CN103701148B - 大型风电场接入vsc-mtdc系统的启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型风电场接入VSC-MTDC系统及其启动控制方法，所述系统包括两个风电场、两个送端换流站、一个受端换流站和交流电网，送端换流站和受端换流站之间通过直流线路连接；所述方法首先采用分群法对大型风电场进行等值聚合，建立鼠笼定速和双馈变速两种机型的风电场聚合模型，然后基于风电场聚合模型，建立VSC-MTDC输电系统模型，通过风电场与换流站之间的协调控制并按照特定的启动控制时序，实现了大型风电场接入VSC-MTDC系统的平滑启动过程。本发明启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广，可有效减少系统启动对电网侧的影响，并具有逻辑清晰、可操作性强等特点。

Description

大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电和高压直流输电领域，具体地，涉及一种基于聚合模型的大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法。

背景技术

风能是最重要的清洁和可再生能源之一，具有非常明显的经济和社会效益。海上风电以其容量大，已经成为电力系统发展最快的新能源。中国海上风电场装机容量在2010年底仅为14.25万千瓦，预计2015年将达到500万千瓦，到2020年达到3000万千瓦。

不过海上风力发电具有间歇性和难以调度性等特点，使其电能质量难以保证，需要更加有效的控制策略，抑制波动的风功率产生的电压偏差、电压波动、闪变等对电力系统的影响。而大规模风电机组启动或者停止时对电网的冲击是不容忽视的，如果不能合理控制，将会产生不必要的停机或弃风现象。随着电力电子技术的发展及其成本的降低，基于电压源型换流器的高压直流输电系统(VoltageSourceConverterbasedHighVoltageDirectCurrentTransmission，VSC-HVDC)在海上风电场的应用是提高风力发电电能质量的合理方案。采用基于电压源型换流站的多端直流输电技术(VSC-MTDC)以其能够实现多个风电场平滑并网的灵活控制，减小风功率波动等优势成为风功率传输技术发展的趋势。

目前对风电场在多端直流输电系统中的研究，主要侧重于一种类型的风电场在稳态和故障时的功率平滑控制，而缺少对于不同风电场接入多端直流输电系统的启动控制的研究。文献(XuL,YaoL,SasseC.GridintegrationoflargeDFIG-basedwindfarmsusingVSCtransmission[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2007,22(3):976-984.)提出了针对双馈变速机组通过多端直流输电技术远距离输电的控制策略，但未对双馈变速机组接入多端直流输电系统的启动控制进行说明；文献(张静,徐政,陈海荣.VSC-HVDC系统启动控制[J].电工技术学报,2009,24(9):159-165.)详细分析了风电场在点对点的高压直流输电系统中的启动过程，但未涉及多个不同类型风电场接入多端直流输电系统的研究。然而在工程应用中，需要将不同类型的风电场同时接入多端高压直流输电系统中，且要求整个系统能够实现平稳启动。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于聚合模型的大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，该方法启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广，可有效减少系统启动对电网侧的影响，并具有逻辑清晰、可操作性强等特点。

为实现上述目的，本发明提供一种基于聚合模型的大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，所述系统包括两个风电场、两个送端换流站、一个受端换流站和交流电网，所述两个送端换流站分别通过直流电缆连接到受端换流站的一端，所述受端换流站的另一端连接到交流电网；其中：

风电场包括一个鼠笼定速风电场和一个双馈变速风电场；

第一送端换流站均包括第一三相交流断路器QF1、第一联结变压器T1、第一换流器和第一、第二直流隔离开关QS1+和QS1-；

第二送端换流站均包括第二三相交流断路器QF1、第二三相联结变压器T2、第二换流器和第三、第四直流隔离开关QS2+和QS2-；

受端换流站包括第三三相交流断路器QF3、一个三相交流接触器KM、三个启动电阻R、第三三相联结变压器T3、第二换流器和第五、第六直流隔离开关QS3+和QS3-。

鼠笼定速风电场出口侧接入交流汇流母线B1，交流汇流母线B1引出一路接入第一送端换流站，与第一送端换流站的第一三相交流断路器QF1的一端相连，第一三相交流断路器QF1的另一端与第一送端换流站的第一联结变压器T1的一端相连，第一联结变压器T1的另一端与第一送端换流站的第一换流器的交流侧相连，第一、第二直流隔离开关QS1+和QS1-的一端分别与第一换流器的正极和负极直流母线相连，第一、第二直流隔离开关QS1+和QS1-的另一端分别与正极和负极直流电缆的一端相连；

