协同控制，利用两种机组各自的特点及电流裕量在全工况下向电网输出满足风电场并网导则要求的最大无功电流，为电网电压提供最大无功支撑，进一步提高故障期间电网暂态电压水平，增强整个混合风电场的低电压穿越能力。其效果主要有：1. 在全工况下可向电网提供满足电网导则要求的最大无功电流，为电网电压提供最大无功支撑。2. 减小故障前后有功功率的变化，提高风电系统的并网安全稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术，具体涉及一种含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电 场群的对称故障穿越控制方法，属于新能源发电领域。

背景技术

随着对各类型风电机组运行特性的深入研究以及风电产业的飞速发展，可以根据风电 场群的装机容量、风电场群的地理环境、建设成本以及电网导则要求等诸多因素灵活选择 适合投建的多种风电机组类型，从而形成含有不同风电机组类型的混合风电场群。目前， 双馈风电机组和永磁直驱风电机组因其各自的优点已成为风电系统的两大主流机型，因此 由两者构成的混合风电场群将成为未来旧电场扩容和大规模风电场群建设的发展趋势。与 仅含单一机型的风电场相比，含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场群可以利用两 种风电机组其各自的特点进行风电场之间的协同运行，从而提高大规模风电场群的并网安 全运行特性。但由于这两种风电机组的运行特性对电网的影响不尽相同，需对该混合风电 场群的运行特性及其控制进行研究，特别是该混合风电场群的低电压穿越能力。

目前，针对混合风电场群的低电压穿越技术，国内外学者已展开了相关工作研究，如 已公开的下列文献：

(1)邢文琦，晁勤.含不同风电机组的风电电网仿真研究，电网技术，2009， 33(9)99-102,114.

(2)S.Foster,L.Xu,B.Fox,Coordinated reactive power control for facilitating fault ride  through of doubly fed induction generator-and fixed speed induction generator-based wind  farms.IET Renewable Power Generation,2010,4(2):128-138.

(3)Andres E.Leon,Juan Manuel Mauricio,Antonio Gomez-Exposito,ect.An Improved  Control Strategy for Hybrid wind farms[J].IEEE Trans.sustainable energy,vol.1,no.3,pp. 131-141,October 2010.

文献(1)和文献(2)针对含有双馈风电场和异步风电场的的混合风电场群提出了一种协 调控制策略，即当电网电压对称跌落时双馈风电场输出无功电流从而提高混合风电场群公 共点的电压，使得异步风电场的低电压穿越能力得到明显提高。而文献(3)提出了一种含永 磁直驱风电场和异步风电场的混合风电场群的协调控制策略，故障期间利用永磁直驱风电 场向电网和异步风电场提供无功支撑，从而提高整个混合风电场群的低电压穿越能力。但 是，目前仍少有文献对含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场的低电压穿越能力进 行深入研究。

双馈风电机组和永磁直驱风电机组均具有可以实现最大风能跟踪、变速恒频发电运行 以及功率解耦控制等优点，已成为风电系统两大主流机型，由两者组成的混合风电场将成 为未来风力发电建设的必然趋势。因此，迫切需要一种该混合风电场群的对称故障穿越控 制方法，能够根据双馈风电机组和永磁直驱风电机组的特点以及风电场群的时空分布特点 进行协同控制，从而保障整个风电场群不脱网运行并且向电网提供无功支撑，以进一步提 高电网暂态电压水平，对增强整个混合风电场群的低电压穿越能力以及并网安全运行特性 具有重要的现实意义，同时有利于大规模并网风电系统的快速发展。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种含双馈风电场和永磁直驱 风电场的混合风电场群的对称故障穿越控制方法，本方法可根据风电机组自身电流裕量向 电网提供满足电网导则要求的最大无功电流，以提高电网暂态电压水平及混合风电场群的 低电压穿越能力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场群的对称故障穿越控制方法，本方 法同时包含对双馈风电机组转子侧变换器、网侧变换器的控制，以及对永磁直驱风电机组 电机侧变换器、网侧变换器的控制，各变换器的控制分别如下：

