CN104158225A - 一种缓存风能的双馈风机低电压穿越和无功支撑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓存风能的双馈风机低电压穿越和无功支撑控制方法，属于风力发电机自动控制技术领域。本发明通过将电网故障下转子侧（RSC）控制回路中的电磁转矩参考值进行切换，将在故障下捕获的多余风能暂存于转子惯性能中，达到降低转子电流的目的；在电压恢复后，RSC切换回传统回路，切换后通过临时限制RSC电磁转矩，避免电压恢复段过电流，安全的恢复能量平衡。应用级联反馈型无功控制器后，风机还可在整个低电压穿越过程向电网安全的提供无功支撑。与现有技术相比，本发明方法控制策略速度快、不引入新硬件，能有效降低风机内故障电流，延长留网时间，对稳定附近电压有明显效果。

Description

一种缓存风能的双馈风机低电压穿越和无功支撑控制方法

技术领域

本发明属于风力发电机自动控制技术领域，更准确地说，本发明涉及一种缓存风能的双馈风机低电压穿越和无功支撑控制方法。

背景技术

双馈风力发电机(双馈风机)因其高效率、变速运行、有功无功独立控制而得到广泛应用。正常工况下，双馈风机控制系统中广泛应用以最优风能捕获为控制目标的最佳风能捕获控制(MPPT)方法，其原理图如图1所示。

MPPT方法应用五阶动态模型，采用式(1)的状态方程描述发电机模型：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=R_s{i}_{\mathrm{ds}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_b}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{qs}}{R}_s{i}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_b}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{qs}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{s\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_b}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{dr}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{qr}}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}+{\mathrm{s\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_b}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{qr}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_s＝u_ds+ju_qs与u_r＝u_dr+ju_qr分别表示定子与转子电压矢量，i_s＝i_ds+ji_qs与i_r＝i_dr+ji_qr分别表示定子与转子电流矢量，ψ_s＝ψ_ds+jψ_qs与ψ_r＝ψ_dr+jψ_qr分别表示定子与转子磁链。ω_b、ω_s分别为基准角频率和定子角频率，s为滑差率。系统模型除时间t的单位为秒以外，均采用标幺值。

发电机的电磁转矩由电枢反应产生，决定了给定时刻有多少机械能(来源于风能)转换为电能，式(2)描述了电磁转矩T_e与定子、转子电流之间的关系，L_m表示定转子线圈的互感。

T_e＝L_m(i_qsi_dr-i_dsi_qr)     (2)

采用两质块模型描述的风力机传动系统微分方程组如式(3)所示。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{2H}_g}(T_{\mathrm{sh}}-T_e-{\mathrm{B\ω}}_r)\\ \frac{{\mathrm{d\θ}}_t}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_b({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_r)\\ \frac{{\mathrm{d\ω}}_t}{\mathrm{dt}}\frac{1}{{2H}_t}(T_t-T_{\mathrm{sh}})\\ T_{\mathrm{sh}}=K_{\mathrm{sh}}{\mathrm{\θ}}_t+D_{\mathrm{sh}}{\mathrm{\ω}}_b({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_r)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，ω_b为基准角频率，ω_r表示发电机转子转速，ω_t表示风力机的转速，θ_t表示传动轴的扭转角，H_g和H_t分别为发电机和风力机的惯性常数(单位均为秒)，B、K_sh和D_sh分别为发电机摩擦系数、传动轴劲度(stiffness)和阻尼因子(dampingcoefficient)。T_t、T_sh、T_e分别表示风力机机械转矩、传动轴转矩和感应发电机电磁转矩。

通过在给定风速下调整风力机转速和转距角，可以使风力机输出的机械功率达到最大值，优化风能的捕捉效率，通常以最大化风力机输出功率与输入的风功率的比值，即功率因子C_p来表示，C_p与转距角β和叶尖速比λ(λ＝ω_tR/V_w，V_w为风速，R为桨叶半径)的关系如式(4)所示，其中记号λ_i用于替代λ和β构成的一个固定函数关系：