双馈变速风电场出口侧接入交流汇流母线B2，交流汇流母线B2引出一路接入第二送端换流站，与第二送端换流站的第二三相交流断路器QF2的一端相连，第二三相交流断路器QF2的另一端与第二送端换流站的第二联结变压器T2的一端相连，第二联结变压器T2的另一端与第二送端换流站的第二换流器的交流侧相连，第三、第四直流隔离开关QS2+和QS2-的一端分别与第二换流器的正极和负极直流母线相连，第三、第四直流隔离开关QS2+和QS2-的另一端分别与第二送端换流站的正极和负极直流电缆的一端相连，第二送端换流站的正极和负极直流电缆的另一端分别与第一送端换流站的正极和负极直流电缆的一端相连；

受端换流站的第五、第六直流隔离开关QS3+和QS3-的一端分别与直流电缆的一端连接，另一端分别与受端换流站的第三换流器的正极和负极直流母线相连，第三换流器的交流侧与受端换流站的第三联结变压器T3的一端相连，第三联结变压器T3的另一端与启动电阻R的一端相连，三相交流接触器KM与启动电阻R并联连接，启动电阻R的另一端与受端换流站的第三三相交流断路器QF3的一端相连，第三三相交流断路器QF3的另一端接入交流汇流母线B3，交流汇流母线B3引出一路接入交流电网。

所述系统的启动控制方法首先采用分群法对大型风电场进行等值聚合，建立鼠笼定速和双馈变速两种机型的风电场聚合模型，然后基于风电场聚合模型，建立VSC-MTDC输电系统模型，通过风电场与换流站之间的协调控制并按照特定的启动控制时序，实现大型风电场接入VSC-MTDC系统的平滑启动过程；具体步骤包括：

步骤1：采用分群法对大型风电场进行等值聚合，分别建立鼠笼定速和双馈变速风电场聚合模型；

步骤2：建立VSC-MTDC输电系统模型；

步骤3：受端换流站和送端换流站极连接；

步骤4：启动受端换流站为直流电网建立稳定的直流电压；

步骤5：启动送端换流站在风电场汇聚点建立稳定的交流电压；

步骤6：启动鼠笼定速风电场，完成空载启动并网；

步骤7：启动双馈变速风电场，完成空载启动并网。

步骤1中，所述分群法的具体实现方法如下：

a.假设同风速区段同型号的m台双馈风力发电机，可等值成一台双馈风力发电机，其等值参数计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i=mS,P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i=mP,Q_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i=mQ\\ X_{m-eq}=\frac{x_m}{m},X_{s-eq}=\frac{x_s}{m},X_{r-eq}=\frac{x_r}{m},r_{s-eq}=\frac{r_s}{m},r_{r-eq}=\frac{r_r}{m}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：S为发电机容量；m为风电机组台数；下标eq表示等效后；X_m为发电机励磁电抗；x_s和x_r分别为发电机定子电抗和转子电抗；r_s、r_r为发电机定子电阻和转子电阻。

b.假设同风速区段同型号的m台定速风力发电机，可等值成一台定速风力发电机，其等值参数计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i,P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i,P_{mq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{mi}\\ X_{a-eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_i{x}_i,\\ {\mathrm{\δ}}_i=S_i/\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_j\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：x为发电机定子电抗，δ_i是第i台发电机的容量所占总容量比例系数；

c.按照基于桨距角动作情况的分群法，多台发电机组的等效风速计算如下：

$v_{eq1}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{v}_i---\left(3\right)$

d.风电场内部集电线路等效长度计算如下：

$Z_{eq\_n}=\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}^2{Z}_i\]/n^2---\left(4\right)$

