一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法

摘要

本发明涉及风力发电控制技术领域，具体涉及一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法。本发明在控制开关通断信号占空比调节故障电流限制器等效阻抗时，基于故障后稳态运行条件，计算得到开关通断信号占空比基准值并在故障初始时刻就应用于可变阻抗故障电流限制的等效阻抗控制。本发明针对永磁同步风电机组的低电压穿越过程，提出可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗控制方法，使其配合网侧变流器的电流控制，实现低电压穿越过程中的机侧变流器与网侧变流器有功功率的平衡，避免背靠背变流器直流母线电压的大幅度偏移，起到辅助永磁同步风电机组低电压穿越的作用。

权利要求

1.一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：将可变阻抗故障电流限制器加装于永磁同步风电机组的机端，在正常运行工况下将可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比设置为1，此时可变阻抗故障电流限制器等效阻抗为0pu；

S2：在永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，直流母线电压的维持由网侧变流器有功控制负责转为由可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制负责，网侧变流器功率外环控制取消，切换为直接电流控制；可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制通过对可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比进行控制实现，控制的输入信号为直流母线电压的偏移量，输入信号经比例积分控制环节后与基于稳态功率平衡计算得到的通断信号占空比基准值叠加，得到开关的通断信号占空比控制参考值；

S3：在永磁同步风电机组低电压穿越状态结束后，将可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比重新设置为1，可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制退出，网侧变流器重新恢复功率外环控制；

所述S2包含以下步骤：永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，电网公共耦合点处电压跌落百分比为k％，即电网公共耦合点处电压由Vpcc跌落至(1‑k％)Vpcc；网侧变流器控制采用电网公共耦合点处电压直轴定向方式，即电网公共耦合点处电压直轴分量Vpcc,d为电网公共耦合点处电压的幅值|Vpcc|，电网公共耦合点处电压交轴分量Vpcc,q＝0pu；网侧变流器取消功率外环控制，采用直接电流控制，网侧变流器电流最大允许值为Ig,max，网侧变流器交轴电流控制参考值 为‑(2×k％)pu，网侧变流器直轴电流控制参考值 为pu；

可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗 基于式(1)计算得到：

式中，d为可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比，j为复数的虚部，RFCL、XFCL分别为可变阻抗故障电流限制器中阻抗支路的电阻值与电抗值；

可变阻抗故障电流限制器投入后，对应网侧变流器电流控制目标，网侧变流器稳态电压Vg基于式(2)计算得到：式中，Vg,d、Vg,q分别为网侧变流器稳态电压的直轴分量与交轴分量；

网侧变流器的输出有功功率Pg分解为消耗在可变阻抗故障电流限制器电阻上的有功功率分量 以及电网公共耦合点处输出的有功功率分量 稳态条件下永磁同步风电机组机侧变流器的输入有功功率Ps与网侧变流器的输出有功功率Pg相等，得到式(3)：在给定网侧变流器直轴电流控制参考值 条件下，以维持机侧变流器的输入有功功率Ps与网侧变流器的输出有功功率Pg两者平衡为目标，求解得到基于稳态功率平衡的通断信号占空比基准值dbase，其计算表达式为：若基于式(4)计算得到通断信号占空比基准值dbase>1，代表此时网侧变流器向电网公共耦合点处输出的有功功率大于机侧变流器的输入有功功率，此时需将dbase值修正为1，并将网侧变流器直轴电流控制参考值 修改为Ps/Vpcc,d；若基于式(4)计算得到通断信号占空比基准值dbase<0，此时需将dbase值修正为0，该条件下无法仅依靠可变阻抗故障电流限制器实现机侧变流器与网侧变流器的有功功率平衡；

将直流母线电压的偏移量经比例积分控制环节后的输出与通断信号占空比基准值相叠加，得到可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制下的开关通断信号占空比的控制参考值refd ，其计算表达式如式(5)所示：

式中，kp、ki分别为比例与积分控制环节的增益，Vdc为直流母线电压， 为直流母线电压控制参考值。

2.根据权利要求1所述的一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法，其特征在于，基于ref

开关通断信号占空比d 的可行范围约束，为比例积分控制环节的输出设置上下限约束，其上限为1‑dbase，下限为‑dbase。

说明书

一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电控制技术领域，具体涉及一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法。

