CN103178543B - 一种可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

Description

一种可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法

技术领域

本发明涉及一种可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法，可在并网点电压发生骤升故障时确保风电机组不脱网运行，并能利用机组自身的无功控制功能对故障电网提供一定的无功支撑，从而有利于故障电网的快速恢复以及其他并网负载的安全运行。

背景技术

近年来，随着风电机组单机容量的扩大和总装机容量在电网中所占比例的快速提高，世界各国纷纷出台风电并网导则，对并网风电机组的稳定性、可靠性提出了明确要求。其中，难度较大、技术要求相对较高的当属电网电压跌落或骤升故障下的不脱网运行（Fault ride-through，FRT）要求。针对电网电压跌落故障的低电压穿越（Low voltage ride-through，LVRT）运行，国内外已有大量研究，相关技术也较为成熟。但对于电网电压骤升（swell）故障下风电机组的运行与控制研究，则鲜见报道。

实际上，与电压跌落相对应，电压骤升是一种常见电网异常现象，通常发生在电网电压恢复瞬间或电网无功功率过剩情况下。在配置有无功补偿装置的风电场中，一般情况下其无功功率处于平衡状态，但当电网电压发生跌落时，常会引发一些无LVRT能力的风电机组从电网中解列，此时无功补偿装置如未得到及时调节，将导致电网无功功率过剩，进而抬升并网点端电压。那些曾通过低电压穿越考验的机组如未考虑过电压保护设计，此时也不得不接续从电网中解列，再次造成风电机组大规模脱网。2011年2月24日甘肃598台风电机组脱网中，274台为低电压脱网，其余324台为高电压脱网。因此，双馈感应发电机暂态保护设计中除需考虑电压跌落外，还需防范电压骤升的危害，以期实现机组的高电压穿越运行（High voltage ride-through，HVRT）。

目前，国际上对风电机组HVRT已有初步规范的是澳大利亚电网规程，其要求风电机组能够在并网点电压骤升至1.3倍标称值时不脱网运行60ms。尽管这一规程给出了明确的风电机组并网运行区间，但对于电压骤升期间机组的无功安排却没有进一步限定，国内外相关文献对此也鲜见报道。因此，综合分析、研究电网电压骤升期间作为主流机型的双馈感应发电机的无功控制能力，进而提出一种充分发挥双馈型风电机组动态无功支撑功能的高电压穿越方案就显得日益必要和迫切。

发明内容

本发明目的在于提供一种可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法，既满足电网电压骤升期间风电机组不脱网运行要求，又能对故障电网提供一定的无功支持，从而协助故障电网快速恢复。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法，该方法为：实时检测并网点线电压U_T、直流母线电压V_dc；当U_T<1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式；当U_T≥1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式；自适应直流卸荷电路根据V_dc的大小判断自身导通或关断。

进一步地，所述当U_T<1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式具体为：当U_T<1.1倍标称值时，网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式时，网侧变流器的有功电流指令设定为电压环PI调节器的输出值，网侧变流器的无功电流指令转子侧变流器的有功电流指令、无功电流指令分别设定为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rd}}^{*}=-\frac{2L_s{P}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T}\\ I_{\mathrm{rq}}^{*}=\frac{2L_s{Q}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T}-\frac{U_T}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_s{L}_m}\end{array}\right.;$

式中，L_s、L_m分别为双馈感应发电机的定子电感、定转子互感；P_s、Q_s分别为双馈感应发电机定子吸收的有功功率、无功功率；ω_s为电网电压的角频率；

进一步地，所述当U_T≥1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式具体为：当U_T≥1.1倍标称值时，网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式时，网侧变流器的有功电流指令依然设定为电压环PI调节器的输出值，而其无功电流指令则设定为：

$I_{\mathrm{gq}}^{*}=\frac{1}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_s{L}_g}(V_{\mathrm{dc}}-U_T);$

同时，转子侧变流器有功电流指令、无功电流指令分别设定为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rd}}^{*}=\min \{-\frac{2L_s{P}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T},\sqrt{{I_{\mathrm{rN}}}^2-{I_{\mathrm{rq}}^{*}}^2}\}\\ I_{\mathrm{rq}}^{*}=5\&times;(U_T-1.1)I_{\mathrm{rN}}\end{array}\right.;$