式中：n为线路上机组台数，Z_i为第i条电缆的阻抗；

e.传动链采用两质量块模型，将风力机和低速传动轴等效成一个质量块，其转动惯量是Htur，轴的刚度系数是K，阻尼系数是D；将齿轮箱高速传动轴和发电机转子等效为第二个质量块，其转动惯量是Hgen，传动链模型如式(5)，传动链等值聚合参数如式(6)：

$\left\{\begin{array}{c}2H_{tur}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{tur}}{dt}=T_{tur}-K_s{\mathrm{\θ}}_s-D_{tur}{\mathrm{\ω}}_{tur}\\ 2H_{gen}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{gen}}{dt}=K_s{\mathrm{\θ}}_s-T_e-D_{gen}{\mathrm{\ω}}_{gen}\\ \frac{{\mathrm{d\θ}}_s}{dt}={\mathrm{\ω}}_0({\mathrm{\ω}}_{tur}-{\mathrm{\ω}}_{gen})\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：D_tur、D_gen分别是风力机转子和发电机转子的阻尼系数，θ_s、ω_s分别是两质量块之间相对的角位移及同步转速，T_tur、T_E分别是风力机机械转矩和发电机电磁转矩；

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{g\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_{gi}=m{H}_g\\ H_{t\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_{ti}=m{H}_t\\ K_{s\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{K}_{si}=m{K}_s\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中：H_t、H_g分别是风力机和发电机的转子惯性时间常数，K_s为轴系刚度系数。

优选地，步骤3中，具体内容是：闭合换流站的直流隔离开关，令受端换流站和送端换流站直流侧连接。

优选地，步骤4中，具体步骤如下：

(1)受端换流站闭锁；

(2)交流电网通过启动电阻R给直流侧电容充电，当充到一定电压时，闭合三相交流接触器KM，旁路启动电阻R，解锁受端换流站；

(3)受端换流站转入直流电压控制，同时交流电压会继续给电容充电，直至达到额定直流电压，受端换流站启动结束。

优选地，步骤5中，具体步骤如下：

(1)送端换流站闭锁；

(2)在直流电压稳定后解锁送端换流站；

(3)送端换流站转入定交流电压控制，直至风电场侧PCC点电压稳定，送端换流站启动结束。

优选地，步骤6中，具体步骤如下：

(1)风力机带动发电机旋转达到同步转速；

(2)闭合风电场出口处的总开关S；

(3)启动软启动装置，控制晶闸管触发角由180°缓慢降至0°；

(4)发电机定子电压稳定后，闭合旁路开关，旁路软起动装置，启动过程结束。

优选地，步骤7中，具体步骤如下：

(1)风力机带动发电机旋转达到同步转速；

(2)闭合风电场出口处的交流断路器Q，通过启动电阻给直流侧电容充电，当充到一定电压时，旁路启动电阻，解锁网侧变流器；

(3)网侧变流器转入定直流电压控制，控制直流电压稳定在额定值附近；

(4)转子侧变流器解锁，开始给发电机励磁；

(5)检测到定子电压与电网电压同步后，闭合定子并网开关；

(6)转子侧变流器转入最大功率跟踪控制，启动过程结束。

优选地，所述VSC-MTDC系统的两个送端换流站和一个受端换流站是两电平、三电平或者模块化多电平换流站。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用风速和风机类型作为分群指标，能够更加真实的模拟实际风场的电磁暂态和机电暂态过程；本发明适用于不同类型风电场混合接入VSC-MTDC系统的启动控制；本发明启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广，可有效减少系统启动对电网侧的影响，并具有逻辑清晰、可操作性强等特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为三端柔性高压直流输电系统示意图；

图2为大型风电场等值聚合方法示意图；

图3为两质量块传动链模型示意图；

图4为受端换流站控制策略；

图5为送端换流站控制策略；

图6为鼠笼定速风力发电系统结构图；

图7为双馈变速风力发电系统结构图；

图8为双馈发电机电网电压定向空载启动并网控制框图；

图9为不同类型风电场混合接入VSC-MTDC系统的启动控制时序；

图10为鼠笼定速风电场接入VSC-MTDC系统的启动过程电流和有功功率仿真波形图；

图11为双馈变速风电场接入VSC-MTDC系统的启动过程电流和有功功率仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为一种三端柔性高压直流输电系统示意图。

