CN101114771A - 基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器 - Google Patents

基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电网功率稳定器技术领域的基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器。它是一种基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定的装置，所述稳定器含有整流器、逆变器、储能装置、直流母线和控制器。在稳态运行时，电压源直流输电将风电输送给电网，同时通过并联在电压源直流母线上的储能装置补偿风电的动态波动，使风电通过电压源直流输电注入到电网的功率稳定；在电网故障时，调节其注入到电网的有功功率和无功功率，提高电网的稳定运行性能；它解决了风电动态波动对被注入电网影响的问题，极大地改善了风电并网的稳定性，对风力发电的大力发展，具有重要的意义。

Description

基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器
技术领域
本发明属于电网功率稳定技术领域，特别涉及一种基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器。
背景技术
能源是人类社会存在和发展的物质基础，而能源紧缺、环境恶化的日趋严重是涉及人类生存及发展的全球性问题；可再生能源属于可循环使用的清洁能源，是未来能源系统的希望；可再生能源资源十分丰富，而且它不受地域限制，可就地利用，具有巨大的发展潜力和应用前景；作为可再生能源技术中开发最成熟的风能，已走向规模化和产业化，风力发电在电网中的比例越来越大；由于风力发电是一种间歇式能源，风电场的输出功率是动态变化的；这个特点对传统电力系统业已成熟的运行模式是个很大的冲击，这种动态大容量电源并入电网后将会影响到系统的安全稳定运行，对电网的运行带来负面影响；因此，并网风电场对电网的影响是一个迫切需要解决的问题，具有十分重要的现实意义；
从上世纪80年代起，随着大型并网风电场在欧美等发达国家的出现，国外学者就开始关注风电对电力系统的影响，研究风电的并网运行对电网的影响；我国风力发电起步较晚，对于接入到大电网的风电场，其容量在电网总装机容量中占的比例很小，风电功率的注入对电网频率影响较小，目前不是制约风电场规模的主要问题；然而，我国风电这几年发展很快，2004年底，我国并网风力发电装机容量为76.4万千瓦，2006年底风电装机达到258万千瓦，增长迅速，预计到2020年，我国风力发电将达到4000万千瓦的装机容量；随着并网风力发电在电网总装机容量中占的比例不断提高，它对电网频率、电压的影响将不容忽视，对电网的安全稳定运行将构成一定的威胁，并将制约风电场规模的进一步发展；
目前风电场与电网的连接方式有直接交流并网、通过电流源高压直流输电(基于晶闸管技术)或电压源高压直流(voltage-source converter，highvoltage director current，VSC HVDC)输电并网；由于电压源直流输电系统具有能立即导通和立即关断的控制阀-基于绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)技术，通过对控制阀的开和关，实现对交流侧电压幅值和相角的控制，从而达到独立控制有功功率和无功功率的目的，且换流站不需要无功补偿、不存在换向失败等问题，这些特点使得电压源直流输电技术在连接风电场并网方面具有一定的优越性；
目前国内外研究的电压源直流输电，其直流母线上无储能装置，我们称之为无源型；我们在直流母线上并接储能装置，我们称直流母线并接储能装置的电压源直流输电为有源型电压源直流输电，其换流站控制技术通常一端采用直流电压与无功功率(或交流电压)控制相结合，另一端采用有功功率与无功功率(或交流电压)控制相结合，由于其有功、无功功率控制完全解耦，因此其控制性能优越，在国外风电场并网连接上得到很多应用；目前研究的电压源直流输电技术主要用于传输功率，并没有解决风电场风能波动对电网的影响；由于风电的波动对并网运行的电网的电能质量以及安全稳定运行构成一定的威胁，它将制约风电场规模的进一步发展；
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器。其特征在于：该稳定器是一种通过并联在电压源直流母线上的储能装置，补偿风电的动态波动，稳态运行时，使风电通过电压源直流输电注入到电网的功率稳定器；电网故障时，调节其注入到电网的有功功率和无功功率，提高电网的稳定运行性能；所述稳定器含有整流器、逆变器、储能装置、直流母线和控制器，其中：
整流器，该整流器的输入端与风场相连，输出端与直流母线输入端相连，将风场输出的交流电整流成直流电；
逆变器，该逆变器的直流输入端与直流母线输出端相连，逆变器的输出端与电网相连；
