CN103311956A - 一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统,该方法采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,通过调节磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量;通过与固定电容器的配合,实现对感性或者容性无功的补偿,同时,也可在低电压穿越时大量发出感性无功以增强机组的穿越能力。另外,在遇到故障时,并网点侧电压跌落,当并网点侧电压互感器检测到电压跌落至一定程度时,即可将磁控电抗器退出,仅用固定电容器以最大容量向系统中提供无功功率,以尽量保持风机的并网且支持电网电压的恢复,在电网电压恢复至允许范围内,再将磁控电抗器重新投入运行,与固定电容器配合补偿系统所需的无功功率。

Description

一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域,更具体的说,是涉及一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统。
背景技术
近年来,新兴市场的风电发展迅速,在国家政策支持和能源供应紧张的背景下,各国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起,已成为全球风电最为活跃的场所。风能作为一种清洁的可再生能源,也越来越受到世界各国的重视。但是风力具有波动性和不确定性的特性,这些特性对风电发电机的运行会产生不利的影响,例如:影响风力发电机输出的有功功率,风力的波动引发的无功功率的波动会改变风电机子的无功波动和机端电压波动,另外,风电机组在并网运行时,风电机组的无功需求会对并网点电压产生不利影响。
为了消除上述不利影响,现有技术中无功容量的动态补偿通过静止无功补偿器来实现,即由可变电抗器实现,请参阅附图1,为传统静止无功补偿器的结构图,该设备依靠晶闸管控制投切电抗器来实现无功容量的连续可变调节,但是由于可变电抗器中的开关元件与电抗器是串联关系接入电路,电流值较大,因此对电力电子元件的通流能力要求较高,增加了制造成本,并且有功损耗较大;另外,对于晶闸管来说,其极易损坏,维护压力大,同时,由于开关元件通过延时触发角来改变流经电抗器的有效电流的大小,因此电流波形有较高的谐波含量,响应速度也较慢。
因此,提供一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统,能够实现快速、动态、准确、平滑的满足风电机组的无功需求,以减少对并网点电压波动的影响,是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统,以克服现有技术中由于可变电抗器中的开关元件与电抗器是串联关系接入电路,电流值较大,因此对电力电子元件的通流能力要求较高,增加了制造成本,并且有功损耗较大的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种改善风电机组并网运行稳定性的方法,采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,该方法包括:
所述磁控电抗器控制电抗值的大小,所述磁控电抗器的自感值的表达式为:
Figure BDA00003422236600021
所述N为电抗器绕组的匝数,μ为铁磁材料的磁导率,A为铁芯截面积,l为铁芯的平均磁路长度;
当所述铁芯截面积与所述绕组的匝数一定时,通过改变所述铁芯的磁导率来改变所述自感值;
通过改变所述铁芯磁饱和程度来改变所述磁导率对所述自感值进行调整。
优选的,所述改变所述磁导率为改变所述铁芯的直流励磁电流的大小。
优选的,所述磁导率μ=B/H,其中,磁导率μ的改变是通过在交变的磁密B=Bmsin(ωt)上增加一个直流分量B0来实现的,通过调节B0的大小,就能调节铁芯的等值磁导率。
其中,所述铁芯的结构为多级式铁芯结构。
本发明还公开了一种改善风电机组并网运行稳定性的装置,该装置基于磁控电抗器与固定电容器配合构成的静止无功补偿器,通过调节所述磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量,通过与固定电容器的配合,即可实现对感性或容性无功的补充。
其中,所述磁控电抗器的补偿容量为Ql=V1 2/Xl,所述固定电容器的补偿容量为Qc=V1 2/Xc
优选的,该装置还包括:设置在风电机组系统中的电压互感器和电流互感器,测量所述风电机组在并网时的机端电压;
将监测的系统并网点电压和流过电流通过PLC及其扩张模块的计算获得所需补偿的容量。
