CN102354989B - 含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法，其特点是，包括在含恒速异步风力发电机组的风电场中连接永磁直驱风力发电机、在正常情况下发出有功功率、故障期间检测电压下降对系统提供无功功率、考虑永磁直驱风力发电机不同控制系数对控制效果的影响和考虑永磁直驱风力发电机不同接入容量对控制效果的影响步骤。能够有效的改善传统以恒速异步风电机组为主的风电场电压稳定水平；能够在改善电压稳定水平的同时向系统提供一定的有功功率，且减少了附加无功设备的投入，提高风电场本身的运行效益；具有计算简单、结果准确、易于实现且工程应用价值高等特点。

Description

含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行和控制领域，是一种含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法，应用于含恒速异步风电机组风电场的暂态电压控制和低电压穿越技术。 

背景技术

大规模风电的并网在给现代电网带来经济、环保等诸多利益的同时，也给电力系统的安全稳定运行带来了巨大的挑战。其中，风电场的暂态电压稳定是最为关注的问题之一。截至目前，恒速异步风电机组仍然是应用的最为广泛的风力发电机组，但研究表明恒速异步风电机组在发出有功功率的同时需要吸收一定的无功功率，严重时将从电网中切除。随着风力发电投入规模的不断增加，电网故障引起电压跌落后，如果风电机组纷纷从电网中解列将会导致系统连锁故障的发生，严重时将使系统失去稳定。因此，有必要采取措施改善风电场暂态电压稳定水平。 

目前，在提高和改善含恒速异步风电机组风电场暂态电压稳定性问题方面主要有两种方法：一种是不增加硬件电路的控制策略的改进，如利用桨距角控制以改善恒速异步风力发电机组风电场暂态电压稳定性，但该方法控制效果有限且实现相对复杂；另一种是利用附加设备，如串联制动电阻，电压源换相高压直流输电等，此外，随着FACTS技术的不断成熟，也可通过电力电子设备的无功调节能力来提高风电场的故障穿越能力，如静止无功补偿器Static Var Compensator，SVC、静止同步补偿器Static Synchronous Compensator，STATCOM和储能技术等。但上述方法普遍存在投资大、控制策略实现困难等缺点。 

发明内容

本发明的目的是，针对现有老式含恒速异步风电机组的风电场，提供一种含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法，其计算简单、结果准确、易于实现且工程应用价值高，能够提高恒速异步风电机组的效率，改善含恒速异步风电机组风电场暂态电压稳定水平。 

本发明的目的是由以下技术方案来实现的： 

一种含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)在含恒速异步风力发电机组的风电场中连接永磁直驱风力发电机； 

2)在正常情况下，发出有功功率； 

永磁直驱风力发电机的变换器具有无功补偿功能，在故障期间能够提供无功支撑，但在稳态时对系统提供有功功率； 

3)故障期间检测电压下降，对系统提供无功功率补偿； 

在故障期间，恒速异步风力发电机在发出有功功率P_G1的同时，从电网中吸收无功功率Q_G1，检测网侧电压u_ac信号，当电网电压跌落到阀值时，通过保护模块使用网侧变流器中电流控制器的电流i_{q_ext}值替代原有参考值i_{q_ref}，发送i_{q_ext}值到发电机侧U_{ac_P}控制器对发电机侧的母线电压进行控制，通过网侧的U_{dc_Q}控制器对直流母线电压进行控制，向系统提供无功功率Q_G2，起到无功功率支撑作用，则故障期间通过升压变后的无功功率注入为： 

Q_G2＝Q₁-ΔQ_T＝u_d1i_q1-ΔQ_T＝u_aci_{q_ext}-ΔQ_T                   (1) 

其中Q₁为永磁直驱风力发电机输出的无功功率， 

Q_G2为故障期间通过升压变后的无功功率注入， 

ΔQT为变压器的无功功率损耗， 

P_G1为恒速异步风力发电机发出的有功功率， 

Q_G1为恒速异步风力发电机吸收的无功功率， 

u_d1为定子电压的d轴分量， 

i_q1为定子电流的q轴分量， 

u_ac为网侧母线电压， 

i_{q_ref}为电流控制器q轴电流参考值， 

i_{q_ext}为电流控制器q轴电流替代值； 

4)考虑永磁直驱风力发电机不同控制系数对控制效果的影响； 

故障期间的替代电流i_{q_ext}值如下 

i_{q_ext}＝N×(1-u_ac)                                         (2) 

其中N为控制系数； 

则永磁直驱风力发电机的无功功率输出为： 

$Q_{G2}={\mathrm{Nu}}_{\mathrm{ac}}-{\mathrm{Nu}}_{\mathrm{ac}}^2-{\mathrm{\ΔQ}}_T$

5)考虑永磁直驱风力发电机不同接入容量对控制效果的影响； 

为了分析永磁直驱风力发电机Permanent Magnet Synchronous Generators，缩写PMSG接入容量对控制效果的影响，定义PMSG的接入容量比为：PMSG容量与PMSG容量、恒速异步风力发电机Fixed Speed Induction Generator，缩写FSIG容量之和的比值， 

