基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制方法

技术领域

本发明涉及双馈风机故障穿越领域，特别是涉及基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制方法。

背景技术

双馈风力发电机具有变速运行能力，风能转换率高，且具有有功、无功独立解耦控制能力，换流器成本低等优点。然而，DFIG定子侧直接与电网相连，电网发生故障时，会导致风机脱网。并网标准中规定电压跌落期间，风机机组需要向电网提供无功支撑电压恢复。目前，故障穿越中的电压支撑利用转子侧变流器无功调节能力或者无功补偿设备，在故障期间支撑电压恢复。但增设无功补偿装置不仅会加大设备成本，而且需要与风机完成协调配合。传统的无功支撑通常设定固定的无功电流比例系数，难以适应故障后的各种运行工况。因此，急需基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制方法，用于根据风机的参数和运行工况来确定无功电流比例系数。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制方法，通过推导无功电流极限，并根据此极限、运行工况和风机参数计算无功电流比例系数，代替并网标准中的固定控制系数，从而使得双馈机组能根据运行状况最大限度提供无功支撑，开发了机组的无功潜力，拓宽了机组故障可穿越范围。

为了实现上述技术目的，本发明提供了基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制方法，包括以下步骤：

基于双馈风机，构建并网系统，控制并网系统发生短路故障，并获取定子电压的跌落深度；

基于双馈风机在短路故障后的风机运行状况，依据双馈风机的风机参数，确定无功电流比例系数；

基于跌落深度和无功电流比例系数，获取无功功率给定值，对双馈风机进行控制。

优选地，在获取跌落深度的过程中，当并网系统发生短路故障时，控制双馈风机向并网系统提供动态无功支撑；

通过获取双馈风机的无功电流、额定电流、无功电流比例系数，计算跌落深度。

优选地，在计算跌落深度的过程中，无功电流表示为：

I

其中，U

优选地，在确定无功电流比例系数的过程中，根据定转子互感、定子自感、定子输出有功功率和有功功率、电压跌落深度，确定无功电流比例系数。

优选地，在获取无功电流比例系数的过程中，无功电流比例系数表示为：

其中，k

优选地，在控制双馈风机向并网系统提供动态无功支撑的过程中，基于双馈风机的定、转子互感及有功、电压跌落幅值，根据无功电流比例系数，在不过流的前提下实现最大限度无功支撑。

优选地，在实现最大限度无功支撑的过程中，依据RSC容量，获取定子侧无功电流的最大值，表示为：

优选地，在获取定子侧无功电流的最大值的过程中，根据RSC容量，获取电流限制，用于作为定子侧无功电流的最大值的限制条件，其中，限制条件为：

优选地，在获取电流限制的过程中，构建双馈风机的磁链方程，获取转子电流，并依据获取的转子电流，生成电流限制，其中，磁链方程表示为：

转子电流表示为：

电流限制表示为：

优选地，在获取无功功率给定值的过程中，无功功率给定值表示为：

本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了的双馈风机自适应无功极限控制方法，在检测到风机并网点的母线电压发生变化时，获取定子电压的跌落深度；检测故障后的风机运行状况，利用本发明推导的公式确定无功电流比例系数；根据所述无功电流比例系数和电压跌落深度，确定无功功率给定值。本发明可以根据故障后双馈风机的运行状况，利用自适应无功电流比例系数开发风机的无功潜力，从而拓宽了机组故障可穿越范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述的双馈风机自适应无功极限控制方法的流程图；

图2是本发明实施例所述的双馈风电场的并网结构图；

图3是本发明所述的双馈风机自适应无功极限控制控制框图；

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-3所示，本发明提供了基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制方法，包括以下步骤：

基于双馈风机，构建并网系统，控制并网系统发生短路故障，并获取定子电压的跌落深度；

基于双馈风机在短路故障后的风机运行状况，依据双馈风机的风机参数，确定无功电流比例系数；

基于跌落深度和无功电流比例系数，获取无功功率给定值，对双馈风机进行控制。

进一步优选地，在获取跌落深度的过程中，当并网系统发生短路故障时，本发明控制双馈风机向并网系统提供动态无功支撑；

通过获取双馈风机的无功电流、额定电流、无功电流比例系数，计算跌落深度。

进一步优选地，在计算跌落深度的过程中，本发明提到的无功电流表示为：

I

其中，U

进一步优选地，在确定无功电流比例系数的过程中，本发明根据定转子互感、定子自感、定子输出有功功率和有功功率、电压跌落深度，确定无功电流比例系数。

进一步优选地，在获取无功电流比例系数的过程中，本发明提到的无功电流比例系数表示为：

其中，k

进一步优选地，在控制双馈风机向并网系统提供动态无功支撑的过程中，基于双馈风机的定、转子互感及有功、电压跌落幅值，本发明根据无功电流比例系数，在不过流的前提下实现最大限度无功支撑。

