《风电控制技术及应用》课件-故障穿越课件

风力发电机组的故障穿越目录风力发电对电力系统的影响各国电网导则对风电接入的要求当前矢量控制策略及存在的问题当前故障穿越的方法已经获得的阶段性结论风力发电对电力系统的影响风力发电对电力系统的影响风力发电的特点风力发电和时间的关系-----间歇性风是波动的，风电是间歇式发电风电不能像常规发电那样进行调度风电预测比负荷预测难度大风电在空间的分布性风力发电对电力系统的影响风力发电和常规发电的比较发电类型火电和水电风电发电机输出功率的特点可调度-运行人员可以安排机组的出力间歇性-机组出力，随着气象条件、季节和每日不同时段而变化，不能按计划发电发电机种类、数量同步发电机，一般发电厂包含数台机组采用多种发电技术，包括感应发电机、双馈变速发电机和同步发电机，并且有些发电系统采用多种电力电子控制技术。大型风电场包含数百台机组故障时的暂态响应特性取决于反映同步发电机组电特性的功率振荡方程不同类型的风电机组在故障时的暂态响应不同运行特性由发电机组和励磁系统的特性决定由风电机群的特性和协调全部风电机群运行的风电场综合控制系统决定风力发电对电力系统的影响衡量风电规模的指标风电穿透功率极限风电穿透功率（wind

power

penetration）是指：系统中风电场装机容量占系统总负荷的比例。风电穿透功率极限为满足一定技术指标的前提下接入系统的最大风电场装机容量与系统最大负荷的百分比。表征系统能够承受的最大风电场装机容量。根据欧洲国家的统计数据，风电穿透功率达到10%是可行的。风力发电对电力系统的影响♦风电场短路容量比定义为风电场额定容量与该风电场与电力系统的连接点-PCC（pointof

common

coupling）的短路容量Ssc之比。短路容量表示网络结构的强弱，短路容量大说明该节点与系统电源点的电气距离小，联系紧密。风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。欧洲国家给出的经验数据，短路容量比为3.3%~5%。风力发电对电力系统的影响♦制约风电注入最大功率的主要因素—节点电压越限提高风电接入系统的电压调整能力、适当增加风电场的无功补偿量、采用X/R较小的联络线将有利于提高风电场的最大注入功率。风力发电对电力系统的影响对电能质量的影响风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，有可能造成电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性的电压脉动。对稳定性的影响对于大量风电存在的系统，因为大量小惯量的风电机组代替了常规同步发电机组，系统的暂态稳定性也发生了变化。现有的研究表明，定速风电机组对系统的震荡有一定的阻尼作用，而变速风电机组因为变换器的作用，风电机组的转速与电网频率解耦，阻尼作用被减弱。另外，系统故障时，风电机组可能因为电压、电流越限或转速越限导致保护动作，使风电机组解列，系统将遭受更大的冲击。风力发电对电力系统的影响对保护装置的影响功率双向流动风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向的，因此风电场继电保护装置的配置和整定应充分考虑到这种运行方式。故障电流的检测当风场为逆步机时，异步电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对称故障时提供的短路电流也非常有限。技术困难是如何很据有限的故障电流来检测故障的发生，使保护装置准确而快速的动作。风力发电对电力系统的影响故障时对双馈电机的影响从功率守恒的角度从磁场耦合的角度各国电网导则对风电接入的要求各国电网导则对风电接入的要求1.