背景技术

[0002] 对于并网运行的永磁同步风电机组而言，其需在接入电网发生故障，进而导致风电机组并网点发生电压跌落的情况下，维持一段时间的运行，在电网应对与处理故障的过程中向电网提供稳定支撑，也就是需要具备低电压穿越能力。为增强风电机组的低电压穿越能力，可采用加装硬件保护设备的方法，故障电流限制器是应用较多的一种硬件保护设备。一般故障电流限制器加装在风电机组的机端，在机端发生电压跌落的情况下投入，起到抬升机端电压、限制故障电流的作用。考虑到风电机组低电压穿越的场景并不固定，即电网故障导致的机端电压跌落深度不为定值，所以阻抗值为定值的故障电流限制器在应用于不同机端电压跌落深度场景时无法使机端电压都抬升至控制目标值。针对该问题，可变阻抗故障电流限制器逐步得到了应用。

[0003] 可变阻抗故障电流限制器通常是在定阻抗值阻抗支路的基础上，搭配含电力电子开关的控制支路，通过调节开关通断信号的导通占空比，实现对可变阻抗故障电流限制器等效阻抗的控制。通过调节可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗，可在不同机端电压跌落深度条件下都将机端电压抬升至控制目标值。

[0004] 现有技术方案主要从抬升风电机组机端电压方面设计可变阻抗故障电流限制器的控制方案。对于经背靠背变流器并网的永磁同步风电机组而言，其成功实现低电压穿越要解决的核心问题在于维持低电压穿越过程中直流母线电压的稳定，对于机端电压抬升的需求则较弱。那么在应用可变阻抗故障电流限制器辅助永磁同步风电机组的低电压穿越时，需将其控制目标调整为增强穿越过程中的直流母线电压稳定性。

[0005] 本发明所解决的问题是，在将可变阻抗故障电流限制器应用于辅助永磁同步风电机组故障穿越的条件下，设计其等效阻抗控制方案使其具备在低电压穿越过程中平衡机侧变流器与网侧变流器有功功率的能力，抑制背靠背变流器直流母线的电压偏移，起到增强永磁同步风电机组低电压穿越能力的作用。

发明内容

[0006] 本发明的目的是解决上述问题，提出了一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法。本发明针对永磁同步风电机组的低电压穿越过程，提出可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗控制方法，使其配合网侧变流器的电流控制，实现低电压穿越过程中的机侧变流器与网侧变流器有功功率的平衡，避免背靠背变流器直流母线电压的大幅度偏移，起到辅助永磁同步风电机组低电压穿越的作用。

[0007] 本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法，包含以下步骤：S1：将可变阻抗故障电流限制器加装于永磁同步风电机组的机端，在正常运行工况下将可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比设置为1，此时可变阻抗故障电流限制器等效阻抗为0pu；

[0008] S2：在永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，直流母线电压的维持由网侧变流器有功控制负责转为由可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制负责，网侧变流器功率外环控制取消，切换为直接电流控制；可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制通过对可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比进行控制实现，控制的输入信号为直流母线电压的偏移量，输入信号经比例积分控制环节后与基于稳态功率平衡计算得到的通断信号占空比基准值叠加，得到开关的通断信号占空比控制参考值；

[0009] S3：在永磁同步风电机组低电压穿越状态结束后，将可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比重新设置为1，可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制退出，网侧变流器重新恢复功率外环控制。

[0010] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述S2包含以下步骤：永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，电网公共耦合点处电压跌落百分比为k％，即电网公共耦合点处电压由Vpcc跌落至(1‑k％)Vpcc；网侧变流器控制采用电网公共耦合点处电压直轴定向方式，即电网公共耦合点处电压直轴分量Vpcc,d为电网公共耦合点处电压的幅值|Vpcc|，电网公共耦合点处电压交轴分量Vpcc,q＝0pu；网侧变流器取消功率外环控制，采用直接电流控制，网侧变流器电流最大允许值为Ig,max，网侧变流器交轴电流控制参考值 为‑(2×k％)pu，网侧变流器直轴电流控制参考值 为

[0011] 可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗 基于式(1)计算得到：

[0012]

[0013] 式中，d为可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比，j为复数的虚部，RFCL、XFCL分别为可变阻抗故障电流限制器中阻抗支路的电阻值与电抗值；

[0014] 可变阻抗故障电流限制器投入后，对应网侧变流器电流控制目标，网侧变流器稳态电压Vg基于式(2)计算得到：

[0015]

[0016] 式中，Vg,d、Vg,q分别为网侧变流器稳态电压的直轴分量与交轴分量；

[0017] 网侧变流器的输出有功功率Pg分解为消耗在可变阻抗故障电流限制器电阻上的有功功率分量 以及电网公共耦合点处输出的有功功率分量 稳态条件下永磁同步风电机组机侧变流器的输入有功功率Ps与网侧变流器的输出有功功率Pg相等，得到式(3)：

[0018]

[0019] 在给定网侧变流器直轴电流控制参考值 条件下，以维持机侧变流器的输入有功功率Ps与网侧变流器的输出有功功率Pg两者平衡为目标，求解得到基于稳态功率平衡的通断信号占空比基准值dbase，其计算表达式为：

