CN103414204A - 采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法，首先，实时检测三相电网电压，并采用软件锁相环检测跟踪电网电压正序基波分量的相位；通过旋转坐标变换，将三相电网电压变为旋转坐标下的电网电压；由故障跌落检测器依据电网电压跌落检测法对旋转坐标下的电网电压进行实时监测，当监测到电网电压发生跌落时，则由动态电压恢复器对电网进行补偿，使得电网电压恢复正常。这样在电网电压发生跌落时，迅速投入动态电压恢复器，补偿风机端口电压至额定值；在三相对称电网故障时，通过控制动态电压恢复器，有效地调整风力发电系统注入电网的无功电流，极限情况可将风力发电系统输出电流全部转变为注入电网的无功电流。

Description

采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，更具体地说，是涉及一种风力发电系统采用动态电压恢复器实现低电压穿越，同时在电网对称故障时向电网提供无功支撑的方法。

背景技术

随着能源消耗的不断增加及其传统能源的不断减少，新能源的发展引起了全社会的广泛关注及推动，其中风力发电因为便于大规模利用和较低的成本近年来获得了迅猛的发展。

目前。电力系统中接入的风力发电系统越来越多，风力发电系统容量在电力系统中所占据的比重越来越大，电力系统对风力发电系统并网也提出了越来越严格的要求。各个国家的电力系统都对风力发电系统并网提出了相应的并网标准。我国也在2011年末正式颁发了国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》，并于2012年6月开始正式实施。新标准规定风力发电系统必须满足低电压穿越要求；同时当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，风电场在低电压穿越过程中应具备动态无功支撑能力：当风电场并网点电压处于标称电压的20％～90％区间内时，风电场应能够通过注入无功电流支撑电压恢复；自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间应不少于550ms；风电场注入电力系统的动态无功电流I_t≥1.5×(0.9-U_g)·I_N，(0.2≤U_g≤0.9)，其中U_g为电场并网点电压标幺值；I_N为风电场额定电流。

为满足风力发电系统低电压穿越的要求，针对不同的风力发电系统类型提出了相应的解决办法，其中基于动态电压恢复器的解决方案适用于各类风力发电系统。由于这种技术方案不需要对风电系统做任何硬件改动，因此尤其适合于无法进行硬件改动的现有风电场技术升级改造的场合。

在采用动态电压恢复器实现风力发电系统低电压穿越的应用中，现有文献和方法中主要关注于动态电压恢复器的控制策略，在电网电压发生跌落时，控制动态电压恢复器快速补偿电网电压跌落，实现风力发电系统的低电压穿越，而对满足并网标准中的动态无功支撑要求讨论较少，或者为满足该要求，必须在风电场中安装额外的无功补偿装置。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法，能够在不对风力发电系统的控制作任何改动的条件下，有效地调整风力发电系统注入电网的无功电流，极限情况可将风力发电系统输出电流全部转变为注入电网的无功电流，满足并网标准中动态无功支撑的要求。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法，该控制方法的具体步骤为：

A．实时检测三相电网电压，并采用软件锁相环检测跟踪电网电压正序基波分量的相位；

B．通过旋转坐标变换，将三相电网电压变为旋转坐标下的电网电压；

C．由故障跌落检测器依据电网电压跌落检测法对旋转坐标下的电网电压进行实时监测，当监测到电网电压发生跌落时，则由动态电压恢复器对电网进行补偿，使得电网电压恢复正常。

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当故障跌落检测器监测到电网电压发生跌落时，控制器控制动态电压恢复器补偿电网电压至额定值。

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当故障跌落检测器监测到电网电压发生跌落为对称故障时，控制器还控制动态电压恢复器调整风机端口电压的相位，对系统进行动态无功功率调整。

所述动态无功功率调整的具体步骤为：

C1．根据跌落后的电网电压幅度，实时计算电网无功电流指令，电网无功电流指令 $I_{g\_q}^{*}=1.5\×(0.9-U_g)\·I_N,$ 其中：

U_g为电场并网点电压；I_N为风电场额定电流；

C2．同时检测实际注入电网的电流，计算其无功电流分量，与步骤C1中的电网无功电流指令比较作差；

C3．当误差信号大于滞环比较器的高门限时，控制器输出正的频率增量信号，对该频率增量信号作积分，逐渐增大相位调整角度。

所述调整风机端口电压的相位的具体步骤为：

在旋转坐标下，采用风机端口电压和滤波电感电流双闭环的控制方法，同时加入电网电压前馈，控制动态电压恢复器并获得动态电压恢复器输出电压指令，通过逆旋转坐标变换，变换到三相abc静止坐标下，并采用正弦脉冲宽度调制策略，输出PWM信号，使得实际端口电压快速跟踪风机端口电压指令。