进一步优选地，在实现最大限度无功支撑的过程中，依据RSC容量，获取定子侧无功电流的最大值，表示为：

进一步优选地，在获取定子侧无功电流的最大值的过程中，本发明根据RSC容量，获取电流限制，用于作为定子侧无功电流的最大值的限制条件，其中，限制条件为：

进一步优选地，在获取电流限制的过程中，本发明通过构建双馈风机的磁链方程，获取转子电流，并依据获取的转子电流，生成电流限制，其中，磁链方程表示为：

转子电流表示为：

电流限制表示为：

进一步优选地，在获取无功功率给定值的过程中，本发明提到的无功功率给定值表示为：

本发明还公开了基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制系统，包括：

数据采集模块，用于采集包括双馈风机的并网系统，在发生短路故障时，双馈风机的定子电压的跌落深度；

数据计算模块，用于基于双馈风机在短路故障后的风机运行状况，依据双馈风机的风机参数，确定无功电流比例系数；

风机控制模块，用于基于跌落深度和无功电流比例系数，获取无功功率给定值，对双馈风机进行控制。

本发明还通过计算机程序实现了双馈风机自适应无功极限控制方法的控制逻辑，将该计算机程序嵌入式开发到包括双馈风机的并网系统中，用于实现当系统出短路时控制双馈风机对并网系统进行动态无功支撑。

本发明还提供了一种可移动存储装置，用于承载双馈风机自适应无功极限控制系统，并与具有双馈风机的并网系统进行数据交互，当检测到并网系统出现短路故障时，控制双馈风机对并网系统进行动态无功支撑。

本发明提出的一种自适应无功支撑控制方法，代替并网标准中的固定控制系数，使双馈机组能根据运行状况最大限度提供无功支撑，开发风机的无功潜力，从而拓宽了机组故障可穿越范围。

如图2所示，本发明实例提供的双馈风电场的并网系统，该系统包括：双馈风机场，无穷大电网系统，双馈风机经两级变压器接入无穷大电网。

本发明还提供了一种电压跌落下的双馈风机自适应无功极限控制方法，应用于上述双馈风电场的并网系统，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：在检测到系统发生短路故障时，获取定子电压的跌落深度；

步骤2：检测故障后的风机运行状况，利用风机参数确定无功电流比例系数；

步骤3：根据所述无功电流比例系数和电压跌落深度，确定无功功率给定值。

步骤1中：在检测到系统发生短路故障时，获取定子电压的跌落深度；具体为：

电网发生故障时，风电场需要按规定向系统提供动态无功支撑，无功电流应为：

I

其中，式中，U

步骤2中：检测故障后的风机运行状况，利用风机参数确定无功电流比例系数；

具体为：

根据定转子互感、定子自感、定子输出有功功率等风机参数和有功功率、电压跌落深度等机组运行工况确定无功电流比例系数：

其中，k

按上式设定无功电流比例系数，双馈风机可以根据定、转子互感及有功、电压跌落幅值等参数，在不过流的前提下实现最大限度无功支撑。

推导过程如下：

低电压穿越中，结合《GB/T 19963.1-2021风电场接入电力系统技术规定》规程，考虑DFIG应在电压跌落至标幺值0.9以下启动无功支撑，所以在建模过程中，将DFIG的定子电压初始值设定为0.9pu。则故障后电压跌落深度为Δu，此时定子电压应为0.9-Δu。当电网电压定向到d轴时，分别表示为：u

其中L

由DFIG有功功率P

其中，ω

双馈风机输出无功功率取决于RSC控制的转子励磁，故无功输出极限与RSC容量密切相关。受RSC容量的限制，由

由式(3)可得定子侧无功电流的最大值为

为实现最大程度的电压支撑，按式(4)设置无功功率可以最大程度的利用RSC的容量，并且可以根据有功和电压动态实时调整。根据风机运行状态，可将无功电流比例系数设置为

所述步骤3：根据所述无功电流比例系数和电压跌落深度，确定无功功率给定值。

具体为：

风电机组的无功功率给定值由上述步骤2中的无功电流比例系数和电压跌落深度所确定。

/>

若K

本发明在本文在DigSILENT PowerFactory 15.2中搭建了如图2所示的风电场并网仿真系统。其中，双馈风电机组的容量为30台×2MW。双馈风机变压器接入无穷大电网。其中仿真模型的基本参数如表1所示。

表1

本发明的实例1为，1s时，在母线B2处发生三相接地短路故障，故障持续时间为0.625s。采用并网标准控制时，机组发出无功功率约为7Mvar，跌落期间电压跌落后幅值为0.81pu。采用本发明所提自适应无功极限支撑控制时，机组发出无功功率约为50Mvar，跌落期间电压为0.93pu，转子电流在稳定后接近1.2pu，若再要提升电压多发无功，Irq将会增大，转子电流将超过1.2pu，不利于机组的稳定运行。

本发明的实例2为，1s时，在母线B2处发生三相接地短路故障，故障持续0.625s。采用并网标准所用控制时，机组所发无功功率为20Mvar，电压跌落后幅值为0.48pu。采用本文所提自适应电压控制时，故障期间，机组发出无功功率38Mvar，电压跌落后幅值为0.53pu。相比并网标准，无功功率多发了18Mvar，电压抬升了0.05pu。综上所述，本文控制策略达到了在不过流的情况下尽可能多发无功功率的目的。

仿真结果验证了所提基于电压跌落深度的双馈风机自适应无功极限控制方法的正确性。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。