[0020]

[0021] 若基于式(4)计算得到通断信号占空比基准值dbase>1，代表此时网侧变流器向电网公共耦合点处输出的有功功率大于机侧变流器的输入有功功率，此时需将dbase值修正为1，并将网侧变流器直轴电流控制参考值 修改为Ps/Vpcc,d；若基于式(4)计算得到通断信号占空比基准值dbase<0，此时需将dbase值修正为0，该条件下无法仅依靠可变阻抗故障电流限制器实现机侧变流器与网侧变流器的有功功率平衡；

[0022] 将直流母线电压的偏移量经比例积分控制环节后的输出与通断信号占空比基准值相叠加，得到可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制下的开关通断信号占空比的控制参ref考值d ，其计算表达式如式(5)所示：

[0023]

[0024] 式中，kp、ki分别为比例与积分控制环节的增益，Vdc为直流母线电压， 为直流母线电压控制参考值。

[0025] 进一步的作为本发明的优选技术方案，基于开关通断信号占空比dref的可行范围约束，为比例积分控制环节的输出设置上下限约束，其上限为1‑dbase，下限为‑dbase。

[0026] 本发明提出的一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0027] (1)本发明相较现有利用可变阻抗故障电流限制器控制低电压穿越过程中的风电机组机端电压的技术方案，可针对永磁同步风电机组的低电压穿越过程，利用等效阻抗控制，使可变阻抗故障电流限制器起到维持低电压穿越过程中永磁同步风电机组直流母线电压的作用，从而进一步提升其辅助永磁同步风电机组成功实现低电压穿越的能力。

[0028] (2)本发明在控制开关通断信号占空比调节故障电流限制器等效阻抗时，基于故障后稳态运行条件，计算得到开关通断信号占空比基准值并在故障初始时刻就应用于可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗控制。相较基于直流母线电压偏移反馈的控制方案，本发明可使可变阻抗故障电流限制器提供更为快速的阻抗响应，也可使得永磁同步风电机组尽快过渡到故障后的稳态运行工况，这对于时间尺度较短的风电机组低电压穿越过程，可起到更为显著的辅助低电压穿越的控制效果。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例的辅助低电压穿越的可变阻抗故障电流限制器的控制方法流程图；

[0030] 图2为本发明一个实施例的机端装有可变阻抗故障电流限制器的永磁同步风电机组拓扑结构图；

[0031] 图3为本发明一个实施例的低电压穿越过程中网侧变流器的直轴电流波形图；

[0032] 图4为本发明一个实施例的低电压穿越过程中网侧变流器的交轴电流波形图；

[0033] 图5为本发明一个实施例的可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制的控制框图；

[0034] 图6为本发明一个实施例的低电压穿越过程中可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比波形图；

[0035] 图7为本发明一个实施例的引入可变阻抗故障电流限制器后的网侧变流器电压波形图；

[0036] 图8为本发明一个实施例的永磁同步风电机组背靠背变流器的直流母线电压波形图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图详细的描述对本发明作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。

[0038] 如图1所示，一种可变阻抗故障电流限制器的控制方法，其特征在于：包含以下步骤：

[0039] S1：将可变阻抗故障电流限制器加装于永磁同步风电机组的机端，在正常运行工况下将可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比设置为1，此时可变阻抗故障电流限制器等效阻抗为0pu；

[0040] S2：在永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，直流母线电压的维持由网侧变流器有功控制负责转为由可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制负责，网侧变流器功率外环控制取消，切换为直接电流控制；可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制通过对可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比进行控制实现，控制的输入信号为直流母线电压的偏移量，输入信号经比例积分控制环节后与基于稳态功率平衡计算得到的通断信号占空比基准值叠加，得到开关的通断信号占空比控制参考值；

[0041] 请参阅图2所示的本发明一个实施例的机端装有可变阻抗故障电流限制器的永磁同步风电机组拓扑结构图，图2中永磁同步风电机组机端安装的可变阻抗故障电流限制器，其等效阻抗大小可通过改变IGBT开关通断信号的占空比进行调节，当开关通断信号占空比为1时，即开关始终导通，此时机端交流电流可经下方二极管组合支路流通，上方的阻抗支路被短路，可控阻抗故障电流限制器的等效阻抗为零；当开关通断信号占空比为0时，即开关始终关断，此时机端交流电流无法经下方二极管组合支路流通，上方的阻抗支路全部投入，可控阻抗故障电流限制器的等效阻抗取到最大值。

