不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略

1.本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略。

背景技术：

2.采用网侧机侧双变流器拓扑结构的直驱式永磁同步风力发电机组，有较快的调节速度，能输出稳定的有功功率，并兼备良好的无功调节性能。同时由于网侧逆变器以及直流侧电路的隔离作用，相对于同样常用的双馈风力发电机组在低电压穿越过程中直驱永磁风电机组表现出一定的优越性。因此，直驱永磁风电机组在大规模风电场中的应用越发广泛。
3.但是由于机侧网侧双变流器的特殊拓扑，在电网电压跌落时，直驱永磁同步风力发电机不可避免地会有网侧逆变器过电流现象发生并时常伴随着直流侧电压升高，由此在电压跌落幅度较大时，若仍然不对过电流以及过电压采取抑制或改进措施，将会造成逆变器和直流侧电容损坏，这很有可能会致使直驱风机脱网，扩大故障规模进而使电网受到巨大危害。因此在风电规模的扩大同时，我国制定了一系列关于风电场并网发电的技术要求，尤其对低电压穿越能力提出了确切要求。
4.传统的故障穿越策略，通常是机侧整流器负责对永磁同步发电机输出的有功进行控制，网侧逆变器负责实现对电网的无功支撑和直流侧电压控制，直流侧通过耗能电阻消耗多余的功率配合抑制直流侧过电压。考虑到时有电网负荷不平衡引起电网电压不平衡，且电网中故障大多数为不对称故障，而传统故障穿越控制中往往未涉及抑制不对称故障下出现的有功、无功二倍频波动和由负序电流造成的并网电流不平衡，因此在不对称故障情况下需针对传统控制策略进行改进。
5.本发明在不对称故障穿越过程中，网侧逆变器切换为正序、负序电流控制，并优化电流给定值配合控制策略之间的平滑切换以达到同时抑制有功二倍频以及并网电流不平衡的目的。与此同时机侧整流器切换为直压控制，以稳定直流侧电压，并使得网侧逆变器正序、负序电流有更大的调控裕度以适应各种故障。