本发明还公开了一种改善风电机组并网运行稳定性的系统,包括设置于公共母线端的上述所述的改善风电机组并网运行稳定性的装置、设置于所述公共母线端的电流互感器及设置于并网点端的电压互感器。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开了一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统,该方法采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,通过调节磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量,即:发出容性无功,吸收感性无功;通过与固定电容器的配合,即:发出感性无功,吸收容性无功,实现对感性或者容性无功的补偿,同时,也可在低电压穿越时大量发出感性无功以增强机组的穿越能力。
另外,在遇到故障时,并网点侧电压跌落,当并网点侧电压互感器检测到电压跌落至一定程度时,即可将磁控电抗器退出,仅用固定电容器以最大容量向系统中提供无功功率,以尽量保持风机的并网且支持电网电压的恢复,在电网电压恢复至允许范围内,再将磁控电抗器重新投入运行,与固定电容器配合补偿系统所需的无功功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为传统静止无功补偿器的结构图;
图2为本发明实施例公开的一种改善风电机组并网运行稳定性的方法流程图;
图3为磁密和自感电抗值的关系示意图;
图4为本发明实施例公开的一种改善风电机组并网运行稳定性的装置结构示意图;
图5为本发明实施例装置的控制系统原理图;
图6为本发明实施例装置的计算方法和控制方法示意图;
图7为本发明实施例中的多级式铁芯结构设计示意图;
图8为本发明实施例公开的一种改善风电机组并网运行稳定性的系统结构示意图。
具体实施方式
为了引用和清楚起见,下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下:
低电压穿越:当出现故障并网点电压突然出现跌落时,未安装补偿装置会导致风电场因低电压保护而脱网,如果是风电容量在当地电网容量中占有较大比重,风电机组的脱网很有可能引起当地电网电压崩溃,因此应尽量使风电机组在电压跌落时能够坚持并网运行,并且向电网提供一定有功功率和动态无功,支持电网电压恢复,以穿越这个低电压时段。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明公开一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统,该方法采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,通过调节磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量;通过与固定电容器的配合,实现对感性或者容性无功的补偿,同时,也可在低电压穿越时大量发出感性无功以增强机组的穿越能力。另外,在遇到故障时,并网点侧电压跌落,当并网点侧电压互感器检测到电压跌落至一定程度时,即可将磁控电抗器退出,仅用固定电容器以最大容量向系统中提供无功功率,以尽量保持风机的并网且支持电网电压的恢复,在电网电压恢复至允许范围内,再将磁控电抗器重新投入运行,与固定电容器配合补偿系统所需的无功功率。
请参阅附图2,为本发明实施例公开的一种改善风电机组并网运行稳定性的方法流程图。本发明实施例公开了一种改善风电机组并网运行稳定性的方法,采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,该方法步骤具体包括:
步骤S1:磁控电抗器控制电抗值的大小,磁控电抗器的自感值的表达式为:
Figure BDA00003422236600041
N为电抗器绕组的匝数,μ为铁磁材料的磁导率,A为铁芯截面积,l为铁芯的平均磁路长度;
步骤S2:当铁芯截面积与所述绕组的匝数一定时,通过改变铁芯的磁导率来改变所述自感值;
当电抗器铁芯的几何尺寸和绕组参数一定时,电感值仅与铁芯的磁导率有关。通过改变铁芯的磁导率,可以改变电感值。
步骤S3:通过改变铁芯磁饱和程度来改变磁导率对所述自感值进行调整。
通过改变铁芯磁饱和程度从而改变磁导率进而改变电抗值的大小。其中改变磁导率的方式即改变铁芯的直流励磁电流的大小,励磁电流值的大小是连续可调的,因此磁导率也是连续可调的,藉此可以连续改变电抗值的大小。理论上,铁芯磁饱和的响应时间较短,因此磁导率改变的速度也较快,可知电抗值的改变同样也较快,而且可以采用外加直流励磁电流源等方法,提高铁芯的磁饱和速度,以提高电抗值改变的响应速度,迅速可变的磁控电抗器与固定电容器配合可以连续迅速改变无功补偿容量的大小,以实现动态满足风机并网点的无功需求,提高风机并网运行的稳定性。