式中，L_g为网侧进线电抗器的电感，I_rN为转子侧变流器的额定电流；min运算表示取括号内两个数值中较小者。

进一步地，所述自适应直流卸荷电路根据V_dc的大小判断自身导通或关断具体为：由可关断器件和能耗电阻串联组成的自适应直流卸荷电路，并联在直流母线电容器的两端，当直流母线电压V_dc高于直流母线电容器的最大可连续操作电压V_dcmax，即V_dc≥V_dcmax时，自适应直流卸荷电路被触发导通；反之，当V_dc<V_dcmax时，自适应直流卸荷电路被关断。

本发明的有益效果是：

1）网侧变流器无功电流指令的优化；

2）转子侧变流器有功电流指令、无功电流指令的优化；

3）网侧变流器、转子侧变流器无功功率的协同控制；

4）网侧变流器、转子侧变流器无功控制与自适应直流卸荷电路保护的结合。

附图说明

图1为本发明适用的双馈风电机组系统结构图；

图2为本发明的可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法流程图；

图3为利用本发明所述高电压穿越实现方法实现的某3MW商用双馈风电机组在并网点电压骤升至1.3倍标称值时的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所适用的双馈风电机组系统结构图，主要包括双馈感应发电机DFIG、网侧变流器GSC、转子侧变流器RSC、直流电容器C、网侧进线电抗器Reactor、上位机和驱动板；图中，U_T为并网点线电压，V_dc为直流母线电压，P_s、Q_s分别为双馈感应发电机定子吸收的有功功率、无功功率，P_g、Q_g分别为网侧变流器吸收的有功功率、无功功率，P_t、Q_t分别为双馈风电机组吸收的总有功功率、总无功功率；

参照图2，本发明所描述的一种可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法具体为：

1.实时检测并网点线电压U_T、直流母线电压V_dc；

2.当U_T<1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式；

标称值为并网点线电压的正常值，也即风电机组正常工作时双馈感应发电机定子线电压的值。

网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式时，网侧变流器的有功电流指令设定为电压环PI调节器的输出值，网侧变流器的无功电流指令转子侧变流器的有功电流指令、无功电流指令设定为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rd}}^{*}=-\frac{2L_s{P}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T}\\ I_{\mathrm{rq}}^{*}=\frac{2L_s{Q}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T}-\frac{U_T}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_s{L}_m}\end{array}\right.;$

其中，L_s、L_m分别为双馈感应发电机的定子电感、定转子互感；P_s、Q_s分别为双馈感应发电机定子吸收的有功功率、无功功率；ω_s为电网电压的角频率。

3.当U_T≥1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式；

网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式时，网侧变流器有功电流指令依然设定为电压环PI调节器的输出值，而其无功电流指令则设定为：

$I_{\mathrm{gq}}^{*}=\frac{1}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_s{L}_g}(V_{\mathrm{dc}}-U_T);$

同时，转子侧变流器有功电流指令、无功电流指令设定为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rd}}^{*}=\min \{-\frac{2L_s{P}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T},\sqrt{{I_{\mathrm{rN}}}^2-{I_{\mathrm{rq}}^{*}}^2}\}\\ I_{\mathrm{rq}}^{*}=5\&times;(U_T-1.1)I_{\mathrm{rN}}\end{array}\right.;$

其中，L_g为网侧进线电抗器的电感，I_rN为转子侧变流器的额定电流；min运算表示取括号内两个数值中较小者。

本步骤中网侧变流器无功电流指令设定的意义是：一方面满足Boost升压电路的工作要求，另一方面利用网侧变流器从电网吸收一定的容性无功功率。转子侧变流器有功、无功电流指令设定的意义是：转子侧变流器控制双馈感应发电机按电网电压每升高1%、提供5%的无功电流的原则优先从电网吸收一定的容性无功功率，转子侧变流器容量如有剩余再进行有功功率控制。需要说明的是，为了不引起过大的电磁暂态过程，转子侧变流器的有功电流指令、无功电流指令设定需按一定的变化率（如）递增至设定值

本步骤在执行过程中如检测到U_T<1.1倍标称值，表明并网点电压已恢复至双馈风电机组可操作电压范围，此时网侧变流器、转子侧变流器应立即分别切回至步骤2的单位功率因数模式和最大功率追踪模式。同样，为了不引起大的电磁暂态过程，切回过程中转子侧变流器的有功电流指令、无功电流指令需按一定的变化率进行设定。

