本發(fā)明涉及雙饋感應(yīng)發(fā)電機的控制方法，尤其是一種雙饋感應(yīng)發(fā)電機低電壓穿越控制方法。

背景技術(shù)：

隨著風電滲透率的不斷增加，大量機組從電網(wǎng)切出會導致電網(wǎng)有功功率和無功功率的嚴重不平衡，由此帶來的擾動會使整個電網(wǎng)穩(wěn)定性變差，嚴重時會由單一的故障發(fā)展為多重故障。因此，風電并網(wǎng)準則要求，當電網(wǎng)電壓驟降時，風電機組需保持并網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)提供一定的無功支撐，幫助電網(wǎng)電壓抬升進而幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)；同時，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，風電機組要能夠迅速恢復(fù)到正常運行狀態(tài)，并向電網(wǎng)輸出有功功率，從而“穿越”電網(wǎng)的低電壓區(qū)域。

風電市場中，雙饋型風電機組是主力機型之一，相比于直驅(qū)機型，由于雙饋電機并網(wǎng)時定子直接連接電網(wǎng)，其低電壓穿越控制相對復(fù)雜。

當電網(wǎng)因短路故障導致定子電壓跌落時，由于電機磁鏈不能突變，此時定子磁鏈進入暫態(tài)過渡過程。若將定子磁鏈按照定子電壓角頻率進行定向分解，則在該旋轉(zhuǎn)坐標系下，定子磁鏈暫態(tài)特性表現(xiàn)為持續(xù)較長時間的振蕩衰減，該振蕩磁鏈通過電機氣隙磁場在定轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，隨著電壓跌落深度的增大，定子磁鏈振蕩幅度也相應(yīng)變大，感應(yīng)電動勢也隨之增大，并在電機定轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生大電流，嚴重時將導致風電機組因為過流保護而停機脫網(wǎng)。

目前，雙饋風電機組大都采用了基于撬棒(Crowbar)電路的低電壓穿越方案。當電網(wǎng)電壓跌落時，通過Crowbar電路將轉(zhuǎn)子變流器旁路，電機轉(zhuǎn)子通過Crowbar電阻短接，定轉(zhuǎn)子電流迅速減小，直到轉(zhuǎn)子電流減小到可控范圍后，恢復(fù)轉(zhuǎn)子變流器控制并控制轉(zhuǎn)子電壓向電網(wǎng)發(fā)無功功率。然而，切入Crowbar電路容易引起機組并網(wǎng)點吸無功功率，對電網(wǎng)電壓恢復(fù)產(chǎn)生不利影響；同時，由于定子磁鏈的欠阻尼特性，使得定子磁鏈的振蕩衰減過程較長，采用傳統(tǒng)的基于定子電壓定向的矢量控制算法時很難較好的完成定轉(zhuǎn)子電流在低電壓穿越過程中的控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有雙饋感應(yīng)發(fā)電機低電壓穿越控制方法的定子磁鏈去磁過程過長、控制特性較差的不足，本發(fā)明提供一種加快定子磁鏈去磁過程、改善機組在低電壓穿越過程中的控制特性的改進的雙饋感應(yīng)發(fā)電機低電壓穿越控制方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種改進的雙饋感應(yīng)發(fā)電機低電壓穿越控制方法，所述雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子和電網(wǎng)之間加入定子阻尼電阻投切裝置，所述定子阻尼電阻投切裝置由雙向晶閘管和阻尼電阻并聯(lián)實現(xiàn)；正常并網(wǎng)運行時，驅(qū)動雙向晶閘管導通，定子電流通過晶閘管注入電網(wǎng)；當電網(wǎng)電壓跌落時，晶閘管斷開，定子側(cè)通過阻尼電阻并網(wǎng)；采用正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的轉(zhuǎn)子電流環(huán)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流環(huán)控制器。

