CN104037788A - 风火打捆系统控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种风火打捆系统控制装置及其方法，其包括以下步骤：针对风电场功率波动及故障退出两种情况下引发的风火打捆系统频率稳定问题，分别制定直流紧急频率控制策略；风电场正常运行时，较大的风功率波动易引发频率失稳，提出利用直流双侧频率调制作为紧急控制，辅助火电机组调频；风电场非正常运行时，风电场故障退出易引发频率暂态失稳，提出直流紧急提升/回降控制策略，辅助火电机组调频。本发明适用于风火打捆直流孤岛外送系统的调频要求，可有效应对风功率波动及风电场故障退出导致的风火打捆送端系统频率稳定问题，避免了由于频率越限导致的风电场或火电机组保护装置动作，提升系统运行的可靠性。

Description

风火打捆系统控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术并网安全稳定控制领域，尤其涉及一种风火打捆系统控制装置及其方法。

背景技术

风能是当前利用较多且被认为最经济的新能源。西北地区风电资源丰富，但由于我国能源与负荷呈现逆向分布的特点，目前西北地区风电能源开发呈现出“以大规模集中接入、远距离输送、大范围消纳”为主、“以大规模分散接入、就地消纳”为辅的特点，与西北地区情况类似，我国北部、东北部等风电、煤电密集地区同样存在风电与火电同时需要外送的需求。上述风电、火电能源基地与东部、中部负荷中心距离超过2000km以上，直流输电作为成熟、可靠的技术是承担远距离、大容量、低损耗输电的主要手段。因此，“风火”打捆直流外送系统成为西北地区风电、火电开发的主流模式。

由于风速具有随机性变化，致使风电功率变化具有波动性与不确定性，风电功率的大幅波动或风电场因故障退出运行，将导致送端系统有功功率不平衡，产生频率稳定问题。我国现有运行风电机组均不参与系统频率调整，电网频率调整必须由传统电厂分担，加重了火电机组的调频负担。同时，目前我国直流输电系统一般为定功率或定电流模式，运行中输送功率基本保持恒定，相当于恒定负荷，此种模式下加剧了送端系统功率不平衡情况，若仅依靠送端火电机组一次调频，难以满足快速的风功率变化以及风电场故障等情况下的系统频率要求，对送端系统频率稳定带来严重影响。

现有技术中，一般只利用火电机组的一次调频功能，其中，一次调频的系统框图如图1所示，其中，放大环节为比例放大器，伺服环节为调速死区ε，限幅环节限制原动机最大输出功率P_MAX、最小输出功率P_MIN，仅采用火电机组一次调频，难以应对快速的、较大的风电场功率变化及风电场故障退出运行情况，使送端系统频率偏离正常范围，不利于系统的稳定运行。

因此，针对风火打捆直流外送系统，本发明为其提供合理有效的频率控制策略，为大规模风电的开发利用，及其并网的安全稳定运行，提供可行方案。

发明内容

为了解决风火打捆直流外送系统的频率稳定问题，本发明提供了一种用于风火打捆系统的控制装置及其方法，通过本发明的控制系统及其方法可有效抑制风电功率波动，应对风电场故障退出，改善送端系统频率稳定性。

本发明提供了一种用于风火打捆系统的控制装置，其包括：故障检测器，用于检测风火打捆系统汇流站母线频率，判断是否有故障信号，若无故障信号，则连接直流功率控制器，若有故障信号，则连接直流功率控制器；直流频率调制控制器，用于判断母线频率与工频相减的频率偏差的绝对值是否达到直流频率调制控制器动作死区，若达到，则启动直流频率调制，若未达到，则启动火电机组调速器；直流功率控制器，用于判断该故障信号是否为风电场退出运行，若是，则启动直流紧急功率提升或回降控制后，启动火电机组调速器；火电机组调速器，用于火电机组一次调频。

