直驱型风电机组故障电流解析及其参数的优化方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种直驱型风力发电机故障电流计算方法。

背景技术

随着我国大量风力发电机组并网，风机已经成为新型电力系统中电力供应的主要力量，其中直驱型风力发电机因其良好的稳定运行能力，成为风机中的主力型号。直驱型风力发电机与传统同步发电机不同，其稳态运行特性和故障特性受到时变的电力电子开关器件和控制器控制，因此难以获得其故障电流的解析式。新能源为主体电力系统保护整定和安全稳定分析依赖于故障工况下复杂的电磁建模及其数值求解，这大大的影响了电力系统分析的效率，无法满足新能源高比例电网的安全稳定分析要求。因此亟需能够正确表征直驱型风力发电机故障电流的故障电流解析式及其参数的优化方法。

针对风电机组故障电流解析，研究人员已有多种解决方案，例如：

1、贾科等人发表的“风光电源故障暂态解析及实用化故障电流峰值计算”网络首发，该文章分析了光伏、直驱风机和双馈风机的故障暂态过程。直驱方面文章由故障前后电流稳态值计算得到故障电流峰值。通过录波数据对比，证明该方法计算精度较高，但是提出得故障电流峰值计算表达式与控制参数脱节，无法反映真实参数和故障电流解析式的准确关系。

2.宋国兵等人发表的“直驱风机三相故障电流特性分析”西安交通大学学报，2015，49(10):1-7。该文章分析了直驱风机网侧变流器的数学表达式和运行特性，得出了网侧变流器是一个控制作用下的电能平衡系统的结论，在对其进行合理的降阶简化之后，梳理出网侧控制器各参数的影响，得出三相故障电流近似的解析式。

3.匡晓云等人发表的“适用于含新能源逆变电源网络的全时域故障电流计算方法”电力自动化设备，2020，40(05):113-122。该文章分析了两种不同的时间尺度：稳态和暂态。在稳态计算方法中，新能源逆变电源被视为被控电流源，这解决了传统方法在考虑逆变电源控制策略和非线性特性方面的不足。该方法通过迭代计算网络各节点的电压，来修正逆变电源的输出功率，从而间接考虑了网络中各电源的相互影响。但是不能完全适用于直驱风机故障电流解析。

综上，目前已有的方法没有针对直驱风机解析出控制参数与故障电流解析式之间的真实关系，均通过简化得到的计算结果影响了三相故障电流近似解析式的准确度和适用性。为此，亟需一种准确高效的直驱型风电机组故障电流解析式及其参数的优化方法。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的直驱型风电机组故障特性分析依赖于商业软件和建模复杂仿真效率低下的问题，以及故障电流解析式无法反映控制参数与故障电流之间的准确关系的问题。

直驱型风电机组故障电流解析及其参数的优化方法，包括：

直驱型风电机组利用一组背靠背变流器将风电功率注入交流电网，背靠背变流器将永磁同步电机和电网解耦，将网侧变流器控制器简记为网侧控制器，构建对应的稳态控制器模型，稳态控制器模型中的网侧有功和无功电流参考值分别记为i

针对发生低电压故障的情况确定故障期间对应的无功电流i

然后基于电流内环的闭环传递函数和直驱风机故障电流解析式进行电流解析和参数优化：

S1、对实际直驱型风力发电机组、厂家黑盒模型、实际机组控制器半实物仿真模型进行电压跌落和电压升高故障测试，记录风机出口三相电压和三相电流；

S2、故障穿越控制器参数确定：

提取电压跌落工况下的基波正序电压和基波正序无功电流，将基波正序无功电流对应为i

提取电压升高工况下的基波正序电压和基波正序无功电流，将基波正序无功电流对应为i

S3、稳态控制器参数的确定：

采用经典工程整定方法，将电流内环的闭环传递函数向典型Ⅰ型系统整定，得到

S4、将步骤S3中确定的k

当发生低电压故障穿越时，将S2步骤中确定的故障穿越控制器参数带入故障穿越控制器模型得到i

当发生高电压故障穿越时，将S2步骤中确定的故障穿越控制器参数带入故障穿越控制器模型中得到i

S5、在三相电压跌落工况下，将三相电流和三相电压变换为dq轴直流量，设定目标函数

进一步地，所述的稳态控制器模型如下：

网侧控制器内、外环控制器采用电网电压定向的矢量控制，d轴维持直流电压的稳定，实现变流器两侧的功率平衡，q轴控制机组与电网的无功功率交换；

变流器出口电压频域模型为：

式中，k

进一步地，在故障发生前的稳态状态下，稳态控制器模型中的d轴的有功电流指令如下：

式中，k

进一步地，发生低电压故障的情况下故障期间对应的无功电流i

式中，k

进一步地，发生低电压故障的情况下故障期间对应的有功电流i

式中，i

进一步地，发生低电压故障的情况下，当低电压故障切除后恢复的有功电流i

式中，i

进一步地，发生高电压故障的情况下故障期间对应的无功电流i

k

进一步地，所述的电流内环的闭环传递函数如下：

其中，i

进一步地，S3将电流内环的闭环传递函数向典型Ⅰ型系统整定，整定后的形式如下：

式中，

进一步地，直驱风机故障电流解析式如下：

其中，i

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

提高分析效率和独立性：通过建立的数学模型，本发明摆脱了对商业软件的依赖，从而提高了直驱型风电机组故障特性分析的效率和灵活性。这种独立的分析方法允许更快速、更灵敏地对各种情况进行评估，特别是在需要快速响应的实际运行环境中。