(A)双馈风电机组转子侧变换器的控制步骤为：

A1)采集双馈风电机组所处点的风速ω₁；基于最大风能跟踪原理，根据风速ω₁和双馈 风电机组参数计算其捕获的最大有功功率P_DFIG；

A2)采集三相电网电压信号U_abc；双馈风电机组转子侧变换器采用电网电压定向，则 通过三相abc静止坐标轴系到两相dq同步旋转坐标轴系的变换得到电网电压U_dq，其中 U_g＝U_d,U_q＝0；

A3)根据步骤A1)获得的双馈风电机组输出总的有功功率P_DFIG和步骤A2)获得的故 障期间电网电压U_g，基于下式约束条件，判断该运行情况下双馈风电机组是否能输出大于 电网导则最低无功电流要求；

$P_{\mathrm{DFIG}}\le {(-3.021{U_g}^4+6.101{U_g}^3-1.711{U_g}^2)}^{\frac{3}{4}}$

A4)若满足A3)中的约束条件，则根据步骤A1)获得的双馈风电机组输出总的有功功 率P_DFIG和步骤A2)获得的故障期间电网电压U_g计算双馈风电机组的无功电流极限i_{sqmax_D}， 并将其作为故障期间双馈风电机组转子侧变换器q轴电流给定值其中双馈风电机组 定、转子侧的无功电流极限计算公式如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rq}\max \_D}=\sqrt{I_{r\max \_D}^2-{\left(\frac{L_s{\omega }_s{\left(k_w\right)}^{\frac{1}{3}}}{L_{m}N}\frac{{\left(P_{\mathrm{DFIG}}\right)}^{\frac{2}{3}}}{U_g}\right)}^2}\\ i_{\mathrm{sq}\max \_D}=\sqrt{{\left(\frac{L_m}{L_s}{I}_{r\max \_D}\right)}^2-{\left(\frac{L_s{\omega }_s{\left(k_w\right)}^{\frac{1}{3}}}{L_{m}N}\frac{{\left(P_{\mathrm{DFIG}}\right)}^{\frac{2}{3}}}{U_g}\right)}^2}-\frac{U_g}{{\omega }_s{L}_s}\end{array}\right)$

式中，L_s、L_m分别为双馈风电机组定、转子绕组全电感以及定转子绕组之间的互感； I_{rmax_D}为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；ω_s为双馈风电机组的同步转速； k_W为风力机有关的常数；N为齿轮箱增速比；

若不满足A3)中的约束条件，则按照电网导则的最低无功电流要求 I_Q≥1.5(0.9-U_g)I_N，0.2pu≤U_g≤0.9pu作为故障期间转子侧变换器q轴电流给定值

A5)基于步骤A4)计算得到的转子侧变换器q轴电流给定值再根据转子侧变换器 允许运行的最大电流I_{rmax_D}计算d轴电流给定值，其计算公式如下所示：

$i_{\mathrm{rd}\_D}^{*}=\sqrt{I_{r\max \_D}^2-i_{\mathrm{rq}\_D}^{*2}}$

A6)根据步骤A4)和步骤A5)计算得到的双馈风电机组转子侧变换器dq轴电流给定 值，转子侧变换器采用电流闭环矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过空间矢 量调制产生转子侧变换器PWM驱动信号，以实现向电网提供满足电网导则无功电流要求 下的最大无功电流。

(B)双馈风电机组网侧变换器的控制步骤为：

B1)双馈风电机组网侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过 空间矢量调制产生网侧变换器PWM驱动信号，以维持直流母线电压稳定。

(C)永磁直驱风电机组网侧变换器的控制步骤为：

C1)采集永磁直驱风电机组所处点的风速ω₂；基于最大风能跟踪原理，根据风速ω₂和永磁直驱风电机组参数计算其捕获的最大有功功率P_PMSG；

C2)根据步骤C1)获得的永磁直驱风电机组输出总的有功功率P_PMSG和步骤A2)获得的 故障期间电网电压U_g，基于下式约束条件，判断该运行情况下永磁直驱风电机组是否能输 出大于电网导则最低无功电流要求；

