[发明专利]一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法

权利要求书

1.一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，为避免电网电压跌落导致双馈风力发电机组脱网运行，其特征在于：按照以下步骤进行：

S1：分析电网电压跌落起始至故障切除后双馈风力发电机组暂态全过程；

电网电压跌落起始至故障切除后，双馈风力发电机组暂态全过程具体分析推导过程如下：

忽略磁饱和现象后双馈风电机在αβ坐标系下的定转子电压和磁链方程为

其中，u_s、i_s、ψ_s、R_s、L_s是风电机定子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；u_r、i_r、ψ_r、R_r、L_r是风电机转子侧的相关参数，从左到右依次为电压、电流、磁链、电阻和电感；L_m是定子绕组与转子绕组间的互感；ω_r是转子转动角速度；

将式(2)代入式(1)得转子电压方程为

其中，

由式(4)知，定子磁链ψ_s暂态变化会在转子侧感应出反电动势E_r，其与转子电流i_r密切相关；

假设在t＝0时，风电系统受外部不利影响作用发生电网电压跌落，t＝t₁时该作用消失，此期间的定子电压u_s变化过程表达式为

其中，u_g是电网电压，d是电网电压跌落幅度；ω₁是风电机同步转动角速度；

考虑到风电场装设的风电机单台容量一般都是兆瓦级，其定子电阻R_s值很小，分析定子磁链暂态过程时能忽略，由式(1)中定子电压方程得定子磁链方程为

风电机组暂态全过程主要是分析电磁暂态过程，包括电网电压跌落瞬间和不利因素排除后电压恢复的过渡过程，考虑到定子磁链ψ_s是逐渐衰减的，能将ψ_s看成包含稳态分量ψ_sf和暂态衰减分量ψ_sn，稳态分量ψ_sf随当前电网电压的变化而变化，以同步角速度ω₁转动，由式(5)、式(6)得风电机定子磁链稳态分量ψ_sf为

定子磁链是逐渐衰减的，稳态分量ψ_sf幅值与电网电压成正比，知定子磁链暂态分量ψ_sn是随时间变化并逐渐衰减的，应用换路原理ψ_s(t_-)＝ψ_s(t₊)，得定子磁链暂态分量ψ_sn为

其中，τ_s是衰减时间常数，

根据式(7)、式(8)得定子磁链ψ_s暂态全过程表达式为

由式(8)知，t＝t₁时故障消失后定子磁链暂态分量ψ_sn的幅值是逐渐衰减的，其幅值大小不仅与电压跌落幅度d相关，还与时刻t₁密切相关，当t＝t₁时，ψ_sn取得最大值

由于风电机在电压跌落期间会产生内部损耗，暂态分量ψ_sn随时间是振荡衰减的，故在振荡初始时其幅值能够取到最大值与最小值，根据式(10)知，在t₁＝0.5T＝0.01s时ψ_sn幅值最大，T为同步周期，即T＝0.02s，即定子磁链振荡幅值也大；在t₁＝T＝0.02s时ψ_sn幅值最小，即定子磁链振荡幅值也小；

S2：改变网侧变换器控制方法，在电压跌落期间改变其工作方式，运行在非单位功率因数模式下，向系统提供一定无功支撑，以无功补偿模式调节网侧的输出无功，帮助系统故障电压恢复；

S3：改进转子侧变换器控制方法，考虑电压跌落期间定子磁链的暂态特性，转子侧变换器在传统矢量控制方法的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，电压跌落期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助系统电压的恢复；

在设计转子侧变换器时考虑到电压跌落期间定子磁链的暂态特性，在传统矢量控制策略的基础上增加由电压跌落引起的定子磁链变化项，主要是针对机组转子电压数学表达式处理上，推导得到电压跌落时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程，在电压恢复期间及故障切除后抑制直流侧过电压和转子侧过电流以帮助电网电压的恢复，具体分析过程如下：

(1)双馈风电机组dq旋转坐标系下的数学模型

对风电机在电网电压跌落起始至故障切除后的暂态全过程进行了分析推导，将式(1)与式(2)定转子电压和磁链方程进行坐标变换得如下方程：

定子电压方程

转子电压方程

定、转子磁链方程

(2)转子侧矢量控制方法

发生电网电压跌落现象时，由于风电机定子绕组与转子绕组之间存在互感，使得定子磁链的暂态过渡过程要同时受自身电磁特性和转子侧变换器施加的励磁电压影响，为抑制在发生电网电压跌落时风电机的转子电流过大，推导转子侧转换器控制策略时不能忽略定子磁链的暂态过程，且定子磁链是逐渐衰减的；

在基于定子磁链定向的传统矢量控制方法中，相关参数均已由abc静止坐标系经派克变换转换到dq0旋转坐标系下，此时规定定子磁链保持恒定并与d轴完全重合，即认为定子磁链的微分项可是，在发生电网电压跌落现象时，由前面对风电机暂态全过程分析知，定子磁链ψ_s包含稳态分量ψ_sf和暂态分量ψ_sn，因暂态分量ψ_sn是振荡衰减的，导致定子磁链矢量不能精确定向在d轴上且电子磁链的微分项

根据式(15)得定子电流表达式

将式(17)代入式(13)得定子电压表达式

将式(17)代入式(16)得转子侧磁链表达式

将式(19)代入式(14)得转子电压表达式

通过列写数学表达式对风电机的暂态过渡过程进行理论分析，推导得到在系统发生电压跌落现象时没有进行任何近似省略情况下的转子电压方程，由式(20)能够设计出改进的矢量控制器，其中Δu_dr、Δu_qr为交叉耦合项；

风电机向系统输送无功的大小受转子电流d轴分量控制，同样对转子电流q轴分量调节能够控制风电机电磁转矩的大小，因此，转子电流d、q轴分量参考值分别为

S4：在Matlab/Simulink上建立仿真模型，对双馈风力发电机组的运行特性进行分析，验证S2和S3中所述控制方法的有效性，二者相结合的矢量控制方法在电网电压跌落时，一方面向系统增发无功能有效缩短电网电压恢复时间，另一方面引入定子磁链变化项降低了转子侧电流幅值且抑制了直流侧电压过高，增强了风电机组的低电压穿越能力。

2.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组无功补偿和矢量控制方法，其特征在于：S2中，改变网侧变换器控制方法，在电压跌落期间改变其工作方式，运行在非单位功率因数模式下，是采用在设计网侧变换器时将STATCOM与网侧变换器的电路结构相结合，当电压跌落时切换为无功补偿运行模式，即工作在非单位功率因数模式下，检测并网点处无功分量然后馈送到变换器输入端，实时调节变换器输出无功，向系统提供一定的无功以帮助电网电压的恢复；其具体分析过程如下：

在电压跌落暂态过程中，为分析STATCOM的工作方式，认为此期间其仅存在吸收或者发出无功的状态，设P＝0,δ＝0，此时有

其中，u₁是电网侧的线电压；u₂是STATCOM交流侧的线电压；X是电网与相连STATCOM之间的等效电抗，u₂、X的值均已折算到电网侧；

由式(11)知，当u₂＜u₁时，Q＞0，此时STATCOM从电网吸收无功功率；反之，当u₂＞u₁时，Q＜0，此时STATCOM向电网发出无功功率，因此，STATCOM吸收或者发出无功取决于所连电网的运行状态，其工作方式根据电网功率流动方向进行改变；

STATCOM控制电路中直流侧有一直流电容C。