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CN109245177B - 一种基于dfig的双模柔性切换控制方法 - Google Patents

一种基于dfig的双模柔性切换控制方法 Download PDF

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CN109245177B CN201811460659.XA CN201811460659A CN109245177B CN 109245177 B CN109245177 B CN 109245177B CN 201811460659 A CN201811460659 A CN 201811460659A CN 109245177 B CN109245177 B CN 109245177B
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Abstract

本发明提供了一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，通过对环境风速是否高于0.7倍的额定风速进行判断，并采用基于定子磁链定向的矢量控制策略，将模式切换平稳过渡。本发明通过对DFIG与SSC模式之间的双模柔性切换控制，填补了双模控制中动态过程研究的空缺，考虑了模式切换过程时间短、冲击大、影响久等特点，分双向切换机组运行模式进行研究,解决了DFIG在低风速下无法并网运行的问题，特别是位于负荷中心附近、通常环境风速不满足DFIG运行条件的风电场，提高了机组发电效率；另外，本发明只需借助电阻元件及MSC控制即可在提高DFIG发电效率的同时实现两种模式的快速、柔性切换，避免了冲击对电网和机组本身的影响，具有较好的经济性。

Description

一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法
技术领域
本发明涉及风电技术领域，特别是一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法。
背景技术
与全功率型发电机组(FPG)相比，双馈型感应发电机(DFIG)所需变流器容量小、发电机体积小、成本低，因而得到了广泛应用，同时它也存在亟需解决的缺陷——低风速下发电效率较低。近年来，风力发电得到了迅猛发展，但技术的开发多注重于5-6级风电场，而负荷中心附近的风电场的风速通常较低。因而，提高低风速下DFIG的发电效率成为当前风电领域的研究热点。
为提高低风速下DFIG发电效率，诸多学者探究了多种方法，其中通过改变机组结构和控制策略的方法得到了广泛关注，特别是双模控制技术：低风速下将DFIG定子短路使其运行于感应发电机状态。遗憾的是目前该领域的研究主要集中在理论方法的提出，对决定理论能否付诸实际的动态过程的研究较少。
然而模式切换是一个瞬变的过程，具有时间短、冲击大、影响久等特点，若控制或操作不当，将影响模式切换后机组运行的稳定性，极易出现电气量的瞬时冲击，危及电网稳定运行，甚至导致机组损坏。因此，有必要对模式切换过程的操作和控制进行细致研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，旨在解决现有技术中双模控制中模式切换过程中稳定性低、易损坏的问题，实现两种模式的快速、柔性切换，避免冲击对电网和机组造成损害。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1、获取机组运行状态，若机组运行于DFIG模式时，跳转至步骤S2；若机组运行于SSC模式时，跳转至步骤S4；
S2、检测环境风速，判断环境风速是否高于0.7倍的额定风速，若高于则循环执行步骤S2；若不高于则执行步骤S3；
S3、将发电机定子端经三相阻性负载短路，断开与电网的连接，调节机侧变流器控制信号，待定子端相电压有效值降至0.1倍的额定电压，将定子端经无阻性开关直接短路，采用SSC模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略，对MSC缓慢施加控制信号，平稳过渡到SSC模式；
S4、检测环境风速，判断环境风速是否高于0.7倍的额定风速，若不高于则循环执行步骤S4；若高于则执行步骤S5；
S5、将发电机定子端经三相阻性负载接地，调节机侧变流器的控制信号，待定子端相电压有效值升高至0.5倍的额定电压，同时定子端电压与电网电压满足同频同相条件，将发电机定子端与三相阻性负载断开，同时连接电网进行馈电，采用DFIG模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略，对MSC缓慢施加控制信号，平稳过渡到DFIG模式。
优选地，所述0.7倍的额定风速为最佳叶尖速比的风速下限，其计算公式如下：
Figure BDA0001887237150000021
式中，R为风轮半径，nmin为DFIG允许的运行转速下限，λopt为风力机最佳叶尖速比，vN为额定风速。
优选地，所述将发电机定子端经三相阻性负载短路通过三相断路器完成。
优选地，所述步骤S3中调节机侧变流器控制信号具体为调节机侧变流器控制信号使其为零，以降低定子端电压。
优选地，所述SSC模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略具体为：