$P_{\mathrm{PMSG}}\le {(-2.25{U_g}^4+4.05{U_g}^3-0.613{U_g}^2)}^{\frac{1}{2}}$

C3)若满足C2)中的约束条件，则根据步骤C1)获得的永磁直驱风电机组输出总的有 功功率P_PMSG和步骤A2)获得的故障期间电网电压U_g计算永磁直驱风电机组的无功电流极 限i_{gqmax_P}，并将其作为故障期间永磁直驱风电机组网侧变换器q轴电流给定值其无 功电流极限计算公式如下所示：

$i_{\mathrm{gq}\max \_P}=\sqrt{{\left(I_{g\max \_P}\right)}^2-{\left(\frac{P_{\mathrm{PMSG}}}{U_g}\right)}^2}$

式中I_{gmax_P}为永磁直驱风电机组网侧变换器允许运行的最大电流；

若不满足C2)中的约束条件，则按照电网导则的最低无功电流要求 I_Q≥1.5(0.9-U_g)I_N，0.2pu≤U_g≤0.9pu作为故障期间永磁直驱风电机组网侧变换器q轴电流给 定值

C4)基于步骤C3)计算得到的永磁直驱风电机组网侧变换器q轴电流给定值再根 据网侧变换器允许运行的最大电流I_{gmax_P}计算d轴电流给定值，其计算公式如下所示：

$i_{\mathrm{gd}\_P}^{*}=\sqrt{I_{g\max \_P}^2-i_{\mathrm{gq}\_P}^{*2}}$

C5)根据步骤C3)和步骤C4)计算得到的永磁直驱风电机组网侧变换器dq轴电流给定 值，网侧变换器采用电流闭环矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过空间矢量 调制产生网侧变换器PWM驱动信号，以实现向电网提供满足电网导则无功电流要求下的 最大无功电流。

(D)永磁直驱风电机组电机侧变换器的控制步骤为：

D1)永磁直驱风电机组电机侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过空间矢量调制产生电机侧变换器PWM驱动信号，以维持直流母线电压稳定。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过对双馈风电机组和永磁直驱机组的协同控制，利用两种机组的特点及其电 流裕量，计算得到两类风电机组分别满足电网导则无功电流要求下的最大无功电流值，从 而得到双馈风电机组转子、网侧变换器以及永磁直驱风电机组网侧、机侧变换器的dq轴 电流给定指令，使得混合风电场群在全工况下向电网输出满足电网并网导则要求的最大无 功电流，为电网电压提供最大无功支撑，从而实现对故障期间电网暂态电压水平的进一步 提升，增强整个混合风电场群的低电压穿越能力。同时减小故障前后有功功率的变化，提 高风电系统的并网安全稳定性。

附图说明

图1是含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场群接入电力系统的结构示意图。

图2是本发明所述混合风电场群的对称故障穿越控制方法框图。

图3是双馈风电机组转子侧变换器无功电流极限计算模块。

图4是永磁直驱风电机组网侧变换器无功电流极限计算模块。

图5是电网电压对称跌落时传统控制策略下60MW双馈风电场群的仿真波形。

图6是电网电压对称跌落时本发明控制方法下较低风速运行状态下含30MW双馈风电 场和30MW永磁直驱风电场的混合风电场群的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场群接入电力系统的结构示意图， 两类风电场通过公共点连接后接入大电网，电网故障后两类风电场充分利用机组容量向电 网提供满足电网导则要求的最大无功电流，以提高电网电压暂态水平。

参见图2，本发明含双馈风电场和永磁直驱风电场的混合风电场群的对称故障穿越控 制方法：对于双馈风电机组，故障持续阶段根据电网电压U_g和双馈风电机组输出的总有功 功率P_DFIG判断其定子无功电流极限是否大于电网导则的无功电流要求，若大于则按照其 无功电流极限作为转子变换器q轴电流给定，否则按照电网导则的最低无功电流要求作为 转子侧变换器q轴电流给定。同理，对于永磁直驱风电机组，判断其无功电流极限是否大 于电网导则要求，若大于则按照其无功电流作为其网侧变换器q轴电流给定，否则按照电 网导则的最低无功电流要求作为其q轴给定。