進一步，所述定子阻尼電阻投切裝置中，按設(shè)定的定子磁鏈衰減時間常數(shù)，選取所述定子電阻R_sd的大小，公式為：

其中，τ_s為設(shè)計的定子磁鏈衰減時間常數(shù)，R_s為電機定子繞組電阻，L_m為電機勵磁電感，L_s為電機定子電感，L_r為電機轉(zhuǎn)子電感。

再進一步，所述轉(zhuǎn)子電流環(huán)中，在定子正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，采用比例積分控制器和比例諧振控制器并聯(lián)的方式，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子正負序電流的控制；

控制器G_controller(s)設(shè)計公式為：

其中，k_p1,k_i1為比例積分控制器參數(shù)，k_p2,k_i2為比例諧振控制器參數(shù)，ω₁為定子電壓旋轉(zhuǎn)角頻率。

更進一步，在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系的電流環(huán)比例積分調(diào)節(jié)器上并聯(lián)接入比例諧振調(diào)節(jié)器，并將諧振頻率設(shè)計為正序電壓頻率的2倍，用于控制轉(zhuǎn)子電流中的負序分量。

采用改進的轉(zhuǎn)子前饋電壓算法，在兩相靜止坐標系下對轉(zhuǎn)子電壓進行補償，改善轉(zhuǎn)子電流的控制特性；

改進的前饋電壓Δu_{r_α},Δu_{r_β}，采用兩相靜止(αβ)坐標系下的定子電壓u_{s_α}，u_{s_β}，定子電流i_{s_α}，i_{s_β}，轉(zhuǎn)子電流i_{r_α}，i_{r_β}和電機旋轉(zhuǎn)角頻率ω_r計算得到

其中，L_m為電機勵磁電感，L_s為電機定子電感，為αβ坐標系下的定子磁鏈，其計算公式為：

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：當電網(wǎng)短路故障導致定子電壓跌落時，通過對定子磁鏈的暫態(tài)分析可知，為了加快低電壓穿越期間定子振蕩磁鏈的衰減速度，在電機定子側(cè)串接一個可投切的阻尼電阻，該裝置由雙向晶閘管和阻尼電阻并聯(lián)實現(xiàn)。正常并網(wǎng)運行時，驅(qū)動雙向晶閘管導通，定子電流通過晶閘管注入電網(wǎng)；當電網(wǎng)電壓跌落時，晶閘管斷開，定子側(cè)通過阻尼電阻并網(wǎng)。

分析可知，定子磁鏈暫態(tài)時間常數(shù)為：

其中，在低電壓穿越期間，R′_s＝R_s+R_sd為電機定子電阻和定子阻尼電阻之和。

設(shè)定適當?shù)乃p時間常數(shù)后可得所需的R′_s值，進而得到所需的阻尼電阻參數(shù)。

當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大值跌落時，為了保護轉(zhuǎn)子變流器，通常使用Crowbar電路將其旁路，待Crowbar切出后，轉(zhuǎn)子電流控制器需要調(diào)整電流給定以滿足向電網(wǎng)注入無功的要求。然而，Crowbar切入期間，經(jīng)過短時間的放電去磁過程后，定子磁鏈雖然已經(jīng)減小到較小值，但其振蕩衰減過程仍未結(jié)束，繞組中的感應(yīng)電動勢仍然較大。此時，采用傳統(tǒng)的定子電壓定向的矢量控制算法時，受制于轉(zhuǎn)子電流環(huán)控制器有限的控制能力，定轉(zhuǎn)子電流中將含有大量的諧波分量，嚴重時將導致轉(zhuǎn)子變流器過流保護進而導致機組低電壓穿越失敗。

若在轉(zhuǎn)子控制電壓中加入與該感應(yīng)電動勢反向的前饋電壓，則可有效改善對定轉(zhuǎn)子電流的控制。因此，采用定子磁鏈觀測的方法對轉(zhuǎn)子前饋電壓算法進行優(yōu)化改進。