通过改变转子励磁电流分量ird控制定子磁链，改变转矩电流分量irq控制电磁转矩，实现励磁-转矩的解耦控制，机组以最佳叶尖速比运行；
SSC模式下发电机的转子电压、定子磁链和电磁转矩分别为：
Figure BDA0001887237150000031
Figure BDA0001887237150000032
Figure BDA0001887237150000033
式中，Rs为转子电阻，p为微分算子，Ls为定子电感，Lm为励磁电感，ird为转子d轴电流分量，irq为转子q轴电流分量。
优选地，所述步骤S3中对MSC缓慢施加控制信号具体操作为：
MSC控制器中必须给定定子磁链以及电磁转矩的参考值，两者的参考值在1s时间由零值缓慢升高至SSC模式运行所需参考值。
优选地，所述步骤S5中调节机侧变流器的控制信号具体为：
DFIG负载并网准备阶段，MSC控制器中须给定有功功率、无功功率的参考值，有功功率的参考值为DFIG模式追踪最大功率点运行所需的参考值，无功功率的参考值保持零值，进行负载并网控制，并网控制采用DFIG模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略。
优选地，所述DFIG模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略具体为：
通过改变转子电流分量irq控制定子输出有功功率，改变转子电流分量ird控制定子输出无功功率，实现P-Q的解耦控制，机组以最佳叶尖速比运行，采用恒功率因数运行方式，无功参考值设为0；
DFIG模式下发电机的定子输出功率为：
Figure BDA0001887237150000034
式中，Ug为电网额定电压。
优选地，所述步骤S5中对MSC缓慢施加控制信号具体为：
MSC控制器中须给定定子有功功率以及无功功率的参考值，两者的参考值在1S的时间由零值缓慢升高至DFIG模式运行所需参考值。
优选地，所述将发电机定子端与三相阻性负载断开通过三相断路器完成。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明通过对DFIG与SSC模式之间的双模柔性切换控制，填补了双模控制中动态过程研究的空缺，考虑了模式切换过程时间短、冲击大、影响久等特点，分双向切换机组运行模式进行研究，为理论付诸实际提供了有效途径，具有较高的实用价值；
且解决DFIG在低风速下无法并网运行的问题，特别是位于负荷中心附近、通常环境风速不满足DFIG运行条件的风电场，提高了机组发电效率；
另外，本发明只需借助电阻元件及MSC控制即可在提高DFIG发电效率的同时实现两种模式的快速、柔性切换，避免了冲击对电网和机组本身的影响，具有较好的经济性。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法流程图；
图2为本发明实施例中所提供的一种智能双模控制的DFIG物理结构简图；
图3为本发明实施例中所提供的一种SSC模式下MSC的矢量控制框图；
图4为本发明实施例中所提供的一种DFIG模式下MSC的矢量控制框图；
图5为本发明实施例中所提供的一种由DFIG模式切换至SSC模式的中间过程物理结构图；
图6为本发明实施例中所提供的一种由SSC模式切换至DFIG模式的中间过程物理结构图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，所述方法包括以下操作：
S1、获取机组运行状态，若机组运行于DFIG模式时，跳转至步骤S2；若机组运行于SSC模式时，跳转至步骤S4；
S2、检测环境风速，判断环境风速是否高于0.7倍的额定风速，若高于则循环执行步骤S2；若不高于则执行步骤S3；
S3、将发电机定子端经三相阻性负载短路，断开与电网的连接，调节机侧变流器控制信号，待定子端相电压有效值降至0.1倍的额定电压，将定子端经无阻性开关直接短路，采用SSC模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略，对MSC缓慢施加控制信号，平稳过渡到SSC模式；
S4、检测环境风速，判断环境风速是否高于0.7倍的额定风速，若不高于则循环执行步骤S4；若高于则执行步骤S5；
S5、将发电机定子端经三相阻性负载接地，调节机侧变流器的控制信号，待定子端相电压有效值升高至0.5倍的额定电压，同时定子端电压与电网电压满足同频同相条件，将发电机定子端与三相阻性负载断开，同时连接电网进行馈电，采用DFIG模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略，对MSC缓慢施加控制信号，平稳过渡到DFIG模式。
获取机组当前运行状态，查看其是DFIG模式还是SSC模式。
检测当前环境风速v，若风速v高于额定风速vN的0.7倍时，机组需要切换至DFIG模式运行，反之需要切换至SSC模式运行。
图2为采用智能双模控制的DFIG物理结构简图。在实际中开关K1、K2为三相继电器。