所述实际的风机端口电压指令

由下式计算得到：

其中：为前述正频率增量信号的积分值；U_{g_rated}为电场并网点电压标么值。

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当电网故障清除后，电网电压恢复至故障前状态时，并不立即切除动态电压恢复器；

令电网无功电流指令为0，并与实际注入电网的无功电流做比较，当误差信号大于步骤C3中的滞环比较器的低门限时，控制器输出负的频率增量信号，逐渐减小相位调整角度，最终使得端口电压与电网电压同相；

逐渐调整动态电压恢复器输出电压使其接近于零值后从电网中切除动态电压恢复器。

与现有技术相比，采用本发明的一种采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法具有以下的技术效果：

在电网电压发生跌落时，迅速投入动态电压恢复器，补偿风机端口电压至额定值，实现低电压穿越；同时在三相对称电网故障时，通过控制动态电压恢复器，在不对风力发电系统的控制作任何改动的条件下，有效地调整风力发电系统注入电网的无功电流，极限情况可将风力发电系统输出电流全部转变为注入电网的无功电流，满足并网标准中动态无功支撑的要求；当电网故障清除时，逐渐控制端口电压恢复至故障前状态，然后切除动态电压恢复器，减小对系统的冲击。

附图说明

图1为本发明的一种采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法的原理示意图；

图2为本发明的动态无功功率补偿的控制框图；

图3为本发明的实施例的控制框图；

图4为现有技术中的电网电压跌落期间风力发电系统注入电网的无功和有功电流的示意图；

图5为采用本发明提出的动态无功功率补偿控制时，电网电压跌落期间，故障期间风力发电系统注入电网的无功和有功电流的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，其中动态电压恢复器串联在风力发电系统（图1中用电机M表示）和电网之间，可以通过变压器耦合到系统中或者采用无变压器的直接耦合结构。通过旁路开关，控制动态电压恢复器简称DVR的投入和切出，当电网电压正常时，动态电压恢复器处于旁路状态，不运行，以降低系统损耗；而当电网电压发生跌落时，通过触发信号S_trigger控制旁路开关端口，动态电压恢复器投入运行，补偿风机端口电压至故障前状态，实现低电压穿越。

动态电压恢复器作为串联型电压补偿装置，主要用来补偿电网电压跌落和谐波扰动。在风力发电系统的应用场合，尤其是带有变流器的变速恒频风力发电系统中，风力发电系统控制其注入电网的电流，呈现出电流源的形式。因此，在采用动态电压恢复器实现风力发电系统低电压穿越的应用场合中，在电网故障期间，可以通过控制动态电压恢复器，改变风力发电系统输出的无功功率，提供动态无功功率支撑。

图2给出了本发明中的无功功率控制方法的控制框图。在动态电压恢复器切换到无功功率控制方式，即S_switch为高电平1时，根据跌落后的电网电压幅度，实时计算电网无功电流指令

为满足电网标准动态无功支撑要求，同时检测实际注入电网的电流，计算其无功电流分量I_{g_q}，与当前指令作差；当误差信号Δe大于滞环比较器的高门限时，控制器输出正的频率增量信号Δf，对该频率增量信号作积分，逐渐增大角度

当动态电压恢复器投入运行时，其控制目标为补偿风机端口电压至电网电压额定值；当无功功率调整控制被触发时，在补偿风机端口电压至其额定值的基础上，同时调整风机端口电压的相位，实际的风机端口电压指令

根据动态无功控制要求，由下式计算得到：

当电网故障清除，电网电压恢复至故障前状态时，并不立即切除动态电压恢复器；当电网电压恢复时，S_switch信号为低电平0，电网无功电流指令

为0，并与实际注入电网的无功电流做比较，当误差信号Δe大于滞环比较器的低门限时，控制器输出负的频率增量信号-Δf，逐渐减小角度

的值，最终使得端口电压与电网电压同相；然后，逐渐调整动态电压恢复器输出电压，接近于零值时，从电网中切除动态电压恢复器。

本发明的一种采用动态电压恢复器补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法，该控制方法的具体步骤为：