$\begin{array}{c}{C}_p=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\β}-5)e^{\frac{-12.5}{{\mathrm{\λ}}_i}}\\ {\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{1/(\mathrm{\λ}+0.08\mathrm{\β})-0.035/({\mathrm{\β}}^3+1)}\end{array}---\left(4\right)$

风力机输出功率P_t与C_p、β、ω_t满足以下关系：

$P_t=\frac{1}{2}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\·{\mathrm{\πR}}^5\·\frac{C_P}{{\mathrm{\λ}}^3}\·{\mathrm{\ω}}_t^3=K_t\·{\mathrm{\ω}}_t^3---\left(5\right)$

当风力机处于最优风能捕捉状态时，K_t为只与风力机外型有关的常数，记为K_t.opt，满足：

$K_{t.\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\·{\mathrm{\πR}}^5\·\frac{C_{P.\mathrm{opt}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}^3}---\left(6\right)$

其中，下标opt表示风机处于最优风能捕获状态。

因此，将式(6)代入式(5)，经整理可得式(7)：

${\mathrm{\ω}}_{r.\mathrm{ref}}=\sqrt[3]{\frac{P_t}{K_{t.\mathrm{opt}}}}=\sqrt{\frac{T_t}{K_{t.\mathrm{opt}}}}---\left(7\right)$

即根据风机的机械转矩可计算出发电机最优转速参考值ω_r.ref，在该转速下风机能捕捉到的风能最大。由式(2)和式(3)可知，调节定、转子电流可改变电磁转矩，达到控制转速的目的。

在正常工况下，转子侧变流器(RSC)控制器通过采用以定子磁链为导向的同步旋转参考系(即转子的d轴与定子磁链的向量位置相同)，可以实现双馈风机有功和无功控制的解耦，体现为相对独立的q轴和d轴控制回路，如图2所示。其中，q轴实现对电磁转矩的控制，一般由转子转速或有功功率的误差来决定电磁转矩的大小；d轴对应励磁电流的控制，励磁电流的大小由希望输出的无功功率决定。

电网侧变流器(GSC)的控制同样基于矢量控制技术，以定子磁链为参照系。d轴回路负责控制有功功率，以维持直流链电压的稳定；q轴回路负责控制无功功率，如图3所示。根据节点电流定律，直流链电压与相连支路电流满足：

$i_{\mathrm{os}}=i_{\mathrm{or}}+i_c=i_{\mathrm{or}}+C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

$i_{\mathrm{or}}=\frac{P_r}{u_{\mathrm{dc}}}---\left(9\right)$

$i_{\mathrm{dg}}=\frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{3}m}\·i_{\mathrm{os}}---\left(10\right)$

其中，i_or、i_os和i_c分别表示直流链电路连接转子、网侧和电容C的三条支路的电流(如图1所示)，i_dg为电网侧电流的直轴分量，u_dc为电容C两端电压，P_r为从转子侧变流器流入到直流链的有功功率瞬时值，m为脉冲宽度调制(PWM)调制深度(modulation depth)，取0.75。

为了尽可能降低大规模风电接入对电网可靠性的负面影响，许多国家都针对风机入网制定了低电压穿越标准。为了更好的防御电压、频率等方面的严重电网事故，传统火电机组除了被要求具备低电压穿越能力以外，还要求具有紧急状态下功率支撑的能力。随着风电渗透率不断增加，一些国家已经开始进一步要求风机在故障条件下提供无功电流，以帮助电网尽快恢复电压。对于双馈风机而言，要实现安全的低电压穿越，需要解决定转子过电流、直流链过电压以及变流器过载等关键技术问题。