本方法同时包含对双馈风电机组转子侧变换器、网侧变换器的控制，以及永磁直驱风 电机组电机侧变换器、网侧变换器的控制，各变换器的控制分别为：

(A)双馈风电机组转子侧变换器的控制步骤为：

A1)采集双馈风电机组所处点的风速为ω₁；基于最大风能跟踪原理，根据风速ω₁和双 馈风电机组参数计算其捕获的最大有功功率P_DFIG。

A2)采集三相电网电压信号U_abc；双馈风电机组转子侧变换器采用电网电压定向，则 通过三相abc静止坐标轴系到两相dq同步旋转坐标轴系的变换得到电网电压U_dq，其中 U_g＝U_d,U_q＝0。

A3)根据步骤A1)获得的双馈风电机组输出总的有功功率P_DFIG和步骤A2)获得的故障 期间电网电压U_g，基于下式约束条件，判断该运行情况下双馈风电机组是否能输出大于电 网导则最低无功电流要求；

$P_{\mathrm{DFIG}}\le {(-3.021{U_g}^4+6.101{U_g}^3-1.711{U_g}^2)}^{\frac{3}{4}}$

A4)若满足A3)中的约束条件，则根据步骤A1)获得的双馈风电机组输出总的有功功 率P_DFIG和步骤A2)获得的故障期间电网电压U_g计算双馈风电机组的无功电流极限i_{sqmax_D}， 并将其作为故障期间转子侧变换器q轴电流给定值参见图3，其中双馈风电机组定、 转子侧的无功电流极限计算公式如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rq}\max \_D}=\sqrt{I_{r\max \_D}^2-{\left(\frac{L_s{\omega }_s{\left(k_w\right)}^{\frac{1}{3}}}{L_{m}N}\frac{{\left(P_{\mathrm{DFIG}}\right)}^{\frac{2}{3}}}{U_g}\right)}^2}\\ i_{\mathrm{sq}\max \_D}=\sqrt{{\left(\frac{L_m}{L_s}{I}_{r\max \_D}\right)}^2-{\left(\frac{L_s{\omega }_s{\left(k_w\right)}^{\frac{1}{3}}}{L_{m}N}\frac{{\left(P_{\mathrm{DFIG}}\right)}^{\frac{2}{3}}}{U_g}\right)}^2}-\frac{U_g}{{\omega }_s{L}_s}\end{array}\right)$

式中，L_s、L_m分别为双馈风电机组定、转子绕组全电感以及定转子绕组之间的互感； I_{rmax_D}为双馈风电机组转子侧变换器允许运行的最大电流；ω_s为双馈风电机组的同步转速； k_W为风力机有关的常数；N为齿轮箱增速比。

若不满足A3)中的约束条件，则按照电网导则的最低无功电流要求 I_Q≥1.5(0.9-U_g)I_N，0.2pu≤U_g≤0.9pu作为故障期间转子侧变换器q轴电流给定值式中I_N为机组输出额定电流。

A5)基于步骤A4)计算得到的转子侧变换器q轴电流给定值再根据转子侧变换器 允许运行的最大电流I_{rmax_D}计算d轴电流给定值，其计算公式如下所示：

$i_{\mathrm{rd}\_D}^{*}=\sqrt{I_{r\max \_D}^2-i_{\mathrm{rq}\_D}^{*2}}$

A6)根据步骤A4)和步骤A5)计算得到的双馈风电机组转子侧变换器dq轴电流给定 值，转子侧变换器采用电流闭环矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过空间矢 量调制产生转子侧变换器PWM驱动信号，以实现向电网提高满足电网导则无功电流要求 下的最大无功电流。

(B)双馈风电机组网侧变换器的控制步骤为：

B1)网侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过空间矢量调制 产生网侧变换器PWM驱动信号，以实现维持直流母线电压稳定。