技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提出了不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略。网侧逆变器器基于正负序电压定向的平滑切换控制策略如图1所示，机侧整流器基于定子电压定向的平滑切换控制策略如图2所示。
7.本发明采用了切换控制策略，即在非故障(平衡)工况下采用传统控制策略，而在电网电压不平衡的时候网侧逆变器切换为对正负序电流的控制，使得正负序电流的无差跟踪优化给定值；同时在故障时机侧整流器由传统的有功外环控制切换为直压外环控制，在稳定直流侧电压的同时，使得网侧逆变器正序、负序电流有更大的调控裕度以适应各种故障，并减少耗能电阻动作时间，拥有比传统控制策略更好的故障穿越能力。
8.本发明的技术方案为：
9.首先在不平衡工况下建立网侧逆变器的数学模型，并基于瞬时功率理论给出网侧逆变器工作在不平衡工况时的功率表达式，由此给出优化电流指令值。
10.由建立的数学模型以及给出的功率表达式设计基于平滑切换的故障穿越控制策略，由此使得网侧变流器输出的有功功率的二倍公频振荡、并网电流不平衡度以及撬棒电阻动作时间同时减小，以在故障穿越过程中稳定直流电压与抑制并网电流不平衡的同时降低撬棒电阻的散热压力。
11.在上述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，建立不平衡工况下网侧逆变器的数学模型：
[0012][0013]
式(1)为不平衡工况下直驱风机网侧逆变器的电压方程。
[0014]
在上述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，根据瞬时功率理论给出网侧逆变器在不平衡工况下的功率表达式。其视在功率、有功功率及无功功率由以下公式分别给出：
[0015][0016][0017]
式(2)为视在功率，式(3)为有功、无功功率，不难从式(3)看出，网侧逆变器工作在不平衡工况下时输出有功存在二倍频波动，由此会导致直流电压波动。
[0018]
在上述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，观察有功功率各分量(p0、p1、p2)与网侧正负序电流之间的关系，并在正负序电网电压定向的情况下，给出同时抑制有功功率的二倍公频振荡以及并网电流不平衡度的优化电流指令值。
[0019][0020]
式(4)所示为优化求解后的网侧逆变器正负序电流指令值。
[0021]
在上述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，由正负序电流给定值设计含有谐振控制器(用以控制在正序旋转坐标系下表现为二倍工频分量的负序电流)的正负序电压定向控制策略，使网侧逆变器正负序电流能够无差跟随指令值。
[0022]
在上述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，设计机侧在不平衡工况下用于切换的定子电压定向的直流电压控制策略，在网侧逆变器抑制输出有功二倍频波动以及并网负序电流的同时控制直压，以配合网侧变流器以及直流侧耗能电阻实现不对称故障下的故障穿越。
[0023]
在上述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，考虑到网侧逆变器与机侧整流器中直流电压外环在调节直流电压时所起的作用并不完全相同，这直接导致从正常工况网侧控制直压切换至故障工况下机侧控制直压会使得直流电压外环输出的电流指令值会出现突变(故障恢复后切换至正常工况控制时同理)。为此，本发明设计并实现了不同控制策略间的平滑切换。
[0024]
本发明的优势在于在旋转坐标系下设计了谐振控制器使电流跟踪给定值，与此同时采用了切换控制令机侧逆变器在故障穿越过程中承担稳定直流电压的任务，而网侧逆变器在故障穿越过程中承担调控正序、负序电流的任务，由此可以有效地减少耗能电阻的动作时间，并有利于维持直流电压稳定，而在切换控制的基础上更做了进一步的改进实现了不同控制策略间的平滑切换。相比传统的控制策略而言，实现了多目标协同控制，减少损耗，并避免了网侧直流电压外环对电流控制的影响。
附图说明
[0025]
图1为本发明网侧逆变器切换控制策略。
[0026]
图2为本发明机侧整流器切换控制策略。
[0027]
图3为传统控制策略下的仿真波形。
[0028]
图4为改进控制策略下的仿真波形。
[0029]
图5为采用直接切换时的仿真波形。
[0030]
图6为采用平滑切换时的仿真波形。
具体实施方式
[0031]
传统直驱风机故障穿越控制策略通常未涉及不平衡工况下出现的有功功率的二倍公频振荡抑制以及并网负序电流的抑制，或仅涉及其一且未考虑机侧整流器改进控制。但在不平衡工况情况下，若不抑制有功二倍频波动将会导致直流电压产生二倍频波动，危害直流侧电容安全；同时不抑制并网负序电流将会无法满足电网电压不平衡下并网电流要求。
[0032]
本发明在已知功率各分量(p0、p1、p2)与网侧正负序电流之间关系的情况下，给出网侧正负序电流指令值。并在正负序电压定向的条件下，同时采用平滑切换，令网侧变流器于故障工况下切换至基于pi-r(比例积分谐振)控制器的单电流环以达到多目标协同控制的目的，机侧控制切换为基于定子电压定向的直流电压控制，配合网侧以适应不同故障工况，并减少耗能电阻动作时间。
[0033]