对故障穿越的要求各国电网导则对风电接入的要求爱尔兰的电网导则中对故障的持续时间最为苛刻，要求穿越的时间最长，丹麦的最短，仅100毫秒。但是丹麦的电网导则要求风机在经历连续的电网故障下不脱网。德国的电网导则规定风电场在接入点电压降低后

0-150毫秒内不准脱网，且必须向电网注入最高100％的无功电流。西班牙的电网导则同样要求风电场在故障穿越期间向电网注入无功电流。各国电网导则对风电接入的要求各国电网导则对风电接入的要求爱尔兰各国电网导则对风电接入的要求丹麦德国英国各国电网导则对风电接入的要求西班牙西班牙意大利美国各国电网导则对风电接入的要求加拿大魁北克省加拿大亚伯达省各国电网导则对风电接入的要求中国即将执行的“风电并网标准”各国电网导则对风电接入的要求其他方面的要求有功功率控制。要求风电场的出力变化速度低于一定的限制，分为爬坡/下降速率。频率调节。具备一定的有功备用参与一次调频，在系统频率偏高的情况下通过投切实现风电场参与二次调频。电压控制。对风电场的无功补偿、电压波动、闪变、谐波、变压器分接头的调节提出明确要求。保护配置及整定。通信能力，等。以双馈风电机组为例的讨论与分析当前矢量控制策略及存在的问题当前矢量控制策略及存在的问题当前矢量控制策略及存在的问题1.

矢量控制的优点有功功率和无功功率的解耦较好的动、静态性能矢量控制的缺点易受电机参数的影响电网故障情况下，动态性能降低基于电网电压定向或者定子磁链定向的控制策略，都认为电网电压

矢量us是恒定不变的，进而定子磁链在忽略定子绕组电阻的情况下，与电压矢量相差90°，且保持恒定。

s

us

Rsis

电网故障时，电网电压us在频率和幅值上出现波动，影响定向的准确性，动态性能将受到很大的影响。当前故障穿越的方法当前低电压穿越的方法1.

改进的矢量控制----考虑到故障时定子电流变化的矢量控制策略s1 s(1)s rdt r

dt⎧⎪⎨⎪⎪⎩dψus

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j

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j

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(2)⎩ψr

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ir当前故障穿越的方法，则有，将（3），（4），（5）代入（1）令

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1

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sψr当前故障穿越的方法由（6）式得采用定子磁链定向时s s

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(uRsisq

1ψsd当前故障穿越的方法当前故障穿越的方法性能分析提高了故障状态下对转子电流的控制能力，但是对转子电流的有效控制是以提高转子电压来实现的，容易造成直流侧电压的波动。当前故障穿越的方法2.

对零序、负序磁链的抵消由磁链方程（2）可以得出r srs sLLLL

L

L2ψ

m

ψ

s r m

i

(11)

ψs

(Lls

Llr

)ir从式（11）可以看出，通过控制转子电流可以抵消故障时定子磁链中出现的零序和负序分量，维持磁链的恒定。当前故障穿越的方法当前故障穿越的方法令性能分析减弱了故障时的功率以及转矩振荡，但是控制性能和零序和负序磁链的分离性能有关。若分离环节存在较大延时，将影响控制性能。(12)0_

sabclslr 0_

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sabclslr 2_

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0⎪⎧ψ

(L

L )i*⎪⎩ψ

(L

L )i*当前故障穿越的方法3.

在正向、反向同步旋转坐标上的联合控制当前故障穿越的方法首先建立在正向同步旋转坐标下的电机方程(13)sdsd

1

sqsqsq1 sdddtddt

⎧v

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1 r rd⎪⎩当前故障穿越的方法在反向同步旋转坐标下(15)sdsd1 sqsqsq1 sdddtddt

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(

)

1 r rd⎪⎩当前故障穿越的方法性能分析可控性强，但是运算复杂，其中包括多个旋转变换和正序、负序的分离环节，这些环节都有可能引入误差降低控制性能。当前故障穿越的方法内模控制内模控制方法是Garcia和Morari于1982年首先正式提出，是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。它的优点在于设计简单，控制性能好和在系统分析方面的优越性。无需精确的对象模型在引入滤波器后，系统有可能获得较好的鲁棒性(3)控制器参数调节方便。当前故障穿越的方法当前故障穿越的方法从传递函数（24）可以看出，如果且 ，则可以同样可以获得良好的跟踪性能以及抗干扰能力。系统的传递函数Y