本发明针对现有老式含恒速异步风电机组的风电场，提供一种能够提高恒速异步风电机 组的效率，改善暂态电压稳定水平的方法，与传统分析方法相比具有如下优点：能够有效的改善传统以恒速异步风电机组为主风电场的电压稳定水平；与SVC、STATCOM等无功补偿装置相比，该控制方法能够在改善电压稳定水平的同时向系统提供一定的有功功率，且减少了附加无功设备的投入，提高风电场本身的运行效益；由于该控制方法只是在原有风电场中引入少量PMSG机组，使得更易于工程实现。本发明的分析方法具有计算简单、结果准确、易于实现且工程应用价值高等特点。 

附图说明

图1是接入风电机组的Cigre Nordic32系统接线图。 

图2是永磁直驱同步风电机组运行控制图。 

图3是风电场协调控制结构示意图。 

图4是不同控制策略对比的恒速异步风力发电机的转子转速图。 

图5是不同控制策略对比的风场接入点母线BUS1042的电压图。 

图6是不同控制策略对比的风场接入点处风电场的有功功率图。 

图7是不同控制策略对比的风场接入点母线BUS1042的无功功率图。 

图8是PMSG不同接入容量的风电场接入点母线BUS1042的电压图。 

图9是不同控制系数下的风电场接入点母线BUS1042的电压图。 

图10是不同控制系数下的永磁直驱风力发电机的转子转速图。 

具体实施方式

本发明的含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法，包括以下步骤： 

1)在含恒速异步风力发电机组的风电场中连接永磁直驱风力发电机； 

2)在正常情况下，发出有功功率； 

永磁直驱风力发电机的变换器具有无功补偿功能，在故障期间能够提供无功支撑，但在稳态时对系统提供有功功率； 

3)故障期间检测电压下降，对系统提供无功功率补偿； 

在故障期间，恒速异步风力发电机在发出有功功率P_G1的同时从电网中吸收无功功率Q_G1，检测网侧电压u_ac信号，当电网电压跌落到阀值时，通过保护模块使用网侧变流器中电流控制器的电流i_{q_ext}值替代原有参考值i_{q_ref}，发送i_{q_ext}值到发电机侧U_{ac_P}控制器对发电机侧的母线电压进行控制，通过网侧的U_{dc_Q}控制器对直流母线电压进行控制，向系统提供无功功率Q_G2，起到无功功率支撑作用，则故障期间通过升压变后的无功功率注入为： 

Q_G2＝Q₁-ΔQ_T＝u_d1i_q1-ΔQ_T＝u_aci_{q_ext}-ΔQ_T                (1) 

其中Q₁为永磁直驱风力发电机输出的无功功率， 

Q_G2为故障期间通过升压变后的无功功率注入， 

ΔQT为变压器的无功功率损耗， 

P_G1为恒速异步风力发电机发出的有功功率， 

Q_G1为恒速异步风力发电机吸收的无功功率， 

u_d1为定子电压的d轴分量， 

i_q1为定子电流的q轴分量， 

u_ac为网侧母线电压， 

i_{q_ref}为电流控制器q轴电流参考值， 

i_{q_ext}为电流控制器q轴电流替代值； 

4)考虑永磁直驱风力发电机不同控制系数对控制效果的影响； 

故障期间的替代电流i_{q_ext}值如下 

i_{q_ext}＝N×(1-u_ac)                                      (2) 

其中N为控制系数； 

则永磁直驱风力发电机的无功功率输出为： 

$Q_{G2}={\mathrm{Nu}}_{\mathrm{ac}}-{\mathrm{Nu}}_{\mathrm{ac}}^2-{\mathrm{\ΔQ}}_T---\left(3\right)$

5)考虑永磁直驱风力发电机不同接入容量对控制效果的影响； 

为了分析永磁直驱风力发电机Permanent Magnet Synchronous Generators，缩写PMSG接入容量对控制效果的影响，定义PMSG的接入容量比为：PMSG容量与PMSG容量、恒速异步风力发电机Fixed Speed Induction Generator，缩写FSIG容量之和的比值， 

具体实例： 

以图1所示CIGRE Nordic 32节点系统，并在母线1042处并入由100台2MW恒速异步风力发电机组成的容量为200MW的风电场为例进行实例分析。其中PMSG的控制原理如图2所示。稳态时PMSG发出有功功率，故障期间，检测网侧母线电压u_ac，通过替代电流i_{q_ext}向系统提供无功功率，起到无功功率支撑作用。风电场内部结构布局和两种风电机组的协调控制及其有、无功功率分布情况如图3所示。恒速异步风力发电机发出有功功率P_G1，吸收无功功率Q_G1，永磁直驱风力发电机发出有功功率P_G2，而在故障期间提供无功功率Q_G2，整体上 增加了对系统的无功功率注入，提高系统电压水平。 

