申请/专利权人：四川大学

申请日：2017-10-30

公开（公告）日：2020-10-20

公开（公告）号：CN107681668B

主分类号：H02J3/16(20060101)

分类号：H02J3/16(20060101);H02J3/26(20060101);H02J3/38(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.20#授权;2018.03.09#实质审查的生效;2018.02.09#公开

摘要：本发明公开了一种基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置，在转子侧变流器与双馈风力发电机之间串联有阻容装置，阻容装置的结构为：电容C、电阻R0的串联支路与开关S1支路相并联；其中，开关S1的两端分别为阻容装置与外部相连接的连接端；电容C的取值范围为：0.13mF≤C≤1.21mF，电阻R0的取值范围为：0.038Ω≤R0≤0.14Ω。当定子电压Us小于设定的定子额定电压时，判断为故障发生，则开关S1开启；当定子电压Us等于定子额定电压时，则延迟一定时间再判断Uca＝Ucb＝0或Uca＝Ucc＝0或Ucb＝Ucc＝0是否成立，若是，进而将开关S1闭合。本发明解决DFIG低电压穿越稳定可控和提供无功恢复电网电压的问题，同时转子串阻容装置的成本很低，有很好的实用性。

主权项：1.一种基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置，包括依次相连接的滤波电感、网侧变流器、转子侧变流器和双馈风力发电机，其特征在于，在所述转子侧变流器与所述双馈风力发电机之间串联有阻容装置，所述阻容装置的结构为：电容C、电阻R0的串联支路与开关S1支路相并联；其中，开关S1的两端分别为所述阻容装置与外部相连接的连接端；所述电容C的取值范围为：0.13mF≤C≤1.21mF，所述电阻R0的取值范围为：0.038Ω≤R0≤0.14Ω；当定子电压Us小于设定的定子额定电压时，判断为故障发生，则开关S1开启；当定子电压Us等于定子额定电压时，则延迟一定时间再判断Uca＝Ucb＝0或Uca＝Ucc＝0或Ucb＝Ucc＝0是否成立，若是，进而将开关S1闭合，其中，Uca、Ucb、Ucc为电容三相电压。