(s)

[R(s)

d

(s)]Gc

(s)Gp

(s)

d

(s)(24)1

[Gp

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p

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(s)

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(s)Gp

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(s)c p(s)

1G(s)

G%G(s)

G% (s)

1p p完全跟踪输入给定，排除干扰。

既使建模存在误差，即

Gp

(s)

G%

p

(s)从传递函数（25）可以看出,只要

G

(s)

G% (s)

1c p-1当前故障穿越的方法性能分析内模控制器是基于模型最小相位部分的逆，在输入信号的跟踪响应、外界扰动的消除上并非是理想的控制器，而只能根据模型来设计滤波器的结构、层次，并在滤波常数上进行调整，在系统的动态跟踪品质、稳态误差、扰动消除和鲁棒稳定性之间取得一定的平衡。而滤波器的设计是比较复杂的。当前故障穿越的方法5.

直接转矩控制（DTC）直接转矩控制是由I.Takahashi和T.Noguchi在1986年提出的。直接转矩控制是在静止坐标中实现的，避免了旋转变换。控制结构简单，控制手段直接。通过控制定、转子磁链的夹角来实现有功、无功功率的控制。s rms rs rmLmLm

sin

(32)T

3

p(

s

r

)2 nLL

L2

3

p2 nLL

L2当前故障穿越的方法当前故障穿越的方法图中AMM为转子磁链计算模块，AMC根据转子电压、电流计算电磁转矩T，DMC模块产生IGBT触发信号。AZS是零向量选择器，在产生的旋转转子磁链中插入零向量以控制转子磁链的旋转速度。ATR是一个施密特触发器，根据给定转矩和反馈转矩的比较，来旋转DMC模块和AZS模块工作，来控制转子磁链的旋转速度，从而控制转矩T在一定的范围内波动。性能分析控制简单，但是转矩脉动较大，并且一般认为转子磁链的准确估计比较困难。当前故障穿越的方法6.

直接功率控制（DPC）直接功率控制是80年代由TAKAHASHI提出的，可以认为是直接转矩控制和矢量控制的结合。与直接转矩控制的区别是，直接功率控制只对定子磁链进行估计，而直接转矩控制需要对转子磁链进行估计，而转子磁链的估计一般认为比定子磁链的估计难度大。直接功率控制通过旋转合适的转子侧电压矢量来直接控制定子侧的有功和无功功率，实现对有功功率和无功功率的独立调节。ss r

1

s

r sin

(33)