A．实时检测三相电网电压，并采用软件锁相环检测跟踪电网电压正序基波分量的相位；

B．通过旋转坐标变换，将三相电网电压变为旋转坐标下的电网电压；

C．由故障跌落检测器依据电网电压跌落检测法对旋转坐标下的电网电压进行实时监测，当监测到电网电压发生跌落时，则由动态电压恢复器对电网进行补偿，使得电网电压恢复正常。

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当故障跌落检测器监测到电网电压发生跌落时，控制器控制动态电压恢复器补偿电网电压至额定值。

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当故障跌落检测器监测到电网电压发生跌落为对称故障时，控制器还调整风机端口电压的相位，对系统进行动态无功功率调整。

所述动态无功功率调整的具体步骤为：

C1．根据跌落后的电网电压幅度，实时计算电网无功电流指令，电网无功电流指令 $I_{g\_q}^{*}=1.5\×(0.9-U_g)\·I_N,$ 其中：

U_g为电场并网点电压；I_N为风电场额定电流；

C2．同时检测实际注入电网的电流，计算其无功电流分量，与步骤C1中的电网无功电流指令作差；

C3．当误差信号大于滞环比较器的高门限时，控制器输出正的频率增量信号，对该频率增量信号作积分，逐渐增大相位调整角度。

所述调整风机端口电压的相位的具体步骤为：

在旋转坐标下，采用风机端口电压和滤波电感电流双闭环的控制方法，同时加入电网电压前馈，控制动态电压恢复器并获得动态电压恢复器输出电压指令，，通过逆旋转坐标变换，变换到三相abc静止坐标下，并采用正弦脉冲宽度调制策略，输出PWM信号，使得实际端口电压快速跟踪风机端口电压指令。所述实际的风机端口电压指令

由下式计算得到：

其中：

为前述正频率增量信号的积分值；U_{g_rated}为电场并网点电压标么值。

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当电网故障清除后，电网电压恢复至故障前状态时，并不立即切除动态电压恢复器；

令电网无功电流指令为0，并与实际注入电网的无功电流做比较，当误差信号大于步骤C3中的滞环比较器的低门限时，控制器输出负的频率增量信号，逐渐减小相位调整角度，最终使得端口电压与电网电压同相；

逐渐调整动态电压恢复器输出电压使其接近于零值后从电网中切除动态电压恢复器。

实施例：

如图3所示，一种采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法，该控制方法的具体步骤为：

步骤一，实时检测三相电网电压V_{g_abc}，采用软件锁相环（PLL）检测跟踪电网电压正序基波分量的相位θ，然后通过旋转坐标变换，将三相电网电压V_{g_abc}变为V_{g_dq}；

步骤二，依据实时检测和计算得到的电网电压V_{g_dq}，采用快速有效的电网电压跌落检测算法，判定电网电压是否发生了跌落以及是否发生了三相对称跌落；当检测到电网发生电压跌落时，产生触发信号S_trigger（高电平），动态电压恢复器投入运行；且当同时检测到电网电压跌落为对称故障时，产生切换信号S_switch（高电平），控制动态电压恢复器进行动态无功功率调整，否则只控制动态电压恢复器补偿电网电压至额定值，不作无功功率调整；

步骤三，当无功功率调整控制被触发时，S_switch信号为高电平1，根据跌落后的电网电压幅度，实时计算电网无功电流指令

为满足电网标准动态无功支撑要求，同时检测实际注入电网的电流，计算其无功电流分量I_{g_q}，与当前指令作差；当误差信号Δe大于给定值时，控制器输出正的频率增量信号Δf，对该频率增量信号作积分，逐渐增大角度

步骤四，当动态电压恢复器投入运行时，其控制目标为补偿风机端口电压至电网电压额定值；当无功功率调整控制被触发时，在补偿风机端口电压至其额定值的基础上，同时调整风机端口电压的相位，实际的风机端口电压指令

根据动态无功控制要求，由下式计算得到：

步骤五，在dq旋转坐标下下，采用风机端口电压和滤波电感电流双闭环的控制方法，同时加入电网电压前馈指令，得到动态电压恢复器输出电压指令

和

步骤六，由步骤五所述控制方法，将动态电压恢复器输出电压指令

和

通过逆旋转坐标变换，变换到三相abc静止坐标下，并采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）策略，输出PWM信号，控制变流器，使得实际端口电压V_{l_dq}快速跟踪电压指令