然而，现有双馈风机应对低电压穿越的控制方法大致分为撬棒保护电路和灭磁法两类。撬棒保护电路是目前唯一得到工程应用的方法，但它需要增加硬件投资，并在故障时增加散热系统负担。当撬棒控制激活时，双馈风机转变为感应发电机，会吸收大量无功功率，不利于电网电压的迅速恢复。灭磁法通过产生反向电流来抵消因磁链感生的暂态电流。然而，此类方法通常比较复杂，受制于控制器时滞对跟踪过程的负面影响(极端情况下可能增加故障电流峰值)，算法可靠性不高，因而难以得到工业应用。同时，上述两类方法都没有考虑故障下风机向电网提供无功支撑的问题。

发明内容

本发明目的是：为克服现有双馈风机应对低电压穿越的控制方法的不足，提供一种利用转子惯性暂存注入风能，同时实现双馈风力发电机低电压穿越和无功支撑的控制方法。该方法根据变速风机转子转速可变的特点，应用转子惯性动能变化量与输出电能总和等于输入风能的能量守恒原理，通过限制电网故障状态下双馈风机内部动能向电能的转换，将被限制能量临时存储在转子惯性能中，有效降低转子电流的基本幅值，以实现安全的低电压穿越；同时通过加入一个始终工作的级联反馈式无功控制器，协调转子侧和电网侧变流器的无功输出，以提高故障条件下双馈风机对电网的无功支撑。通过检测公共联结点处残压和捕获风速，自动调节控制器参数，以使上述控制方法能应用于不同风速、事故残压场景。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括如下步骤：

1)在正常工况下采用以最优风能捕获为控制目标的最佳风能捕获控制方法对双馈风机系统进行控制；

2)当监测到电网事故后，将转子侧变流器的控制回路中原先由根据转子转速实测值ω_r与其参考值ω_r.ref之差的比例积分值给出的电磁力矩参考值T_e.ref切换为直接按表达式给出，其中，U_s为公共联结点电压有效值，U_s.rated为公共联结点电压额定值，K_t.opt为最优增益模态值，τ为力矩控制因子，0≤τ≤1；在整个故障过程中，不断开变流器与转子电路其它部分的电气连接；

在整个低电压穿越过程中，无功控制器持续工作；所述无功控制器包括转子侧变流器控制器和电网侧变流器控制器，按级联反馈式连接，其中，转子侧变流器控制器采用公共联结点电压U_s及其参考值U_s.ref之差的比例积分值作为转子侧无功参考值Q_s.ref，最终无功功率由定子侧发出，Q_s.ref不能超过定子侧变流器额定容量；Q_s.ref与定子侧实际发出无功Q_s之差作为电网侧变流器控制器无功参考值Q_g.ref,Q_g.ref不能超过电网侧变流器额定容量；

3)当达到GB/T 19963-2011规定的最小留网时间，且故障清除电压恢复或转子转速超过最大转速时，将转子侧变流器的控制回路中的电磁力矩参考值T_e.ref切换回由根据转子转速实测值ω_r与其参考值ω_r.ref之差的比例积分值给出，恢复采用最佳风能捕获控制方法对双馈风机系统进行控制。

上述技术方案的进一步特征在于：所述K_t.opt按以下公式计算：

$K_{t.\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\·{\mathrm{\πR}}^5\·\frac{C_{p.\mathrm{opt}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}^3}$

其中，ρ_air为空气密度，R为风力机叶片半径，C_p为能效系数，λ为叶尖速比，下标opt表示风机处于最优风能捕获状态。

上述技术方案的进一步特征在于：将电网故障发生后的暂态电压跌落过程称为电压跌落段，将故障未清除前残压相对稳定的阶段称为电压稳定段，将故障清除、电压逐渐恢复正常的过程称为电压恢复段，力矩控制因子τ按电压跌落段、电压稳定段2个不同阶段分别取值；在电压恢复段通过临时调小电磁力矩的最大允许值T_e.max和T_e.min的绝对值以避免恢复过程过电流，逐步将多余的转子惯性能转化为电能，安全恢复能量平衡。

