无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越方法技术

一种刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越方法，包括当电网故障引起无刷双馈风力发电机并网点不同程度的对称电压跌落情况下的磁链跟踪控制的低电压穿越方法，尤其是无刷双馈风力发电机磁链跟踪控制方法、控制绕组磁链矢量的幅值和相位跟踪控制器的构建以及无刷双馈风力发电机磁链跟踪低电压穿越运行状态的控制系统结构的构建。本发明专利技术解决了笼型转子无刷双馈风力发电机用软件控制方法实现对称低电压穿越的问题，同时具有低电压穿越过程中转矩脉动小，减小了机组传动链的压力；在αβ静止坐标系实现相关算法，系统结构简单；不需要附加硬件，减小了系统成本；可向电网注入无功电流从而支撑电网电压。

【技术实现步骤摘要】
无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越方法
本专利技术与无刷双馈风力发电机在并网点电压故障情况下的低电压穿越方法有关，更详细地说是当电网故障引起无刷双馈风力发电机并网点不同程度的对称电压跌落情况下的可在αβ静止坐标系用软件实现的磁链跟踪控制的低电压穿越的控制方法。
技术介绍
能源问题已成为国际社会发展的突出问题，而风力发电是解决当前能源问题的重要手段，也是当今世界上增长速度最快的能源。风力发电机组经常位于人类活动比较少的高山、荒野、海岛等边远地区，又受无规律的风力以及强阵风的作用，加之所处自然环境交通不便，一旦出现故障，修复十分困难。故对其可靠性的要求远远高于其它的电气及机械设备。因此研制高可靠性的风力发电机及其控制技术对于风电技术的发展具有十分重要的现实意义。无刷双馈电机是近年来广受瞩目的一种新型电机，其结构是定子上有两套绕组，即功率绕组PW和控制绕组CW，前者与电网相连接，后者与变流器相连接；转子采用特殊的笼型绕线或者磁阻结构，转子上没有电刷和滑环，大大提高了工作可靠性，特别适合用在变速恒频风力发电领域。双馈发电机是目前变速恒频风力发电领域的主流机型之一，由于该电机所需变流器的容量仅为其额定容量的1/3-1/2，因而大大降低了系统总体造价，受到人们的青睐。但该电机转子上存在电刷和滑环，其间的滑动接触造成系统可靠性降低，且由于电刷磨损需要定期更换，进而维户成本十分高。和双馈发电机相比，无刷双馈发电机的运行行为与其类似，除了具有双馈发电机的所有优点外，还有以下独特优点：在无刷情况下实现双馈运行，极大地提高了系统的可靠性，减小了维护成本，更能满足无维护的工作环境；由于无刷双馈发电机的漏电感较大，所以故障电流较小，更容易实现低电压穿越；在同样的电枢直径下，无刷双馈发电机的等效极数可以做到常规传统双馈发电机的两倍，非常适合作为低速风力发电机使用。由于上述优点，近几年来对于无刷双馈电机的研究，无论是对电机本体，还是对其作为风力发电机使用时的控制方式均取得了快速发展。随着电力系统以变速恒频风力发电机为主体的大型风力发电机组所占比例的快速增加，由于风能的随机性和不可控性所导致的电力系统的稳定性问题日益凸显。为了保证电力系统稳定运行，电力部门对并网风力发电机在外部电网故障、特别是电网电压骤降故障下的不间断运行能力，即低电压穿越能力提出了更高的要求。低电压穿越是对并网风力发电机在电网出现电压跌落时仍然能够保持并网运行的一种特定的运行功能要求。不同国家和地区所提出的低电压穿越要求不尽相同。我国国家电网公司对风电场低电压穿越能力的规定(GB/T19963-2011)是指风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20％额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力，风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90％时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。