全文数据：基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置技术领域[0001]本发明涉及双馈风机控制领域，特别是一种基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置。背景技术[0002]双馈风力发电机的定子与电网直接相连，电网产生的故障将直接作用到机组本身。当电网因故障出现电压突降时，发电机定、转子磁链会出现暂态分量，进而在转子侧感应出较大的电动势。当转子侧感应电动势超过转子侧变流器的电压控制范围时，将导致转子过电流，严重时可能造成变流器和电机的损坏，甚至导致风机脱网。因此转子侧短路电流和转子侧电压常作为评价双馈式风力发电系统低电压穿越（lowvoltageridethrough，LVRT能力的重要指标。[0003]目前国内外学者对LVRT能力的优化研究主要分为两类:一是优化控制方法，发挥变流器控制的最大能力;二是加入硬件电路，保护变流器、电机等关键部件，使机组不脱网。现有技术中都是基于三相对称故障下，强调控制方法对转子电流的抑制效果，对不对称的故障和母线直流电压的关注度不够。但考虑到实际发生的电力系统故障，不对称故障发生的更加频繁，危害更加严重。[0004]上述两类LVRT能力优化的方法，在实际运用中，第二类中增加Crowbar保护电路并配合有效的控制方法是目前比较合理的方法。例如，电网故障中通过对Crowbar电路切除时刻进行优化，提高了双馈异步电机的LVRT能力;通过在定子侧串联阻抗元件LVRT能力进行优化。它们都是以Crowbar电路为基础进行优化，依然不能完全摆脱Crowbar电路故障期间不可控和吸收无功不利于电压恢复这两个主要问题。也有使用转子串联电阻和直流侧卸荷电路协调控制的故障穿越方法，摆脱了Crowbar电路故障期间不可控和不利于电压恢复的问题，但是并未考虑电网不对称故障这一常发生的情况。或者通过转子串联电容限制转子电压，进而抑制转子过电流的故障穿越方案，优化LVRT能力，但未对转子串联电容的原理进行详细论证，并且对转子过电流的关注度不够。[0005]总之，目前没有采用转子侧串联电阻和电容改善DFIGdoublyfedinductiongenerator，双馈风力发电机低电压穿越稳定可控的措施;采用的针对DFIG低电压穿越的装置大多数为撬棒电路装置，此装置在故障时存在不可控和不能提供无功快速恢复电网电压的缺点，同时其他装置如串联网侧变换器或加无功补偿器等虽然能在故障中摆脱不可控和不能提供无功，但添加这些装置等投入成本很大，阻碍了这些装置的实用性。发明内容[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置，采用了转子侧串电阻和电容的新装置实现DFIG低电压穿越稳定可控措施，基于电网电压发生不对称故障时DFIG低电压穿越的可控措施，基于电网电压发生不对称故障时DFIG低电压穿越的恢复电网电压措施，实现方便，只需要对转子侧增加阻容装置并加以控制即可。[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：[0008]—种基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置，包括依次相连接的滤波电感、网测变流器、转子侧变流器和双馈风力发电机，在所述转子侧变流器与所述双馈风力发电机之间串联有阻容装置，所述阻容装置的结构为:电容C、电阻Ro的串联支路与开关S1支路相并联;其中，开关S1的两端分别为所述阻容装置与外部相连接的连接端;所述电容C的取值范围为:〇.13mF彡C彡1.21mF，所述电阻Ro的取值范围为:0.038Ω彡Rq彡0.14Ω;当定子电压Us小于设定的定子额定电压时，判断为故障发生，则开开启；当定子电压Us等于定子额定电压时，贝1J延迟一定时间再判断Uca=Ucb=O或Uca=Ucc=O或Ucb=Ucc=O是否成立，若是，进而将开关S1闭合，其中，Uca、Ucb、UCC为电容三相电压。[0009]进一步的，当定子电压Us小于设定的定子额定电压的85%时，判断为故障发生。[0010]进一步的，延迟的时间为15ms。[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:能够在定子电压发生不对称故障时，通过转子串阻容装置，解决DFIG低电压穿越稳定可控和提供无功恢复电网电压的问题，同时转子串阻容装置的成本很低，有很好的实用性。实现方便，只需要对转子侧增加阻容装置并加以控制即可实现。2、实用性高，本发明装置比其他装置如串联网侧变换器或加无功补偿器等装置实现故障期间可控及有效恢复电网电压的成本更低，易于推广应用。附图说明[0012]图1是故障后转子等效电路。[0013]图2是不对称故障时转子开路电压幅值图之一:单相接地故障，t=Ts4。[0014]图3是不对称故障时转子开路电压幅值图之二:单相接地故障，t=Ts2。[0015]图4是不对称故障时转子开路电压幅值图之三:两相故障，V=Ts4。[0016]图5是不对称故障时转子开路电压幅值图之四：两相故障，t=Ts2。[0017]图6是不对称故障时转子开路电压幅值图之五:两相接地故障，t=Ts4。