低电压故障穿越过程中DFIG无功功率补偿的控制方法

摘要

本发明涉及风力发电领域，具体为低电压故障穿越过程中DFIG无功功率补偿的控制方法，包括电网电压检测和DFIG控制策略的切换。通过对电网电压的实时检测，在判断电压发生跌落故障时，将DFIG转子侧变流器的单位功率因数控制策略切换到无功功率输出的控制策略，从而对电网电压提供无功功率支持以助电网电压恢复。本发明所述方法无需增加额外的无功补偿装置，利用机组自身控制策略的切换，在故障期间调节定子侧无功功率的输出支持，从而向电网提供无功电流，以改善电网电压的跌落程度，增强整个风力发电系统的低电压故障穿越能力。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体为低电压故障穿越过程中DFIG无功功率补偿的控制方法。

技术背景

近年来，随着全球能源消耗速率的迅猛增长，作为一种清洁、无限的可再生能源，风能受到人们的广泛关注。而双馈发电机(DFIG)作为其中的主流机型，因其风能利用率高、所需变换器容量小等特点，很快成为风力发电领域的研究热点和发展方向。

然而，伴随风力发电机装机容量的逐年上升，大规模风电并入电网将会给电力系统带来极大的挑战。当电网出现故障导致电压跌落，将会影响双馈风力发电系统的正常运行，甚至出现脱机现象。因此，风力发电系统必须具有一定的低电压故障穿越能力。

在电力系统的潮流中，无功功率的流向关系到电网电压的幅值大小。因此在电网发生低电压跌落故障后，合理的向电网中注入无功功率将有助于故障电网电压的恢复。目前，主要文献及研究集中在采用无功功率补偿装置支持故障中电网电压的恢复，如SVC、STATCOM和并联电容器等无功补偿装置。无功补偿装置的应用能为风电场快速地提供无功支撑，有助于电网电压的恢复，改善了系统的暂态稳定性，提高其低电压故障穿越能力。然而，额外增加的无功功率补偿装置将会增加系统的制造成本，且需要考虑装置的安装操作以及其在故障情形下的控制。

发明内容

本发明的目的主要是利用双馈风电机组自身的无功功率输出控制能力，在电压跌落故障中通过控制策略的切换，采用DFIG自身输出无功功率补偿的控制，用以帮助恢复电网电压。

本发明采用的技术方案是：低电压故障穿越过程中DFIG无功功率补偿的控制方法，包括以下步骤：

S1：检测电网电压，并对检测的电网电压进行判断；

S2：当电网电压大于等于额定电压的0.9pu且小于1.0pu时，判断为电网电压正常，此时设定无功功率参考值Q_ref1＝0，DFIG转子侧变流器保持正常运行时的单位功率因数运行；

S3：当电网电压小于0.9pu且大于0pu，判断为电压故障，DFIG转子侧变流器输出无功功率，设定无功功率参考值Q_ref2，此时无功功率参考值Q_ref2按照DFIG低电压故障的测试要求及无功功率限幅设置进行给定，无功功率参考值Q_ref2通过以下步骤计算：

S31：按测试要求DFIG向电网提供的无功电流可表述为：I_q＝1.5(0.9-U_g/U_N)I_qN0.2≤U_g≤0.9；其中U_g为电网电压的幅值，U_N为电网额定电压，I_qN为额定运行状态下定子侧能够发出的无功电流；

S32：故障期间，要求DFIG定子侧输出的无功功率可表示为：其中，Q_N为DFIG定子侧输出的无功功率额定值；

S33：以电网电压定向，转子变流器的电流dq分量为其中，i_rd，i_rq分别为转子变流器的电流dq分量；P_s、Q_s分别为DFIG定子侧发出的有功功率和无功功率；L_s、L_m为定子绕组电感和定转子绕组间的互感，ω₁为同步角速度；

S34：定子侧发出的有功功率P_s和无功功率Q_s受到转子电流的限制表示为：其中，i_rmax为故障期间转子的最大故障电流；整理得到其中，X_s＝ω₁L_s，X_m＝ω₁L_m；

S35：风速给定情形下，定子侧发出的有功功率P_s一定，定子侧发出的无功功率Q_s范围为：Q_smin≤Q_s≤Q_smax，其中Q_smin为定子侧能够发出的无功功率最小值，Q_smax为定子侧能够发出的无功功率最大值，所述无功功率最大值Q_smax对应定子侧的最大输出无功电流为：

S36：无功限幅设置为：当I_q≥I_sqmax，无功功率参考值Q_ref2给定为Q_smax；当I_q<I_sqmax，无功功率参考值Q_ref2给定为Q_q；

S4：给定的不同无功功率Q_ref1或Q_ref2经PI调节器的作用后，得到能够独立调节定子侧无功功率输出的转子电压分量u_rq，完成对定子侧输出无功功率的有效控制，从而对故障过程中的电网电压进行恢复性调节。

本发明低电压故障穿越过程中利用DFIG自身无功功率补偿的控制，通过机组控制策略的切换，在故障期间调节定子侧无功功率的输出支持，从而向电网提供无功电流，以改善电网电压的跌落程度，增强了整个风力发电系统的低电压故障穿越能力。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明控制策略切换的原理图。