直流母线，该直流母线的输入端与上述整流器的输出端相连，该直流母线的输出端与上述逆变器的输入端相连，该直流母线上并接着下述储能装置；
储能装置，并接在上述直流母线上；
控制器，是一种数字控制电路，采用数字信号处理器、单片机、计算机中的任何一种；
该控制器按以下步骤实现稳态运行时风电注入到电网的功率的稳定；电网故障时，调节输出功率改善电网的稳定运行性能。
一种基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定方法，其特征在于：具体的调节步骤如下：
步骤1.初始化：
输入风场风能波动曲线；
输入整流器直流母线电压给定值Vdcref；
输入逆变器有功功率给定值Pref2与无功功率给定值Qref2；
根据风场风能波动曲线计算出平均风能对应的功率值；
步骤2.启动功率稳定器的整流器直流电压控制，按以下步骤执行：
2.1.将直流母线电压给定值Vdcref与实际值Vdc进行比较，通过第一加法器得到第一PI控制器的输入值；
2.2.第一PI控制器在接收到所述第一加法器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量给第二加法器；
2.3.第二加法器在接收到所述第一PI控制器的输出后与整流器交流侧电流q轴分量iq1进行比较，输出相应的量给第二PI控制器；
2.4.第二PI控制器在接收到所述第二加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第三加法器；
2.5.第三加法器在接收到所述第二PI控制器的输出后与整流器交流侧电压q轴分量usq1进行比较，输出相应的量给第一脉冲触发器；
2.6.第三PI控制器在接收到整流器交流侧电流d轴分量ed1后进行控制运算，输出相应的量给第四加法器；
2.7.第四加法器在接收到第三PI控制器的输出后与整流器交流侧电压d轴分量usd1进行比较，输出相应的量给第一脉冲触发器；
2.8.第一脉冲触发器根据输入信号usq1、usd1产生相应的触发信号控制整流器工作；
步骤3.启动功率稳定器的逆变器，控制输出有功功率，按以下步骤执行：
3.1.根据有功功率给定值Pref2与无功功率给定值Qref2，通过稳态计算器计算出电流参考值iqref2，idref2；
3.2.第五加法器在接收到电流参考值iqref2后与逆变器交流侧电流q轴分量iq2进行比较，输出相应的量给第四PI控制器；
3.3.第四PI控制器在接收到第五加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第六加法器；
3.4.第六加法器在接收到第四PI控制器的输出后与逆变器交流侧电压q轴分量usq2进行比较，输出相应的量给脉冲触发器2；
3.5.第七加法器在接收到电流参考值idref2后与逆变器交流侧电流d轴分量id2进行比较，输出相应的量给第五PI控制器；
3.6.第五PI控制器在接收到第七加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第八加法器；
3.7.第八加法器在接收到第五PI控制器的输出后与逆变器交流侧电压d轴分量usd2进行比较，输出相应的量给第二脉冲触发器；
3.8.第二脉冲触发器根据输入信号usq2、usd2产生相应的触发信号控制逆变器工作；
步骤4.
稳态运行时，调节整流器输出直流电压，控制储能装置的充放电，使储能装置补偿风电的波动，从而使稳定器通过其逆变器注入到电网的功率稳定；
电网故障时，调节逆变器注入到电网的有功功率和无功功率，提高电网的稳定运行性能。
本发明提出的基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器，能够解决风电波动对电网造成的影响，其整流器和风电场相连，整流器所接受的风电功率受风能波动的影响；其逆变器与电网相连，储能装置并接在电压源直流输电直流母线上，因此，我们称之为有源型电压源直流输电；通过控制有源型电压源直流输电直流母线电压，利用储能装置的充放电功能，使之补偿风能的波动，从而使直流输电整流器注入到电网的功率稳定；本发明研究成果不仅对解决风电场并网运行对电网的影响，对大力发展风力发电，具有重要的意义，而且对其它大容量动态电源的并网运行，也具有重要的指导意义。具有如下特点：
利用洁净的、可再生能源-风能；和通过调节储能装置的充放电补偿风电的动态波动，使风电注入到电网的功率稳定，解决风电波动对电网的影响，提高风电并网的稳定性。
附图说明
图1为基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器的原理图。
图2为基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器的整流器的控制规律图。
图3为基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器的逆变器的控制规律图。
具体实施方式