傳統(tǒng)的基于定子電壓定向的轉(zhuǎn)子電壓控制算法可表示為：

其中，k_p,k_i為轉(zhuǎn)子電流環(huán)比例積分(PI)調(diào)節(jié)器參數(shù)，Δi_rd,Δi_rq為dq軸轉(zhuǎn)子電流誤差，i_rd,i_rq為dq軸轉(zhuǎn)子電流，L_e為轉(zhuǎn)子等效電感，L_m為勵磁電感，L_s為定子電感，L_r為轉(zhuǎn)子電感，ω_s為轉(zhuǎn)差頻率，ω₁為電網(wǎng)電壓角頻率，u_s為定子正序電壓峰值。

式(1)所示轉(zhuǎn)子電壓控制算法中的電壓前饋項忽略了定子磁鏈動態(tài)過程對控制性能的影響。為此，采用定子磁鏈觀測的方法，得到改進的轉(zhuǎn)子電壓控制算法為：

其中，Δu_rα,Δu_rβ為改進的轉(zhuǎn)子電壓前饋項，結(jié)合電壓方程可得

式(3)定子磁鏈的觀測可由定子磁鏈方程得到，為了避免鎖相環(huán)動態(tài)過程對前饋電壓的影響，采用兩相靜止(αβ)坐標系下的電量計算該前饋電壓。

當電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱故障時，定子電壓將含有負序分量。此時，若分別按照正負序分離定向的方法對轉(zhuǎn)子電流的正負序分量進行控制，則所需計算量大，轉(zhuǎn)子電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜；為此，將轉(zhuǎn)子電流環(huán)設(shè)計為：在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系的電流環(huán)比例積分調(diào)節(jié)器上并聯(lián)接入比例諧振調(diào)節(jié)器，并將諧振頻率設(shè)計為正序電壓頻率的2倍，用于控制轉(zhuǎn)子電流中的負序分量。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、低電壓穿越期間，定子接入阻尼電阻，加快定子磁鏈的去磁過程，改善了機組在低電壓穿越過程中的控制特性。2、轉(zhuǎn)子電流環(huán)路的設(shè)計考慮了電網(wǎng)電壓負序分量，將電流環(huán)控制器設(shè)計為比例積分控制器和比例諧振控制器并聯(lián)的方式，使得在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系下完成對負序分量的控制，避免了對轉(zhuǎn)子電流進行正負序分離的運算，簡化了算法程序；3、改進的轉(zhuǎn)子電壓前饋算法，考慮了定子磁鏈的動態(tài)過程，同時避免了鎖相環(huán)動態(tài)過程對前饋電壓的影響，大大提高控制精度。

附圖說明

圖1是改進的雙饋感應(yīng)電機低電壓穿越控制框圖。

圖2是轉(zhuǎn)子電流環(huán)控制框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1和圖2，一種改進的雙饋感應(yīng)發(fā)電機低電壓穿越控制方法，所述雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子和電網(wǎng)之間加入定子阻尼電阻投切裝置，所述定子阻尼電阻投切裝置由雙向晶閘管和阻尼電阻并聯(lián)實現(xiàn)；正常并網(wǎng)運行時，驅(qū)動雙向晶閘管導通，定子電流通過晶閘管注入電網(wǎng)；當電網(wǎng)電壓跌落時，晶閘管斷開，定子側(cè)通過阻尼電阻并網(wǎng)；

采用正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的轉(zhuǎn)子電流環(huán)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流環(huán)控制器。

進一步，所述定子阻尼電阻投切裝置中，按設(shè)定的定子磁鏈衰減時間常數(shù)，選取所述定子電阻R_sd的大小，公式為：

其中，τ_s為設(shè)計的定子磁鏈衰減時間常數(shù)，R_s為電機定子繞組電阻，L_m為電機勵磁電感，L_s為電機定子電感，L_r為電機轉(zhuǎn)子電感。

再進一步，所述轉(zhuǎn)子電流環(huán)中，在定子正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，采用比例積分控制器和比例諧振控制器并聯(lián)的方式，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子正負序電流的控制；