本发明的有益效果如下：本发明通过限制电网故障过程中捕获风能向电能的转换，将多余能量暂存在转子惯性能中，可有效降低双馈风机低电压穿越时定转子电流；通过监测公共联结点电压，可按残压与额定电压比例适当输出有功功率，既能在故障期间供应附近负荷，也能延缓转子加速，延长风机留网时间。利用风机剩余容量，尤其是通过步骤2适当提高励磁电流在电压跌落时向电网发出无功功率，对稳定公共联结点附近电压有明显效果。该方法通过对变流器施加控制实现，没有采用任何高通、带通或低通滤波器，仍为一阶控制系统，速度极快；无须为双馈风机加入新硬件，不增加散热系统的负担，节省投资。

附图说明

图1为双馈风机系统原理图。

图2为风机正常运行时转子侧变流器(RSC)的控制原理图。

图3为风机正常运行时电网侧变流器(GSC)的控制原理图。

图4为本发明的电压跌落时转子侧变流器(RSC)的控制原理图。

图5为无功控制器原理图。

图6为电压事故发展过程不同阶段的划分示意图。

图7为测试系统的单线图。

图8为撬棒保护电路示意图。

图9为电压跌落时策略B转子侧变流器控制示意图。

图10为典型风力发电机低电压穿越性能的入网要求。

图11为双馈风机在电压跌落50％、8m/s风速下控制策略A、B、C的仿真暂态响应轨迹：(a)公共联结点电压；(b)有功功率；(c)转子电流；(d)直流链电压；(e)电网侧电流；(f)转子转速。

图12为双馈风机在电压跌落50％、8m/s风速下控制策略A、B、C的仿真暂态响应轨迹：(a)无功功率；(b)定子侧无功功率；(c)电网侧无功功率；(d)容性无功电流。

图13为双馈风机在电压跌落85％、13m/s风速下控制策略A、B、C的仿真暂态响应轨迹：(a)公共联结点电压；(b)有功功率；(c)转子电流；(d)直流链电压；(e)电网侧电流；(f)转子转速。

图14为双馈风机在电压跌落85％、13m/s风速下控制策略A、B、C的仿真暂态响应轨迹：(a)无功功率；(b)容性无功电流。

图15为双馈风机在电压跌落100％、13m/s风速下控制策略A、B、C的仿真暂态响应轨迹：(a)无功功率；(b)容性无功电流。

图16为针对不同故障发生时刻双馈风机在电压跌落85％、13m/s风速下的转子电流。

图17为当故障检测时间延迟10ms时，双馈风机在电压跌落85％、13m/s风速下应用策略A(撬棒保护)、C(本发明)后转子电流的比较。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

本发明方法是在MPPT方法上的改进，在正常工况下仍采用MPPT方法对双馈风机系统进行控制，具体的控制回路可见图1、图2、图3。

当监测到电网事故后，将转子侧变流器的控制回路中原先由根据转子转速实测值ω_r与其参考值ω_r.ref之差的比例积分值给出的电磁力矩参考值T_e.ref切换为直接按表达式(11)给出，如图4所示。

$T_{e.\mathrm{ref}}=\mathrm{\τ}\·\frac{U_s}{U_{s.\mathrm{rated}}}\·K_{t.\mathrm{opt}}\·{\mathrm{\ω}}_{r.\mathrm{ref}}^2---\left(11\right)$

其中，U_s为公共联结点电压有效值，U_s.rated为公共联结点电压额定值，K_t.opt为最优增益模态值，τ为力矩控制因子，0≤τ≤1；在整个故障过程中，不断开变流器与转子电路其它部分的电气连接。K_t.opt按以下公式计算：

$K_{t.\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\·{\mathrm{\πR}}^5\·\frac{C_{p.\mathrm{opt}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}^3}---\left(12\right)$