本发明提出的基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器，能够解决风电波动对电网造成的影响，整流器和风电场相连，整流器(受端)所接受的风能是动态变化的，风电功率受风能波动的影响，但是，其平均风能在某一时期内可以认为是相对稳定的。逆变器与电网相连，储能装置并接在电压源直流输电直流母线上，因此，稳态运行时，其逆变器(送端)控制策略的有功功率控制较易实现，向电网输出稳定的平均功率；在不同时期，其平均风能不同时，调整送端注入到电网的有功功率。根据风电场风能的波动，应用自适应控制理论，调整直流母线电压的控制，使储能装置吸收或输出相应大小的功率。当风电动态功率大于所设定的平均风能所对应的平均功率时，让储能装置吸收多出部分功率，储能装置处于充电状态；当风电动态功率低于所设定的平均风能所对应的平均功率时，让储能装置输出相应大小的功率，储能装置处于放电状态，从而使风电注入到电网的功率稳定，解决了风能波动对电网的影响；从而使上述逆变器注入到电网的功率稳定；同时，当电网出现故障时，通过调节其逆变器注入到电网的有功功率和无功功率，提高电网的稳定性；因此，本发明是一个全新的概念和课题。
根据风场容量，设计整流器与逆变器容量；根据风场风能特性，设计储能装置容量；
图1所示为基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器的原理图。虚框内为基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器5，它由整流器1、逆变器2、储能装置3、控制器4等组成包括：
整流器1，该整流器的输入端与风场6相连，输出端与直流母线输入端相连，将风场输出的交流电转换为直流电，它由电压源型的可快速关断器件组成，具有快速的调节能力，控制输出的直流电压。
逆变器2，该逆变器的直流输入端与直流母线输出端相连，逆变器的输出端与电网7相连；将直流电逆变成交流电输送给电网，它由电压源型的可快速关断器件组成，具有快速的有功无功调节能力；
直流母线，该直流母线的输入端与上述整流器1的输出端相连，该直流母线的输出端与上述逆变器2的输入端相连，该直流母线上并接着储能装置3，利用储能装置的充放电功能以补偿风电的波动；
控制器4，是一种数字控制电路，采用数字信号处理器、单片机、计算机中的任何一种；负责数据采样、处理及控制等，根据风电的波动调节整流器的输出电压，从而控制储能装置的充放电，控制逆变器的输出功率，使得稳态运行时，逆变器注入到电网的功率稳定，电网出现故障时，调节逆变器输出的有功功率和无功功率，进而提高电网的稳定性。
图2所示为功率稳定器控制整流器直流电压的步骤：
2.1.将直流母线电压给定值Vdcref与实际值Vdc进行比较，通过第一加法器得到第一PI控制器的输入值；
2.2.第一PI控制器在接收到所述第一加法器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量给第二加法器；
2.3.第二加法器在接收到所述第一PI控制器的输出后与整流器交流侧电流q轴分量iq1进行比较，输出相应的量给第二PI控制器；
2.4.第二PI控制器在接收到所述第二加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第三加法器；
2.5.第三加法器在接收到所述第二PI控制器的输出后与整流器交流侧电压q轴分量usq1进行比较，输出相应的量给第一脉冲触发器；
2.6.第三PI控制器在接收到整流器交流侧电流d轴分量id1后进行控制运算，输出相应的量给第四加法器；
2.7.第四加法器在接收到第三PI控制器的输出后与整流器交流侧电压d轴分量usd1进行比较，输出相应的量给第一脉冲触发器；
2.8.第一脉冲触发器根据输入信号usq1、usd1产生相应的触发信号控制整流器工作；
图3所示为功率稳定器控制逆变器的输出功率步骤：
3.1.根据有功功率给定值Pref2与无功功率给定值Qref2，通过稳态计算器计算出电流参考值iqref2，idref2；
3.2.第五加法器在接收到电流参考值iqref2后与逆变器交流侧电流q轴分量iq2进行比较，输出相应的量给第四PI控制器；
3.3.第四PI控制器在接收到第五加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第六加法器；
3.4.第六加法器在接收到第四PI控制器的输出后与逆变器交流侧电压q轴分量usq2进行比较，输出相应的量给脉冲触发器2；
3.5.第七加法器在接收到电流参考值idref2后与逆变器交流侧电流d轴分量id2进行比较，输出相应的量给第五PI控制器；
3.6.第五PI控制器在接收到第七加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第八加法器；
3.7.第八加法器在接收到第五PI控制器的输出后与逆变器交流侧电压d轴分量usd2进行比较，输出相应的量给第二脉冲触发器；
3.8.第二脉冲触发器根据输入信号usq2、usd2产生相应的触发信号控制逆变器工作。
