CN103248054B - 一种风电场低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场低电压穿越的控制方法，本发明涉及一种风电场低电压穿越控制方法，具体地说是一种具有风电场低电压穿越功能的系统和装置的控制方法。本发明的基本原理是测量风电场接入电网端的三相电流和电压，计算电网的等效阻抗，构建一个可快速调整模块化阻抗阵列，将该阻抗阵列与一个高速断路器并联后串联接入风电场汇集线和升压变压器进线断路器之间，2-4毫秒时间内完成对低电压产生的判断，计算电压正弦波过零点的时间点，在过零点高速断路器完成断开动作，低电压判断和断路器动作时间不大于12毫秒，串联接入与电网等效阻抗值相同阻抗阵列并维持风电场汇集线电压不变。

Description

一种风电场低电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电场低电压穿越控制方法，具体地说是一种具有风电场低电压穿越功能的系统和装置的控制方法。

背景技术

近年来风力发电迅速发展,风电占供电比重也随之增长迅速。由此带来的问题也引起了广泛的重视.特别是在电网出现故障导致电压跌落后，风力机组如果纷纷解列会带来系统暂态不稳定，并可能造成局部甚至是系统全面瘫痪，因此电网企业对风机并网提出了一定的要求,低电压穿越(低电压穿越)能力就是要求风机或风电场必须能够满足的一项强制性标准或规范。

并网风力发电设备与传统的并网发电设备，如火力发电设备或水力发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间并不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性非常不利。电网故障是电网的一种非正常运行形式，主要有输电线路短路或断路，如三相对地，单相对地以及线间短路或断路等，它们会引起电网电压幅值的剧烈变化。

低电压穿越(Low voltage ride through,低电压穿越)，是指在风机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

根据国家电网Q/GDW 392-2009《风电场接入电网技术规定》中第8条“风电场低电压穿越”的描述,风电场低电压穿越应该达到如下要求:

1、基本要求

1)风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20％额定电压时能够保证不脱网连续运行625毫秒的能力；

2)风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90％时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

2、不同故障类型的考核要求

对于电网发生不同类型故障的情况，对风电场低电压穿越的要求如下：

1)当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

2)当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

3)当电网发生单相接地短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各相电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一相电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

3、有功恢复

对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清除后应快速恢复，以至少10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

使得风电场获得低电压穿越能力有两类解决方案，一类方案是让风电场中的所有的风力发电机组获得低电压穿越的能力，从而使风电场具有低电压穿越的能力，即所谓分散式的低电压穿越解决方案。

另一类方案是针对风电场整体提供一种低电压穿越的能力，而不需要其中的每个风电机组具有低电压穿越功能，即所谓集中式的整体风电场低电压穿越解决方案。

浙江大学电气工程学院王虹富等人提出一种“利用串连制动电阻提高风电场低电压穿越能力”的解决方案(见电力系统与自动化期刊第32卷第18期81页)。该方案提出一种在电网发生电压跌落时，在风电机组与电网之间串接接入制动电阻用于维持机端电压不变，从而使风电机组具备低电压穿越的能力。该方案通过仿真实验提出的对制动电阻选择参数，是基于对风力发电机转速-电压动态稳定域的分析进行的选择，并没有充分考虑电网的电压和电流的波动情况，也没有提出投切制动电阻的投切速度参数和过程控制方法。因此，该方案仍然停留在理论研究阶段，并不能实际应用到风电场或风力发电机组。