4.自适应直流卸荷电路根据V_dc的值判断自身导通或关断。

参照图1，由可关断器件（如IGBT）和能耗电阻串联组成的自适应直流卸荷电路，并联在直流母线电容器的两端，参照图2，当直流母线电压V_dc高于直流母线电容器的最大可连续操作电压V_dcmax，即V_dc≥V_dcmax时，自适应直流卸荷电路被触发导通；反之，当V_dc<V_dcmax时，自适应直流卸荷电路被关断。

图3所示为利用本发明进行的某3MW商用双馈风电机组在并网点电压骤升至1.3倍标称值时的仿真波形，图中，U_s为双馈感应发电机的定子线电压，I_sabc、I_rabc分别为双馈感应发电机的定子三相电流、转子三相电流，Flag为自适应直流卸荷电路触发脉冲信号，其他符号含义同图1。从图3可见，电网电压骤升期间网侧变流器吸收0.45p.u.的无功功率（Q_g）、双馈感应发电机（DFIG）定子吸收1.43p.u.的无功功率（Q_s），从而使得定子线电压U_s（1.16p.u.）比并网点线电压U_T（1.3p.u.）下降0.14p.u.，从而有利于故障电网的恢复。自适应直流卸荷电路在直流母线电压V_dc高于其最大可连续操作电压时触发导通（详见图3中Flag波形），有效避免了母线电容器过压的风险。

综上所述，网侧变流器、转子侧变流器无功功率电流指令的配合控制，以及直流卸荷电路的实时保护，不仅实现了电网电压骤升期间双馈风电机组不脱网运行，而且对故障电网提供一定程度的无功补偿，有助于故障电网的恢复和其他并网负载的安全运行。

需要说明的是，本发明中网侧变流器、转子侧变流器的有功电流指令和无功电流指令给定值，均是在采用常见的横幅值坐标变换下的计算结果，本领域技术人员利用本发明揭示的原理做出些许修改、等同变换，均落在本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可实现无功支持的双馈型风电机组高电压穿越方法，其特征在于，该方法为：实时检测并网点线电压U_T、直流母线电压V_dc；当U_T<1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式；当U_T≥1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式；自适应直流卸荷电路根据V_dc的大小判断自身导通或关断；

所述当U_T<1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式具体为：当U_T<1.1倍标称值时，网侧变流器工作在单位功率因数模式、转子侧变流器工作在最大功率追踪模式时，网侧变流器的有功电流指令设定为电压环PI调节器的输出值，网侧变流器的无功电流指令转子侧变流器的有功电流指令无功电流指令分别设定为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rd}}^{*}=-\frac{{2L}_s{P}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T}\\ I_{\mathrm{rq}}^{*}=\frac{2L_s{Q}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T}-\frac{U_T}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_s{L}_m}\end{array}\right.;$

式中，L_s、L_m分别为双馈感应发电机的定子电感、定转子互感；P_s、Q_s分别为双馈感应发电机定子吸收的有功功率、无功功率；ω_s为电网电压的角频率；

所述当U_T≥1.1倍标称值时，通过上位机控制网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式具体为：当U_T≥1.1倍标称值时，网侧变流器工作在母线电压控制模式、转子侧变流器工作在无功功率支持模式时，网侧变流器的有功电流指令依然设定为电压环PI调节器的输出值，而其无功电流指令则设定为：

$I_{\mathrm{gq}}^{*}=\frac{1}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_s{L}_g}(V_{\mathrm{dc}}-U_T);$

同时，转子侧变流器有功电流指令无功电流指令分别设定为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rd}}^{*}=\min \{-\frac{{2L}_s{P}_s}{\sqrt{3}{L}_m{U}_T},\sqrt{{I_{\mathrm{rN}}}^2-I_{\mathrm{rq}}^{*2}}\}\\ I_{\mathrm{rq}}^{*}=5\&times;(U_T-1.1)I_{\mathrm{rN}}\end{array}\right.;$

式中，L_g为网侧进线电抗器的电感，I_rN为转子侧变流器的额定电流；min运算表示取括号内两个数值中较小者；

所述自适应直流卸荷电路根据V_dc的大小判断自身导通或关断具体为：由可关断器件和能耗电阻串联组成的自适应直流卸荷电路，并联在直流母线电容器的两端，当V_dc≥V_dcmax时，自适应直流卸荷电路被触发导通；反之，当V_dc<V_dcmax时，自适应直流卸荷电路被关断；所述V_dcmax为直流母线电容器的最大可连续操作电压。2 -->