考虑PMSG对FSIG暂态电压水平改善作用的分析。 

对风电场中只含FSIG以及风电场由FSIG+PMSG构成。其中包括16台1.5MW的PMSG和88台2MW的FSIG两种方式故障期间电压恢复速度及无功功率变化情况进行对比和分析。计算过程中假定所有风力发电机都运行在相同工作点。系统故障取风电场接入的母线BUS1042发生三相短路故障；假定故障在t＝1s时刻发生，0.2s后故障清除。其结果如图4～7所示，从图4～5可以看出，在常规的FSIG控制策略作用下，系统经过较长时间才能平息振荡恢复到正常值；而在引入PMSG后，系统电压及风电机组的转子角速度的振荡幅值明显减小，能更快地恢复到平稳状态，由此可见，PMSG能够有效地改善基于FSIG风电场的暂态电压稳定性。从图6～7中看出，加入PMSG后，风电场的有功功率故障后恢复速度较快且相对平稳，而风电场节点的无功功率吸收明显减少且平稳快速，由此可见PMSG也能起到无功功率支撑的作用，在故障期间可以有效的对FSIG进行无功补偿，效果较为理想。 

PMSG接入容量对控制效果的影响分析。 

分别对k＝6％，k＝12％及k＝21％三种情况进行了仿真计算和对比，其结果如图8所示。可以看出，随着PMSG所占比例的增大，对恒速异步风力发电机的电压恢复有明显改善，对风电场接入点的电压的改善能力也随着PMSG的接入容量比k的增加而增强，由此可见PMSG接入比例对系统暂态电压稳定性也有一定的影响。 

PMSG控制系数对控制效果的影响分析。 

当u_ac降到0.5时，i_{q_ext}＝1，即所有的电流容量都用作提供无功功率。当电压降落到0.75时，系数取4，此时变频器全做无功功率输出。例如当电压降到0.8时，无功功率注入分别为0.32，0.48，0.64，0.8，对应系数分别为2，3，4，5的情况。无功功率由Q＝-u.i_q计算。从图9中可以看出，随着PMSG控制系数的增大，对恒速异步风力发电机的电压恢复有明显改善，能更快的恢复稳定，对风电场接入点的电压的改善能力也随着控制系数N的增加而增强，由此可见PMSG控制系数对系统暂态电压稳定性也有一定的影响。同时在该控制方法下，永磁直驱风力发电机也是稳定的，其不同控制系数下的转子转速情况如图10所示，可见其稳定程度随控制系数的增加而增强，能满足低电压穿越要求。 

经过不同方法计算比较和实例仿真验证表明，该控制方法是高效且实用的。 

Claims (1)

1.一种含恒速异步风电机组风电场暂态电压控制方法，其特征是，它包括以下步骤：

1）在含恒速异步风力发电机组的风电场中连接永磁直驱风力发电机；

2）在正常情况下，永磁直驱风力发电机发出有功功率；

永磁直驱风力发电机的变换器具有无功补偿功能，在故障期间能够提供无功支撑，但在稳态时对系统提供有功功率；

3）故障期间检测电压下降，永磁直驱风力发电机对系统提供无功功率补偿；

在故障期间，恒速异步风力发电机在发出有功功率P_G1的同时，从电网中吸无功功率Q_G1，检测网侧电压u_ac信号，当电网电压跌落到阀值时，通过保护模块使用网侧变流器中电流控制器的电流i_{q_ext}值替代原有参考值i_{q_ref}，发送i_{q_ext}值到发电机侧U_{ac_P}控制器对发电机侧的母线电压进行控制，通过网侧的U_{dc_Q}控制器对直流母线电压进行控制，向系统提供无功功率Q_G2，起到无功功率支撑作用，则故障期间通过升压变后的无功功率注入为：

Q_G2=Q₁-△Q_T=u_d1i_q1-△Q_T=u_aci_{q_ref}-△Q_T（1）

其中 Q₁为永磁直驱风力发电机输出的无功功率，

Q_G2为故障期间通过升压变后的无功功率注入，

△Q_T为变压器的无功功率损耗，

P_G1为恒速异步风力发电机发出的有功功率，

Q_G1为恒速异步风力发电机吸收的无功功率，

u_d1为定子电压的d轴分量，

i_q1为定子电流的q轴分量，

u_ac为网侧母线电压，

i_{q_ref}为电流控制器q轴电流参考值，

i_{q_ext}为电流控制器q轴电流替代值；

4）考虑永磁直驱风力发电机不同控制系数对控制效果的影响；

故障期间的替代电流i_{q_ext}值如下

i_{q_ext}=N×(1-u_ac)（2）

其中 N为控制系数；

则永磁直驱风力发电机的无功功率输出为：

$Q_{G2}={\mathrm{Nu}}_{\mathrm{ac}}-{\mathrm{Nu}}_{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\Δ}{Q}_T---\left(3\right)$

5）考虑永磁直驱风力发电机不同接入容量对控制效果的影响；

为了分析永磁直驱风力发电机PMSG接入容量对控制效果的影响，定义PMSG的接入容量比为：PMSG容量与PMSG容量、恒速异步风力发电机FSIG容量之和的比值，

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