[0018]图7是不对称故障时转子开路电压幅值图之六:两相接地故障，t=Ts2。[0019]图8是转子等效叠加电路。[0020]图9是本发明中转子串阻容方法控制过程示意图。[0021]图10是故障发生时控制逻辑框图。[0022]图11是故障清除时控制逻辑框图。[0023]图12是转子串阻容的双馈风机主电路图。具体实施方式[0024]下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0025]为了理解转子绕组串阻容对DFIG低电压穿越能力的影响，首先需要分析转子动态数学模型。为了方便分析，建模时作以下假设：1三相参数对称;2气隙均匀，三相磁通为正弦；3忽略磁路饱和效应、集肤效应和热阻效应。双馈发电机的电压方程和磁链方程为式⑴-⑷所示：[0030]由⑶、⑷消去定子电流，可得：[0032]将式⑸代入式⑵中消去转子磁通，可得：[0035]变换到转子坐标系，得[0037]式中：Lm为励磁电感;Ls、Lr分别为定子、转子全电感；^、1]^分别为定转子电流和磁链;σ为漏感系数;t〇，忽略定子电阻，定子磁通可表示为：[0047]式中：山、1]2分别为定子电压幅值的正序、负序分量;Itsdc为磁链初始直流分量的幅值，大小由故障发生时刻tit-to决定，其值由磁链守恒定律可知π为定子时间常数。[0048]将式（10中的定子磁通各序分量代入式（1和式7消去定子各序磁通，可求出不对称故障时转子开路电压：[0050]单相故障接地时，假设a相电压下降幅度为1，由对称分量法可知：[0052]式中：s为转差率;Us为定子电压幅值;α=βπ3。由式（10磁链守恒定律可知，当t=2K-1·1'34，1=0，1，2...时，以七=1'34，为例，11^为最大，即：[0054]将式（12、（13代入式（I1，可得：[0056]通常DFIG运行时，转差率s的范围为-0.2〜0.2,因此由上式可以看出，转子电压的负序分量和直流分量要比正序分量大很多，所以在不对称故障中，负序分量和直流分量是影响转子开路电压的主要因素。[0057]当t=to时，可得转子开路电压峰值为：[0059]当V=KIV^J=O,1，2···时，以V=TsA为例，itsdc为最小，即：[0061]将式12、（16代入式11，可得：[0063]当t=to时，可得转子开路电压峰值为：[0065]同理分析，可知两相故障和两相故障接地分别在ν=Τ84，Τ82时的开路电压幅值，如表1所示。[0066]由三种不对称故障时转子开路电压幅值表达式可以看出，转子开路电压是关于转差率s和电压下降幅度1的函数，这是影响转子过电压、过电流的直接因素。忽略定子漏感，得到不同故障时刻的不对称故障转子开路电压幅值如图2至图7所示。[0067]表1不对称故障时转子开路电压幅值[0069]表2转子开路电压各序分量值[0070][0071]可知，1当故障时刻发生在t’=Ts4时，单相故障的2出现最大值，当故障时刻发生在t’=Ts2时，两相故障和两相接地故障的。2出现最大值;2DFIG运行在超同步状态时，。2出现最大值，并且随着转差率和下降深度的增加，。2逐渐增大;3当转差率和下降深度一定时，W=最大的是两相故障（即此时过电压最严重），其次为两相接地故障和单相故障，当8=-0.2，1=1时其值达到最大，分别为2.41^、2仏、1.71^。0?16正常工作时，转子电压要受到转子变流器在故障时所能提供的最大电压、最大电流和转子侧绝缘能力的约束，而转子变流器所能提供的最大电压约为1.3US，远远不能满足故障时的需求。因此，必须要采取方法使转子开路电压下降到可约束范围之内，DFIG才能稳定工作。[0072]取转差率和电压降落深度为最大值s=-0.2,1=1，由式（14、（17可得转子开路电压各序分量如表2所示。[0073]由表2可以看出，在三种不同类型的故障中，不论故障发生时刻，转子开路电压的负序分量都要比正序分量大5倍以上，当发生不同类型的两相短路时甚至达到了10倍以上。而在故障发生时刻，定子磁通直流分量值$sd。处于最大时，转子开路电压直流分量将比正序分量大6倍以上，当发生不同类型的两相短路时甚至超过了12倍。所以在不对称故障中，负序分量和直流分量是影响转子开路电压的主要因素，因此需要减小转子开路电压的负序分量、直流分量。[0074]转子电流暂态特性[0075]同样以单相短路故障为例，当t’=Ts4时，由式（14可知，转子开路电压由三种不同频率的电压组成：以Sfs频率旋转的正序分量、以（2-sfs频率反向旋转的负序分量和以1-sfs频率旋转的衰减直流分量。[0079]因此，故障后转子电流可表示为[0081]定义4分别为故障前、后转子侧变流器提供的电压。[0082]根据叠加定理，可将转子电流等效为转子电压强制分量包括转子电压正序分量、负序分量和直流分量的激励之和，如图8所示。[0083]故障前，转子电流稳态值为[0085]故障后，由转子侧变流器作用产生的转子电流稳态分量为[0087]转子开路电压正序分量作用产生的转子电流稳态分量为[0089]转子开路电压负序分量作用产生的转子电流稳态分量为[0091]转子开路电压直流分量作用产生的转子电流暂态分量为[0093]根据守恒定律，可得转子电流直流分量为[0095]综上，故障后转子瞬态全电流为[0097]当V=Ts2时，由式（17可知，转子开路电压由两种不同频率的电压组成：以Sfs频率旋转的正序分量、以（2-sfs频率反向旋转的负序分量。