其中，ρ_air为空气密度，R为风力机叶片半径，C_p为能效系数，λ为叶尖速比，下标opt表示风机处于最优风能捕获状态。

当达到GB/T 19963-2011规定的最小留网时间前提下，且满足以下条件中任一条件时，将转子侧变流器的控制回路中的电磁力矩参考值T_e.ref切换回由根据转子转速实测值ω_r与其参考值ω_r.ref之差的比例积分值给出，恢复采用最佳风能捕获控制方法对双馈风机系统进行控制：①故障清除、电压恢复；②转子转速超过最大转速。

这一控制旨在打破双馈风机正常工况下注入风能和发出电能的能量平衡，降低发出的电功率，在故障下将捕获的多余风能暂存于转子惯性能中，达到降低转子电流基本值的目的。

具体而言，当电网电压跌落时，双馈风机总体输出功率随之下降，通过放松对转子转速的约束，调低电磁转矩，可减少机械功率的注入，恢复故障下的功率平衡。由图2可知，电磁转矩的减小，带来转子q轴电流的减小。从能量角度看，放松转速约束将带来转速的提高，从风能中吸收的机械能转而存储在转子中，类似飞轮储能的原理。不计摩擦损耗，t时刻存储的机械能与转速增量有关，满足下式：

$E_t=\frac{1}{2}J({\mathrm{\ω}}_t^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{start}}^2)---\left(13\right)$

其中，ω_start与ω_t分别表示故障发生时刻和故障中t时刻转子转速，J表示转子惯性常数。在高风速场景下，转速约束的放松会立即触发转距角控制，限制对风能的捕获，从而将最终转速限制在最高允许转速以下，因此本方法对风机安全的负面影响很小。暂时存储的能量会在故障消除、电压恢复后，在调速过程中较为平稳的送入电网，无须另行控制。

为避免过流，由式(7)容易推出故障期间允许注入发电机的最大功率，它由电网残余电压和最优转速参考值决定：

$P_{t.}\≤\frac{U_s}{U_{s.\mathrm{rated}}}\·K_{t.\mathrm{opt}}\·{\mathrm{\ω}}_{r.\mathrm{ref}}^3---\left(14\right)$

q轴转子电流参考值与电磁转矩参考值之间满足式(15)的关系：

$i_{\mathrm{qr}.\mathrm{ref}}=-\frac{L_s}{L_m{\mathrm{\ψ}}_s}\·T_{e.\mathrm{ref}}---\left(15\right)$

其中，i_qr.ref为q轴转子电流参考值，L_s为定子电感，L_m为互感，Ψ_s为定子磁链。定子磁链Ψ_s因变化迅速且不接受直接控制，很难准确测量，导致不准确的参考值设置并引起控制失误。i_qr.ref关于Ψ_s的一阶偏导数为，

$\frac{{\∂i}_{\mathrm{qr}.\mathrm{ref}}}{{\∂\mathrm{\Ψ}}_s}=\frac{L_s}{L_m{\mathrm{\Ψ}}_s^2}\·T_{e.\mathrm{ref}}---\left(16\right)$

由式(16)可知，减少定子磁链Ψ_s测量误差的影响可通过降低电磁转矩参考值T_e.ref的取值来实现，同时从能量观点来看，双馈风机内部从机械能和磁场能向电能的转换过程也因T_e.ref被调低，而被延缓。考虑式(14)，在低电压穿越时，电磁转矩参考值可按式(17)给定：

$T_{e.\mathrm{ref}}=\mathrm{\τ}\·\frac{U_s}{U_{s.\mathrm{rated}}}\·K_{t.\mathrm{opt}}\·{\mathrm{\ω}}_{r.\mathrm{ref}}^2,0\≤\mathrm{\τ}\≤1---\left(17\right)$

τ因子用于有效抑制电压跌落段定转子的电流尖峰，确保安全的低电压穿越。将电网故障发生后的暂态电压跌落过程称为电压跌落段；将故障未清除前残压相对稳定的阶段称为电压稳定段；将故障清除、电压逐渐恢复正常的过程称为电压恢复段，3个阶段的划分如图6所示。τ可按电压跌落段、电压稳定段2个不同阶段分别取值。

