一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法技术

本发明专利技术公开了一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法，包括：步骤一：列写出双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型；步骤二：根据双馈感应发电机在dq坐标系下的数学模型，找出电网运行时变频器加在转子上的外加电压与转子磁链之间的关系式和转子磁链与有功功率、无功功率的关系式；步骤三：根据转子磁链与外加控制电压及双馈感应发电机输出的有功功率、无功功率的关系式，建立双馈感应发电机转子磁链控制模型；步骤四：在双馈感应发电机转子磁链控制模型基础上，基于滑模变结构控制原理，建立双馈风力发电机转子磁链滑模变结构自适应控制率，实现对风电场中双馈风力发电机输出有功功率和无功功率的优化控制。制。制。

【技术实现步骤摘要】
一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法


[0001]本专利技术属于智能电网领域，可以在新能源发电、新能源并网等领域应用，具体涉及一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法。

技术介绍

[0002]我国的大型风电场大多位于偏远地区，远离电力系统负荷中心，具有典型的弱电网特征。高比例风电场切入这样的弱电网并网运行，使得风电并网与电力系统安全稳定运行之间的矛盾越来越突出。为此，美国、中国等风电大国都相继出台了严格的风电并网相关规范，并要求在电网故障和电压波动期间，风电场除了要具备低电压穿越能力外，还必须要快速吸收一定的动态无功，以增强其高电压穿越能力。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，提供一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法。
[0004]本专利技术的目的是以下述方式实现的：
[0005]一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法，其特征在于：所述方法包括：
[0006]步骤一：列写出双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型；
[0007]步骤二：根据双馈感应发电机在dq坐标系下的数学模型，找出电网运行时变频器加在转子上的外加电压与转子磁链之间的关系式和转子磁链与有功功率、无功功率的关系式；
[0008]步骤三：根据转子磁链与外加控制电压及双馈感应发电机输出的有功功率、无功功率的关系式，建立双馈感应发电机转子磁链控制模型；
[0009]步骤四：在双馈感应发电机转子磁链控制模型基础上，基于滑模变结构控制原理，建立双馈风力发电机转子磁链滑模变结构自适应控制率，实现对风电场中双馈风力发电机输出有功功率和无功功率的优化控制。
[0010]所述双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型为：
[0011]定子和转子电压方程:
[0012][0013]定子和转子磁链方程：
[0014][0015]定子端的功率输出：
[0016][0017]式中，L
s
、L
r
和L
m
分别是定、转子自感和互感；R
s
、R
r
分别是定子、转子电阻；ω1和ω2分别是同步转速和转差；u
ds
定子电压d轴分量、u
qs
定子电压q 轴分量、u
dr
表示转子电压d轴分量、u
qr
表示转子电压q轴分量；i
ds
表示定子电流d轴分量、i
qs
表示定子电流q轴分量、i
dr
表示转子电流d轴分量、i
qr
表示转子电流q轴分量；定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量转子磁链d轴分量、转子磁链q轴分量；P
s
表示定子有功功率、Q
s
分表示定子无功功率。
[0018]当电网电压对称运行时，将定子磁链定向在同步旋转d、q坐标系的d轴上，d、q轴上的磁链分别为：DFIG的感应电动势与定子电压近似相等，即u
ds
＝0，u
qs
＝u
s
；u
s
是定子电压的矢量的幅值，当定子并入理想电网后，u
s
与电网电压幅值大小相等；定子绕组的电阻远远小于定子绕组的电抗，此时得到定子磁链和电流方程：
[0019][0020][0021]当电网出现高电压故障时，DFIG处于不稳定运状态，DFIG定子电压和定子磁链不为常量，因此在分析DFIG暂态运行时不能够忽略磁链的变化，并且磁链变化不能突变，定子磁链变化使定子励磁电流也随之变化；此时式(4)中的将式(5)代入式(2)转子磁链方程和式(1)转子电压方程得到：
[0022][0023]将式(5)代入式(3)和式(2)转子磁链方程中得到有功、无功功率方程：
[0024][0025]在电网发生故障而引起电压骤升期间，由式(6)和式(7)可知，双馈风电场发出的无功取决于转子磁链的q轴分量，而转子磁链的q轴分量受q轴励磁电压控制，其时间常数为无功取决于转子磁链的q轴分量，而转子磁链的q轴分量受q轴励磁电压控制，其时间常数为表示转子磁链的d轴分量的导数，表示转子磁链的q轴分量的导数。
[0026]所述步骤三具体包括：将DFIG转子外加电压与磁链的写成以下状态空间方程形式