本实施例中，交流电网电压为110kV/50Hz，直流电压为±160kV，风电场PCC点电压为110kV/50Hz，换流站1和换流站2的额定容量分别为100MVA和50MVA，换流站3的额定容量为200MVA，风电场1的额定容量为81.75MW，风电场2的额定容量为45.05MW。根据不同位置和风速，将风电场1分成4个机群，将风电场2看成一个机群，每个机群分别聚合成一台风机。

如图3所示，本实施例中，大型风电场接入VSC-MTDC系统包括两个风电场、两个送端换流站、一个受端换流站和交流电网，所述两个送端换流站分别通过直流电缆连接到受端换流站的一端，所述受端换流站的另一端连接到交流电网；其中：

风电场包括一个鼠笼定速风电场和一个双馈变速风电场；

第一送端换流站均包括第一第一三相交流断路器QF1、第一联结变压器T1、第一换流器和第一、第二直流隔离开关QS1+和QS1-；本实施例中，所述换流器为三相电压源换流器；

第二送端换流站均包括第二三相交流断路器QF2、第二三相联结变压器T2、第二换流器和第三、第四直流隔离开关QS2+和QS2-；本实施例中，所述换流器为三相电压源换流器；

受端换流站包括第三三相交流断路器QF3、一个三相交流接触器KM、三个启动电阻R、第三三相联结变压器T3、第二换流器和第五、第六直流隔离开关QS3+和QS3-；

鼠笼定速风电场出口侧接入交流汇流母线B1，交流汇流母线B1引出一路接入第一送端换流站，与第一送端换流站的第一三相交流断路器QF1的一端相连，第一三相交流断路器QF1的另一端与第一送端换流站的第一联结变压器T1的一端相连，第一联结变压器T1的另一端与第一送端换流站的第一换流器的交流侧相连，第一、第二直流隔离开关QS1+和QS1-的一端分别与第一换流器的正极和负极直流母线相连，第一、第二直流隔离开关QS1+和QS1-的另一端分别与正极和负极直流电缆的一端相连；

双馈变速风电场出口侧接入交流汇流母线B2，交流汇流母线B2引出一路接入第二送端换流站，与第二送端换流站的第二三相交流断路器QF2的一端相连，第二三相交流断路器QF2的另一端与第二送端换流站的第二联结变压器T2的一端相连，第二联结变压器T2的另一端与第二送端换流站的第二换流器的交流侧相连，第三、第四直流隔离开关QS2+和QS2-的一端分别与第二换流器的正极和负极直流母线相连，第三、第四直流隔离开关QS2+和QS2-的另一端分别与第二送端换流站的正极和负极直流电缆的一端相连，第二送端换流站的正极和负极直流电缆的另一端分别与第一送端换流站的正极和负极直流电缆的一端相连；

受端换流站的第五、第六直流隔离开关QS3+和QS3-的一端分别与直流电缆的一端连接，另一端分别与受端换流站的第三换流器的正极和负极直流母线相连，第三换流器的交流侧与受端换流站的第三联结变压器T3的一端相连，第三联结变压器T3的另一端与启动电阻R的一端相连，三相交流接触器KM与启动电阻R并联连接，启动电阻R的另一端与受端换流站的第三三相交流断路器QF3的一端相连，第三三相交流断路器QF3的另一端接入交流汇流母线B3，交流汇流母线B3引出一路接入交流电网。

鼠笼定速风机单机参数如表1所示：

表1

参数名称	参数值	参数名称	参数值
				额定功率/kW	750	定子电阻/pu	0.0103
额定频率/Hz	50	定子电抗/pu	0.11
				额定电压/V	690	转子电阻/pu	0.0091
机端变压器容量/kW	800	转子电抗/pu	0.124
				机端变压器短路阻抗/％	4.5	励磁电抗/pu	7.8
扫风面积/m^2	1520	机组惯性时间常数/s	3

