CN104009495A - 一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流检测及抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流检测及抑制方法,所述检测方法通过次同步dq旋转坐标变换,将风电场侧换流器阀侧三相电流由三相abc静止坐标系变换到两相dq旋转坐标系,然后通过低通滤波器滤波,得到次同步频率电流分量。所述抑制方法根据风电场输出次同步频率电流分量的大小,通过风电场侧换流器在交流侧生成相应的次同步频率电压分量,进而产生与风电场输出的次同步频率电流分量大小相等、方向相反的电流分量,使两者相互抵消,实现抑制次同步振荡电流。本发明抑制方法不要改变风电机组的控制系统,不需增加任何硬件装置,且能在交流电压允许的波动范围内尽量减小交流电流中的次同步频率电流分量的幅值,方法简单、计算量小。
Description
技术领域
本发明涉及一种新能源并网技术领域的次同步振荡电流检测及抑制方法,具体地说,涉及一种DFIG(双馈感应电机)风电场经柔性直流输电并网的次同步振荡电流检测及抑制方法。
背景技术
由于风能存在随机性和间歇性,风功率的波动性强,且大规模风电场往往远离负荷中心,因此大规模风电的有效接入和消纳、远距离输送,一直是一个急待解决的热点问题。风电功率的随机性及强波动性,往往给并网系统的有功及频率控制、无功补偿及电压控制、安全稳定运行等带来一系列新的技术问题。而对海上风电而言,由于海上风电功率传输需用海底电缆,如果采用交流输电方式,其海底电缆将产生很大充电功率,从而带来海上输电系统的无功及电压难以实现经济有效控制等技术难题。另外,交流输电存在集肤效应和邻近效应,导致了导体横截面面积没有充分使用,影响了导电效率。对于大规模远海风电场,上述问题尤显突出。和交流输电相比,直流电缆输电在传输同等功率的情况下,需要的电缆截面积小得多,传输损耗和成本大为降低。为提高大规模风电的并网及消纳能力,特别是大规模海上风电的远距离输送及并网和消纳,高压直流输电技术(HVDC)是一种有效的输电方法。
目前就高压直流输电技术而言,主要有基于电压源换流器的柔性直流输电(VSC-HVDC)和基于电流源换流器的常规直流输电(LCC-HVDC)两种结构。与高压交流输电以及常规直流输电方式相比,柔性直流输电系统可灵活独立地控制有功功率和无功功率,直接连接短路容量较小的弱电网甚至无源网络;VSC能够起到静止无功补偿器的作用,动态补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线电压,具有黑启动能力。另外,电压源换流器由于潮流反转时电压极性不变,相比电流源换流器而言更适宜于并联连接的多端直流网。
次同步振荡问题是电力系统的一个重要研究课题。传统对次同步振荡的研究都是针对大型汽轮发电机组,轴系的扭振相互作用(TI,Torsion Interaction)是其主要的次同步振荡问题,这是由大型汽轮发电机组的轴系结构特点造成的。与大型汽轮发电机组相比,风机的轴系刚度较小,轴系的自然扭振频率较低(<3Hz),需要很高的线路串补度才能激发轴系扭振模态。因此,风电机组的次同步振荡扭转相互作用很难发生,而主要是感应发电机效应(IGE,Induction Generator Effect)和次同步控制相互作用(SSCI,Sub-Synchronous Contorl Interaction),两者均属于电气振荡现象。关于双馈机组经交流串补线路并网的次同步振荡问题已有较多研究。随着风力发电和柔性直流输电的快速发展,大型风电场经柔性直流输电并网将是未来风电并网的发展趋势。由于风电场与柔性直流输电系统之间的相互作用,有可能产生次同步振荡现象。到目前为止,国内外对于风电场经柔性直流输电并网的次同步振荡问题的研究基本属于空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流检测及抑制方法,所述方法根据风电场输出次同步频率电流分量的大小,通过风电场侧换流器在交流侧生成相应的次同步频率电压分量,进而产生与风电场输出的次同步频率电流分量大小相等、方向相反的电流分量,使两者相互抵消,从而达到抑制次同步振荡电流的目的。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
根据本发明的一个方面,提供一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流检测方法,即DFIG风电场经柔性直流输电并网的次同步振荡电流检测,所述检测方法通过次同步dq旋转坐标变换,将风电场侧换流器阀侧三相电流由三相abc静止坐标系变换到两相dq旋转坐标系,然后通过低通滤波器滤波,得到次同步频率电流分量。
本发明上述方法包括如下步骤:
步骤1:信号采集单元采集风电场侧换流站阀侧三相电流ia,ib,ic;
步骤2:给定次同步频率ωss,对其进行积分,得到次同步旋转角度θss;