优选地，直流频率调制控器还包括死区、微分环节、滤波环节、放大环节、超前滞后补偿环节和输出限幅环节。

优选地，直流功率控制器还包括多个档位控制器，其控制输入的功率缺额量输出多个档位对应的功率调制量。

本发明还提供了一种风火打捆系统控制方法，其包括以下步骤：

(1)检测风火打捆系统汇流站母线频率f，判断是否有故障信号，若没有则进入步骤(2)，否则进入步骤(3)；

(2)风火打捆系统汇流站母线频率f与工频f₀相减，得到频率偏差Δf＝f-f₀，判断频率偏差的绝对值是否达到直流频率调制控制器动作死区Δf_dc，若|f-f₀|＞Δf_dc，直流频率调制启动，否则进入步骤(5)；

(3)判断故障是否为风电场退出运行，是则进入步骤(4)，否则进入步骤(6)；

(4)确定由于风电场退出导致的功率缺额量ΔP_wind，启动直流紧急功率提升/回降控制，进入步骤(5)；

(5)判断频率偏差的绝对值是否达到火电机组一次调频动作死区Δf'，若|f-f₀|＞Δf'，火电机组调速器动作，否则进入步骤(6)；

(6)结束本方法。

优选地，所述的步骤(2)中，工频f₀为50Hz，直流频率调制控制器死区Δf_dc一般设定为0.2Hz。

优选地，所述的步骤(4)中，直流紧急功率提升/回降控制分为多个调节档位，根据风电场功率缺额量ΔP_wind确定具体档位的选取。

优选地，所述的步骤(5)中，火电机组调速器动作死区Δf'设定为0.033Hz。

本发明与现有技术相比，其优点主要在于：

1、目前，还未有针对诸如西北的风火打捆直流外送系统提出频率控制策略，此发明针对风电波动及风电场故障退出两种情况，为改善风火打捆送端系统的频率稳定问题提供了解决方案。

2、本发明充分利用直流系统的调制功能，作用紧急控制手段辅助火电机组调频，综合利用火电机组一次调频能力与直流系统的调制功能，避免了紧急情况下由于频率越限导致的风电场或火电机组保护装置动作，提升系统运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明现有技术中火电机组调速器一次调频的示意图；

图2为风火打捆直流外送系统示意图；

图3为本发明风火打捆系统控制装置示意图；

图4为本发明风火打捆系统控制装置中直流频率调制控制器示意图；

图5为本发明风火打捆系统控制装置中直流功率控制器示意图；

图6为本发明风火打捆系统控制方法流程图；

图7为本发明提供的阵风风速上升曲线；

图8为本发明提供的阵风作用下风电场功率变化曲线；

图9为采用本发明方法和仅采用火电调频方法送端频率曲线对比；

图10为本发明提供的风电场故障退出时功率变化曲线；

图11为采用本发明方法和仅采用火电调频方法送端频率曲线对比。

具体实施方式：

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

图2为风火打捆直流外送系统示意图。如图2所示，风火打捆直流外送系统，风火打捆送端系统输出总功率为6000MW，其中，共有火电机组10台，风电场8个，风电接入比例为50％，直流系统采用定功率控制方式，单极线路输送功率为3000MW。风电场有功出力3000MW，于母线BUS2处汇集，火电厂总出力3000MW，于母线BUS1处汇集，风电功率与火电功率分别经过一级升压变压器于母线BUS3处并网，后经一级升压变压器与直流输电系统相连，经直流系统的整流侧、逆变侧、降压变压器后接入受端交流系统。其中，在直流系统整流侧之前的交流母线处，设置频率信号检测单元和故障检测装置，后接入本发明紧急频率控制器，该紧急频率控制器分别输出直流控制信号和火电控制信号，控制直流系统及火电厂。