双馈变速风机单机参数如表2所示：

表2

参数名称	参数值	参数名称	参数值
				额定功率/kW	850	定子电阻/pu	0.0225
额定频率/Hz	50	定子电抗/pu	0.28
				额定电压/V	690	转子电阻/pu	0.0202
机端变压器容量/kW	1000	转子电抗/pu	0.354
				机端变压器短路阻抗/％	6.5	励磁电抗/pu	12.26
扫风面积/m^2	2124	机组惯性时间常数/s	3

如图2～图9所示，本实施例提供一种基于聚合模型的大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：采用分群法对大型风电场进行等值聚合，分别建立鼠笼定速和双馈变速风电场聚合模型；

步骤2：建立三端柔性直流输电系统模型；

步骤3：受端换流站和第一送端换流站、第二送端换流站极连接；

步骤4：启动受端换流站为直流电网建立稳定的直流电压；

步骤5：启动第一送端换流站和第二送端换流站在风电场汇聚点建立稳定的交流电压；

步骤6：启动鼠笼定速风电场，完成空载启动并网；

步骤7：启动双馈变速风电场，完成空载启动并网。

本实施例中，步骤1中，所述分群法的具体实现方法如下：

a.假设同风速区段同型号的m台双馈风力发电机，可等值成一台双馈风力发电机，其等值参数计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i=mS,P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i=mP,Q_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i=mQ\\ X_{m-eq}=\frac{x_m}{m},X_{s-eq}=\frac{x_s}{m},X_{r-eq}=\frac{x_r}{m},r_{s-eq}=\frac{r_s}{m},r_{r-eq}=\frac{r_r}{m}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：S为发电机容量，m为风电机组台数，下标eq表示等效后，X_m为发电机励磁电抗，x_s和x_r分别为发电机定子电抗和转子电抗，r_s、r_r为发电机定子电阻和转子电阻；

b.假设同风速区段同型号的m台定速风力发电机，可等值成一台定速风力发电机，其等值参数计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i,P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i,P_{mq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{mi}\\ X_{a-eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_i{x}_i,\\ {\mathrm{\δ}}_i=S_i/\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_j\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：x为发电机定子电抗，_i是第i台发电机的容量所占总容量比例系数；

c.按照基于桨距角动作情况的分群法，多台发电机组的等效风速计算如下：

$v_{eq1}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{v}_i---\left(3\right)$

d.风电场内部集电线路等效长度计算如下：

$Z_{eq\_n}=\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}^2{Z}_i\]/n^2---\left(4\right)$

式中：n为线路上机组台数，Z_i为第i条电缆的阻抗；

e.传动链采用两质量块模型，将风力机和低速传动轴等效成一个质量块，其转动惯量是Htur，轴的刚度系数是K，阻尼系数是D；将齿轮箱高速传动轴和发电机转子等效为第二个质量块，其转动惯量是Hgen，传动链模型如式(5)，传动链等值聚合参数如式(6)：

$\left\{\begin{array}{c}2H_{tur}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{tur}}{dt}=T_{tur}-K_s{\mathrm{\θ}}_s-D_{tur}{\mathrm{\ω}}_{tur}\\ 2H_{gen}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{gen}}{dt}=K_s{\mathrm{\θ}}_s-T_e-D_{gen}{\mathrm{\ω}}_{gen}\\ \frac{{\mathrm{d\θ}}_s}{dt}={\mathrm{\ω}}_0({\mathrm{\ω}}_{tur}-{\mathrm{\ω}}_{gen})\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：D_tur、D_gen分别是风力机转子和发电机转子的阻尼系数，θ_s、ω_s分别是两质量块之间相对的角位移及同步转速，T_tur、T_E分别是风力机机械转矩和发电机电磁转矩；

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{g\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_{gi}={\mathrm{mH}}_g\\ H_{t\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_{ti}={\mathrm{mH}}_t\\ K_{s\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{K}_{si}={\mathrm{mK}}_s\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中：H_t、H_g分别是风力机和发电机的转子惯性时间常数，K_s为轴系刚度系数。

