一种双馈抽水蓄能机组低压穿越控制方法
阅读说明：本技术 一种双馈抽水蓄能机组低压穿越控制方法 (Low-voltage ride through control method for double-fed pumped storage unit ) 是由 张宇 刘加洪 雍丽英 吕艳玲 李凯 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双馈抽水蓄能机组低压穿越控制方法,属于双馈抽水蓄能机组控制领域。本发明为了解决双馈抽水蓄能机组使用现有低电压穿越策略无法合理应对不同程度的电压跌落工况的问题。本发明包括判断是否出现故障模式,若否,执行双馈抽水蓄能机组在正常工作模式下工作；若是,判断所述双馈抽水蓄能机组的电压跌落工况,所述电压跌落程度包括轻微跌落工况、中度跌落工况和严重跌落工况,根据所述电压跌落工况选择相应的工作模式,所述工作模式包括轻微跌落工作模式、中度跌落工作模式和严重跌落工作模式。本发明使得双馈抽水蓄能机组在不同电压跌落工况中均具有较好的低电压穿越能力。(The invention discloses a low-voltage ride-through control method for a double-fed pumped storage unit, and belongs to the field of control over the double-fed pumped storage unit. The invention aims to solve the problem that the doubly-fed pumped storage unit cannot reasonably cope with voltage drop working conditions of different degrees by using the conventional low-voltage ride-through strategy. Judging whether a fault mode occurs, if not, executing the operation of the double-fed pumped storage unit in a normal operation mode; if yes, the voltage drop working condition of the doubly-fed pumped storage unit is judged, the voltage drop degree comprises a slight drop working condition, a moderate drop working condition and a severe drop working condition, and a corresponding working mode is selected according to the voltage drop working condition, and the working mode comprises a slight drop working mode, a moderate drop working mode and a severe drop working mode. The double-fed pumped storage unit has better low-voltage ride through capability under different voltage drop working conditions.)
技术领域
本发明属于双馈抽水蓄能机组控制领域，特别是涉及一种双馈抽水蓄能机组低压穿越控制方法。
背景技术
为响应“双碳”战略，电网结构在加快转型，风电、光伏发电等新能源发电机组的装机并网容量和发电占比逐年上升，因这类发电机组的输入源有间歇性，不能保证稳定地输出电能，倘若大规模直接并网，会破环电力系统的稳定。抽水蓄能为一种较为成熟的储能技术，具有储存能力强、转换效率高、负荷响应快的优点。将其作为“稳定器”消纳与协调其他新能源发电设备，可提高发电优质率，充分发挥绿色资源优势。