L

LP

1.5Lmssr ss rmL

L

LQ

1.5Lm

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cos

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)(34)当前故障穿越的方法当前故障穿越的方法使用硬件电路的故障穿越方法转子侧保护两相交流开关的CROWBAR采用两相交流开关构成的保护电路，其交流开关由晶闸管反向并联构成，当发生电网故障时，通过交流开关短路转子绕组，起到保护变流器的作用。采用这种电路时，由于转子电流中通常存在较大的直流分量，使晶闸管过零关断的特性不再适用，可能会造成保护电路拒动，而且晶闸管吸收电路的设计也比较困难。当前故障穿越的方法二极管整流桥和晶闸管构成的CROWBAR由二极管整流桥和晶闸管构成的保护电路，当直流侧电压达到最大值时，通过触发晶闸管导通实现对转子绕组的短路，同时断开转子绕组与转子侧变流器的连接，保护电路与转子绕组一直保持连接，直到主回路开关将定子侧彻底与电网断开为止。这种电路控制简单，但是晶闸管不能自行关断，因此当故障消除后，系统不能自动恢复正常，必须重新并网。当前故障穿越的方法主动式保护电路上面2种电路都是被动式保护，难以适应新的电网规则要求，因此可选用自关断器件构成的主动式保护电路。为尽可能快地切除保护电路，可采用GTO、IGBT等自关断器件，采用GTO和二极管构成可控整流桥，或在二极管整流桥后采用IGBT和电阻构成斩波器，这种保护电路使转子侧变流器在电网故障时可以与转子保持连接，当故障消除后通过切除保护电路，使风电系统快速恢复正常运行，因而具有更大的灵活性,但由于采用了全控制器件,成本会比较高.当前故障穿越的方法三相交流开关和旁路电阻构成的CROWBAR采用三相交流开关和旁路电阻构成的保护电路，为故障期间转子侧可能出现的大电流提供通路，采用这种电路，当电网电压跌落发生及恢复时，转子侧变流器可以与转子保持连接，并保持运行同步，当故障消除后，切除旁路电阻使系统快速恢复正常运行。其中旁路电阻的取值比较关键，既要避免变流器直流侧过压，又要有效抑制转子侧过电流。当前故障穿越的方法定子侧保护定子侧增加交流开关定子侧增加交流开关构成保护电路，与传统的并网软启动器相似，正常运行时，交流开关全部导通。为承受电压跌落所带来的大电流冲击，转子侧变流器选用电流等级较高的大功率IGBT功率器件，发生故障时，定子侧会产生较大的暂态电流，此时通过控制晶闸管的触发角对此电流进行限制。使用这种方法时，交流开关的通态压降会造成系统效率降低，正常运行时可以通过导通旁路继电器、关闭交流开关来降低通态损耗。当前故障穿越的方法串联变流器DFIG-VSCF系统中所采用的背对背变流器通常都是与定子侧并联，这表明变流器能够向电网注入或者吸收电流，若采用上图所示的电路结构，将变流器与电网串联连接，则DFIG定子侧的电压是网侧电压和变流器输出电压之和，因此可以通过控制变流器的电压来控制定子磁链，有效抑制由于电压跌落所造成的磁链振荡，从而阻止转子侧大电流的产生，减小系统受电网扰动的影响，达到强化电网的目的。当前故障穿越的方法直流侧保护直流侧增加卸荷负载在直流侧增加卸荷负载，当电网电压跌落时，转子侧过流，电网侧变流器输出功率受到限制，能量在直流侧积累会造成直流侧电压升高，可能会损坏直流侧电容和功率器件，此时投入卸荷负载，消耗掉直流侧多余的能量，则可以保持电压稳定。常规的卸荷负载采用功率器件与电阻串联的形式，这种保护电路，多余的能量通过电阻消耗掉。当前故障穿越的方法直流侧采用储能设备为解决上面能量被白白地消耗掉的问题，直流侧采用能量存储设备(Energy

Storage

System，ESS)，能量可双向流动的DC/DC变换器与直流侧连接，随着DFIG实际转速的变化，既可以发送有功功率，又可以在必要条件下吸收有功功率，故障时可以把多余的能量存储在ESS中。在直流侧增加保护电路会在一定程度上加大转子侧变流器的设计难度，必须增加转子侧变流器的容量，以通过电网故障时转子侧的大电流，因此增加了成本，但同时也为实现更好的控制策略创造了条件。当前故障穿越的方法组合保护定子交流开关保护与直流侧卸载将定子侧采用交流开关保护与直流侧卸荷负载方式组合使用，可以进一步提高其的保护性能，当发生电网电压跌落时，投入直流侧卸荷负载，应对转子侧过电流，稳定直流侧电压，当故障恢复时，由定子侧交流开关抑制定子侧的过电流，与单纯使用定子侧保护电路比较，它可以进一步提高可靠性。当前故障穿越的方法定子侧和转子侧均采用旁路电阻在定子侧和转子侧都采用旁路电阻，当电网故障发生及恢复时，分别对定子侧和转子侧的过电流进行抑制，可以进一步提高保护电路的可靠性。当前故障穿越的方法转子侧旁路电阻与直流侧卸负载将转子侧旁路电阻与直流侧卸荷负载