如较大的τ会增加转子电流，一般在电压跌落段取0-0.5；在电压稳定段，τ过小的取值可能使转子转速过快增加，尤其在高风速、故障持续时间较长的场景下，一般以取上限值0.5为宜。在电压恢复段通过临时调小电磁力矩的最大允许值T_e.max和T_e.min的绝对值以避免恢复过程过电流，逐步将多余的转子惯性能转化为电能，安全恢复能量平衡。临时调小策略在检测到电压恢复时触发，根据经验或仿真实验确定T_e.max和T_e.min绝对值的调整幅度，典型调整量可取0.1-0.3(标幺值)。具体设置可见下文策略C所述(在该实施例中T_e.min的绝对值调至1.2个标幺值)。

为提供无功支撑，在整个低电压穿越过程中，无功控制器持续工作。无功控制器包括转子侧变流器控制器和电网侧变流器控制器，按级联反馈式连接，如图5所示，图5中“转子侧变流器控制器”即图2(电网故障时为图4)中所示控制回路，“电网侧变流器控制器”即图3中所示控制回路；图5中信号支路与图2-图4中同名支路相连。其中，转子侧变流器控制器采用公共联结点电压U_s及其参考值U_s.ref之差的比例积分值作为转子侧无功参考值Q_s.ref，由于最终经由定子侧输出无功功率，故Q_s.ref不能超过定子侧变流器额定容量；Q_s.ref与定子侧实际发出无功Q_s之差作为电网侧变流器控制器无功参考值Q_g.ref,Q_g.ref不能超过电网侧变流器额定容量。

这一控制方式使正常或故障工况下的无功功率在两侧自动分配(优先将输出无功功率分配给RSC，不足时使用GSC发出无功功率)，达到正常工况时电网侧无功输出为零，故障时以转子侧为主、两侧同时输出的控制效果。无功功率输出总量由反映公共联结点电压控制误差的比例积分器给出，实现电压反馈控制。

本发明的控制效果可在如图7所示简单系统上得以体现，该实施例比较了3种典型的控制策略，在不同的电压跌落场景中，重点考察其低电压穿越和无功支撑能力。这3种策略分别是：

策略A：加装撬棒电路的控制策略，如图8所示。撬棒电阻设为40倍转子电阻，对转子和定子电流启动保护的阈值均设为1.5倍额定电流；

策略B：磁链跟踪控制策略(转子侧在电压跌落时的控制策略如图9所示，电网侧始终采用图3的控制策略)；

策略C：本发明提出的控制策略，有关控制参数设置如下：

为了便于比较，策略A和C也应用了与本发明相同的无功控制策略，定转子保护启动方法和阈值均与策略B相同，即定转子电流到达1.5倍额定电流后启动。仿真场景按照图10的最严苛情形，抽取出典型的3个场景，按电压跌落程度、最小留网时间(单位ms)二元组描述为：(0.50,1733)、(0.85,625)、(1,150)。

下面是仿真结果。

在电压跌落50％,持续时间1733ms、低风速(风速为8m/s)场景下，分别应用3种控制策略实施对风机的控制，其主要参数的时域暂态响应曲线如图11所示。3种策略在该故障工况下均能满足转子、定子瞬态电流低于2倍额定值、网侧电流低于1.5倍额定值、直流链电压增幅低于15％、变流器容量低于0.3倍额定值的要求。由于策略C恢复段对惯性能量释放的控制，转子电流峰值明显降低。在功率输出方面，策略C在故障期间输出的有功功率超过0.1倍额定值；策略A使双馈风机转变为感应发电机，在电压跌落时从电网吸收有功功率。因发出有功功率的差异，策略C明显抑制了转速的增加，如图11(f)所示。如同感应电动机，策略A在故障期间从电网吸收无功功率，策略B和C借助本发明所述无功控制方法从定子侧向电网发出相当于50％额定容量的无功功率，总共提供了相当于100％额定值的容性无功电流。如图12(a)所示，策略A所能提供的无功功率则少得多。