当采用标幺值表示电机、变压器等时，聚合后除了容量变为单机的m倍以外，其余参数不变，最终得到鼠笼定速和双馈变速风电场等值参数分别如表3和表4所示。

表3

参数名称	机群1	机群2	机群3	机群4
					额定功率/MW	13.5	15	24	29.25
机端变压器容量/MVA	14.4	16	32	31.2

扫风面积/m^2

27360

37720

50240

70590

表4

参数名称	机群1
		额定功率/MW	45.05
机端变压器容量/MVA	53
		扫风面积/m^2	112572

本实施例中，所述步骤3中的具体内容是：闭合受端换流站、第一送端换流站和第二送端换流站的直流隔离开关QS1+、QS1-、QS2+、QS2-、QS3+、QS3-(不分先后)，令受端换流站和第一送端换流站、第二送端换流站直流侧连接。

本实施例中，所述步骤4中的具体步骤如下：

(1)受端换流站闭锁；

(2)交流电网通过启动电阻R给直流侧电容充电，当充到一定电压时，闭合三相交流接触器KM，旁路启动电阻R，解锁受端换流站；

(3)受端换流站转入直流电压控制，同时交流电压会继续给电容充电，直至达到额定直流电压，受端换流站启动结束。

本实施例中，所述步骤5中的具体步骤如下：

(1)送端换流站闭锁；

(2)在直流电压稳定后解锁送端换流站；

(3)送端换流站转入定交流电压控制，直至风电场侧PCC点电压稳定，送端换流站启动结束。

本实施例中，所述步骤6中的具体步骤如下：

(1)风力机带动发电机旋转达到同步转速；

(2)闭合风电场出口处的总开关S，令风电场与第一送端换流站建立电气连接；

(3)启动软启动装置，控制晶闸管触发角由180°缓慢降至0°，软启动装置采用的是三相晶闸管调压器，利用三相晶闸管对鼠笼异步发电机定子电压进行调节，使发电机定子电压缓慢建立起来；

(4)发电机定子电压稳定后，闭合旁路开关，旁路软启动装置，采用旁路开关的目的是为了避免由软启动装置带来的损耗，启动过程结束。

本实施例中，所述步骤7中的具体步骤如下：

(1)风力机带动发电机旋转达到同步转速；

(2)闭合风机出口处的三相交流断路器Q，令风机与第二送端换流站建立电气连接，通过启动电阻给直流侧电容充电，启动电阻的作用是为了减小直接充电的电流冲击，当充到一定电压时，旁路启动电阻，解锁网侧变流器，双馈风机的网侧变流器的主要作用是维持直流电压稳定；

(3)网侧变流器转入定直流电压控制，控制直流电压稳定在额定值附近；

(4)转子侧变流器解锁，开始给发电机励磁，转子侧变流器的作用是通过调节发电机转子励磁电流的大小和方向实现最大风能捕获；

(5)检测到定子电压与电网电压同步后，闭合定子并网开关，定子并网开关的作用是令双馈发电机定子与交流电网建立电气连接，以实现功率输出；

(6)转子侧变流器转入最大功率跟踪控制，启动过程结束。

如图10和图11所示为采用本发明的仿真波形图，其中：图10为鼠笼定速风电场接入VSC-MTDC系统启动过程电流和有功功率仿真波形图，图11为双馈变速风电场接入VSC-MTDC系统启动过程电流和有功功率仿真波形图；从仿真结果可以看出，本发明所述的一种基于聚合模型的大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法可有效减少系统启动对电网侧的影响，启动过程平稳。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，其特征在于，所述系统包括两个风电场、两个送端换流站、一个受端换流站和交流电网，所述两个送端换流站分别通过直流电缆连接到受端换流站的一端，所述受端换流站的另一端连接到交流电网；其中：

所述风电场包括一个鼠笼定速风电场和一个双馈变速风电场；

第一送端换流站均包括第一三相交流断路器(QF1)、第一三相第一联结变压器(T1)、第一换流器和第一、第二直流隔离开关(QS1+，QS1-)；

第二送端换流站均包括第二三相交流断路器(QF2)、第二三相联结变压器(T2)、第二换流器和第三、第四直流隔离开关(QS2+，QS2-)；

所述受端换流站包括第三三相交流断路器(QF3)、一个三相交流接触器(KM)、三个启动电阻(R)、第三三相联结变压器(T3)、第三换流器和第五、第六直流隔离开关(QS3+，QS3-)；