[0027][0028]式中，为状态变量，为控制输入，F代表由电网故障引起的扰动，且有
[0029]029]式中F代表由电网故障所引起的扰动，为状态变量，为控制输入，Z
11
代表转子d轴磁链ψ
dr
，Z
21
代表转子q轴磁链ψ
qr
；Z
10
代表转子d轴磁链控制信号u
dr
，Z
20
代表转子q轴磁链控制信号u
qr
；f1代表由电网故障所引起的扰动的分量一；f2代表由电网故障所引起的扰动的分量二；
[0030]rank[B F]＝rank[B]＝2
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0031]根据式(9)可知，双馈风力发电系统滑动模态满足不受外界干扰的充要条件；
[0032]令关于DFIG的q轴磁链误差状态方程如下式所示：
[0033][0034]式中，代表电力系统广义扰动。
[0035]所述步骤四具体包括：积分滑模面:
[0036][0037]式中k
pd
、k
id
分别为比例、积分系数，且k
pd
、k
id
均大于零；其中的比例项用于加快系统的动态跟踪响应，积分项用于消除系统的稳态误差；因此，在PI积分型滑模超曲面上，改变k
pd
、k
id
的值就可改变滑模面的动态特性；e
d
表示d轴磁链误差；表示d轴磁链误差的p/
q次方；
[0038]若广义扰动项|F
d
|<k
d
，k
d
为常数且大于零，得到如下双馈风力发电机无功功率控制律为
[0039][0040]可使DFIG的q轴磁链误差e在有限时间内收敛到零，且系统鲁棒稳定；
[0041]其中，切换增益η
′
q
表达式为：
[0042][0043]式中，η
q
表示系统正常工作时的切换增益，Q0表示无功功率给定值，Q表示实际无功功率，λ
q
是设定的常数且0＜λ
q
＜1；代表转子q轴磁链的给定值； k
iq
表示比例系数；表示q轴磁链误差的p/q次方；η
′
q
表示快速切换增益；s
q
表示转子磁链的q轴模面；
[0044]当系统出现瞬时高电压时，切换控制增益会以快速增长，双馈风电场会迅速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法，其特征在于：所述方法包括：步骤一：列写出双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型；步骤二：根据双馈感应发电机在dq坐标系下的数学模型，找出电网运行时变频器加在转子上的外加电压与转子磁链之间的关系式和转子磁链与有功功率、无功功率的关系式；步骤三：根据转子磁链与外加控制电压及双馈感应发电机输出的有功功率、无功功率的关系式，建立双馈感应发电机转子磁链控制模型；步骤四：在双馈感应发电机转子磁链控制模型基础上，基于滑模变结构控制原理，建立双馈风力发电机转子磁链滑模变结构自适应控制率，实现对风电场中双馈风力发电机输出有功功率和无功功率的优化控制。2.如权利要求1所述的提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法，其特征在于：所述双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型为：定子和转子电压方程:定子和转子磁链方程：定子端的功率输出：式中，L
s
、L
r
和L
m
分别是定、转子自感和互感；R
s
、R
r
分别是定子、转子电阻；ω1和ω2分别是同步转速和转差；u
ds
定子电压d轴分量、u
qs
定子电压q轴分量、u
dr
表示转子电压d轴分量、u
qr
表示转子电压q轴分量；i
ds
表示定子电流d轴分量、i
qs
表示定子电流q轴分量、i
dr
表示转子电流d轴分量、i
qr
表示转子电流q轴分量；定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量转子磁链d轴分量、转子磁链q轴分量；P
s
表示定子有功功率、Q
s
分表示定子无功功率。3.如权利要求1所述的提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法，其特征在于：当电网电压对称运行时，将定子磁链定向在同步旋转d、q坐标系的d轴上，d、q轴上的磁链分别为：DFIG的感应电动势与定子电压近似相等，即u
ds
＝0，u
qs
＝u
s
；u
s
是定子电压的矢量的幅值，当定子并入理想电网后，u
s
与电网电压幅值大小相等；定子绕组的电阻远远小于定子绕组的电抗，此时得到定子磁链和电流方程：
当电网出现高电压故障时，DFIG处于不稳定运状态，DFIG定子电压和定子磁链不为常量，因此在分析DFIG暂态运行时不能够忽略磁链的变化，并且磁链变化不能突变，定子磁链变化使定子励磁电流也随之变化；此时式(4)中的将式(5)代入式(2)转子磁链方程和式(1)转子电压方程得到：将式(5)代入式(3)和式(2)转子磁链方程中得到有功、无功功率方程：在电网发生故障而引起电压骤升期间，由式(6)和式(7)可知，双馈风电场发出的无功取决于转子磁链的q轴分量，而转子磁链的q轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新宇，刘雪梅，王亚辉，樊要玲，李勇，顾波，张红涛，王继东，师永彪，刘延华，林政国，岳伟宝，吕灵灵，常瑞，徐燕，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：