抽水蓄能机组通过控制水泵水轮机正反转来切换电动和发电工作模式。在负荷低峰时，启用电动模式，储存能量；在负荷高峰时，转为发电模式，回馈能量。双馈电机使用部分功率变流器，运行损耗小，可通过交流励磁实现变速调频，被广泛应用于抽水蓄能机组。机组控制方法上通常使用传统矢量定向控制，通过在dq坐标系下将单一矢量定向，解除各矢量间耦合关系，达到独立控制，简化流程的效果。
由于双馈电机定子绕组直接与电网相连，且转子侧变流器控制速度和输出功率有限，无法应对并网点电压跌落带来的冲击。在发电模式下，变流器易因过流、过压而损害，机组为保护脆弱的电力电子器件将会解列，而大容量机组的解列和重并网是整个电力系统安全稳定运行的一大威胁，可能扩大危害。因此，随着单机容量及整体占比的提升，双馈抽水蓄能机组需增强对电压跌落故障适应的低电压穿越能力。
应用于抽水蓄能的双馈机组因控制工况复杂，相关低电压穿越策略当下研究甚少，特别在是电动工作模式，而目前有关传统双馈抽水蓄能机组低电压穿越策略的研究可规为附加硬件保护装置、基于控制策略的改进优化两大类。在附加硬件保护装置中，使用最多的是置于转子侧变流器前端的撬棒(Crowbar)电路，而最有效的为置于并网点处的动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)，除此外有附加超级电容、动态电阻、直流斩波器(Chopper)等方法；在基于控制策略的改进中，有用模糊控制器替代传统PI控制器、加前馈信号以提高电流环追踪速度的方法，有直接追踪定子电流以抑制转子电流的定子电流反馈法，有以灭磁为导向的去磁控制方法等。从原理上看，在机组内部附加硬件，可从能量管理出发，通过硬件装置吸收盈余能量来保护变流器；在并网点侧附加硬件则通过支撑机端电压来从根本上解决故障。但是，硬件保护装置会导致整个机组的体积增大、成本增加，并且单纯增加硬件保护装置还存在一定局限性，如单附加Crowbar电路，因其工作时切断转子侧变流器控制信号的输入，使得机组无法输出无功，而且因结构等效为于鼠笼式异步电动机，还将反向吸收无功；单加超级电容辅助直路，由于安装位置在直流母线处，无法提前缓解盈余能力对转子侧变流器的冲击。优化控制策略可由减弱某些量的暂态响应，合理调节电压、电流值，在一定程度上抵消转子感应电动势(Electromotive Force，EMF)，利用系统自身将盈余能量吸收。但因机组自身储能能力有限，纯靠控制策略难以完成严重跌落程度下的低电压穿越，此类方法只适用于电压中度及以下跌落程度。
发明内容
为了解决双馈抽水蓄能机组使用现有低电压穿越策略无法合理应对不同程度的电压跌落工况的问题，本发明提供了一种双馈抽水蓄能机组低压穿越控制方法，使得双馈抽水蓄能机组在不同电压跌落工况中均具有较好的低电压穿越能力。
本发明提供了一种双馈抽水蓄能机组低压穿越控制方法，所述双馈抽水蓄能机组包括：双馈电机、转子侧变流器、转换开关、双向DC/DC变换器、超级电容、网侧变流器、三相变压器和电网；当所述双馈抽水蓄能机组为发电模式时，所述低压穿越控制方法包括：
S11、判断是否出现故障模式，若否，执行步骤S12，若是，执行步骤S13；
S12、所述双馈抽水蓄能机组在正常工作模式下工作；
S13、判断所述双馈抽水蓄能机组的电压跌落工况，所述电压跌落程度包括轻微跌落工况、中度跌落工况和严重跌落工况，根据所述电压跌落工况选择相应的工作模式，所述工作模式包括轻微跌落工作模式、中度跌落工作模式和严重跌落工作模式；
进一步的，所述正常工作模式为：
S121、转子侧变流器通过矢量控制，解耦控制有功功率和无功功率；
S122、网侧变流器通过有功环控制直流母线电压维持在正常区间以内，有功环调节无功功率的输出；
S123、比较超级电容的SOC值与预设值SOC*，当SOC＞SOC*时，闭合转换开关，超级电容在双向DC/DC变换器BOOST模式下释能，以小电流形式回馈能量并留出事故备用容量，当SOC≤SOC*时，断开转换开关。
进一步的，所述轻微跌落工作模式为：
S1311、转换开关保持关断状态；
S1312、转子侧变流器通过矢量控制，解耦控制有功功率和无功功率；
S1313、网侧变流器通过有功环控制直流母线电压维持在正常区间以内，有功环调节无功功率的输出；
S1314、通过机组自身传动链储存能量。
进一步的，所述中度跌落工作模式为：
S1321、转子侧变流器采用虚拟电感控制；
S1322、网侧变流器采用无功优先控制；
S1323、检测双馈抽水蓄能机组的当前电压跌落工况是否符合轻微跌落工况，若是，执行轻微跌落工作模式，若否，重复执行步骤S1321-步骤S1322。