根据上述图2、图3所示对基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器的控制规律实现策略，可以得到稳定风电并网功率的具体调节输入风场风能波动曲线、输入整流器直流母线电压给定值Vdcref、输入逆变器有功功率给定值Pref2与无功功率给定值Qref2，使风电并网稳定器注入到电网的功率稳定。
风电场与电网系统在稳态运行时，功率稳定器调节整流器输出直流电压，控制储能装置的充放电，使储能装置补偿风电的波动，从而使稳定器通过其逆变器注入到电网的功率稳定；
风电场与电网系统出现电网故障时，调节逆变器注入到电网的有功功率和无功功率，提高电网的稳定运行性能。

Claims (2)

1.基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器，其特征在于：该稳定器是一种通过并联在电压源直流输电母线上的储能装置，补偿风电的动态波动，稳态运行时，使风电通过电压源直流输电注入到电网的功率稳定器；电网故障时，调节其注入到电网的有功功率和无功功率，提高电网的稳定运行性能；所述稳定器含有整流器、逆变器、储能装置、直流母线和控制器，其中：
整流器，该整流器的输入端与风场相连，输出端与直流母线输入端相连，将风场输出的交流电整流成直流电；
逆变器，该逆变器的直流输入端与直流母线输出端相连，逆变器的输出端与电网相连；
直流母线，该直流母线的输入端与上述整流器的输出端相连，该直流母线的输出端与上述逆变器的输入端相连，该直流母线上并接着下述储能装置；
储能装置，并接在上述直流母线上；
控制器，是一种数字控制电路，采用数字信号处理器、单片机、计算机中的任何一种；该控制器在稳态运行时，使风电注入到电网的功率稳定；在电网故障时，调节输出功率改善电网的稳定运行性能。
2.一种基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定的方法，其特征在于：功率稳定器稳定风电并网功率的调节步骤如下：
步骤1.初始化：
输入风场风能波动曲线；
输入整流器直流母线电压给定值Vdcref；
输入逆变器有功功率给定值Pref2与无功功率给定值Qref2；
根据风场风能波动曲线计算出平均风能对应的功率值；
步骤2.启动功率稳定器的整流器直流电压控制，按以下步骤执行：
2.1.将直流母线电压给定值Vdcref与实际值Vdc进行比较，通过第一加法器得到第一PI控制器的输入值；
2.2.第一PI控制器在接收到所述第一加法器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量给第二加法器；
2.3.第二加法器在接收到所述第一PI控制器的输出后与整流器交流侧电流q轴分量iq1进行比较，输出相应的量给第二PI控制器；
2.4.第二PI控制器在接收到所述第二加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第三加法器；
2.5.第三加法器在接收到所述第二PI控制器的输出后与整流器交流侧电压q轴分量usq1进行比较，输出相应的量给第一脉冲触发器；
2.6.第三PI控制器在接收到整流器交流侧电流d轴分量id1后进行控制运算，输出相应的量给第四加法器；
2.7.第四加法器在接收到第三PI控制器的输出后与整流器交流侧电压d轴分量usd1进行比较，输出相应的量给第一脉冲触发器；
2.8.第一脉冲触发器根据输入信号usq1、usd1产生相应的触发信号控制整流器工作；
步骤3.启动功率稳定器的逆变器，控制输出有功功率，按以下步骤执行：
3.1.根据有功功率给定值Pref2与无功功率给定值Qref2，通过稳态计算器计算出电流参考值iqref2，idref2；
3.2.第五加法器在接收到电流参考值iqref2后与逆变器交流侧电流q轴分量iq2进行比较，输出相应的量给第四PI控制器；
3.3.第四PI控制器在接收到第五加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第六加法器；
3.4.第六加法器在接收到第四PI控制器的输出后与逆变器交流侧电压q轴分量usq2进行比较，输出相应的量给脉冲触发器2；
3.5.第七加法器在接收到电流参考值idref2后与逆变器交流侧电流d轴分量id2进行比较，输出相应的量给第五PI控制器；
3.6.第五PI控制器在接收到第七加法器的输出后进行控制运算，输出相应的量给第八加法器；
3.7.第八加法器在接收到第五PI控制器的输出后与逆变器交流侧电压d轴分量usd2进行比较，输出相应的量给第二脉冲触发器；
3.8.第二脉冲触发器根据输入信号usq2、usd2产生相应的触发信号控制逆变器工作；
步骤4.
稳态运行时，调节整流器输出直流电压，控制储能装置的充放电，使储能装置补偿风电的波动，从而使稳定器通过其逆变器注入到电网的功率稳定；
电网故障时，调节逆变器注入到电网的有功功率和无功功率，提高电网的稳定运行性能。
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