本發(fā)明涉及一種基于冗余拓?fù)涞碾p饋變流器低電壓穿越控制方法，屬于電力電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步和日益被大家認(rèn)可，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量正逐年增加，因此對電力系統(tǒng)的影響也在不斷的增大。當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量比例較大時，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落后，作為電源的風(fēng)電場切除會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，這就要求風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。目前實現(xiàn)低電壓穿越能力的方案一般有三種：一是，采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，二是，引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三是，采用合理的勵磁控制算法。在以上三種方案中，目前都有所應(yīng)用，同時也存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于冗余拓?fù)涞碾p饋變流器低電壓穿越控制方法，該方法通過優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器各增加一個冗余橋臂，通過冗余橋臂控制器實現(xiàn)四橋臂三相系統(tǒng)靈活的橋臂選擇，然后結(jié)合雙饋變流器低電壓穿越控制方法，實現(xiàn)雙饋機(jī)組的低電壓穿越功能，滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場并網(wǎng)的要求。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，解決已有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種基于冗余拓?fù)涞碾p饋變流器低電壓穿越控制方法，包括以下步驟：

步驟1、建立低電壓穿越過程的描述方程，具體包括以下子步驟：

(a)當(dāng)雙饋機(jī)組發(fā)生低電壓時，直接導(dǎo)致雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過電流和變流器直流側(cè)出現(xiàn)過電壓情況，考慮對稱跌落情況下，雙饋發(fā)電機(jī)的電壓方程和磁鏈方程矢量形式通過公式(1)、(2)進(jìn)行描述，

式(1)、(2)中，ω表示雙饋發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，v_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓矢量，v_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓矢量，i_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電流矢量，i_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流矢量，ψ_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶?，?sub>r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚琑_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電阻，R_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，L_m表示互感，L_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子自感，L_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自感，p表示微分算子，由式(2)得到，

式(3)中，表示瞬態(tài)電感，將式(3)帶入式(1)中得到，

(b)假設(shè)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開路時，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程為，

式(5)中，v_r0表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開路時電壓，當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓矢量為，

式(6)中，V_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓幅值，ω_s表示同步旋轉(zhuǎn)角速度，表示旋轉(zhuǎn)分量；

(c)當(dāng)忽略雙饋發(fā)電機(jī)定子電阻時，由式(1)得到，

將式(7)帶入式(5)中得到，

式(8)中，ω_r＝ω_s-ω，s＝ω_r/ω_s表示轉(zhuǎn)差率，當(dāng)非開路的可控情況下，

式(9)中，由于R_r和σL_r相對很小，且雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率較低，v_r和v_r0的差值也很小，假設(shè)當(dāng)電網(wǎng)電壓在t＝t₀對稱跌落到零時，雙饋發(fā)電機(jī)的定子電壓矢量為，

根據(jù)式(1)和(2)，得到雙饋發(fā)電機(jī)定子磁鏈的一階微分方程，

求解上述的一階微分方程得到，

式(12)中，由于此時v_s跌至0，ψ_s與電網(wǎng)電壓無關(guān)，而磁鏈不能突變，此直流分量磁鏈部分僅與跌落的暫態(tài)過程有關(guān)，或稱自由分量ψ_sn，τ_s＝L_s/R_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子時間常數(shù)；

步驟2、設(shè)計四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體包括以下子步驟：

(a)、在常規(guī)的雙PWM三橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各在原有的機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器中增加一個橋臂，構(gòu)成了四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加的冗余橋臂是T1′T2′和T7′T8′；

(b)、在機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器中各自增加一個冗余橋臂選擇器是冗余橋臂選擇器1和冗余橋臂選擇器2，用來實現(xiàn)四橋臂的選擇；

(c)、在實際工作中，一旦發(fā)現(xiàn)其中一個橋臂損壞后，可以切換到冗余橋臂上面繼續(xù)工作，同時給出告警狀態(tài)，提醒業(yè)主進(jìn)行檢修，進(jìn)而達(dá)到了在大風(fēng)發(fā)電和無風(fēng)檢修的目的；

(d)、采用Crowbar技術(shù)作為雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)的一個有效途徑，可以在變流器出現(xiàn)過電流和過電壓情況下實現(xiàn)變流器的有效保護(hù)，在低電壓穿越發(fā)生時刻通過增加雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，也就是短接Crowbar電阻來降低雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路過電流，一旦Crowbar電阻被短接后雙饋發(fā)電機(jī)則變?yōu)橐慌_普通的異步電機(jī)，隨著Crowbar電阻的增大，其功率因數(shù)得到改善，因此在輸入機(jī)械功率一定的前提下，可以有效的降低雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路電流幅值；