请参阅附图3,为磁密和自感电抗值的关系图。由图可知,根据μ=B/H,可知磁导率μ的改变是通过在交变的磁密B=Bmsin(ωt)上增加一个直流分量B0来实现的,通过调节B0的大小,就能调节铁芯的等值磁导率。由于铁芯电抗器的感抗L随磁导率变化而变化,μ越小,则L越小,若工作电压一定,则电抗器输出电流ig越大,即电抗器输出容量越大。
由于等值磁导率μ随直流控制电流ik而变化,因此,对于饱和电抗器来说,通过调节控制电流ik的大小,以改变等值磁导率μ,从而改变铁芯的等值电感,实现电抗器容量的平滑调节。
本实施例公开一种改善风电机组并网运行稳定性的方法,该方法采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,通过调节磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量;通过与固定电容器的配合,实现对感性或者容性无功的补偿,同时,也可在低电压穿越时大量发出感性无功以增强机组的穿越能力。
在上述本发明公开的实施例的基础上,本发明还公开了一种改善风电机组并网运行稳定性的装置,请参阅附图4,为本发明实施例公开的一种改善风电机组并网运行稳定性的装置结构示意图,该装置基于磁控电抗器与固定电容器配合构成的静止无功补偿器,通过调节所述磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量,通过与固定电容器的配合,即可实现对感性或容性无功的补充。
其中,所述磁控电抗器的补偿容量为Ql=V1 2/Xl,所述固定电容器的补偿容量为Qc=V1 2/Xc
优选的,该装置还包括:设置在风电机组系统中的电压互感器和电流互感器,测量所述风电机组在并网时的机端电压;
将监测的系统并网点电压和流过电流通过PLC及其扩张模块的计算获得所需补偿的容量。
磁控电抗器通过上文所述的技术,即可连续,平滑,快速的改变电抗值的大小。
固定电容器的补偿容量(发出容性无功即吸收感性无功)为上式中的QC,磁控电抗器的补偿容量(发出感性无功即吸收容性无功)为上式中的Ql,整个M-SVC的补偿容量即Ql-QC(符号代表无功功率的性质),由于Xl的值大小可变,因此Ql的值大小同样可变,则M-SVC的补偿容量即可在Ql至QC变化,满足风电并网时动态的无功需求。
所述磁控电抗器的结构如图4所示,可控电抗器边柱上分别对称地绕有匝数为N/2的两个线圈,上下两个线圈有抽头比为δ=Nk/N的抽头,它们之间接有可控硅T1、T2,不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后并联至电源。当电抗器并网运行时,可控硅T1、T2承受的电压仅为电网电压的1/n。在电源电压正、负半周轮流触发导通可控硅T1和T2,可在电抗器回路中产生直流控制电流
Figure BDA00003422236600061
Figure BDA00003422236600062
使电抗器铁芯铁磁材料饱和,输出无功电流。磁控电抗器铁芯的饱和程度取决于可控硅导通角度,角度越大,产生的控制电流越大,电抗器铁芯铁磁材料饱和程度越高,铁芯的磁导率越小,使得电抗器的电抗值越小,从而感性无功吸收容量越大,反之亦然。
风机正常并网工作状态下,为了能够迅速,准确的补偿无功容量,该装置要有相配套的控制装置以实现其功能,该控制装置的主要作用是根据系统所需的无功需求发出相应导通角所对应的触发脉冲,请参阅附图5,本发明实施例装置的控制系统原理图。
如图5所示,通过安装在系统中的CT,PT设备,测量风电机组在并网时的机端电压,系统并网点电压和流过电流,通过PLC及其扩展模块的计算可以得到所需补偿的容量,测量值和计算值一方面通过触摸屏输出显示,同时人为操作的指令也可通过触摸屏输至PLC,得知需要补偿的容量即可发出相应的控制脉冲,控制脉冲通过脉冲隔离和驱动装置即可对磁控电抗器进行驱动,改变可控硅的导通角大小来改变磁控电抗器的容量,进而满足风电机组并网所需的无功需求。
为了能迅速,准确的计算所要补偿的无功容量,就必须要有一套符合要求的算法,本装置中共率的计算由PLC及其扩展模块完成,计算方法和控制方法如图6所示,有功和无功功率的计算基于瞬时功率法,通过CT、PT采集的三相电压和电流经过dq0坐标变换,可得到系统的有功电流Id和无功电流Iq,同时可以得到系统的有功电压Ud和无功电压Uq,得知系统的有功,无功电压电流便可计算出系统此时的有功功率和无功功率,本专利所述的装置便可根据系统无功功率的大小来满足系统无功的需求,调节本装置补偿无功功率大小的方法即调节触发脉冲的导通角,在得知系统的无功需求后,可以通过计算得知磁控电抗器要补偿的容量,然后通过查表或计算得知磁控电抗器的导通角,将导通角转化为延时信号,同过于PLL锁相环节采集的同步信号相作用,即可得到磁控电抗器的触发脉冲,根据需求调节触发脉冲,补偿系统的无功需求,从而减少对并网点电压波动的影响。