主要包括以下步骤，建立网侧逆变器在不平衡工况下的数学模型，并基于瞬时功率理论给出网侧逆变器在不平衡工况下的功率表达式。基于建立的数学模型以及给出的功率表达式设计并实现平滑切换控制策略使网侧变流器输出的有功功率的二倍公频振荡以及并网电流不平衡度同时减小。本发明在直驱风机工作在不平衡工况下时，网侧逆变器的
控制策略为：由传统控制策略下控制直流电压u
dc
切换为单电流环跟踪网侧正负序dq电流指令值；机侧整流器控制策略为：由传统控制策略下的有功功率外环切换为直流电压外环。
[0034]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0035]
第一步：建立网侧逆变器在不平衡电网条件下的数学模型，并根据瞬时功率理论建立网侧逆变器的功率表达式，由此给出优化电流指令值：
[0036]
步骤1：网侧逆变器在不平衡电网条件下的数学模型为
[0037][0038]
式(1)为不平衡工况下网侧逆变器在正序同步旋转坐标系下正序分量的电压方程以及在负序同步旋转坐标系下负序分量的电压方程。
[0039]
步骤2：基于瞬时功率理论给出网侧逆变器工作在不平衡工况下时输出功率的表达式。
[0040][0041][0042]
式(2)为网侧逆变器输出的复功率，式(3)为其输出的有功功率，其中p1cos(2ωgt)、p2cos(2ωgt)均为2倍电网频率的振荡功率。
[0043]
步骤3：观察有功功率各分量(p0、p1、p2)与网侧逆变器正负序电流)与网侧逆变器正负序电流之间的关系，并基于正负序电网电压定向的基本条件下，给出正负序电流指令值。
[0044][0045]
[0046]
式(5)为有功功率各分量(p0、p1、p2)与网侧正负序电流之间的关系，由式(5)可知直接求解方程无法使有功功率各分量(p0、p1、p2)以及并网负序电流同时满足要求。传统控制策略中通常采用控制p1与p2为0(此时负序电流不为0)或者控制负序电流为0(此时p1与p2未得到有效控制)的方式。本发明给出式(4)所示的优化电流指令值，以达到同时抑制有功功率的二倍公频振荡以及并网负序电流的目的。
[0047]
第二步：基于建立的数学模型以及给出的功率表达式设计不平衡工况下用于切换的控制策略(网侧切换控制策略如图1所示，机侧切换控制策略如图2所示)使网侧变流器输出的有功功率的二倍公频振荡以及并网负序电流同时减小，以在故障穿越过程中稳定直流电压以及满足并网电流要求的同时减少耗能电阻动作时间以减少能量损耗：
[0048]
步骤1：由式(4)中的正负序电流给定值设计网侧逆变器包含pi-r控制器的单电流环控制策略，实现网侧逆变器正负序电流对指令值的无差跟踪。
[0049]
步骤2：设计机侧整流器的直流电压外环控制策略，在网侧逆变器抑制输出有功功率二倍公频振荡的同时控制直压，以配合网侧变流器控制实现不对称故障下的故障穿越。
[0050]
步骤3：考虑到网侧逆变器与机侧整流器中直流电压外环在调节直流电压时所起的作用并不完全相同，这直接导致从正常工况网侧控制直压切换至故障工况下机侧控制直压会使得直流电压外环输出的电流指令值会出现突变(故障恢复后切换至正常工况控制时同理)，从而影响电流内环进一步劣化控制效果并影响直流电压稳定。为此，本发明通过在故障期间将网侧逆变器直流电压外环pi控制器中积分器输出清零，在正常工况下将机侧整流器直流电压外环pi控制器中积分器输出清零，设计了并实现不同控制策略间的平滑切换。
[0051]
具体实施时，如图1所示，基于正序两相旋转(dq)坐标系的网侧逆变器模型，以及优化的电流给定值，设计pi-r控制器，实现网侧切换控制策略，在不平衡工况下同时控制正负序电流以跟踪给定值；如图2所示，基于直流电容模型与机侧整流器模型设计机侧切换控制策略；同时图中crtl为双输入选择器的控制信号，当ctrl为1时选择器输出端口a进入的信号，而当ctrl为0时输出端口b进入的信号，该控制信号可以用故障信号来表征，即故障发生时ctrl为1，而无故障即正常工况下ctrl为0，网侧变流器与机侧变流器直流电压外环pi控制器也通过该控制信号来对积分器输出清零，控制信号为1时网侧积分器输出清零，控制信号为0时机侧积分器输出清零。
[0052]
如图3所示，2.5秒至3.5秒期间电网发生两相接地短路故障，采用传统故障穿越控制策略时，直流电压升高至1.10pu，且存在较大的二倍公频振荡(波峰与波谷之间相差为0.1pu)，同时存在较大的负序电流(幅值为0.1pu)；如图4所示，2.5秒至3.5秒期间电网发生两相接地短路故障，采用改进的故障穿越控制策略时，直流电压稳定在1.0pu附近，且在抑制直流电压二倍公频振荡与并网负序电流上相对传统控制策略有显著的提升；如图5所示，采用直接切换时，机侧整流器d轴电流指令值在由正常工况切换至故障工况时会有较大的突变，从而影响直流电容电压稳定，而由故障恢复至正常工况时网侧逆变器d轴电流指令值同样会发生突变，以至于对直流电压稳定造成不好的影响；如图6所示，采用平滑切换之后，机侧及网侧变流器d轴电流指令值均未发生突变，有利于维持直流电压稳定。
[0053]
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0054]
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当
理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