鼠笼定速风电场出口侧接入第一交流汇流母线(B1)，第一交流汇流母线(B1)引出一路接入第一送端换流站，与第一送端换流站的第一三相交流断路器(QF1)的一端相连，第一三相交流断路器(QF1)的另一端与第一送端换流站的第一联结变压器(T1)的一端相连，第一联结变压器(T1)的另一端与第一送端换流站的第一换流器的交流侧相连，第一、第二直流隔离开关(QS1+，QS1-)的一端分别与第一换流器的正极和负极直流母线相连，第一、第二直流隔离开关(QS1+，QS1-)的另一端分别与正极和负极直流电缆的一端相连；

双馈变速风电场出口侧接入第二交流汇流母线(B2)，第二交流汇流母线(B2)引出一路接入第二送端换流站，与第二送端换流站的第二三相交流断路器(QF2)的一端相连，第二三相交流断路器(QF2)的另一端与第二送端换流站的第二联结变压器(T2)的一端相连，第二联结变压器(T2)的另一端与第二送端换流站的第二换流器的交流侧相连，第三、第四直流隔离开关(QS2+，QS2-)的一端分别与第二换流器的正极和负极直流母线相连，第三、第四直流隔离开关(QS2+，QS2-)的另一端分别与第二送端换流站的正极和负极直流电缆的一端相连，第二送端换流站的正极和负极直流电缆的另一端分别与第一送端换流站的正极和负极直流电缆的一端相连；

受端换流站的第五、第六直流隔离开关(QS3+，QS3-)的一端分别与直流电缆的一端连接，另一端分别与受端换流站的第三换流器的正极和负极直流母线相连，第三换流器的交流侧与受端换流站的第三联结变压器(T3)的一端相连，第三联结变压器(T3)的另一端与启动电阻(R)的一端相连，三相交流接触器(KM)与启动电阻(R)并联连接，启动电阻(R)的另一端与受端换流站的第三三相交流断路器(QF3)的一端相连，第三三相交流断路器(QF3)的另一端接入第三交流汇流母线(B3)，第三交流汇流母线(B3)引出一路接入交流电网；

上述系统的启动控制方法首先采用分群法对大型风电场进行等值聚合，建立鼠笼定速和双馈变速两种机型的风电场聚合模型，然后基于风电场聚合模型，建立VSC-MTDC输电系统模型，通过风电场与换流站之间的协调控制并按照特定的启动控制时序，实现大型风电场接入VSC-MTDC系统的平滑启动过程；具体步骤包括：

步骤1：采用分群法对大型风电场进行等值聚合，分别建立鼠笼定速和双馈变速风电场聚合模型；

步骤2：建立VSC-MTDC输电系统模型；

步骤3：受端换流站和送端换流站极连接；

步骤4：启动受端换流站为直流电网建立稳定的直流电压；

步骤5：启动送端换流站在风电场汇聚点建立稳定的交流电压；

步骤6：启动鼠笼定速风电场，完成空载启动并网；

步骤7：启动双馈变速风电场，完成空载启动并网；

步骤1中，所述分群法的具体实现方法如下：

a.假设同风速区段同型号的m台双馈风力发电机，可等值成一台双馈风力发电机，其等值参数计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i=mS,P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i=mP,Q_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i=mQ\\ X_{m-eq}=\frac{x_m}{m},X_{s-eq}=\frac{x_s}{m},X_{r-eq}=\frac{x_r}{m},r_{s-eq}=\frac{r_s}{m},r_{r-eq}=\frac{r_r}{m}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：S为发电机容量，m为风电机组台数，下标eq表示等效后，X_m为发电机励磁电抗，x_s和x_r分别为发电机定子电抗和转子电抗，r_s、r_r为发电机定子电阻和转子电阻；

b.假设同风速区段同型号的m台定速风力发电机，可等值成一台定速风力发电机，其等值参数计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i,P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i,P_{mq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{mi}\\ X_{a-eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_i{x}_i,\\ {\mathrm{\δ}}_i=S_i/\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_j\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：x为发电机定子电抗，δ_i是第i台发电机的容量所占总容量比例系数；P_mq是指风电场等效的机械功率；P_mi是指第i台风电机组的机械功率；X_a-eq是指发电机等效的定子电抗；

c.按照基于桨距角动作情况的分群法，多台发电机组的等效风速计算如下：

$v_{eq1}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{v}_i---\left(3\right)$

d.风电场内部集电线路等效长度计算如下：

$Z_{eq\_n}=\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}^2{Z}_i\]/n^2---\left(4\right)$