机组最初运行于DFIG模式，开关K1闭合，开关K2断开。当风速降至额定风速vN的0.7倍时，为降低过渡过程的电流冲击，先断开开关K1，定子端接三相阻性负载Z1，对MSC施加控制信号消耗发电机定子端能量，调节机侧变流器控制信号使其为0，降低定子电压，如图5所示。为兼顾过渡过程持续时间，当定子端相电压U1降至额定电压UN的10％时，断开短路电阻Z1，闭合开关K2，将定子端直接短路，在DFIG模式下缓慢施加MSC控制信号，能够使风电机组由DFIG模式平稳过渡到SSC模式，待机组稳定运行于SSC模式时，MSC采用SSC模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略，机组以最佳叶尖速比运行。
由于双馈发电系统中变流器容量随转差率增大而增大，通常将转速限制在额定转速的0.7-1.3倍，无法在整个风速范围内跟踪最大功率点，因此DFIG以最佳叶尖速比运行的风速下限为：
Figure BDA0001887237150000061
式中，R为风轮半径，nmin为DFIG允许的运行转速下限，λopt为风力机最佳叶尖速比。由此而将环境风速与额定风速的0.7倍进行比较。
当风速为额定风速的0.7-1.3倍，使机组运行于DFIG模式，当风速低于额定风速的0.7倍时，使机组运行于SSC模式。
将发电机定子端经三相阻性负载Z1短路，以及断开发电机定子端与电网的连接，均通过三相断路器改变机组结构，其中负载可以为星形或三角形连接，所述负载可以为0.1-1Ω的电阻，具体阻值需要根据机组参数确定。
所述SSC模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略具体如下：
如图3所示，两相d-q旋转坐标系有ψsd＝ψs，ψsq＝0；与DFIG模式不同的是，此时坐标系以定子磁链矢量ψs的转速旋转。
SSC模式下发电机的转子电压、定子磁链和电磁转矩分别为：
Figure BDA0001887237150000071
Figure BDA0001887237150000072
Figure BDA0001887237150000073
Figure BDA0001887237150000074
Figure BDA0001887237150000075
式中，Rr为转子电阻，p为微分算子，Ls为定子电感，Lr为转子电感，Lm为励磁电感，ird为转子d轴电流分量，irq为转子q轴电流分量。
由公式3、4可知，改变转子励磁电流分量ird可以控制定子磁链，改变转矩电流分量irq可以控制电磁转矩，实现励磁-转矩的解耦控制，机组以最佳叶尖速比运行。
所述缓慢施加MSC控制信号的具体操作如下：
根据公式3、4，MSC控制器中必须给定定子磁链以及电磁转矩的参考值，在实际仿真中，两者的参考值并非阶跃至所需值，而是在1s时间由零值缓慢升高至SSC模式运行所需参考值。
当机组最初运行于SSC模式时，开关K1、K2分别处于断开、闭合状态，当风速升至额定风速vN的0.7倍时，为降低过渡过程中的电流冲击，先断开开关K2，定子通过三相阻性负载Z2接地，对MSC施加控制信号，使机端有功功率由零缓缓上升，此时机组处于并网前的准备阶段，如图6所示。为兼顾过渡过程持续时间，当定子端相电压U1升至额定电压UN的50％时且U1于电网电压满足同频、同相的并网条件时，闭合开关K1同时断开定子端三相负荷，风机进行负载并网，且并网后在SSC模式下缓慢施加MSC控制信号，能够较好的实现机组由SSC模式柔性过渡到DFIG模式，待机组稳定运行于DFIG模式时，MSC采用DFIG模式下定子磁链定向的矢量控制策略。
所述定子通过三相阻性负载Z2接地，实现通过三相断路器改变机组结构，此时机组结构为负载并网的准备状态，其中负载可为星形或三角形连接，所述负载可以为0.1-1Ω的电阻，具体阻值需要根据机组参数确定。
DFIG负载并网准备阶段，MSC控制器中须给定有功功率、无功功率的参考值，在实际仿真中，有功功率的参考值为DFIG模式追踪最大功率点运行所需的参考值，无功功率的参考值保持零值，进行负载并网控制，并网控制采用DFIG模式下定子磁链定向的矢量控制策略。
所述DFIG模式下定子磁链定向的矢量控制策略具体如下：
如图4所示，两相d-q旋转坐标系有ψsd＝ψs，Ψsq＝0；与SSC模式不同的是，此时坐标系以同步速ω0＝100πrad/s的转速旋转。
DFIG模式下发电机的定子输出功率为：
Figure BDA0001887237150000081
式中，Ug为电网额定电压。
由公式7可知，改变转子电流分量irq可以控制定子输出有功功率，改变转子电流分量ird可控制定子输出无功功率，实现P-Q的解耦控制，机组以最佳叶尖速比运行，通常采用恒功率因数运行方式，无功参考值设为0。
所述在SSC模式下缓慢施加MSC控制信号具体操作为：
根据公式7，MSC控制器中须给定定子有功功率以及无功功率的参考值，在实际仿真时，两者的参考值并非阶跃至所需值，而是在1S的时间由零值缓慢升高至DFIG模式运行所需参考值。
本发明实施例通过对DFIG与SSC模式之间的双模柔性切换控制，填补了双模控制中动态过程研究的空缺，考虑了模式切换过程时间短、冲击大、影响久等特点，分双向切换机组运行模式进行研究，为理论付诸实际提供了有效途径，具有较高的实用价值；
且解决DFIG在低风速下无法并网运行的问题，特别是位于负荷中心附近、通常环境风速不满足DFIG运行条件的风电场，提高了机组发电效率；
另外，本发明只需借助电阻元件及MSC控制即可在提高DFIG发电效率的同时实现两种模式的快速、柔性切换，避免了冲击对电网和机组本身的影响，具有较好的经济性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、获取机组运行状态，若机组运行于DFIG模式时，跳转至步骤S2；若机组运行于SSC模式时，跳转至步骤S4；