为了减少磁控电抗器的电流谐波含量,铁芯结构的设计上采用了多级式铁芯结构设计,请参阅附图7,为本发明实施例中的多级式铁芯结构设计示意图。流经磁控电抗器的谐波主要为三次谐波,因此抑制三次谐波为主要解决的问题。通过多级式铁芯的设计,可以改变铁芯柱不同位置的饱和磁通密度,因此通过适当的取值可以使得铁芯柱在不同段面的饱和磁通密度呈某种比例关系,在通入直流控制电流后,铁芯柱的不同段面饱和程度不同,使得不同段面的电流中的三次谐波因相位相反而抵消,大大减少了流经磁控电抗器的电流中谐波含量。
遇到故障时,并网点侧电压跌落,当电压互感器检测到电压跌落至一定程度时,即可将本装置中的磁控电抗器退出,仅用装置中的固定电容器FC以最大容量向系统中提供无功功率,以尽量保持风机的并网且支持电网电压的恢复,在电网电压恢复至允许范围内,再将磁控电抗器重新投入运行,与FC配合补偿系统所需的无功功率。
在上述公开的方法及装置的基础上,本发明还公开了一种系统,下面给出具体的实施例进行详细说明。
请参阅附图8,为本发明实施例公开的一种改善风电机组并网运行稳定性的系统,具体包括设置于公共母线端的上述所述的改善风电机组并网运行稳定性的装置、设置于所述公共母线端的电流互感器及设置于并网点端的电压互感器。
在遇到故障时,并网点侧电压跌落,当电压互感器检测到电压跌落至一定程度时,即可将磁控电抗器退出,仅用固定电容器以最大容量向系统中提供无功功率,以尽量保持风机的并网且支持电网电压的恢复,在电网电压恢复至允许范围内,再将磁控电抗器重新投入运行,与固定电容器配合补偿系统所需的无功功率。
综上所述:本发明公开了一种改善风电机组并网运行稳定性的方法、装置及系统,该方法采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,通过调节磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量;通过与固定电容器的配合,实现对感性或者容性无功的补偿,同时,也可在低电压穿越时大量发出容性无功以增强机组的穿越能力。另外,在遇到故障时,并网点侧电压跌落,并网点侧电压互感器检测到电压跌落至一定程度,即可将磁控电抗器退出,仅用固定电容器以最大容量向系统中提供无功功率,以尽量保持风机的并网且支持电网电压的恢复,在电网电压恢复至允许范围内,再将磁控电抗器重新投入运行,与固定电容器配合补偿系统所需的无功功率。
另外,针对上述磁控电抗器可以改变电抗值的大小的技术,也可以采用虚拟气隙式可控电抗器或晶闸管可控电抗器来实现;对于采用多级式铁芯减少谐波含量的技术,也可通过在静止无功补偿器旁并联滤波器实现。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种改善风电机组并网运行稳定性的方法,其特征在于,采用磁控电抗器配合固定电容器构成的无功调节装置,该方法包括:
所述磁控电抗器控制电抗值的大小,所述磁控电抗器的自感值的表达式为:所述N为电抗器绕组的匝数,μ为铁磁材料的磁导率,A为铁芯截面积,l为铁芯的平均磁路长度;
当所述铁芯截面积与所述绕组的匝数一定时,通过改变所述铁芯的磁导率来改变所述自感值;
通过改变所述铁芯磁饱和程度来改变所述磁导率对所述自感值进行调整。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述改变所述磁导率为改变所述铁芯的直流励磁电流的大小。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述磁导率μ=B/H,其中磁导率μ的改变是通过在交变的磁密B=Bmsin(ωt)上增加一个直流分量B0来实现的,通过调节B0的大小,就能调节铁芯的等值磁导率。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述铁芯的结构为多级式铁芯结构。
5.一种改善风电机组并网运行稳定性的装置,其特征在于,该装置基于磁控电抗器与固定电容器配合构成的静止无功补偿器,通过调节所述磁控电抗器的电抗值大小,即可改变其容量,通过与固定电容器的配合,即可实现对感性或容性无功的补充。
6.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述磁控电抗器的补偿容量为Ql=V1 2/Xl,所述固定电容器的补偿容量为Qc=V1 2/Xc
7.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,该装置还包括:设置在风电机组系统中的电压互感器和电流互感器,测量所述风电机组在并网时的机端电压;
将监测的系统并网点电压和流过电流通过PLC及其扩张模块的计算获得所需补偿的容量。
8.一种改善风电机组并网运行稳定性的系统,其特征在于,包括设置于公共母线端的上述权利要求5-7任意一项所述的改善风电机组并网运行稳定性的装置、设置于所述公共母线端的电流互感器及设置于并网点端的电压互感器。
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