步驟3、設(shè)計程序流程框圖，具體包括以下子步驟：

(a)、需要根據(jù)運(yùn)行變流器的硬件故障來判斷出故障橋臂，然后通過冗余橋臂選擇器切除故障橋臂，投入正常運(yùn)行的橋臂；

(b)、需要根據(jù)電網(wǎng)電壓的狀態(tài)確認(rèn)低電壓穿越狀態(tài)，如果是低電壓穿越狀態(tài)，則進(jìn)入低電壓穿越控制，如果不是，則按照非低穿進(jìn)行處理；

(c)、需要根據(jù)過電流和過電壓的情況，以及電網(wǎng)電壓跌落的情況，確認(rèn)Crowbar動作規(guī)則。

本發(fā)明有益效果是：一種基于冗余拓?fù)涞碾p饋變流器低電壓穿越控制方法，包括以下步驟：(1)建立低電壓穿越過程的描述方程，(2)設(shè)計四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，(3)設(shè)計程序流程框圖。已有技術(shù)相比，本發(fā)明通過冗余橋臂的拓?fù)湓O(shè)計可以進(jìn)一步提高變流器的可靠性，在出現(xiàn)IGBT功率器件損壞的情況可以自動切換到冗余橋臂工作；通過冗余橋臂控制器的作用，可以靈活實現(xiàn)四個橋臂在三相回路中的自動切換；結(jié)合設(shè)計的低電壓穿越控制方法，可以實現(xiàn)雙饋機(jī)組的低電壓穿越。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明方法步驟流程圖。

圖3是本發(fā)明冗余臂選擇器控制流程圖。

圖4是本發(fā)明電壓跌落判斷流程圖。

圖5是本發(fā)明低電壓穿越控制流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，在常規(guī)的雙PWM三橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在原有的機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器中各增加一個冗余橋臂，即T1′T2′和T7′T8′構(gòu)成了四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在機(jī)側(cè)變流器中功率器件T1、T2、T3、T4、T5、T6、T1′及T2′集電極-發(fā)射極之間分別并接一個二極管，在網(wǎng)側(cè)變流器中功率器件T7、T8、T9、T10、T11、T12、T7′及T8′集電極-發(fā)射極之間分別并接一個二極管。機(jī)側(cè)變流器中功率器件T1、T3、T5、T1′集電極相連在一起，T2、T4、T6、T2′發(fā)射極相連在一起。網(wǎng)側(cè)變流器中功率器件T7、T9、T11、T7′集電極相連在一起，T8、T10、T12、T8′發(fā)射極相連在一起。另外，在機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器中分別增加一個冗余橋臂選擇器1和冗余橋臂選擇器2。其中：冗余橋臂選擇器1分別與功率器件T1、T3、T5、T1′發(fā)射板，T2、T4、T6、T2′集電極相連，冗余橋臂選擇器2分別與功率器件T7、T9、T11、T7′發(fā)射板，T8、T10、T12、T8′集電極相連。用來實現(xiàn)四橋臂的選擇，一旦發(fā)現(xiàn)其中一個橋臂損壞后，可以切換到冗余橋臂上面繼續(xù)工作，同時給出告警狀態(tài)，提醒業(yè)主進(jìn)行檢修，進(jìn)而達(dá)到了在大風(fēng)發(fā)電和無風(fēng)檢修的目的。冗余橋臂選擇器1還通過三相電力線分別與電抗器相連，電抗器通過三相電力線分別與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連。冗余橋臂選擇器2通過三相電力線分別與變壓器相連，變壓器通過三相電力線分別與電網(wǎng)相連。Crowbar通過三相電力線分別與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，作為轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)的一個有效途徑，可以在變流器出現(xiàn)過電流和過電壓等情況下實現(xiàn)變流器的有效保護(hù)。在低穿發(fā)生時刻通過增加轉(zhuǎn)子電阻，也就是短接Crowbar電阻來降低轉(zhuǎn)子短路過電流。一旦Crowbar電阻被短接后雙饋電機(jī)則變?yōu)橐慌_普通的異步電機(jī)，可知隨著Crowbar電阻的增大，其功率因數(shù)得到改善，因此在輸入機(jī)械功率一定的前提下，可以有效的降低轉(zhuǎn)子短路電流幅值。