图3为本发明风火打捆系统控制装置示意图。如图3所示，本发明提供了一种风火打捆系统控制装置，其包括：故障检测器，用于检测风火打捆系统汇流站母线频率，判断是否有故障信号，若无故障信号，则连接直流功率控制器，若有故障信号，则连接直流功率控制器；直流频率调制控制器，用于判断母线频率与工频相减的频率偏差的绝对值是否达到直流频率调制控制器动作死区，若达到，则启动直流频率调制，若未达到，则启动火电机组调速器；直流功率控制器，用于判断该故障信号是否为风电场退出运行，若是，则启动直流紧急功率提升或回降控制后，启动火电机组调速器；火电机组调速器，用于火电机组一次调频。

其中，直流频率调制控器还包括死区、微分环节、滤波环节、放大环节、超前滞后补偿环节和输出限幅环节。

其中，直流功率控制器还包括多个档位控制器，其控制输入的功率缺额量输出多个档位对应的功率调制量。

图4为本发明风火打捆系统控制装置中直流频率调制控制器示意图。如图4所示，本系统实例中采用的直流频率调制控制器如图2所示，输入信号为交流母线频率偏差Δf，Δf＝f_{ac_line}-f₀，其中，f_{ac_line}为检测装置检测的交流母线频率，f₀为系统基准频率，一般为50Hz。后经死区、微分环节、滤波环节、放大环节、超前滞后补偿环节和输出限幅环节，得到输出量P_MOD，P_MOD即为直流线路功率的叠加信号。

该控制器的启动方式为频率信号启动，当判断系统此时无风电场故障时，当检测到的交流母线频率偏差Δf达到直流频率调制控制器死区Δf_dc时，即Δf≥Δf_dc，则启动直流频率调制方式。

其中，死区为Δf_dc＝[-f_dc，+f_dc]，微分环节为滤波环节为放大环节为比例放大器，比例系数为K，超前滞后补偿环节为输出限幅环节限制功率输出的范围[P_min，P_max]。

图5为本发明风火打捆系统控制装置中直流功率控制器示意图。如图5所示，直流紧急功率提升/回降控制的启动方式为故障启动，目前改方法并没有统一的策略，本发明设计了一种档位选择的控制方式，信号输入至控制器只需做逻辑判断，确定控制档位输出，不需要人为实时控制。

控制器可分为n个档位进行调整，P_n为风电场有功功率输出上限，每个档位的设置方法为：具体的控制器档位数量配置需根据具体系统加以整定，一般可为5档。输出调制量是根据网络拓扑和电网潮流通过离线仿真计算整定。

图6为本发明风火打捆系统控制方法流程图。如图6所示，结合图2所示的风火打捆外送系统，本发明还提供一种风火打捆系统控制方法，其包括如下步骤：

(1)当施加渐进风扰动时，如图3所示，风速在10s到11s内升高1m/s，此时风电场功率变化如图4所示，检测装置检测风火打捆系统汇流站母线频率，判断此时无故障信号，则进入步骤(2)；

(2)判断风火打捆系统汇流站母线频率偏差的绝对值|f-f₀|，达到直流频率调制控制器的动作死区Δf_dc＝0.2Hz，即此时|f-f₀|≥0.2Hz，启动直流频率调制，快速提升直流线路功率。无频率控制、仅利用火电机组调频和采用本发明的直流紧急频率控制策略的对比结果如图5所示；

由此得到的风火打捆送端系统母线频率偏差最大值如下表：

(3)当检测到故障信号时，判断故障为两个风电场退出运行，进入步骤(4)；

(4)确定由于风电场退出导致的功率缺额量ΔP_wind为600MW，风电场功率变化曲线如图6所示，启动直流紧急功率提升/回降控制，降低直流线路的输送功率600MW；无频率控制、仅利用火电机组调频和采用本发明的直流紧急频率控制策略的对比结果如图7所示；