S2、检测环境风速，判断环境风速是否高于0.7倍的额定风速，若高于则循环执行步骤S2；若不高于则执行步骤S3；
S3、将发电机定子端经三相阻性负载短路，断开与电网的连接，调节机侧变流器控制信号，待定子端相电压有效值降至0.1倍的额定电压，将定子端经无阻性开关直接短路，采用SSC模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略，对机侧变流器缓慢施加控制信号，平稳过渡到SSC模式；
S4、检测环境风速，判断环境风速是否高于0.7倍的额定风速，若不高于则循环执行步骤S4；若高于则执行步骤S5；
S5、将发电机定子端经三相阻性负载接地，调节机侧变流器的控制信号，待定子端相电压有效值升高至0.5倍的额定电压，同时定子端电压与电网电压满足同频同相条件，将发电机定子端与三相阻性负载断开，同时连接电网进行馈电，采用DFIG模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略，对机侧变流器缓慢施加控制信号，平稳过渡到DFIG模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述0.7倍的额定风速为最佳叶尖速比的风速下限，其计算公式如下：
Figure FDA0003064247680000011
式中，R为风轮半径，nmin为DFIG允许的运行转速下限，λopt为风力机最佳叶尖速比，vN为额定风速。
3.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述将发电机定子端经三相阻性负载短路通过三相断路器完成。
4.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述步骤S3中调节机侧变流器控制信号具体为调节机侧变流器控制信号使其为零，以降低定子端电压。
5.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述SSC模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略具体为：
通过改变转子d轴电流分量ird控制定子磁链，改变转子q轴电流分量irq控制电磁转矩，实现励磁-转矩的解耦控制，机组以最佳叶尖速比运行；
SSC模式下发电机的转子电压、定子磁链和电磁转矩分别为：
Figure FDA0003064247680000021
Figure FDA0003064247680000022
Figure FDA0003064247680000023
Figure FDA0003064247680000024
Figure FDA0003064247680000025
式中，urd为转子d轴电压分量，urq为转子q轴电压分量，ψsd为定子磁链，Te为电磁转矩，Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，ωs为定子角速度，p为微分算子，ψs为定子磁链矢量，Ls为定子电感，Lr为转子电感，Lm为励磁电感，ird为转子d轴电流分量，irq为转子q轴电流分量，isq为定子q轴电流分量，τs为定子时间常数，σ0为漏磁系数，np为电机极对数。
6.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述步骤S3中对机侧变流器缓慢施加控制信号具体操作为：
机侧变流器控制器中必须给定定子磁链以及电磁转矩的参考值，两者的参考值在1s时间由零值缓慢升高至SSC模式运行所需参考值。
7.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述步骤S5中调节机侧变流器的控制信号具体为：
DFIG负载并网准备阶段，机侧变流器控制器中须给定有功功率、无功功率的参考值，有功功率的参考值为DFIG模式追踪最大功率点运行所需的参考值，无功功率的参考值保持零值，进行负载并网控制，并网控制采用DFIG模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述DFIG模式下基于定子磁链定向的矢量控制策略具体为：
通过改变转子电流分量irq控制定子输出有功功率，改变转子电流分量ird控制定子输出无功功率，实现P-Q的解耦控制，机组以最佳叶尖速比运行，采用恒功率因数运行方式，无功参考值设为0；
DFIG模式下发电机的定子输出功率为：
Figure FDA0003064247680000031
式中，Ps为定子输出有功功率，Qs为定子输出无功功率，Ug为电网额定电压，Lm为励磁电感，Ls为定子电感，ird为转子d轴电流分量，irq为转子q轴电流分量，ψs为定子磁链矢量。
9.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述步骤S5中对机侧变流器缓慢施加控制信号具体为：
机侧变流器控制器中须给定定子有功功率以及无功功率的参考值，两者的参考值在1S的时间由零值缓慢升高至DFIG模式运行所需参考值。
10.根据权利要求1所述的一种基于DFIG的双模柔性切换控制方法，其特征在于，所述将发电机定子端与三相阻性负载断开通过三相断路器完成。
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