一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法

摘要

本发明涉及电力电子应用技术领域，一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：(1)建立低电压穿越过程的描述方程，(2)设计四桥臂拓扑结构，(3)设计程序流程框图。本发明通过优化的拓扑结构，在机侧变流器和网侧变流器各增加一个冗余桥臂，在出现IGBT功率器件损坏的情况可以自动切换到冗余桥臂工作，通过冗余桥臂控制器实现四桥臂三相系统灵活的桥臂选择，然后结合双馈变流器低电压穿越控制方法，实现双馈机组的低电压穿越功能，满足电网对风电场并网的要求。

主权项

一种基于冗余拓扑的双馈变流器低电压穿越控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、建立低电压穿越过程的描述方程，具体包括以下子步骤：(a)当双馈机组发生低电压时，直接导致双馈发电机转子出现过电流和变流器直流侧出现过电压情况，考虑对称跌落情况下，双馈发电机的电压方程和磁链方程矢量形式通过公式(1)、(2)进行描述，$\left\{\begin{array}{c}{v}_s=R_s{i}_s+{\mathrm{p\psi }}_s\\ v_r=R_r{i}_r+{\mathrm{p\psi }}_r-{\mathrm{j\omega \psi }}_r\end{array}\right.---\left(1\right)$$\left\{\begin{array}{c}{\psi }_s=L_s{i}_s+L_m{i}_r\\ {\psi }_r=L_r{i}_r+L_m{i}_s\end{array}\right.---\left(2\right)$式(1)、(2)中，ω表示双馈发电机旋转角速度，v_s表示双馈发电机定子电压矢量，v_r表示双馈发电机转子电压矢量，i_s表示双馈发电机定子电流矢量，i_r表示双馈发电机转子电流矢量，ψ_s表示双馈发电机定子磁链矢量，ψ_r表示双馈发电机转子磁链矢量，R_s表示双馈发电机定子电阻，R_r表示双馈发电机转子电阻，L_m表示互感，L_s表示双馈发电机定子自感，L_r表示双馈发电机转子自感，p表示微分算子，由式(2)得到，${\psi }_r=\frac{L_m}{L_s}{\psi }_s-{\mathrm{\sigma L}}_r{i}_r---\left(3\right)$式(3)中，表示瞬态电感，将式(3)带入式(1)中得到，$v_r=\frac{L_m}{L_s}(p-j\omega ){\psi }_s+[R_r+{\mathrm{\sigma L}}_r(p-j\omega )]i_r;---\left(4\right)$(b)假设双馈发电机转子开路时，双馈发电机转子侧电压方程为，$v_{r0}=\frac{L_m}{L_s}(p-j\omega ){\psi }_s---\left(5\right)$式(5)中，v_r0表示双馈发电机转子开路时电压，当双馈发电机稳态运行时，双馈发电机定子电压矢量为，$v_s=V_s{e}^{{\mathrm{j\omega }}_{s}t}---\left(6\right)$式(6)中，V_s表示双馈发电机定子电压幅值，ω_s表示同步旋转角速度，表示旋转分量；(c)当忽略双馈发电机定子电阻时，由式(1)得到，${\psi }_s=\frac{V_s{e}^{{\mathrm{j\omega }}_{s}t}}{{\mathrm{j\omega }}_s}---\left(7\right)$将式(7)带入式(5)中得到，$v_{r0}=\frac{L_m}{L_s}(p-j\omega ){\psi }_s=\frac{L_m}{L_s}(1-\frac{\omega }{{\omega }_s})v_s=\frac{L_m}{L_s}\frac{{\omega }_r}{{\omega }_s}{v}_s=\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{sv}}_s---\left(8\right)$式(8)中，ω_r＝ω_s‑ω，s＝ω_r/ω_s表示转差率，当非开路的可控情况下，$v_r=\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{sv}}_s+[R_r+{\mathrm{\sigma L}}_r(p-j\omega )]i_r---\left(9\right)$式(9)中，由于R_r和σL_r相对很小，且双馈发电机转子频率较低，v_r和v_r0的差值也很小，假设当电网电压在t＝t₀对称跌落到零时，双馈发电机的定子电压矢量为，$v_s=\left\{\begin{array}{cc}{V}_s{e}^{{\mathrm{j\omega }}_{s}t}& (t<t_0)\\ 0& (t\ge t_0)\end{array}\right.---\left(10\right)$根据式(1)和(2)，得到双馈发电机定子磁链的一阶微分方程，${\mathrm{p\psi }}_s=v_s-\frac{R_s}{L_s}{\psi }_s---\left(11\right)$求解上述的一阶微分方程得到，${\psi }_s(t\ge t_0)={\psi }_{sn}=\frac{V_s{e}^{{\mathrm{j\omega }}_s{t}_0}{e}^{-{\mathrm{tR}}_s/L_s}}{{\mathrm{j\omega }}_s}=\frac{V_s{e}^{{\mathrm{j\omega }}_s{t}_0}{e}^{-t/{\tau }_s}}{{\mathrm{j\omega }}_s}---\left(12\right)$式(12)中，由于此时v_s跌至0，ψ_s与电网电压无关，而磁链不能突变，此直流成分分量磁链部分仅与跌落的暂态过程有关，或称自由分量ψ_sn，τ_s＝L_s/R_s表示双馈发电机定子时间常数；步骤2、设计四桥臂拓扑结构，具体包括以下子步骤：(a)、在常规的双PWM三桥臂拓扑结构中，各在原有的机侧变流器和网侧变流器中增加一个桥臂，构成了四桥臂拓扑结构，增加的冗余桥臂是T1′T2′和T7′T8′；(b)、在机侧变流器和网侧变流器中各自增加一个冗余桥臂选择器是冗余桥臂选择器1和冗余桥臂选择器2，用来实现四桥臂的选择；(c)、在实际工作中，一旦发现其中一个桥臂损坏后，可以切换到冗余桥臂上面继续工作，同时给出告警状态，提醒业主进行检修，进而达到了在大风发电和无风检修的目的；(d)、采用Crowbar技术作为双馈发电机转子短路保护技术的一个有效途径，可以在变流器出现过电流和过电压情况下实现变流器的有效保护，在低电压穿越发生时刻通过增加双馈发电机转子电阻，也就是短接Crowbar电阻来降低双馈发电机转子短路过电流，一旦Crowbar电阻被短接后双馈发电机则变为一台普通的异步电机，随着Crowbar电阻的增大，其功率因数得到改善，因此在输入机械功率一定的前提下，可以有效的降低双馈发电机转子短路电流幅值；步骤3、设计程序流程框图，具体包括以下子步骤：(a)、需要根据运行变流器的硬件故障来判断出故障桥臂，然后通过冗余桥臂选择器切除故障桥臂，投入正常运行的桥臂；(b)、需要根据电网电压的状态确认低电压穿越状态，如果是低电压穿越状态，则进入低电压穿越控制，如果不是，则按照非低穿进行处理；(c)、需要根据过电流和过电压的情况，以及电网电压跌落的情况，确认Crowbar动作规则。