进一步的，所述严重跌落工作模式为：
S1331、转子侧变流器采用虚拟电感控制；
S1332、网侧变流器采用无功优先控制；
S1333、转换开关闭合、接入附加超级电容支路；
S1334、检测双馈抽水蓄能机组的当前电压跌落工况是否符合中度跌落工况，若是，断开超级电容支路，若否，重复执行步骤S1331-步骤S1333。
进一步的，所述电压跌落程度判定方法包括：
设定轻度跌落限定值h1，中度跌落限定值h2，严重跌落限定值h3，当跌落电压h小于轻度跌落限定值h1时，为轻度跌落工况；当跌落电压h位于区间[h1，h2]中时，为中度跌落工况；当跌落电压h位于区间[h2，h3]时，为严重跌落工况。
进一步的，当所述双馈抽水蓄能机组为电动模模式时，所述低压穿越控制方法包括：
S21、判断是否出现故障模式，若否，执行步骤S22，若是，执行步骤S23；
S22、所述双馈抽水蓄能机组在正常工作模式下工作；
S23、转子侧变流器加入前馈指令；
S24、比较超级电容的SOC值与预设值SOC*，当SOC＞SOC*时，闭合转换开关，超级电容在双向DC/DC变换器BOOST模式下释能，以小电流形式回馈能量并留出事故备用容量，当SOC≤SOC*时，断开转换开关；
S24、重复执行步骤S21。
如上所述，本发明与现有技术相比，具有如下效果：
在抽水蓄能机组使用传统控制策略无法实现低电压穿越，基于控制策略优化应对严重跌落效果差，附加硬件成本高且无电动模式下策略的情况下。在发电模式下，采用虚拟电感控制和附加超级电容储能支路两种方法，并在不同跌落等级下设定不同控制策略，使抽水蓄能机组能应对不同程度、不同类型的电压跌落故障；在电动模式下，对转速控制和能量输入要求，利用上述设计的软硬件策略实现低穿。同时附加转换开关，提高切换控制策略可靠性，减少超级电容储能支路的启用频率和备用容量，以达到减少成本，易于推广的目的。
附图说明
图1为本发明具体实施例的双馈抽水蓄能机组系统整体结构框图；
图2为本发明具体实施例的DFIG转子侧等效电路模型图；
图3为本发明具体实施例的采用改进策略后双馈抽水蓄能机组系统整体框图；
图4为本发明具体实施例的转子侧变流器虚拟动态电感控制框图；
图5为本发明具体实施例的网侧变流器无功优先控制框图；
图6为本发明具体实施例的双向DC/DC及超级电容拓扑；
图7为本发明具体实施例的两相交错式双向半桥DC/DC变换器控制策略；
图8为本发明具体实施例的发电模式下整体流程图；
图9为本发明具体实施例的电动模式下整体流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，在一具体实施例中提供了一种双馈抽水蓄能机组低压穿越控制方法，所述双馈抽水蓄能机组包括：水泵水轮机、齿轮变速箱、双馈电机、滤波器、转子侧变流器、转换开关、双向DC/DC变换器、超级电容、网侧变流器、三相变压器和电网；
DFIG数学模型可采用空间矢量表征为：
式中，分别为定、转子磁链矢量；分别为定、转子电流矢量；Ls、Lm和Lr分别为定子自感、定转子互感和转子自感；分别为定、转子电压矢量；Rs、Rr分别为定、转子电阻。上标“r”和“s”分别代表矢量已折算到转子和定子坐标系下，两者转换关系如下式：
将式(1)代入(2)，得到转子电压：
式中，σ为漏感系数，且σLr为转子侧暂态电感。
由式(4)知，转子电压可看成转子感应电动势以及转子绕组阻抗产生的电压降两部分组成，由此式可绘制双馈电机转子侧等效电路模型如附图2所示。
以正常发电工况下的各参数计算为例：
电网电压为：
其中ωs为定子电压角频率，Vs为定子额定电压。
将(5)代入(2)，忽略较小含定子电阻项，可得定子磁链为：
式(6)代入计算公式得到的EMF表达式为：
其中，λ为转差率，且λ＝(ωs-ωr)/ωs，λ∈[-0.3,0.3]。
电网故障工况下各参数计算：
基于对称分量法，电网故障下电网电压由正序、负序和零序分量叠加而成，表示为：
式中Vsp、Vsn和Vs0分别表示定子电压的正序、负序和零序分量的幅值。
绝大多数情况下，电机中性点不接地，无漏感，因此零序分量可不必加以分析。磁链若可跟随定子端电压突变，将意味绕组中储存的能量可凭空消失，显然不符合能量守恒定律，因此为保证磁链具有连续性，定子磁链中会存在缓慢衰减的直流分量，。联立(1)、(2)和(8),忽略较小的含Rs项，并加上直流分量得到故障工况下定子磁链表达式：