图3为定子侧发出的无功功率波形图。

图4为电网电压波形图。

图中虚线表示的是未采用本发明控制方法时的相关波形，实线表示采用本发明控制方法时的相关波形。

图3表明故障过程中，未采用本发明控制方法时无功功率基本保持为0；而采用本发明控制方法时无功功率有输出。

图4表明在采用本发明控制方法后，电网侧电压能够有一定程度的恢复，同时还能看到，受自身参数影响，跌落的电压并不能完全恢复至故障发生之前的正常值。

具体实施方式

低电压故障穿越过程中DFIG无功功率补偿的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：检测电网电压，并对检测的电网电压进行判断；

S2：当电网电压大于等于额定电压的0.9pu且小于1.0pu时，判断为电网电压正常，DFIG转子侧变流器保持正常运行时的单位功率因数运行，设定无功功率参考值Q_ref1＝0；

S3：当电网电压小于0.9pu且大于0pu，判断为电压故障，DFIG转子侧变流器输出无功功率，设定无功功率参考值Q_ref2，此时无功功率参考值Q_ref2按照机组低电压故障的测试要求及无功功率限幅设置进行给定。所述的无功功率参考值Q_ref2通过以下步骤计算：

按照DFIG的无功补偿测试要求，低电压跌落故障期间电网电压每跌落1％至少应提供1.5％的无功电流。

S31：按测试要求DFIG向电网提供的无功电流可表述为：I_q＝1.5(0.9-U_g/U_N)I_qN0.2≤U_g≤0.9(1)；其中，I_q为按测试要求DFIG向电网提供的无功电流，U_g为电网电压的幅值，U_N为电网额定电压，I_qN为额定运行状态下定子侧能够发出的无功电流；

S32：故障期间，要求DFIG定子侧输出的无功功率可表示为：

其中，Q_N为DFIG定子侧输出的无功功率额定值；

所述的无功限幅设置是依据转子侧变流器的电流限制来进行的。

S33：以电网电压定向，转子变流器的电流dq分量为

其中，i_rd、i_rq分别为转子电流的dq分量；P_s、Q_s分别为DFIG定子侧发出的有功功率和无功功率；L_s，L_m为定子绕组电感和定转子绕组间的互感，ω₁为同步角速度；

S34：所述定子侧发出的有功功率P_s和无功功率Q_s主要受到转子电流的限制表示为：

其中，i_rmax为故障期间转子的最大故障电流，一般设置为2倍转子额定电流；可以整理得到

其中，X_s＝ω₁L_s，X_m＝ω₁L_m；

S35：风速给定情形下，定子侧发出的有功功率P_s一定。定子侧发出的无功功率Q_s范围为：Q_smin≤Q_s≤Q_smax，其中Q_smin为定子侧能够发出的无功功率最小值，Q_smax为定子侧能够发出的无功功率最大值，且：所述无功功率最大值对应定子侧的最大输出无功电流为：

S36：所述的无功限幅设置为：当I_q≥I_sqmax，无功功率参考值Q_ref2给定为Q_smax；当I_q<I_sqmax，无功功率参考值Q_ref2给定为Q_q；

S4：给定的不同无功功率Q_ref1或Q_ref2经PI调节器的作用后，得到能够独立调节定子侧无功功率输出的转子电压分量urq，完成对定子侧输出无功功率的有效控制，从而对故障过程中的电网电压进行恢复性调节。

下面结合具体实施例对本发明作出进一步说明。本实施例提供一种电网电压对称跌落故障过程中DFIG无功功率补偿的控制方法，具体应用环境是基于仿真软件Matlab/Smulink，验证上述发明中所述的控制方法，从而帮助恢复故障中的电网电压。仿真中选取电网电压在t＝4.0s发生对称跌落至额定电压50％时的情形。具体实施步骤如下：

①检测电网电压，并对检测的电压进行判断。当电网电压大于等于额定电压的0.9pu且小于1.0pu时，判断为电压正常；当t＝4.0s时，电网电压小于0.9pu且大于0pu，判断为电压故障。

②根据检测及其判断结果对DFIG转子侧变流器的控制策略进行切换。当判断为正常时，切换到a，转子侧变流器(RSC)保持正常运行时的单位功率因数运行；当判断为故障时，切换到b，RSC控制输出无功功率，且根据此时的测试要求与无功功率限幅设置的要求应提供I_q＝0.6pu的无功电流，为非单位功率因数因数运行。

③同时，根据DFIG转子侧变流器控制策略切换的结果，给定不同的无功功率参考值Q_ref1和Q_ref2。其中，Q_ref1满足单位功率因数运行的要求，给定为0；Q_ref2按照机组低电压故障的测试要求及无功功率限幅设置的要求给定为Q_q＝0.45pu。

④给定的不同无功功率经PI调节器的作用后，得到能够独立调节定子侧无功功率输出的转子电压分量u_rq，完成对定子侧输出无功功率的有效控制，从而对故障过程中的电网电压进行恢复性调节。