此外该标准对于对称电压跌落情况下的动态无功支撑能力也有具体要求，例如对于总装机容量在百万千瓦以上的风电场群，当电力系统发生三相对称短路故障引起并网点电压处于20％-90％区间内时，风电场应能够通过注入无功电流支撑电压恢复。实现无刷双馈风力发电机低电压穿越的关键是在低电压穿越期间将控制绕组的电流限制在允许的范围之内，以保证其所接变流器的安全运行。由于对称故障情况下发电机内部的电磁现象不同，导致控制方法不同，而且电网对不同故障情况下风力发电机无功支撑能力的要求也不同，因此相关的低电压穿越控制方法的研究也围绕着故障情况不同分别展开，本专利技术提出的方法是针对对称电压故障情况下的低电压穿越控制方法。在无刷双馈风力发电机低电压穿越方法的研究方面，英国剑桥大学、伊朗德黑兰沙里夫理工大学、英国杜伦大学提出了在控制绕组中串接撬棒(Crowbar)电路实现低电压穿越的方法(见文献SajjadTohidi,HashemOraee,ShiyiShao,etc.AnalysisandEnhancementofLow-VoltageRide-ThroughCapabilityofBrushlessDoublyFedInductionGenerator[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(3):1146-1155.)。实验结果表明该方法可以实现电网电压大范围对称跌落情况下的低电压穿越，但该方法无疑增加了系统的硬件开销；英国剑桥大学针对对称电压故障，提出了无撬棒(Crowbar)的软件低电压穿越方法(见文献TengLong，ShiyiShao，PaulMalliband,etc.CrowbarlessFaultRideThroughoftheBrushlessDoublyFedInductionGeneratorinaWindTurbineunderSymmetricalVoltageDips[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(7):2833-2841.)。其基本思想是控制功率绕组电流的正序分量使其等于额定电流，从而抑制控制绕组电流并向电网注入无功。该方法减小了系统的硬件开销，但由于只控制正序分量，负序和零序分量的存在必将在低电压穿越期间引起比较大的转矩脉动，增加风电机组传动链的压力。此外系统需将电流的正序分量分离，相关的算法需要在两相旋转坐标系实现，因而需要磁场定位及旋转坐标变换，致使系统结构复杂；针对以上问题，本专利技术提出一种无刷双馈风力发电机对称电压故障情况下的磁链跟踪低电压穿越控制方法。该方法在低电压穿越过程中转矩脉动小，减小机组传动链的压力；在αβ静止坐标系实现相关算法，系统结构简单；可向电网注入无功电流从而支撑电网电压；，不需要附加硬件，例如“撬棒”电路，减小了系统成本。该方法可以应用于正常运行状态下采用不同控制方式的无刷双馈风力发电机实现对称电压故障情况下的低电压穿越，例如矢量控制。实现该方法的控制系统结构和无刷双馈风力发电机的间接功率控制系统正常运行时内环的结构基本相同，本课题组申请的专利号为201510046957.4，名称为“笼型转子无刷双馈风力发电机的间接过功率控制方法”，这一特点可以使无刷双馈风力发电机在正常运行状态采用间接过功率控制方法，低电压穿越运行状态切换到本专利技术提出的磁链跟踪控制方法，从而使系统正常运行方式与低电压穿越运行方式的切换更加平滑，且部分软件共用，系统结构简单。
技术实现思路
针对现有无刷双馈风力发电机用软件方法实现对称电压故障情况下的低电压穿越控制中所存在的控制系统结构复杂、低电压穿越运行期间转矩脉动大的问题，本专利技术提供一种无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越方法。本专利技术所采取的技术方案如下。一种无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越方法，所述方法是在αβ静止坐标系用软件方法实现低电压穿越控制方法，通过下列步骤实现低电压穿越；(1)建立控制绕组电流与功率绕组磁链和控制绕组磁链之间的关系如式下：式(1)中Lc1、Kc是常数，且Lc1＝(LcLrLp-LcLhp2-Lhc2Lp)/(LpLr-Lhp2)、Kc＝LhcLhp/(LpLr-Lhp2)，其中Lhc、Lhp、Lc、Lp和Lr分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越方法，所述方法是在αβ静止坐标系用软件方法实现低电压穿越的控制方法，通过下列步骤实现低电压穿越；(1)建立控制绕组电流与功率绕组磁链和控制绕组磁链之间的关系如式下：