更准确的控制参数反映：本发明通过精确和详细的主电路、稳态控制器以及故障穿越控制器的数学模型，能够更准确地反映控制参数与故障电流之间的关系。这种准确性是对现有技术的显著改进，可以提供更精确的故障特性分析，为风电机组的设计和运行提供更有力的支持。

智能算法优化：使用差分进化智能算法根据现场实测数据优化直驱风机的故障电流解析式，本发明能够更精确地模拟和预测实际操作中的故障电流情况。这种智能算法的应用使得模型不仅在理论上精确，而且在实际应用中更为有效和适用。

增强现场数据的应用价值：通过利用现场实测的直驱风机故障电流录波数据，本发明强化了理论与实际操作之间的联系。这种结合实测数据的方法提高了理论模型的适用性和可靠性，使得分析结果更贴近实际运行条件。

总体来说，本发明在直驱型风电机组故障特性分析方面提供了一种更高效、更准确、更实用的方法，对风电领域的技术发展和实际应用具有重要的促进作用。

附图说明

图1为两组6个IGBT及反并联二极管组成的两电平三相变流器，两组变流器组成背靠背变流器系统。

图2为本发明的网侧变流器内外环控制框图，其中ω

图3为本发明的低电压故障穿越全过程的功率响应曲线。

图4为本发明的低穿控制逻辑，图中i

图5为本发明的高电压故障穿越全过程的功率响应曲线。

图6为本发明的高穿控制逻辑。

图7为本发明的有功功率恢复过程示意图。

图8为本发明的电流内环控制框图。

图9为本发明的直驱型风电机组故障电流参数优化方法流程图。

具体实施方式

本发明首先建立准确详细的主电路、稳态控制器以及故障穿越控制器模型，然后通过数学模型的推导，得到详细的直驱风机故障电流解析式，最后通过差分进化智能算法，依据现场实测的直驱风机故障电流录波，优化直驱风机故障电流解析式。下面结合具体实施方式对本发明做详细说明。

具体实施方式一：

本实施方式为直驱型风电机组故障电流解析及其参数的优化方法，包括以下步骤：

首先，直驱型风电机组利用一组背靠背变流器将风电功率注入交流电网。这种配置相较于双馈风机或其他部分功率变换风电机组来说，具有显著的优势。由于直驱风电机组具有较低的同步转速，它可以直接与电机转子相连，省去了齿轮箱用于转速匹配的需要。这一设计简化了传动链，显著提高了系统效率，降低了机械噪声，并且大幅减少了因齿轮箱问题导致的机组故障。此外，故障后的维修量和成本也大幅减少，有效提高了系统运行的可靠性和机组的寿命。

直驱型风电机组包含机械部分和电气部分，机械部分为现有技术，本发明不对其进行说明；电气部分通常包括三个主要组件：永磁同步发电机(PMSG)、背靠背变流器以及控制部分。其中背靠背变流器包含机侧变流器和网侧变流器，主要功能是将直流电压和电流转换为交流电压和电流，实现能量的双向流动，包括整流模式(从交流侧到直流侧)和逆变模式(从直流侧到交流侧)。永磁同步发电机连接到机侧变流器，将交流电转换成直流电，网侧变流器将直流电变换为交流电连接到电网，如图1所示。通过这些复杂的变流技术，直驱风电机组可以有效提高变流效率和可靠性，同时降低系统成本。

1.电气部分数学模型

永磁同步发电机是相对于异步电机的一种电机，因为其定子绕组产生的旋转电磁场的转速与电机转子的转速保持同步而得名，因此同步电机在运行时，当定子的供电频率f保持不变时，转子稳态时转速恒为常值，与所载负荷大小无关。永磁同步电机(PMSG)具有体积小、重量轻、效率高、转子无发热问题、无需额外励磁、控制简单等优点，同时近年来控制理论以及电力电子技术的快速发展对同步电机的控制提供了基础，因此永磁同步电机已受到了国内外的普遍重视。