步骤七，当电网故障清除，电网电压恢复至故障前状态时，并不立即切除动态电压恢复器；当电网电压恢复时，S_switch信号为低电平0，电网无功电流指令

为0，并与实际注入电网的无功电流做比较，当误差信号Δe大于滞环比较器的低门限时，控制器输出负的频率增量信号-Δf，逐渐减小角度

的值，最终使得端口电压与电网电压同相；然后，逐渐调整动态电压恢复器输出电压，接近于零值，从电网中切除动态电压恢复器。

图4所示为在电网电压跌落期间，不采用本发明提出的动态无功功率补偿控制时，故障期间风力发电系统注入电网的无功和有功电流。由图中可以看出，在电网电压跌落时，动态电压恢复器能够补偿风机端口电压至故障前状态，实现低电压穿越；但此时，风力发电系统注入电网的电流只有有功电流，不满足风电场并网标准中关于动态无功支撑能力的要求。为向电网提供无功电流，支撑电网电压恢复，需要配备其它无功补偿设备。

图5所示为在电网电压跌落期间，不采用本发明提出的动态无功功率补偿控制时，故障期间风力发电系统注入电网的无功和有功电流。由图中可以看出，在三相对称电网电压跌落时，动态电压恢复器补偿风机端口电压幅度至其故障前状态，同时动态调整风机端口电压的相位，使其滞后于电网电压。通过本发明所述控制方法，风力发电系统注入电网的电流同时包含有功电流和无功电流，最大情况下可以控制风力发电系统注入电网的电流全部为无功电流

本发明提出了采用动态电压恢复器补偿风力发电系统输出无功功率的一种控制方法，并利用PSCAD/EMTDC对该控制方法进行了仿真验证。从仿真的结果中可以看到，本控制方法能够在三相对称电网故障时，通过控制动态电压恢复器，在不对风力发电系统的控制作任何改动的条件下，有效地调整风力发电系统注入电网的无功电流，最大极限情况可将风力发电系统输出电流全部转变为注入电网的无功电流，满足并网标准中动态无功支撑的要求；当电网故障清除时，逐渐控制端口电压恢复至故障前状态，然后切除动态电压恢复器，减小对系统的冲击。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种采用动态电压补偿风力发电系统输出无功功率的控制方法，其特征在于：

该控制方法的具体步骤为：

A．实时检测三相电网电压，并采用软件锁相环检测跟踪电网电压正序基波分量的相位；

B．通过旋转坐标变换，将三相电网电压变为旋转坐标下的电网电压；

C．由故障跌落检测器依据电网电压跌落检测法对旋转坐标下的电网电压进行实时监测，当监测到电网电压发生跌落时，则由动态电压恢复器对电网进行补偿，使得电网电压恢复正常。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当故障跌落检测器监测到电网电压发生跌落时，控制器控制动态电压恢复器补偿电网电压至额定值。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当故障跌落检测器监测到电网电压发生跌落为对称故障时，控制器还控制动态电压恢复器调整风机端口电压的相位，对系统进行动态无功功率调整。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

所述动态无功功率调整的具体步骤为：

C1．根据跌落后的电网电压幅度，实时计算电网无功电流指令，电网无功电流指令 $I_{g\_q}^{*}=1.5\×(0.9-U_g)\·I_N,$ 其中：

U_g为电场并网点电压；I_N为风电场额定电流；

C2．同时检测实际注入电网的电流，计算其无功电流分量，与步骤C1中的电网无功电流指令比较作差；

C3．当误差信号大于滞环比较器的高门限时，控制器输出正的频率增量信号，对该频率增量信号作积分，逐渐增大相位调整角度。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

所述调整风机端口电压的相位的具体步骤为：

在旋转坐标下，采用风机端口电压和滤波电感电流双闭环的控制方法，同时加入电网电压前馈，控制动态电压恢复器并获得动态电压恢复器输出电压指令，通过逆旋转坐标变换，变换到三相abc静止坐标下，并采用正弦脉冲宽度调制策略，输出PWM信号，，使实际端口电压快速跟踪风机端口电压指令。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：

所述实际的风机端口电压指令

由下式计算得到：

其中：

为前述正频率增量信号的积分值；U_{g_rated}为电场并网点电压标么值。

7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

所述步骤C进一步包括以下步骤：

当电网故障清除后，电网电压恢复至故障前状态时，并不立即切除动态电压恢复器；

令电网无功电流指令为0，并与实际注入电网的无功电流做比较，当误差信号大于步骤C3中滞环比较器的低门限时，控制器输出负的频率增量信号，逐渐减小相位调整角度，最终使得端口电压与电网电压同相；

逐渐调整动态电压恢复器输出电压使其接近于零值后从电网中切除动态电压恢复器。

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