式中，Ψst为初始磁链直流分量的幅值，τs为定子磁链的衰减时间。
将(9)代入计算式，并忽略较小的含τs项，可求得电网故障下的EMF表达式为：
式中，第一项、第二项和第三项分别为EMF的正序分量、负序分量和直流分量。
对于危害较大的对称电网故障有：
对称跌落下：
对比可得，故障下的EMF与正常工况下互不相同，从频率上看，直流和负序分量的介入，使EMF表现多频率分量并存特性；数值方面，虽故障期间各分量会随时间衰减，但跌落初始阶段，多个分量叠加产生的幅值将远超正常工况下EMF幅值。以最坏情况，即全跌落(h＝1)和λ＝-0.3时为例，EMF幅值将达到1.3VsLm/Ls，而正常工况下EMF幅值仅为0.3VsLm/Ls，两者对比，前者为后者的4.33倍。
综上，电网故障后EMF频率多且幅值高，为维持并网运行，转子电压和电流需合力去抵消EMF，而双馈抽水蓄能机组采用部分功率变流器，可输出功率相对小，转子侧变流器易出现失控、过流现象。同时由于网侧变流器传输功率能力弱，能量将因无处收纳堆积置直流母线处，导致其出现过电压，严重危害机组的安全运行，因此，本实施例的双馈抽水蓄能机组低电压穿越方法包括在发电模式时的低电压穿越控制方法和在电动模式时的低电压穿越控制方法。
当所述双馈抽水蓄能机组为发电模模式时，所述低压穿越控制方法包括：
S11、判断是否出现故障模式，若否，执行步骤S12，若是，执行步骤S13；
本实施例根据电网电压状态实现转子变流器的电流、电压以及机组端的电压值的实时监测，若检测到转子发生过电流以及机端电压下降时，为故障模式。
S12、所述双馈抽水蓄能机组在正常工作模式下工作；
所述正常工作模式为：
S121、转子侧变流器通过矢量控制，解耦控制有功功率和无功功率；
S122、网侧变流器通过有功环控制直流母线电压维持在正常区间以内，无功功率的输出由无功环微调；
S123、比较超级电容的SOC值与预设值SOC*，当SOC＞SOC*时，闭合转换开关，超级电容在双向DC/DC变换器BOOST模式下释能，以小电流形式回馈能量并留出事故备用容量，当SOC≤SOC*时，断开转换开关；
S124、重复执行步骤S11。
S13、判断所述双馈抽水蓄能机组的电压跌落工况，所述电压跌落程度包括轻微跌落工况、中度跌落工况和严重跌落工况，根据所述电压跌落工况选择相应的工作模式，所述工作模式包括轻微跌落工作模式、中度跌落工作模式和严重跌落工作模式；
本实施例中所述电压跌落程度判定方法包括：
设定轻度跌落限定值h1，中度跌落限定值h2，严重跌落限定值h3，当跌落电压h小于轻度跌落限定值h1时，为轻度跌落工况；当跌落电压h位于区间[h1，h2]中时，为中度跌落工况；当跌落电压h位于区间[h2，h3]时，为严重跌落工况，当跌落电压满足h3≤h时，抽水蓄能机组从电网切除。
当判定当前电压跌落工况为轻微跌落工况时候，采取轻微跌落工作模式，具体包括：
S1311、转换开关保持关断状态；
S1312、转子侧变流器通过矢量控制，解耦控制有功功率和无功功率；
S1313、网侧变流器通过有功环控制直流母线电压维持在正常区间以内，有功环调节无功功率的输出；
S1314、通过机组自身传动链储存能量。
S1315、判断电网电压是否恢复正常，若是，执行步骤S12。
当判定当前电压跌落工况为中度跌落工况时，采取所述中度跌落工作模式，具体包括：
S1321、转子侧变流器采用虚拟电感控制；
发电模式下，切除PQ功率环，追踪定子磁链，通过定子磁链值和预先设定的虚拟电感值计算出给定暂态电流参考值，将其作为转子侧变流器电流环输入信号，控制转子侧变流器端口阻抗特性等效为预设电感值L*，使转子电流、电压值保持在限定值以下。
具体控制原理和预设电感值给出过程如下：
由附图2及式(4)，得出在转子侧变流器等效为阻抗ZRSC时的等效电路图如附图3所示，并可得到电路表达式：
由此得出，要抵消EMF带来的干扰，最好的办法是使表达式(14)右侧项在矢量方向上与Er处于相反方向。忽略较小的含转子电阻Rr项，当转子侧变流器端口阻抗ZRSC等效为纯电感LRSC形式时，整体矢量方向与Er正好相反。
在确定将转子侧端口等效为纯电感形式后，根据(3)可得转子侧电压和电流表达式为：
在满足基本约束条件LRSC≥0；
电流约束条件
电压约束条件下选值作为L*即可。
在进行上述操作的同时加入转子电流前馈指令。