(C)永磁直驱风电机组网侧变换器的控制步骤为：

C1)采集永磁直驱风电机组所处点的风速为ω₂；基于最大风能跟踪原理，根据风速ω₂和永磁直驱风电机组参数计算其捕获的最大有功功率P_PMSG。

C2)根据步骤C1)获得的永磁直驱风电机组输出总的有功功率P_PMSG和步骤A2)获得的 故障期间电网电压U_g，基于下式约束条件，判断该运行情况下永磁直驱风电机组是否能输 出大于电网导则最低无功电流要求；

$P_{\mathrm{PMSG}}\le {(-2.25{U_g}^4+4.05{U_g}^3-0.613{U_g}^2)}^{\frac{1}{2}}$

C3)若满足C2)中的约束条件，则根据步骤C1)获得的永磁直驱机组输出总的有功功 率P_PMSG和步骤A2)获得的故障期间电网电压U_g计算永磁直驱风电机组的无功电流极限 i_{gqmax_P}，并将其作为故障期间网侧变换器q轴电流给定值参见图4，其无功电流极限 计算公式如下所示：

$i_{\mathrm{gq}\max \_P}=\sqrt{{\left(I_{g\max \_P}\right)}^2-{\left(\frac{P_{\mathrm{PMSG}}}{U_g}\right)}^2}$

若不满足C2)中的约束条件，则按照电网导则的最低无功电流要求 I_Q≥1.5(0.9-U_g)I_N，0.2pu≤U_g≤0.9pu作为故障期间网侧变换器q轴电流给定值式中I_N为机组输出额定电流。

C4)基于步骤C3)计算得到的网侧变换器q轴电流给定值再根据网侧变换器允许 运行的最大电流I_{gmax_P}计算d轴电流给定值，其计算公式如下所示：

$i_{\mathrm{gd}\_P}^{*}=\sqrt{I_{g\max \_P}^2-i_{\mathrm{gq}\_P}^{*2}}$

C5)根据步骤C3)和步骤C4)计算得到的永磁直驱风电机组网侧变换器dq轴电流给定 值，网侧变换器采用电流闭环矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过空间矢量 调制产生网侧变换器PWM驱动信号，以实现向电网提高满足电网导则无功电流要求下的 最大无功电流。

(D)永磁直驱风电机组电机侧变换器的控制步骤为：

D1)电机侧变换器采用矢量控制策略，其控制电压和直流量电压u_dc通过空间矢量调 制产生电机侧变换器PWM驱动信号，以实现维持直流母线电压稳定。

本发明电网电压对称故障时在无互联通信线条件下通过对双馈风电场和永磁直驱风 电场的协同控制，充分利用各机组容量输出满足风电场并网导则要求的最大无功电流，为 电网提供最大无功支撑，提高整个混合风电场群的对称故障穿越能力以及电网安全稳定运 行能力。对于双馈风电机组，故障初始阶段其转子侧Crowbar电路投入将转子侧变换器旁 路从而保护转子侧变换器；故障持续阶段，转子侧Crowbar电路切出且转子侧变换器恢复 对双馈风电机组的控制，根据电网电压U_g和双馈风电机组输出的总有功功率P_DFIG判断其 定子无功电流极限是否大于电网导则的无功电流要求，若大于则按照其无功电流极限输出 无功电流，否则按照电网导则的最低无功电流要求输出无功电流。对于永磁直驱风电机组， 故障发生后立即根据U_g和其输出的有功功率P_PMSG判断其无功电流极限是否大于电网导则 要求，若大于则按照其无功电流极限输出无功电流，否则按照电网导则的最低无功电流要 求输出无功电流。通过上述控制方法实现混合风电场群在全工况下均能发出满足低电压穿 越要求的最大无功电流，为电网提供最大暂态无功支撑。

图5为传统控制策略下单一机型风电场群的仿真波形。图6是电网电压对称跌落时本 发明控制方法下较低风速运行状态下含30MW双馈风电场和30MW永磁直驱风电场的混 合风电场群的仿真波形。与图5相比较，采用本控制方法的混合风电场群其故障期间混合 风电场群向电网输出的无功电流明显增大，使得公共点暂态电压水平得到显著提高，同时 减小了故障前后风电场群有功功率的变化，有效改善了整个混合风电场群的低电压穿越能 力以及并网安全稳定性。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管申请人 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。