控制器G_controller(s)設(shè)計公式為：

其中，k_p1,k_i1為比例積分控制器參數(shù)，k_p2,k_i2為比例諧振控制器參數(shù)，ω₁為定子電壓旋轉(zhuǎn)角頻率。

更進一步，在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系的電流環(huán)比例積分調(diào)節(jié)器上并聯(lián)接入比例諧振調(diào)節(jié)器，并將諧振頻率設(shè)計為正序電壓頻率的2倍，用于控制轉(zhuǎn)子電流中的負序分量。

采用改進的轉(zhuǎn)子前饋電壓算法，在兩相靜止坐標系下對轉(zhuǎn)子電壓進行補償，改善轉(zhuǎn)子電流的控制特性；

改進的前饋電壓Δu_{r_α},Δu_{r_β}，采用兩相靜止(αβ)坐標系下的定子電壓u_{s_α}，u_{s_β}，定子電流i_{s_α}，i_{s_β}，轉(zhuǎn)子電流i_{r_α}，i_{r_β}和電機旋轉(zhuǎn)角頻率ω_r計算得到

其中，L_m為電機勵磁電感，L_s為電機定子電感，為αβ坐標系下的定子磁鏈，其計算公式為：

圖1改進的雙饋感應(yīng)電機低電壓穿越控制框圖中，雙饋感應(yīng)電機低電壓穿越控制系統(tǒng)，包括三相電網(wǎng)100、雙饋電機101、變流器102、定子阻尼電阻投切裝置103、鎖相環(huán)104、定子電壓電流clarke變換單元105、定子有功功率/無功功率計算單元106、轉(zhuǎn)子電流clarke/park變換單元107、功率外環(huán)108、轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)109、轉(zhuǎn)子前饋電壓計算單元110、SVPWM調(diào)制計算單元111、Crowbar電路112。

三相電網(wǎng)100是電網(wǎng)35KV母線經(jīng)35KV/690V變壓器后的三相交流電源。雙饋感應(yīng)發(fā)電機101的轉(zhuǎn)子繞組接變流器102的轉(zhuǎn)子變流器，定子繞組通過定子電阻投切裝置103接三相電網(wǎng)100，三相電網(wǎng)100同時接變流器102的網(wǎng)側(cè)變流器。

定子阻尼電阻投切裝置103中阻尼電阻的設(shè)計公式為：

其中，τ_s為設(shè)計的定子磁鏈衰減時間常數(shù)。

PLL鎖相環(huán)104對雙饋感應(yīng)電機101定子電壓進行鎖相跟蹤，得到電網(wǎng)正序電壓旋轉(zhuǎn)角頻率ω₁，減去電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ω_r后得到轉(zhuǎn)差角頻率和角度θ_r。

定子電壓/電流clarke變換單元105將采樣得到的三相定子電壓和定子電流通過坐標變換得到到兩相靜止(αβ)坐標系中兩相電壓和電流值u_{s_α},u_{s_β}及i_{s_α},i_{s_β}。

定子有功功率/無功功率計算單元106利用定子電壓/電流clarke105得到的電壓電流值，實時計算定子有功功率和無功功率，計算式為：

轉(zhuǎn)子電流clarke/park變換單元107將采樣得到的三相轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過clarke變換到兩相靜止坐標系下得到兩相轉(zhuǎn)子電流i_{r_α},i_{r_β}，結(jié)合PLL鎖相環(huán)104得到的轉(zhuǎn)差角度θ_r，利用park變換將轉(zhuǎn)子電流變換到正序同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下，得到dq軸轉(zhuǎn)子電流i_rd,i_rq。

將定子電壓/電流clarke變換單元105得到的定子電壓和定子電流信號及轉(zhuǎn)子電流clarke/park變換單元107得到的轉(zhuǎn)子電流信號傳入轉(zhuǎn)子前饋電壓計算單元110，結(jié)合電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ω_r得到兩相靜止(alpha-beta)坐標系下改進的轉(zhuǎn)子電壓前饋信號Δu_{r_α},Δu_{r_β}，計算式為：