电流环若无法精确跟踪给定参考信号，虚拟电感控制策略的作用将得不到体现。在发生故障时，电流环反馈信号因直流分量、负序分量的介入，呈多频率特性。在dq坐标系下介入量将转换为50Hz和100Hz的交流量，电流控制环的带宽有限，对于交流分量的增益较低，无法对交流量精确调节。因此，需要通过在转子电流环中加入前馈指令方法减少交流误差带来的干扰，从而提升该策略的暂态能力，转子侧变流器虚拟电感控制框图如附图4所示。
S1322、网侧变流器采用无功优先控制；
图5为网侧变流器无功优先控制图，在电网发生中度或严重故障的情况下，网侧变流器采用无功优先原则，根据电压跌落等级判断需注入的无功电流作为无功控制电流环参考信号，支撑并网点电压，协助恢复。根据网侧变流器可输出最大电流计算出剩余裕量，在和直流母线所给参考信号做对比后，选取较小值作为电流环idg参考信号。
发电模式下，在严重跌落和正常工况时，SOC≤SOC*情况下闭合转换开关，附加超级电容辅助支路接入，通过双向DC/DC变换器控制超级电容充放能，维持直流电压稳定。
其双向DC/DC及超级电容拓扑结构如附图6所示。其中双向DC/DC变换器采用两相交错式结构，多个开关管通过并联分流增强整体大电流耐受能力，从而提升变换器的功率等级以加快能量的转换。附图7为双向DC/DC控制框图，采用双电流内环和电压外环的控制方式，输出电压信号与参考信号Vref的差值经过PI调节形成负反馈，经过调理得到输出电流参考信号iref，iref与流经DC/DC的电感电流相减后经过电流内环的PI控制器调整，所得到的信号Uc进入脉宽调制发生器PWM，产生的脉冲信号控制功率器件IGBT。
S1323、检测双馈抽水蓄能机组的当前电压跌落工况是否符合轻微跌落工况，若是，执行轻微跌落工作模式，若否，重复执行步骤S1321-步骤S1322。
当判定当前电压跌落工况为严重跌落工况时，采取所述严重跌落工作模式，具体包括：
S1331、转子侧变流器采用虚拟电感控制；
S1332、网侧变流器采用无功优先控制；
步骤S1331和步骤S1332的具体流程可参见上述步骤S1321和步骤S1322。
S1333、转换开关闭合、接入附加超级电容支路；
S1334、检测双馈抽水蓄能机组的当前电压跌落工况是否符合中度跌落工况，若是，断开超级电容支路，若否，重复执行步骤S1331-步骤S1333。
本实施例的控制方法软硬件协同，发电模式下根据跌落等级选取合理控制方法，在轻微跌落时，利用双馈电机自身传动链储存能量；在中度跌落时，从优化控制策略出发，基于定子磁链暂态补偿，转子侧变流器采用虚拟电感控制技术，将电流外环由PQ功率控制环切换为给定的电流控制信号，其中给定值由追踪定子磁链以等效虚拟电感计算而得，充分利用变流器裕量，网侧变流器转换为无功优先控制模式以支撑电网电压恢复；在严重跌落时，保持以上软件控制策略，并基于能量管理，附加超级电容储能支路进行协同控制，SCES吸收由故障引发的堆积能量，使直流母线电压稳定在一定范围，保护脆弱的电力电子器件；
当所述双馈抽水蓄能机组为电动模式时，加入前馈指令，提高PI控制环对转速的控制能力，并充分利用超级电容反馈能量以支持电源供给。同时，加入转换开关，转换开关在正常工况和严重跌落工况闭合，其余工况处于断开状态，防止超级电容储能支路侧流。
具体电动模式时的低压穿越控制方法包括：
S21、判断是否出现故障模式，若否，执行步骤S22，若是，执行步骤S23；
S22、所述双馈抽水蓄能机组在正常工作模式下工作；
S23、转子侧变流器加入前馈指令；
S24、比较超级电容的SOC值与预设值SOC*，当SOC＞SOC*时，闭合转换开关，超级电容在双向DC/DC变换器BOOST模式下释能，以小电流形式回馈能量并留出事故备用容量，以保持水泵水轮机运转，当SOC≤SOC*时，断开转换开关；
S24、重复执行步骤S21。
本发明在抽水蓄能机组使用传统控制策略无法实现低电压穿越，基于控制策略优化应对严重跌落效果差，附加硬件成本高且无电动模式下策略的情况下。在发电模式下，采用虚拟电感控制和附加超级电容储能支路两种方法，并在不同跌落等级下设定不同控制策略，使抽水蓄能机组能应对不同程度、不同类型的电压跌落故障；在电动模式下，对转速控制和能量输入要求，利用上述设计的软硬件策略实现低穿。同时附加转换开关，提高切换控制策略可靠性，减少超级电容储能支路的启用频率和备用容量，以达到减少成本，易于推广的目的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。