[0098]同理可知，故障后转子瞬态全电流为[0100]由式（29、（30及表2可知，当发生不同类型不对称故障时，只是转子电压序分量值改变，对转子各序阻抗无影响。因此，发生不同类型的不对称故障时，转子瞬时电流的大小主要受转子等效电抗、电阻和转子电压各序分量的影响。而通过转子串阻容的方法优化后，增大了转子阻抗，减小了转子电压的各序分量，进而抑制了转子过电流。并且可知，当V=Ts4时，故障后转子电流最大，即转子开路电压和转子电流的最大值同时出现，因此，故障时可以同时投入电容和电阻。[0101]通过上述的分析，采用转子串阻容的方法可提升DFIG的低电压穿越能力。下面将从电阻和电容参数确定及控制方法方面对DFIG的低电压穿越能力进行具体的优化。[0102]电阻和电容值的确定[0103]1电容值的确定[0104]电容值的选取应遵循两方面的约束条件:一是所串电容值要确保有足够的容量吸收故障时产生的能量，降低转子开路电压，保证转子电压在变流器能承受的范围内，限制转子过电流，并且留出一定裕量抵消串电阻而产生的电压;二是电容电压最小时，也要能吸收完故障时转子侧产生的能量。因此，电容所能吸收的能量为：[0106]式中:Pbase3SDFIG额定功率;^为投入电容后充电时间。[0107]由式（29知，转子电流包含频率为Sfs的稳态分量和正序分量、（2-8匕的负序分量、（Ι-s匕的直流分量和强迫分量。为了确保电容有足够的容量吸收故障时产生的能量，假设以上四个不同频率的电流分量都在同时向电容充电，则电容在一个周期内最大可能充电时间为[0109]由条件二知，当^,=【,^时，电容电压最小。由以上两个约束条件可得，当电网不对称故障最严重，即转子开路电压最大时vmin=0,S=-0.2，所以所需的电容容量为：[0111]计算可得电容C=O.005pu。[0112]同理，当电网发生轻度不对称故障时Vmin=O.85，s=0.2，所需电容容量为C=0.026pu，所以电容范围为0.005pu彡C彡0.026pu。[0113]2电阻值的确定[0114]由同时优化转子电流和电压的矛盾可知，电阻值的选取应遵循二方面的约束条件:一是串联电阻的阻值应该足够大，在电网发生故障时能使转子电流显著下降，使之在转子变流器允许的2倍额定电流Ire3范围内；二是串联电阻的阻值不能太大，以免增大转子电压，使之超出变流器的安全余量。[0115]考虑最严重的情况，即发生两相短路时，由式30可知，转子电流最大值表达式为[0117]又有约束条件一和约束条件二，即[0119]可求得电阻值R。，计算可得0.053puRo0.17pu。[0120]考虑到首要因素是显著降低转子电流，并且电阻最大值是在变流器安全裕量下计算得出，因此选择Ro=O.17pu为最优电阻值。[0121]图9表示的是转子串阻容方法控制方法图。该控制方法由三部分组成：电压过零检测模块，故障检测模块和故障清除检测模块。[0122]根据我国的低电压穿越要求，当电压的下降超过15%时，故障检测模块激活。当检测到故障清除时，故障清除模块起作用，并且有几十毫秒的延迟（以避免故障恢复时的二次冲击），在这期间持续有效。[0123]DFIG正常运行时，电容不接入电路，并且电容上的电压为零。一旦出现电压骤降超过15%时，故障检测模块起作用。通过输出有效信号，控制阻容装置的开关，使转子侧串联电容和电阻。[0124]故障清除时，故障清除检测模块发出有效信号，同时由于故障清除后，也有瞬时过电流的出现，因此发出断开信号延时几十毫秒。当电容电压过零检测模块和故障清除检测模块同时发出有效信号时，电容和电阻将被断开。

权利要求：1.一种基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置，包括依次相连接的滤波电感、网测变流器、转子侧变流器和双馈风力发电机，其特征在于，在所述转子侧变流器与所述双馈风力发电机之间串联有阻容装置，所述阻容装置的结构为：电容C、电阻Ro的串联支路与开关S1支路相并联;其中，开关两端分别为所述阻容装置与外部相连接的连接端;所述电容C的取值范围为:0.13mFCS1.2ImF，所述电阻R0的取值范围为:〇·〇38Ω彡Rq彡0.14Ω;当定子电压Us小于设定的定子额定电压时，判断为故障发生，则开关Si开启；当定子电压Us等于定子额定电压时，则延迟一定时间再判断Uca=Ucb=O或Uca=Ucc=O或Ucb=Ucc=〇是否成立，若是，进而将开关S1闭合，其中，Uca、Ucb、UCC为电容三相电压。2.如权利要求1所述的基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置，其特征在于，当定子电压Us小于设定的定子额定电压的85%时，判断为故障发生。3.如权利要求1所述的基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化装置，其特征在于，延迟的时间为15ms。

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