步骤3:通过次同步dq旋转坐标变换,将三相静止坐标系下的电流ia,ib,ic变换到两相dq旋转坐标系下的电流Id,Iq;
步骤4:将电流Id,Iq通过低通滤波器滤波,得到次同步频率电流的dq轴分量Idss,Iqss。
根据本发明的另一个方面,提供一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流抑制方法,即DFIG风电场经柔性直流输电并网的次同步振荡电流抑制方法,本发明根据风电场输出次同步频率电流分量的大小,通过风电场侧换流器在交流侧生成相应的次同步频率电压分量,进而产生与风电场输出的次同步频率电流分量大小相等、方向相反的电流分量,使两者相互抵消,从而达到抑制次同步振荡电流的目的。
本发明上述方法包括如下步骤:
步骤1:信号采集单元采集风电场PCC点(公共连接点)三相电压ua,ub,uc;
步骤2:计算风电场PCC点三相电压ua,ub,uc的幅值Um或有效值URMS;
步骤3:将风电场PCC点电压参考值Uref与风电场PCC点电压的幅值Um(或有效值URMS)输入到交流电压控制器中,交流电压控制器产生三相调制电压的幅值Um *;
步骤4:根据给定的频率参考值f*和初相角以及幅值Um *计算得到三相基波调制电压u*;
步骤5:将次同步频率电流d轴参考值I* dss(=0)与次同步频率电流d轴分量Idss输入到d轴电流控制器中,d轴电流控制器产生次同步频率电压分量Udss,将次同步频率电流q轴参考值I* qss(=0)与次同步频率电流q轴分量Iqss输入到q轴电流控制器中,q轴电流控制器产生次同步频率电压分量Uqss;
步骤6:将两相dq旋转坐标系下的次同步频率电压分量Udss和Uqss变换到三相abc静止坐标系下的次同步频率电压分量uss;
步骤7:将三相基波调制电压u*与三相次同步频率电压分量uss相加得到总的调制电压u* ref;
步骤8:将总的调制电压u* ref输入到PWM调制单元中,PWM调制单元输出相应的控制脉冲,控制功率开关管的导通与关断,从而实现对风电场侧换流器的控制。
采用上述技术方案后,与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
(1)不需要改变风电机组的控制系统,仅需要对柔直风电场侧换流器的控制程序稍作修改,即可实现抑制风电场输出次同步振荡电流的目的;
(2)不需要增加任何硬件装置;
(3)能够在交流电压允许的波动范围内尽量减小交流电流中的次同步频率电流分量的幅值;
(4)具有算法简单、计算量小、物理概念清晰等特点。
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DFIG风电场经柔性直流输电并网系统的结构示意图;
图2为次同步振荡电流检测单元示意图;
图3为次同步振荡电流抑制策略控制框图;
图4为未采用次同步振荡电流抑制策略时的电流波形;
图5为采用次同步振荡电流抑制策略时的电流波形。
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。
本实施例中交流母线B1电压为110kV/50Hz,直流电压为±160kV,风电场交流母线B2电压为110kV/50Hz,柔性直流输电系统电网侧换流站容量为200MVA,柔性直流输电系统风电场侧换流站容量为50MVA,风电场额定功率为45MW,直流电缆长度为50km。
请参阅图1,本实施例中,DFIG风电场经柔性直流输电并网系统是由风电场、柔性直流输电系统和交流电网组成,其中,柔性直流输电系统包括:风电场侧换流站、直流电缆线路和电网侧换流站。
风电场升压变压器T3的一端与风电场侧换流站的联结变压器T2的一端相连,风电场侧换流站直流侧与直流电缆线路的一端相连,直流电缆线路的另一端与电网侧换流站的直流侧相连,电网侧换流站的联结变压器T1的一端与交流电网相连。
所述的风电场包括若干台风电机组和升压变压器T3;
所述的风电场侧换流站包括联结变压器T2、三相电压源型换流器VSC1和接地极等;
所述的电网侧换流站包括联结变压器T1、三相电压源型换流器VSC2和接地极等;
所述的三相电压源型换流器可以是两电平、三电平或者多电平拓扑;
请参阅图2,本实施例中,所述的一种DFIG风电场经柔性直流输电并网的次同步振荡电流检测方法,包括如下步骤:
步骤1:信号采集单元采集风电场侧换流站阀侧三相电流ia,ib,ic;
步骤2:给定次同步频率ωss,对其进行积分,得到次同步旋转角度θss;
步骤3:通过次同步dq旋转坐标变换,将三相静止坐标系下的电流ia,ib,ic变换到两相dq旋转坐标系下的电流Id,Iq;
步骤4:将电流Id,Iq通过低通滤波器滤波,得到次同步频率电流的dq轴分量Idss,Iqss。
请参阅图3,本实施例中,所述的一种DFIG风电场经柔性直流输电并网的次同步振荡电流抑制方法,包括如下步骤:
步骤1:信号采集单元采集风电场PCC点三相电压ua,ub,uc;
步骤2:计算风电场PCC点三相电压ua,ub,uc的幅值Um或有效值URMS;