技术特征：

1.不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，其特征在于：包括以下步骤：首先在不平衡工况下建立网侧逆变器的数学模型，并基于瞬时功率理论给出网侧逆变器工作在不平衡工况时的功率表达式，由此给出优化电流指令值；由建立的数学模型以及给出的功率表达式设计基于平滑切换的故障穿越控制策略，由此使得网侧变流器输出的有功功率的二倍公频振荡、并网电流不平衡度以及撬棒电阻动作时间同时减小，以在故障穿越过程中稳定直流电压与抑制并网电流不平衡的同时降低撬棒电阻的散热压力。2.根据权利要求1所述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，其特征在于：建立网侧逆变器在不平衡电网条件下的数学模型：式(1)为不平衡工况下直驱风机网侧逆变器的电压方程。3.根据权利要求1所述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，其特征在于：根据瞬时功率理论给出网侧逆变器在不平衡工况下的功率表达式；其视在功率、有功功率及无功功率由以下公式分别给出：率、有功功率及无功功率由以下公式分别给出：式(2)为视在功率，式(3)为有功、无功功率，不难从式(3)看出，网侧逆变器工作在不平衡工况下时输出有功存在二倍频波动，由此会导致直流电压波动。4.根据权利要求1所述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，其特征在于：观察有功功率各分量(p0、p1、p2)与网侧正负序电流)与网侧正负序电流之间的关系，并在正负序电网电压定向的情况下，给出同时抑制有功功率的二倍公频振荡以及并网电流不平衡度的优化电流指令值；式(4)所示为优化求解后的网侧逆变器正负序电流指令值。5.根据权利要求1所述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，
其特征在于：由正负序电流给定值设计含有谐振控制器的正负序电压定向控制策略，使网侧逆变器正负序电流能够无差跟随指令值，谐振控制器用以控制在正序旋转坐标系下表现为二倍工频分量的负序电流。6.根据权利要求1所述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，其特征在于：机侧在不平衡工况下用于切换的定子电压定向的直流电压控制策略，能够在网侧逆变器抑制输出有功二倍频波动以及并网负序电流的同时控制直压，以配合网侧变流器以及直流侧耗能电阻实现不对称故障下的故障穿越；包括：网侧切换控制：给出网侧正负序电流指令值；并在正负序电压定向的条件下，同时采用平滑切换，令网侧变流器于故障工况下切换至基于比例积分谐振(pi-r)控制器的单电流环进行多目标协同控制；机侧切换控制:机侧控制切换为基于定子电压定向的直流电压控制，配合网侧以适应不同故障工况，并减少耗能电阻动作时间。7.根据权利要求1所述的不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，其特征在于：考虑到网侧逆变器与机侧整流器中直流电压外环在调节直流电压时所起的作用并不完全相同，这直接导致从正常工况网侧控制直压切换至故障工况下机侧控制直压会使得直流电压外环输出的电流指令值会出现突变，故障恢复后切换至正常工况控制时同理，设计并实现了不同控制策略间的平滑切换，具体是：基于正序两相旋转(dq)坐标系的网侧逆变器模型，以及优化的电流给定值，基于pi-r控制器，实现网侧切换控制策略，在不平衡工况下同时控制正负序电流以跟踪给定值；基于直流电容模型与机侧整流器模型设计机侧切换控制策略。

技术总结

本发明涉及不平衡工况下基于平滑切换的直驱风机故障穿越控制策略，包括以下步骤，建立网侧逆变器在不平衡工况下的数学模型，并基于瞬时功率理论给出网侧逆变器在不平衡工况下的功率表达式。基于建立的数学模型以及给出的功率表达式设计并实现平滑切换控制策略使网侧变流器输出的有功功率的二倍公频振荡以及并网电流不平衡度同时减小。本发明能良好抑制不平衡工况下直驱风机网侧逆变器输出有功功率的二倍公频振荡并大大减小并网电流不平衡度，以在不对称故障期间稳定直流侧电压的同时满足并网电流要求。时满足并网电流要求。时满足并网电流要求。