永磁同步电机的定子上有三相对称绕组，转子采用永磁极励磁，定子绕组产生的电磁场与转子永磁体产生的磁场通过气隙耦合，两者存在相对运动，具有十分复杂的电磁关系。

建立永磁同步发电机的数学模型为：

式中：L

dq坐标系下的定子电压方程：

式中：U

将公式(1)代入公式(2)可得：

由公式(3)可以看出，在两相旋转坐标系下，电机的数学模型得到了极大的简化，这对分析永磁同步发电机的控制问题提供了很大的便利。

旋转坐标系下的电磁转矩方程：

式中：p为极对数。

根据瞬时功率相关理论，在d、q旋转坐标系下发电机输出瞬时有功功率P

网侧变流器出口电压与电网电压间的数学模型可表述为：

式中，u

电气部分数学模型提供实现后续过程的模型，但是实际上公式(1)-(5)并未直接参与到后续的处理过程。

2.网侧的稳态控制器数学模型

背靠背变流器将永磁同步电机和电网解耦，因此直驱风机的故障电流外特性由网侧变流器控制器决定，将网侧变流器控制器简记为网侧控制器，网侧控制器内、外环控制器采用电网电压定向的矢量控制，基于PI控制和前馈解耦控制，d轴维持直流电压的稳定，实现变流器两侧的功率平衡，q轴控制机组与电网的无功功率交换。变流器出口电压频域模型(内环控制器)如公式(7)：

式中，k

网侧d轴的有功电流指令由外环直流电压控制器产生以控制直流电压稳定和变流器功率平衡。因此，网侧控制器外环控制器的频域模型可表示为：

式中，k

控制器重要的作用就是控制机侧变流器和网侧变流器，网侧变流器的控制器分为稳态控制器和故障穿越控制器。

搭建的风电机组采用网侧变流器控制母线电压的大小，网侧变流器的控制框图如图2所示。控制外环为直流母线电压环，直流母线电压的给定值与实际值的偏差经PI调节器输出为的给定电流i

表1直驱风机网侧变流器控制结构介绍

3.网侧的故障穿越控制器数学模型

当电网出现电压故障时，风电机组需要根据电压跌落或升高的严重程度来发出或吸收一定的无功功率并在必要的情况下限制有功功率的输出。

风电机组有功功率、无功功率的低电压故障穿越响应曲线如图3所示。

分析图3可知，0-t

A、当电网在t

此时将式中i

根据我国的并网标准，公式(9)中的取值可以为：

为保证在故障期间，风电机组可以有效发出无功功率以支撑电网电压，主流机组多采用无功功率优先控制，即有功电流受到无功电流的出力限制。

此时将式中i

风电机组有功功率、无功功率的高电压故障穿越响应曲线如图5所示。

分析图5可知，0-t

当电网在t

此时将式中i

实际上低电压故障切除后有功功率上升可以只有一个阶段，此时实际上就相当于k

B、当电网在t

此时将式中i

当电网在t

根据以上讨论，可以得到高穿故障控制逻辑如图6所示。

在限幅控制阶段，为了保护逆变器，实施了特定的有功电流控制策略。这一阶段，有功电流的设定直接依赖于设定的限幅值和无功电流的给定值。这种做法确保了变流器在高负载或异常条件下不会因超出其承受的电流限制而损坏。

4.直驱风机故障电流解析式

由于式(7)中的u

i

合并图8中的惯性环节1/(sT

将公式(14)由典型Ⅰ型系统整定，此时的传递函数变为：

式中，

当发生故障时，电流在故障瞬间不突变但其指令值发生阶跃，i

i

对公式(16)进行反拉式变换可得电流故障分量的解析式，将其与故障前电流相加即为故障后故障电流解析式，如公式(17)所示：

参见图9本实施方式所述直驱型风电机组故障电流优化方法包括：

S1、对实际直驱型风力发电机组、厂家黑盒模型、实际机组控制器半实物仿真模型进行电压跌落(如20％三相电压跌落)和电压升高(如130％三相电压升高)故障测试，记录风机出口三相电压和三相电流。

S2、故障穿越控制器参数确定：

提取电压跌落工况下的基波正序电压和基波正序无功电流，带入公式(10)中，基波正序电压对应公式(10)中的u

提取电压升高工况下的基波正序电压和基波正序无功电流，带入公式(13)，基波正序电压对应公式(13)中的u

S3、稳态控制器参数的确定：

采用经典工程整定方法，将控制器闭环传递函数(14)向典型Ⅰ型系统整定，得到

S4、将步骤S3中确定的k

当发生低电压故障穿越时，将S2步骤中确定的故障穿越控制器参数带入故障穿越控制器模型得到对应的公式(11)和公式(12)，将公式(11)和公式(12)分别接入公式(17)的i

当发生高电压故障穿越时，将S2步骤中确定的故障穿越控制器参数带入故障穿越控制器模型得到对应的公式(13)，将公式(13)接入公式(17)的i

S5、在三相电压跌落工况下，将三相电流和三相电压变换为dq轴直流量，设定目标函数

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。