[0042] 具体的，永磁同步风电机组进入低电压穿越状态后，电网公共耦合点处电压跌落百分比为k％，即电网公共耦合点处电压由Vpcc跌落至(1‑k％)Vpcc；网侧变流器控制采用电网公共耦合点处电压直轴定向方式，即电网公共耦合点处电压直轴分量Vpcc,d为电网公共耦合点处电压的幅值|Vpcc|，电网公共耦合点处电压交轴分量Vpcc,q＝0pu；网侧变流器取消功率外环控制，采用直接电流控制，网侧变流器电流最大允许值为Ig,max，网侧变流器交轴电流控制参考值 为‑(2×k％)pu，网侧变流器直轴电流控制参考值 为

[0043] 具体到本发明实例，在0.05s后电网公共耦合点处电压跌落百分比为80％，网侧变流器电流最大允许值为Ig,max为2pu，对应取网侧变流器交轴电流控制参考值 为‑1.6pu，网侧变流器直轴电流控制参考值 为1.2pu，该控制方案下本发明实例网侧变流器交轴电流波形与网侧变流器直轴电流波形分别如图3与图4所示，如图可以看出网侧变流器的交轴与直轴电流在进入低电压穿越状态后可以迅速控制至参考值。

[0044] 可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗 基于式(1)计算得到：

[0045]

[0046] 式中d为可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比，j为复数的虚部，RFCL、XFCL分别为可变阻抗故障电流限制器中阻抗支路的电阻值与电抗值；

[0047] 可变阻抗故障电流限制器投入后，对应网侧变流器电流控制目标，网侧变流器稳态电压Vg基于式(2)计算得到：

[0048]

[0049] 式中Vg,d、Vg,q分别为网侧变流器稳态电压的直轴分量与交轴分量；

[0050] 网侧变流器的输出有功功率Pg可分解为消耗在可变阻抗故障电流限制器电阻上的有功功率分量 以及电网公共耦合点处输出的有功功率分量稳态条件下永磁同步风电机组机侧变流器的输入有功功率Ps与网侧变流器的输出有功功率Pg相等，得到式(3)：

[0051]

[0052] 在给定网侧变流器直轴电流控制参考值 条件下，以维持机侧变流器的输入有功功率Ps与网侧变流器的输出有功功率Pg两者平衡为目标，求解得到基于稳态功率平衡的通断信号占空比基准值dbase，其计算表达式为：

[0053]

[0054] 若基于式(4)计算得到通断信号占空比基准值dbase>1，代表此时网侧变流器向电网公共耦合点处输出的有功功率大于机侧变流器的输入有功功率，此时需将dbase值修正为1，并将网侧变流器直轴电流控制参考值 修改为Ps/Vpcc,d；若基于式(4)计算得到通断信号占空比基准值dbase<0，此时需将dbase值修正为0，该条件下无法仅依靠可变阻抗故障电流限制器实现机侧变流器与网侧变流器的有功功率平衡；

[0055] 具体到本发明实例，可变阻抗故障电流限制器中阻抗支路的电阻值RFCL与电抗值XFCL分别取0.2pu与0.1pu，低电压穿越过程中机侧变流器的输入有功功率Ps为0.518pu，基于式(4)计算得到的通断信号占空比基准值dbase为0.6525。

[0056] 将直流母线电压的偏移量经比例积分控制环节后的输出与通断信号占空比基准值相叠加，得到可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制下的开关通断信号占空比的控制参ref考值d ，其计算表达式如式(5)所示：

[0057]

[0058] 式中kp、ki分别为比例与积分控制环节的增益，Vdc为直流母线电压， 为直流母线电压控制参考值；

[0059] 考虑到开关通断信号占空比dref的可行范围约束，为比例积分控制环节的输出设置上下限约束，其上限为1‑dbase，下限为‑dbase。

[0060] 具体到本发明实例，可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制的控制框图如图5所示，开关通断信号占空比控制中的比例积分控制环节输出的上限为0.3475，比例积分控制环节输出的下限为‑0.6525。低电压穿越过程中可变阻抗故障电流限制器中开关通断信号的占空比波形如图6所示，引入可变阻抗故障电流限制器后的网侧变流器电压如图7所示，可以看出引入可变阻抗故障电流限制器后可抬升网侧变流器的输出电压；通过应用可变阻抗故障电流限制器的等效阻抗控制，永磁同步风电机组背靠背变流器的直流母线电压如图8所示，表明该控制方案可以利用可变阻抗故障电流限制器中的电阻消耗掉机侧变流器与网侧变流器的有功功率不平衡量，在低电压穿越过程中维持直流母线电压稳定。

[0061] S3：在永磁同步风电机组结束低电压穿越状态结束后，将可变阻抗故障电流限制器中开关的通断信号占空比重新设置为1，可变阻抗故障电流限制器等效阻抗控制退出，网侧变流器重新恢复功率外环控制。

[0062] 以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。