具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法，所述方法包括：

步骤一：列写出双馈风力发电机dq坐标系下感应发电机的数学模型；

步骤二：根据双馈感应发电机在dq坐标系下的数学模型，找出电网运行时变频器加在转子上的外加电压与转子磁链之间的关系式和转子磁链与有功功率、无功功率的关系式；

步骤三：根据转子磁链与外加控制电压及双馈感应发电机输出的有功功率、无功功率的关系式，建立双馈感应发电机转子磁链控制模型；

步骤四：在双馈感应发电机转子磁链控制模型基础上，基于滑模变结构控制原理，建立双馈风力发电机转子磁链滑模变结构自适应控制率，实现对风电场中双馈风力发电机输出有功功率和无功功率的优化控制。

在同步旋转d、q坐标系下DFIG按照电动机惯例的等效数学模型：

定子和转子电压方程:

定子和转子磁链方程：

定子端的功率输出：

式中，L_s、L_r和L_m分别是定、转子自感和互感；R_s、R_r分别是定子、转子电阻；ω₁和ω₂分别是同步转速和转差；u_ds、u_qsu_dr、u_qr分别是定、转子励磁电压；i_ds、i_qs、i_dr、i_qr分别是定、转子励磁电流；分别是定、转子励磁；P_s、Q_s分别为定子有功功率和无功功率。

当电网电压对称运行时，将定子磁链定向在同步旋转d、q坐标系的d轴上，d、q轴上的磁链分别为：DFIG的感应电动势与定子电压近似相等，即u_ds＝0，u_qs＝u_s；是定子电压的矢量的幅值，当定子并入理想电网后，u_s与电网电压幅值大小相等。定子绕组的电阻远远小于定子绕组的电抗，可以忽略定子电阻的影响。此时得到定子磁链和电流方程：

当电网出现高电压故障时，DFIG处于不稳定运状态，DFIG定子电压和定子磁链不为常量，因此在分析DFIG暂态运行时不能够忽略磁链的变化，并且磁链变化不能突变，定子磁链变化使定子励磁电流也随之变化。此时式(4)中的考虑到上述情况，将式(5)代入式(2)转子磁链方程和式(1)转子电压方程得到：

为突出研究的主要问题，将式(5)代入式(3)和式(2)转子磁链方程中得到有功、无功功率方程：

在电网发生故障而引起电压骤升期间，由式(6)和式(7)可知，双馈风电场发出的无功取决于转子磁链的q轴分量，而转子磁链的q轴分量受q轴励磁电压控制，其时间常数为时间一般为8～15ms；因此，双馈风电场无功调节的速度属于毫秒级的快速控制，与静止无功补偿器的无功补偿速度几乎相等。

根据式(6)，发电运行时变频器加在转子上的外加电压与转子磁链之间的关系结构图如图1所示。

为此，把式(6)写成以下状态空间方程形式

式中，为状态变量，为控制输入，F代表由电网故障引起的扰动，且有

式中F代表由电网故障所引起的扰动，为状态变量，为控制输入，Z₁₁代表转子d轴磁链ψ_dr，Z₂₁代表转子q轴磁链ψ_qr。Z₁₀代表转子d轴磁链控制信号u_dr，Z₂₀代表转子q轴磁链控制信号u_qr。

易证

rank[B F]＝rank[B]＝2 (9)

根据式(9)可知，双馈风力发电系统滑动模态满足不受外界干扰的充要条件。因此，设计合适的滑模控制器，使得双馈风力发电机组对电网故障所引起的扰动具有完全鲁棒性，其滑动模态不受电网故障的影响。

基于上述分析，这里首先设计DFIG转子q轴磁链控制器。令关于DFIG的q轴磁链误差状态方程如下式所示：

式中，代表电力系统广义扰动。

综合以上情况，本文提出了如下的积分滑模面:

式中k_pd、k_id分别为比例、积分系数，且k_pd、k_id均大于零。其中的比例项用于加快系统的动态跟踪响应，积分项用于消除系统的稳态误差。因此，在PI积分型滑模超曲面上，改变k_pd、k_id的值就可改变滑模面的动态特性。

根据本文提出的积分终端滑模面，若广义扰动项|F_d|<k_d，k_d为常数且大于零，得到如下双馈风力发电机无功功率控制律为

可使DFIG的q轴磁链误差e在有限时间内收敛到零，且系统鲁棒稳定。

其中，切换增益η′_q表达式为：

式中，η_q表示系统正常工作时的切换增益，Q₀表示无功功率给定值，Q表示实际无功功率，λ_q是设定的常数且0＜λ_q＜1。

当系统出现瞬时高电压时，切换控制增益会以快速增长，双馈风电场会迅速吸收多余的无功功率，使系统电压迅速恢复到给定值。当系统状态正常工作时，切换控制增益恢复到常规设定值η_q。

仿真结果如图3-8所示。

图3和图4分别为采用常规PI控制策略和联合附加控制策略时公共母线电压动态响应曲线。由图3可知，采用常规PI控制策略时，系统故障期间，公共母线电压突增量为0.47pu，高电压持续时间500ms，故障消失后，母线电压重新恢复正常。图4为采用本文考虑尾流效应的联合附加控制策略，触发高电压故障时，公共母线电压突增量为0.25pu，故障消失后，母线电压重新恢复正常。

图5和图6分别为采用常规PI控制策略和考虑尾流效应的联合附加控制策略时转子励磁电流动态响应曲线。由图可知，常规控制策略下，触发高电压故障后，DFIG转子电流几乎没有发生较大的变化。而采用采用联合附加控制策略后，故障发生期间，DFIG转子电流迅速增大至原来的1.5倍，使DFIG快速发出无功功率，有效抑制了公共母线电压的骤升。

图7和图8分别为采用常规PI控制策略和考虑尾流效应的联合附加控制策略时DFIG无功功率动态响应曲线。由图可知，采用常规PI控制策略，故障期间，双馈风机输出无功功率发生剧烈振荡，故障消除后，其无功功率趋于稳定。而采用联合附加控制策略，故障期间双馈风机迅速输出无功功率达-2.41pu，对高电压进行抑制性调节。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。