在电压跌落85％,持续时间625ms、高风速(风速为13m/s)场景下，转子电流振荡明显增加，如图13(c)所示，导致转子、GSC侧电流、直流链电压升高。在电压恢复段，策略C的转子电流较策略A、B更低、更平滑。策略C向电网发出的无功电流是策略A、B的1.5倍以上，如图14所示。

图15显示公共联结点电压跌落到0时，双馈风机的转子和无功电流。策略C在保持最低的转子电流峰值的前提下，提供了均值最高的无功电流。

在算法强壮性方面，图16显示故障发生时刻延后1/4和半个周波情况下在本发明所提控制策略控制下的双馈风机转子电流的时域曲线。由图可见，3条曲线具有高度相似性。

图17比较了当电压跌落检测延迟10ms情况下，撬棒控制(策略A)和本发明所提策略(策略C)的转子电流时域曲线。由图可知，在电压跌落段出现的电流峰值无可避免出现增加，但两者增加幅度在同一水平。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (3)

1.一种缓存风能的双馈风机低电压穿越和无功支撑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在正常工况下采用以最优风能捕获为控制目标的最佳风能捕获控制方法对双馈风机系统进行控制；

2)当监测到电网事故后，将转子侧变流器的控制回路中原先由根据转子转速实测值ω_r与其参考值ω_r.ref之差的比例积分值给出的电磁力矩参考值T_e.ref切换为直接按表达式给出，其中，U_s为公共联结点电压有效值，U_s.rated为公共联结点电压额定值，K_t.opt为最优增益模态值，τ为力矩控制因子，0≤τ≤1；在整个故障过程中，不断开变流器与转子电路其它部分的电气连接；

在整个低电压穿越过程中，无功控制器持续工作；所述无功控制器包括转子侧变流器控制器和电网侧变流器控制器，按级联反馈式连接，其中，转子侧变流器控制器采用公共联结点电压U_s及其参考值U_s.ref之差的比例积分值作为转子侧无功参考值Q_s.rdf，最终无功功率通过定子侧发出，Q_s.ref不能超过定子侧变流器额定容量；Q_s.ref与定子侧实际发出无功Q_s之差作为电网侧变流器控制器无功参考值Q_g.ref,Q_g.ref不能超过电网侧变流器额定容量；

3)当达到GB/T 19963-2011规定的最小留网时间，且故障清除电压恢复或转子转速超过最大转速时，将转子侧变流器的控制回路中的电磁力矩参考值T_e.ref切换回由根据转子转速实测值ω_r与其参考值ω_r.ref之差的比例积分值给出，恢复采用最佳风能捕获控制方法对双馈风机系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的缓存风能的双馈风机低电压穿越和无功支撑控制方法，其特征在于，所述K_t.opt按以下公式计算：

$K_{t.\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\·{\mathrm{\πR}}^5\·\frac{C_{p.\mathrm{opt}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}^3}$

其中，ρ_air为空气密度，R为风力机叶片半径，C_p为能效系数，λ为叶尖速比，下标opt表示风机处于最优风能捕获状态。

3.根据权利要求1所述的缓存风能的双馈风机低电压穿越和无功支撑控制方法，其特征在于，将电网故障发生后的暂态电压跌落过程称为电压跌落段，将故障未清除前残压相对稳定的阶段称为电压稳定段，将故障清除、电压逐渐恢复正常的过程称为电压恢复段，力矩控制因子τ按电压跌落段、电压稳定段2个不同阶段分别取值；在电压恢复段通过临时调小电磁力矩的最大允许值T_e.max和T_e.min的绝对值以避免恢复过程过电流，逐步将多余的转子惯性能转化为电能，安全恢复能量平衡。