如圖2所示，一種基于冗余拓?fù)涞碾p饋變流器低電壓穿越控制方法，包括以下步驟：

步驟1、建立低電壓穿越過程的描述方程，具體包括以下子步驟：

(a)當(dāng)雙饋機(jī)組發(fā)生低電壓時，直接導(dǎo)致雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過電流和變流器直流側(cè)出現(xiàn)過電壓情況，考慮對稱跌落情況下，雙饋發(fā)電機(jī)的電壓方程和磁鏈方程矢量形式通過公式(1)、(2)進(jìn)行描述，

式(1)、(2)中，ω表示雙饋發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，v_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓矢量，v_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓矢量，i_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電流矢量，i_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流矢量，ψ_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶浚?sub>r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?，R_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電阻，R_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，L_m表示互感，L_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子自感，L_r表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自感，p表示微分算子，由式(2)得到，

式(3)中，表示瞬態(tài)電感，將式(3)帶入式(1)中得到，

(b)假設(shè)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開路時，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程為，

式(5)中，v_r0表示雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開路時電壓，當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓矢量為，

式(6)中，V_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓幅值，ω_s表示同步旋轉(zhuǎn)角速度，表示旋轉(zhuǎn)分量；

(c)當(dāng)忽略雙饋發(fā)電機(jī)定子電阻時，由式(1)得到，

將式(7)帶入式(5)中得到，

式(8)中，ω_r＝ω_s-ω，s＝ω_r/ω_s表示轉(zhuǎn)差率，當(dāng)非開路的可控情況下，

式(9)中，由于R_r和σL_r相對很小，且雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率較低，v_r和v_r0的差值也很小，假設(shè)當(dāng)電網(wǎng)電壓在t＝t₀對稱跌落到零時，雙饋發(fā)電機(jī)的定子電壓矢量為，

根據(jù)式(1)和(2)，得到雙饋發(fā)電機(jī)定子磁鏈的一階微分方程，

求解上述的一階微分方程得到，

式(12)中，由于此時v_s跌至0，ψ_s與電網(wǎng)電壓無關(guān)，而磁鏈不能突變，此直流成分分量磁鏈部分僅與跌落的暫態(tài)過程有關(guān)，或稱自由分量ψ_sn，τ_s＝L_s/R_s表示雙饋發(fā)電機(jī)定子時間常數(shù)；

步驟2、設(shè)計四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體包括以下子步驟：

(a)、在常規(guī)的雙PWM三橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各在原有的機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器中增加一個橋臂，構(gòu)成了四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加的冗余橋臂是T1′T2′和T7′T8′；

(b)、在機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器中各自增加一個冗余橋臂選擇器是冗余橋臂選擇器1和冗余橋臂選擇器2，用來實現(xiàn)四橋臂的選擇；

(c)、在實際工作中，一旦發(fā)現(xiàn)其中一個橋臂損壞后，可以切換到冗余橋臂上面繼續(xù)工作，同時給出告警狀態(tài)，提醒業(yè)主進(jìn)行檢修，進(jìn)而達(dá)到了在大風(fēng)發(fā)電和無風(fēng)檢修的目的；

(d)、采用Crowbar技術(shù)作為雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)的一個有效途徑，可以在變流器出現(xiàn)過電流和過電壓情況下實現(xiàn)變流器的有效保護(hù)，在低電壓穿越發(fā)生時刻通過增加雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，也就是短接Crowbar電阻來降低雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路過電流，一旦Crowbar電阻被短接后雙饋發(fā)電機(jī)則變?yōu)橐慌_普通的異步電機(jī)，隨著Crowbar電阻的增大，其功率因數(shù)得到改善，因此在輸入機(jī)械功率一定的前提下，可以有效的降低雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路電流幅值；

步驟3、設(shè)計程序流程框圖，具體包括以下子步驟：

(a)、需要根據(jù)運(yùn)行變流器的硬件故障來判斷出故障橋臂，然后通過冗余橋臂選擇器切除故障橋臂，投入正常運(yùn)行的橋臂，冗余臂選擇器控制流程圖如圖3所示。

(b)、需要根據(jù)電網(wǎng)電壓的狀態(tài)確認(rèn)低電壓穿越狀態(tài)，如果是低電壓穿越狀態(tài)，則進(jìn)入低電壓穿越控制，如果不是，則按照非低穿進(jìn)行處理，電壓跌落判斷流程圖如圖4所示。

(c)、需要根據(jù)過電流和過電壓的情況，以及電網(wǎng)電壓跌落的情況，確認(rèn)Crowbar動作規(guī)則，低電壓穿越控制流程圖如圖5所示。