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专利名称：风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测系统及方法
技术领域：本发明涉及风力发电并网电气控制技术。
背景技术：风力发电与现有电力系统并网运行可以有效降低电力峰荷、缓解电压骤降、消除过负荷和堵塞、增加输电裕度，提高供电可靠性。由于技术的限制，在风电初始发展期，一些风机不具备低电压穿越能力，这也导致近期一些风电基地不断发生风电机组脱网的事故。2011年2月M日，西北电网甘肃酒泉风电基地因桥西第一风电场35千伏电缆馈线电缆头三相短路故障，导致附近16个风电场的598台风电机组脱网，损失风电出力84 万千瓦，占事故前酒泉地区风电出力的4%。4月17日，甘肃瓜州协合风电公司干河口西第二风电场一个箱变高压侧电缆头击穿，事故带来的系列反应造成702台风电机组相继脱网。事故前后持续达10分钟之久，损失风电出力1006. 2兆瓦，较酒泉事故脱网风机和损失风电出力均增加约两成。同日，河北张家口某风电场箱式变压器发生短路事故，引起的系列反应造成644台风机相继脱网，损失风电出力占事故前张家口地区风电出力的48. 5%, 波及华北电网主网。由此可见，风力发电系统所联电网并不理想，各种故障时有发生。电网故障引起风力发电系统并网母线电压跌落，造成风力发电系统不能正常向电网输送电能。IEEE标准从强调保护风力发电设备的角度出发，要求电网故障下风力发电系统应当与电网解列。但是， 随着我国风电渗透率的增加，风力发电系统与电网之间的相互影响也越来越大，如果风力发电系统在电网故障下解列，必将影响电网的电压稳定性。为此，要求风力发电系统在并网母线发生电压跌落的情况下仍然保持不脱网运行。目前，电网故障下的风电并网运行已成为国内外研究的热点和重点。电压跌落是电网中最为常见的故障。电压跌落的深度不等， 最低可到零，持续时间为0.5个电压周期到数秒。在电压跌落过程中，也同时伴有相角的跳变。对于目前比较流行的双馈感应发电机(DFIG)，电网电压跌落时风力发电机的各量都会产生较大的振荡。电网电压深度跌落时甚至会造成DFIG转子回路的过流和过压，使得双馈变流器中的网侧变流器和机侧变流器无法正常运行，最终导致保护性跳机，难以实现DFIG 的低电压穿越(LVRT)。在低电压穿越标准中，要求逆变器在电网电压跌落后不脱网，并在 20ms内向电网注入无功电流以抬高电网电压，这就对三相电网电压跌落的检测时间提出要求。因此，快速、准确地检测出风力发电并网母线电压跌落的幅值和相位，是采取相应保护措施的前提，也是实现对风力发电机组在电压跌落期间正确控制的难点，对于风力发电机组在故障恢复中快速补偿电压跌落幅值与相位改善控制效果、实现风电机组的LVRT具有重要的理论意义和现实意义。KAU RA, BLASKO 在题为 Ope ration of a phase locked loop system under distorted utility conditions 论文中(IEEE Transactions on Industrial Applications, 1997, 33(1) =58-63)提出单相锁相环采用硬件锁相方式，通过过零检测实现电网相位的跟踪，难以作用于谐波污染较为严重的场合；目前三相软件锁相方法得到推广和应用，并把对幅值的检测提高到与相位跟踪同等重要的地位。但是，三相软件锁相环路面临的主要问题是受电网负序分量和谐波分量的影响，锁相系统要获得良好的稳态精度必须降低环路滤波器的截止频率，这极大影响了系统的动态响应性能。李彦栋等在“新型软件锁相环在动态电压恢复器中的应用”论文中(电网技术， 2004,28(8) :42-45.)对传统三相锁相环路进行了改进，其对电网不平衡扰动的动态响应时间仍然大于1. 5个频率周期。SONG H S, PARK H G, NAM K. An instantaneous phase angle detection algorithm under unbalanced line voltage condition// Proceeding of 30th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference 一文中(vol 1, June 27-July 1,1999, Charleston, SC, USA :533-537.)采用最小二乘法检测三相电压正序相位， AIELLO M, CATALIOTTI A, NUCCIO S. ^ A chirp—ζ transform-based synchronizer for power system measurements 论文中(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2005, 54 (3) :1025-1032.)则采用 Chirp-Z 变换法，郭文勇等在“基于 EVSS-LMS算法的三相幅相锁相系统”论文中(电力系统自动化，2008,32(11) :77-81.)提出了一种基于扩展变步长最小均方根算法的三相幅相锁相系统。然而，最小二乘法虽然具有较高的动态响应速度，但是系统谐波对算法的稳态精度影响较大；Chirp-Z变换法能够得到优于离散傅里叶变换(DFT)的频域分析结果，但是其跟踪电网频率的稳态性能逊于改进的软件锁相环路；变步长最小均方根算法运用大量的迭代过程，计算量较大。 发明内容