其中，

功率外環(huán)108將功率給定信號P_ref,Q_ref與有功功率/無功功率計算106得到的實時有功功率和無功功率值分別相減后得到定子有功功率和無功功率的誤差信號。

功率外環(huán)108使用比例積分控制器(PI)對定子有功功率和無功功率的誤差信號進行比例積分控制，控制器輸出的信號乘以系數(shù)Ls/Lm后得到轉(zhuǎn)子電流的給定信號，并和轉(zhuǎn)子電流clarke/park變換107得到的轉(zhuǎn)子電流i_rd,i_rq相減得到轉(zhuǎn)子電流誤差。轉(zhuǎn)子電流誤差經(jīng)轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)109控制器controller計算后得到轉(zhuǎn)子控制電壓。

SVPWM調(diào)制計算111將轉(zhuǎn)子控制電壓u_{r_abc}調(diào)制生成PWM調(diào)制信號，通過驅(qū)動電路來控制變流器102的轉(zhuǎn)子變流器中開關(guān)器件的導通。

系統(tǒng)正常并網(wǎng)運行時，功率外環(huán)108輸出作為轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)109給定；當電網(wǎng)電壓大值跌落時，為了保護變流器102中轉(zhuǎn)子變流器不過流，Crowbar電路112將變流器102中轉(zhuǎn)子變流器旁路，使得電機定轉(zhuǎn)子繞組快速放電；待轉(zhuǎn)子電流減小到較小時，切出Crowbar電路，轉(zhuǎn)子變流器恢復(fù)控制，變流器進入低電壓穿越控制狀態(tài)，期間功率外環(huán)108將被屏蔽，只有轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)109工作直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)后再切換到功率外環(huán)控制模式。

圖2轉(zhuǎn)子電流環(huán)控制框圖中，包括電流內(nèi)環(huán)控制器201；轉(zhuǎn)子控制電壓計算單元202；控制器輸出信號處理單元203；轉(zhuǎn)子控制電壓反變換單元204。

轉(zhuǎn)子電流clarke/park變換單元107將轉(zhuǎn)子電流進行坐標變換得到正序同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的轉(zhuǎn)子電流信號i_rd,i_rq，同轉(zhuǎn)子電流給定信號I_{rd_ref},I_{rq_ref}分別相減得到轉(zhuǎn)子電流誤差信號。

電流內(nèi)環(huán)控制器201中，首先對轉(zhuǎn)子電流誤差進行比例積分控制，控制器表達式為：

為了對轉(zhuǎn)子電流負序分量的進行控制，在以上比例積分控制器中并聯(lián)一個比例諧振控制器，并將比例諧振控制器中諧振頻率設(shè)計為正序電壓頻率的2倍，控制器表達式為：

轉(zhuǎn)子電流誤差經(jīng)過比例積分(PI)控制器和比例諧振(PR)控制器后得到轉(zhuǎn)子電壓調(diào)節(jié)信號。

控制器輸出信號處理單元203利用PLL鎖相環(huán)104得到的轉(zhuǎn)差角度θ_r將電流內(nèi)環(huán)控制器201得到的轉(zhuǎn)子電壓調(diào)節(jié)信號變換到兩相靜止坐標系下。

轉(zhuǎn)子控制電壓計算單元202將控制器輸出信號處理單元203得到的信號同轉(zhuǎn)子前饋電壓計算單元110的輸出結(jié)果相加，經(jīng)由轉(zhuǎn)子控制電壓反變換單元205從兩相靜止(αβ)坐標系變換到三相自然坐標系后，得到轉(zhuǎn)子控制電壓u_ra,u_rb,u_rc。根據(jù)以上方法可以有效改善雙饋電機在低電壓穿越過程中的控制特性。