发明内容

本发明的目的是提出一种风电场低电压穿越的控制方法，用于控制风力发电机组或风电场低电压穿越系统和装置实现风力发电机组或风电场低电压穿越的功能。

本发明一种风电场低电压穿越的控制方法是这样实现的，包括如下步骤：

测量风电场接入电网端的三相电流和电压，计算电网的等效阻抗，测量取样频率为100KHZ至200KHZ；

构建一个由串联和并联组成的模块化阻抗阵列，将该阻抗阵列的每个阻抗模块分别与一个高速接触器并联连接，控制高速接触器控制该阻抗模块是否接入阻抗阵列；

根据测量的电网等效阻抗值，采用控制器控制每一个阻抗模块的并联接触器改变阻抗模块的接入关系，从而改变整个阻抗阵列的阻抗值来跟踪电网的等效阻抗值；

将上述阻抗阵列与一个高速断路器并联，然后串联接入风电场汇集线和升压变压器进线断路器之间；

采用控制器控制高速断路器的切换，在电网低电压的产生的2-4毫秒时间内完成对低电压产生的判断；

计算低电压产生的时间点与三相交流电压中相距最近的相电压正弦波过零点的时间差△t，当时间差△t为大于等于8毫秒，选择该相电压正弦波过零点作为高速断路器断开的时间点；当时间间距△t小于8毫秒，选择三相电压正弦波中距离上述相电压正弦波过零点最近的相电压正弦波过零点作为高速断路器断开的时间点；

电网发生电压跌落时，控制器在2-4毫秒时间内完成对低电压产生的判断，高速断路器在7-8毫秒的时间内完成断开动作，串联接入与电网等效阻抗值相同的阻抗阵列并维持风电场汇集线电压不变。

本发明提出的风电场低电压穿越控制方法的特点及优点是：

1、适用各类风电场和风力发电机组的低电压穿越系统和装置；

2、控制精度高，准确可靠；

3、是独立的控制系统，不涉及风电场风力发电机主辅设备，不影响原风场发电系统的可靠性；

4、串联动态阻抗补偿，维持风电场汇集线电压不变、电流不变，频率不变、风力发电机转速不变、功角不变、旋转磁场不变；

5、当电网故障恢复时，风电场立即向电网提供相当于故障前的有功功率和电压，几乎没有恢复过程，没有磁场重建过程。给予电网稳定以最大的支持，起到加速电网电压恢复的作用；

6、不仅适用于各种风电机组，而且容量可调整，可积木式升级，便于风电场增容。对于固定装机容量风电场，通过改变补偿阻抗的容量，即可改变CLSS的支持时间；换言之，对于固定的补偿时间，通过改变补偿阻抗的容量，可以适应不同装机容量容量的风电场；

7、集中式结构，施工范围小，易于现场管理；不触及风电场每台风电机主辅设备，不影响原风场发电系统的可靠性，涉及内容少，改造工作量小，运维简易；

8、相对单机改造的整体成本要低；

9、尤其对于分期建设的风电场，一期改造，后期收益。无论风电运营商或电网公司都不需要再对风力发电机进行逐台检测和维护。

具体实施方式

为了对本发明技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下说明本发明的具体实施方式。

本发明的目的是提供一种在用于风电场火风力发电机组的低电压穿越装置成功完成低电压穿越功能的控制方法。该方法是根据国家电网Q/GDW 392-2009《风电场接入电网技术规定》中第8条“风电场低电压穿越”的相关要求提出。

测量风电场接入电网端的三相电流和电压，测量取样频率为80KHZ，计算电网的等效阻抗值，对于标准的33台1.5MW风电机组的风电场，有3条汇集线，每条汇集线挂11台风电机组，对于单机，机端电压690伏，，单机满发功率为1.5MW，等效阻抗为0.314欧姆；经箱式变压器变压成汇集线电压为35千伏，单机满发功率为1.5MW，单机等效阻抗约为816欧姆，汇集线电压35千伏，汇集线满发功率16.5MW，等效阻抗约为74.3欧姆，风电场升压站前端的电压35千伏，满发功率未49.5MW，等效阻抗约为24.75欧姆。

构建一个由串联和并联组成的模块化阻抗阵列，将该阻抗阵列的每个阻抗模块分别与一个高速接触器并联连接，通过控制高速接触器闭合与断开来控制该阻抗模块是否接入阻抗阵列。

根据低电压穿越系统装置应用场合的不同来确定阻抗阵列每个模块的标定值。当应用于单机场合时，阻抗阵列每个模块的标定值小于0.314欧姆，当应用于汇集线场合时，阻抗阵列每个模块的标定值小于74.3欧姆，当应用于整体风电场时，阻抗阵列每个模块的标定值小于24.75欧姆。