式中：n为线路上机组台数，Z_i为第i条电缆的阻抗；

e.传动链采用两质量块模型，将风力机和低速传动轴等效成一个质量块，其转动惯量是H_tur，轴的刚度系数是K，阻尼系数是D；将齿轮箱高速传动轴和发电机转子等效为第二个质量块，其转动惯量是H_gen，传动链模型如式(5)，传动链等值聚合参数如式(6)：

$\left\{\begin{array}{c}2H_{tur}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{tur}}{dt}=T_{tur}-K_s{\mathrm{\θ}}_s-D_{tur}{\mathrm{\ω}}_{tur}\\ 2H_{gen}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{gen}}{dt}=K_s{\mathrm{\θ}}_s-T_e-D_{gen}{\mathrm{\ω}}_{gen}\\ \frac{{\mathrm{d\θ}}_s}{dt}={\mathrm{\ω}}_0({\mathrm{\ω}}_{tur}-{\mathrm{\ω}}_{gen})\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：D_tur、D_gen分别是风力机转子和发电机转子的阻尼系数，θ_s、ω_s分别是两质量块之间相对的角位移及同步转速，T_tur、T_E分别是风力机机械转矩和发电机电磁转矩；ω₀是指发电机的电气同步角速度；ω_tur是指风力机的机械角速度；ω_gen是指发电机的机械角速度；

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{g\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_{gi}={\mathrm{mH}}_g\\ H_{t\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_{ti}={\mathrm{mH}}_t\\ K_{s\_eq}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{K}_{si}={\mathrm{mK}}_s\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中：H_t、H_g分别是风力机和发电机的转子惯性时间常数，K_s为轴系刚度系数。

2.根据权利要求1所述的一种大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体内容是：闭合直流隔离开关，令受端换流站和送端换流站直流侧连接。

3.根据权利要求1所述的一种大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，其特征在于，步骤4中，具体步骤如下：

(1)受端换流站闭锁；

(2)交流电网通过启动电阻(R)给直流侧电容充电，当充到一定电压时，闭合三相交流接触器(KM)，旁路启动电阻(R)，解锁受端换流站；

(3)受端换流站转入直流电压控制，同时交流电压会继续给直流侧充电，直至达到额定直流电压，受端换流站启动结束。

4.根据权利要求1所述的一种大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，其特征在于，步骤5中，具体步骤如下：

(1)送端换流站闭锁；

(2)在直流电压稳定后解锁送端换流站；

(3)送端换流站转入定交流电压控制，直至风电场侧PCC点电压稳定，送端换流站启动结束。

5.根据权利要求1所述的一种大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，其特征在于，步骤6中，具体步骤如下：

(1)风力机带动发电机旋转达到同步转速；

(2)闭合风电场出口处的总开关(S)；

(3)启动软启动装置，控制晶闸管触发角由180°缓慢降至0°；

(4)发电机定子电压稳定后，闭合旁路开关，旁路软起动装置，启动过程结束。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，其特征在于，步骤7中，具体步骤如下：

(1)风力机带动发电机旋转达到同步转速；

(2)闭合风电场出口处的交流断路器(Q)，通过启动电阻给直流侧电容充电，当充到一定电压时，旁路启动电阻，解锁网侧变流器；

(3)网侧变流器转入定直流电压控制，控制直流电压稳定在额定值附近；

(4)转子侧变流器解锁，开始给发电机励磁；

(5)检测到定子电压与电网电压同步后，闭合定子并网开关；

(6)转子侧变流器转入最大功率跟踪控制，启动过程结束。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种大型风电场接入VSC-MTDC系统的启动控制方法，其特征在于，所述VSC-MTDC系统的两个送端换流站和一个受端换流站是两电平、三电平或者模块化多电平换流站。