【技术特征摘要】
1.一种无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越方法，所述方法是在αβ静止坐标系用软件方法实现低电压穿越的控制方法，通过下列步骤实现低电压穿越；(1)建立控制绕组电流与功率绕组磁链和控制绕组磁链之间的关系如式下：式(1)中Lc1、Kc是常数，且Lc1＝(LcLrLp-LcLhp2-Lhc2Lp)/(LpLr-Lhp2)、Kc＝LhcLhp/(LpLr-Lhp2)，其中Lhc、Lhp、Lc、Lp和Lr分别为控制绕组和转子之间的互感、功率绕组和转子之间的互感、控制绕组自感、功率绕组自感和转子绕组自感，且都为常数，为控制绕组电流矢量，为控制绕组磁链矢量，为功率绕组磁链矢量；获得通过对控制绕组磁链矢量的控制实现对控制绕组电流的控制，当故障发生后，使控制绕组磁链矢量跟踪功率绕组磁链矢量即故障发生后使和满足以下关系：式(2)中KT称为磁链跟踪系数，其取值范围与控制绕组电流所允许的最大值、控制绕组电压所允许的最大值和无功功率的性质及大小有关；在不超过控制绕组最大允许电流，功率绕组输出无功功率Qp＞0的条件下，KT的取值范围表示如下：在满足(3)的条件下，KT的取值还应使控制绕组不超过最大允许电压、尽可能多的向电网提供无功功率；(2)构建控制绕组磁链矢量相位跟踪控制器PI2和幅值跟踪控制器PI5根据式(2)中控制绕组磁链矢量和功率绕组的磁链矢量之间的关系，分别控制的幅值和相位，将的反相位作为的相位的给定值，的相位作为反馈值，给定值与反馈值比较之后，将其输出输入控制绕组磁链相位跟踪控制器PI2，经过相位跟踪控制器PI2得到控制绕组磁链的动态相位增量ΔXd，将其与静态相位增量ΔXst相加得到控制绕组磁链的相位增量ΔXc；将作为的幅值的给定值的幅值作为反馈值，给定值与反馈值比较之后，将其输出输入控制绕组磁链幅值跟踪控制器PI5，经过幅值跟踪控制器PI5得到控制绕组磁链幅值增量ks；(3)构建无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越运行状态的控制装置及系统，包括无刷双馈风力发电机间接功率控制装置及系统、无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越装置及系统，实现对称低电压穿越；所述无刷双馈风力发电机对称电压故障磁链跟踪低电压穿越运行状态的控制装置及系统是在无刷双馈风力发电机间接功率控制装置的基础上添加控制绕组磁链相位跟踪控制器PI2、幅值跟踪控制器PI5、磁链跟踪系数9、运行状态装换开关17及运行状态装换开关18；(4)低电压穿越控制方法按下列步骤进行：1)实现该控制方法首先要建立控制绕组电流与功率绕组磁链和控制绕组磁链之间的关系式(4)，如下所示：式(4)中Lc1、Kc是常数，且Lc1＝(LcLrLp-LcLhp2-Lhc2Lp)/(LpLr-Lhp2)、Kc＝LhcLhp/(LpLr-Lhp2)，其中Lhc、Lhp、Lc、Lp和Lr分别为控制绕组和转子之间的互感、功率绕组和转子之间的互感、控制绕组自感、功率绕组自感和转子绕组自感，且都为常数，为控制绕组电流矢量，为控制绕组磁链矢量，为功率绕组磁链矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：张爱玲，马志忠，王淑红，高若中，陈正方，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14