由此得到的风火打捆送端系统母线频率偏差最大值如下表：

(5)判断频率偏差的绝对值|Δf|是否达到火电机组一次调频动作死区Δf'，即|f-f₀|≥0.033Hz，火电机组一次调频启动，频率的稳态值恢复至工频50Hz左右；

(6)结束本方法。

通过以上对比可以看出：本发明的一种风火打捆系统控制装置及其方法，充分利用直流系统调制能力和打捆火电机组调频能力，在风电场较大功率波动或故障退出时，可以有效缓解送端系统功率不平衡量，提升风火打捆送端系统的频率稳定性。风功率波动时，若不采用任何频率控制方式，风火打捆系统送端母线最大频率偏差达到2.612Hz，若仅采用火电机组调频只能降低至0.293Hz，采用本发明策略可使频率偏差控制在0.074Hz以内；风电场因故障退出时，若不采用任何频率控制方式，风火打捆系统送端母线最大频率偏差达到-3.82Hz，若仅采用火电机组调频只能控制在-0.41Hz，采用本发明策略可使频率偏差不超过-0.002Hz；通过对比可以看出，采用本发明可使风火打捆系统送端母线频率得到较好改善。

本发明采用的高压直流(high voltage direct current,HVDC)输电系统具有较强的有功和无功调节能力，直流调制常用于改善交直流系统运行的稳定性，利用直流调制的快速性和直流系统的过负荷能力，可有效改善由于风电波动引发的送端功率不平衡。

以上对本发明所提供的一种风火打捆系统控制装置及其方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种风火打捆系统控制装置，其包括：

故障检测器，用于检测风火打捆系统汇流站母线频率，判断是否有故障信号，若无故障信号，则连接直流频率调制控制器，若有故障信号，则连接直流功率控制器；

直流频率调制控制器，用于判断母线频率与工频相减的频率偏差的绝对值是否达到直流频率调制控制器动作死区，若达到，则启动直流频率调制，若未达到，则启动火电机组调速器；

直流功率控制器，用于判断该故障信号是否为风电场退出运行，若是，则启动直流紧急功率提升或回降控制后，启动火电机组调速器；

火电机组调速器，用于火电机组一次调频。

2.如权利要求1所示的风火打捆系统控制装置，其特征在于，直流频率调制控器还包括死区、微分环节、滤波环节、放大环节、超前滞后补偿环节和输出限幅环节。

3.如权利要求1所示的风火打捆系统控制装置，其特征在于，直流功率控制器还包括多个档位控制器，其控制输入的功率缺额量输出多个档位对应的功率调制量。

4.一种风火打捆系统控制方法，其包括以下步骤：

(1)检测风火打捆系统汇流站母线频率f，判断是否有故障信号，若没有则进入步骤(2)，否则进入步骤(3)；

(2)风火打捆系统汇流站母线频率f与工频f0相减，得到频率偏差Δf＝f-f₀，判断频率偏差的绝对值是否达到直流频率调制控制器动作死区Δf_dc，若|f-f₀|＞Δf_dc，直流频率调制启动，否则进入步骤(5)；

(3)判断故障是否为风电场退出运行，是则进入步骤(4)，否则进入步骤(6)；

(4)确定由于风电场退出导致的功率缺额量ΔP_wind，启动直流紧急功率提升/回降控制，进入步骤(5)；

(5)判断频率偏差的绝对值是否达到火电机组一次调频动作死区Δf'，若|f-f₀|＞Δf'，火电机组调速器动作，否则进入步骤(6)；

(6)结束本方法。

5.如权利要求4所述的风火打捆系统控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，工频f₀为50Hz，直流频率调制控制器死区Δf_dc一般设定为0.2Hz。

6.如权利要求4所述的风火打捆系统控制方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，直流紧急功率提升/回降控制分为多个调节档位，根据风电场功率缺额量ΔP_wind确定具体档位的选取。

7.如权利要求4所述的风火打捆系统控制方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，火电机组调速器动作死区Δf'设定为0.033Hz。