步骤3:将风电场PCC点电压参考值Uref与风电场PCC点电压的幅值Um(或有效值URMS)输入到交流电压控制器中,交流电压控制器产生三相调制电压的幅值Um *;
步骤4:根据给定的频率参考值f*和初相角以及幅值Um *计算得到三相基波调制电压u*;
步骤5:将次同步频率电流d轴参考值I* dss(I* dss=0)与次同步频率电流d轴分量Idss输入到d轴电流控制器中,d轴电流控制器产生次同步频率电压分量Udss,将次同步频率电流q轴参考值I* qss(I* qss=0)与次同步频率电流q轴分量Iqss输入到q轴电流控制器中,q轴电流控制器产生次同步频率电压分量Uqss;
步骤6:将两相dq旋转坐标系下的次同步频率电压分量Udss和Uqss变换到三相abc静止坐标系下的次同步频率电压分量uss;
步骤7:将三相基波调制电压u*与三相次同步频率电压分量uss相加得到总的调制电压u* ref;
步骤8:将总的调制电压u* ref输入到PWM调制单元中,PWM调制单元输出相应的控制脉冲,控制功率开关管的导通与关断,从而实现对风电场侧换流器的控制。
本发明通过检测风电场侧换流器阀侧交流电流中的次同步频率电流分量,参考值给定为零,经过负反馈调节后的输出叠加到系统原有基波调制电压上,将此电压作为总的调制电压产生相应的驱动脉冲,控制风电场侧换流器开关管的导通与关断。该次同步振荡电流抑制方法不要改变风电机组的控制系统,不需要增加任何硬件装置,且能够在交流电压允许的波动范围内尽量减小交流电流中的次同步频率电流分量的幅值,具有算法简单、计算量小、物理概念清晰等特点。
图4是未采用本发明提出的次同步振荡电流抑制方法时的交流电流仿真波形,图5是采用本发明提出的次同步振荡电流抑制方法时的交流电流仿真波形。从仿真结果可以看出,本发明所提次同步振荡电流检测及抑制方法能够显著降低次同步振荡电流幅值。
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 (4)
1.一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流检测方法,其特征在于,所述检测方法是DFIG风电场经柔性直流输电并网的次同步振荡电流检测方法,该方法通过次同步dq旋转坐标变换,将风电场侧换流器阀侧三相电流由三相abc静止坐标系变换到两相dq旋转坐标系,然后通过低通滤波器滤波,得到次同步频率电流分量。
2.根据权利要求1所述的一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:信号采集单元采集风电场侧换流站阀侧三相电流ia,ib,ic;
步骤2:给定次同步频率ωss,对其进行积分,得到次同步旋转角度θss;
步骤3:通过次同步dq旋转坐标变换,将三相静止坐标系下的电流ia,ib,ic变换到两相dq旋转坐标系下的电流Id,Iq;
步骤4:将电流Id,Iq通过低通滤波器滤波,得到次同步频率电流的dq轴分量Idss,Iqss。
3.一种采用权利要求1或2所述检测方法进行的风电场经柔直并网的次同步振荡电流抑制方法,其特征在于,所述方法根据风电场输出次同步频率电流分量的大小,通过风电场侧换流器在交流侧生成相应的次同步频率电压分量,进而产生与风电场输出的次同步频率电流分量大小相等、方向相反的电流分量,使两者相互抵消,从而达到抑制次同步振荡电流的目的。
4.根据权利要求3所述的一种风电场经柔直并网的次同步振荡电流抑制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:信号采集单元采集风电场PCC点三相电压ua,ub,uc;
步骤2:计算风电场PCC点三相电压ua,ub,uc的幅值Um或有效值URMS;
步骤3:将风电场PCC点电压参考值Uref与风电场PCC点电压的幅值Um(或有效值URMS)输入到交流电压控制器中,交流电压控制器产生三相调制电压的幅值Um *;
步骤4:根据给定的频率参考值f*和初相角以及幅值Um *计算得到三相基波调制电压u*;
步骤5:将次同步频率电流d轴参考值I* dss与次同步频率电流d轴分量Idss输入到d轴电流控制器中,d轴电流控制器产生次同步频率电压分量Udss,将次同步频率电流q轴参考值I* qss与次同步频率电流q轴分量Iqss输入到q轴电流控制器中,q轴电流控制器产生次同步频率电压分量Uqss;
步骤6:将两相dq旋转坐标系下的次同步频率电压分量Udss和Uqss变换到三相abc静止坐标系下的次同步频率电压分量uss;
步骤7:将三相基波调制电压u*与三相次同步频率电压分量uss相加得到总的调制电压u* ref;
步骤8:将总的调制电压u* ref输入到PWM调制单元中,PWM调制单元输出相应的控制脉冲,控制功率开关管的导通与关断,从而实现对风电场侧换流器的控制。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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