本发明的目的是提供一种能准确地跟踪基波正序电压的幅值和相位，在同等检测精度的情况下有着快速动态响应速度的电压跌落幅相检测系统及方法。风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测系统及方法，其系统由电压测量模块 1> α-β-O坐标变换模块2、一阶求导及解方程模块3、正序和负序参考电压产生模块4、 p-q-r坐标变换模块5、电压幅值和相位计算模块6构成，电压测量模块1输出的ua、ub、Uc 经α -β -0坐标变换模块2转换为Ua ,U0和uQ，ua、ue和uQ经一阶求导及解方程模块3实现Ua和U0的正负序解耦，一阶求导及解方程模块3的输出经过p-q-r坐标变换模块5实现Up和Utl的正负序解耦，最后经电压幅值和相位计算模块6计算求得电压基波正序分量、 负序分量的幅值U+、U—和相位Φ +、Φ _。风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测方法，其步骤为(1)通过电压霍尔传感器获得并网母线三相电压ua、ub、u。，经数据采集卡的3路模拟输入对三相电压瞬时值Ua、Ub、Uc进行采样，并保存为与采样时间相关的序列形式，下标 a, b, c代表三相分量；(2)将三相电压瞬时值ua、ub、Uc经如下公式变换至α -β -0坐标系，得Ua、U0和 U0 ；
权利要求
1.风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测系统，其特征在于本系统由电压测量模块 (1)、α-β-ο坐标变换模块O)、一阶求导及解方程模块(3)、正序和负序参考电压产生模块(4)、p-q_r坐标变换模块(5)、电压幅值和相位计算模块(6)构成，电压测量模块(1)输出的ua、ub、u。经α-β-O坐标变换模块(2)转换为ua、ue和uQ，Ua、Ue和uQ经一阶求导及解方程模块(3)实现Ua和110的正负序解耦，一阶求导及解方程模块(3)的输出经过p-q-r 坐标变换模块( 实现Up和 的正负序解耦，最后经电压幅值和相位计算模块(6)计算求得电压基波正序分量、负序分量的幅值U+、U—和相位Φ+、Φ—。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测系统，其特征是电压测量模块(1)由电压霍尔传感器和数据采集卡构成。
3.根据权利要求1所述的风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测系统，其特征是一阶求导及解方程模块(3)中的一阶求导通过一差分电路来实现。
4.根据权利要求1所述的风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测系统，其特征是正序和负序参考电压产生模块⑷将1^和1!0经归一化和低通滤波后分别得到参考电压uaKEF 和1!0■，Ua■和U0■在α-β平面上构成参考电压矢量供p-q-r坐标系的旋转角度炉(0。
5.风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测方法，其步骤为(1)通过电压霍尔传感器获得并网母线三相电压ua、ub、u。，经数据采集卡的3路模拟输入对三相电压瞬时值ua、ub, uc进行采样，并保存为与采样时间相关的序列形式，下标a，b， c代表三相分量；(2)将三相电压瞬时值ua、ub、U。经如下公式变换至α-β-O坐标系，得Ua、Ue和uQ;
全文摘要
风力发电系统并网母线电压跌落幅相检测系统及方法，系统由电压测量模块、α-β-0坐标变换模块、一阶求导及解方程模块、正序和负序参考电压产生模块、p-q-r坐标变换模块、电压幅值和相位计算模块构成；其方法的步骤为电压测量模块测得的三相电网电压经α-β-0坐标变换模块得uα、uβ和u0；将uα和uβ经一阶求导及解方程模块实现uα和uβ的正序分量和负序分量的解耦。uα和uβ经归一化和低通滤波后分别得到参考电压uαREF和uβREF。在p-q-r坐标变换模块中实现电压p轴正序分量和负序分量的解耦，电压q轴正序分量和负序分量的解耦，通过电压幅值和相位计算模块计算求得电压基波正序分量、负序分量的幅值U+、U-和相位φ+、φ-。
文档编号G01R19/04GK102508008SQ20111032659
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者严鋆, 党存禄, 张晓英, 温志伟, 靳丹 申请人:兰州理工大学, 甘肃电力科学研究院
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