模块化阻抗阵列为多级可调阻性阵列，其总阻抗等于风电场额定容量下的负载阻抗，设计为16级可调，调节精度为6.25％，阻抗调整时间小于10毫秒；

根据测量的电网瞬时等效阻抗值，控制每一个阻抗模块的并联接触器的闭合与断开来改变各个阻抗模块的接入关系，从而改变整个阻抗阵列的阻抗值来跟踪电网的等效阻抗值；

将上述阻抗阵列与一个高速断路器并联，并联后阻抗阵列和高速断路器并联的串联接入风电场汇集线和升压变压器进线断路器之间；

采用控制器控制高速断路器的断开与闭合，在电网低电压产生的3毫秒时间内完成对低电压产生的判断；

计算低电压产生的时间点与三相交流电压中相距最近的相电压正弦波过零点的时间差△t，当时间差△t为大于等于8毫秒，选择该相电压正弦波过零点作为高速断路器断开的时间点；当时间间距△t小于8毫秒，选择三相电压正弦波中距离第一个相电压正弦波过零点最近的相电压正弦波过零点作为高速断路器断开的时间点。

电网发生电压跌落时，控制器在3毫秒时间内完成对低电压产生的判断，高速断路器在8毫秒的时间内完成断开动作，串联接入与电网等效阻抗值相同的阻抗阵列并维持风电场汇集线电压不变。

低电压穿越装置对风电机故障穿越的支持是动态全负载阻抗补偿方式，即：“低电压穿越装置”补偿的阻抗是根据故障前瞬间测得的负载阻抗进行调整的，故障期间，低电压穿越装置作为风电机的负载支持风电机持续运行，与电网电压无关，可见，因阻抗近似不变，风电机发出的电流也近似不变，该阻抗与电流的乘积即风电机机端电压同样近似不变，结果是风电机的输出功率近似不变，对于风电机系统来说，电网系统未曾发生任何故障，显然不会启动任何保护动作；低电压穿越装置工作原则是：2秒之内，电网故障不切除，“低电压穿越装置”不退出。因此，即使电网电压跌落到零，本“低电压穿越装置”同样可以完成对风电机运行的支持。

采用本控制方法，低电压穿越装置从故障发生到投入的时间小于12毫秒，快于继电保护的动作时间下限，因此，在“低电压穿越装置”投入前的20毫秒时间内，风电机系统同样不会启动任何保护动作。电网故障期间，由于“低电压穿越装置”的作用，风电机一直处于故障前工况，一旦故障切除，风电机向电网提供的有功恢复速度则是最快速的。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种风电场低电压穿越的控制方法，包括如下步骤：

测量风电场接入电网端的三相电流和电压，计算电网的等效阻抗，测量取样频率为100KHZ至200KHZ；

构建一个由串联和并联组成的模块化阻抗阵列，将该阻抗阵列的每个阻抗模块分别与一个高速接触器并联连接，控制高速接触器控制该阻抗模块是否接入阻抗阵列；

根据测量的电网等效阻抗值，采用控制器控制每一个阻抗模块的并联接触器改变阻抗模块的接入关系，从而改变整个阻抗阵列的阻抗值来跟踪电网的等效阻抗值；

将上述阻抗阵列与一个高速断路器并联，然后串联接入风电场汇集线和升压变压器进线断路器之间；

采用控制器控制高速断路器的切换，在电网低电压的产生的2-4毫秒时间内完成对低电压产生的判断；

计算低电压产生的时间点与三相交流电压中相距最近的相电压正弦波过零点的时间差△t，当时间差△t为大于等于8毫秒，选择该相电压正弦波过零点作为高速断路器断开的时间点；当时间间距△t小于8毫秒，选择三相电压正弦波中距离上述相电压正弦波过零点最近的相电压正弦波过零点作为高速断路器断开的时间点；

电网发生电压跌落时，控制器在2-4毫秒时间内完成对低电压产生的判断，高速断路器在7-8毫秒的时间内完成断开动作，串联接入与电网等效阻抗值相同的阻抗阵列并维持风电场汇集线电压不变。