CN104158205A - 一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电场输电技术领域的一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法。当受端交流系统发生电压跌落时，根据采集到的直流电压，升高送端换流站输出的交流电压频率，且由双馈风机控制器实时跟踪。双馈风机控制器由交流电压频率与双馈风机角速度的关系调整双馈风机转速，增加风机动能，降低风电场的输出功率，抑制直流电压的上升。受端交流系统电压恢复到额定值时，送端换流站控制交流电压频率恢复到额定值。本发明不需要风电机组切机、不需要换流站与风电场通信，系统更为可靠，调节更为迅速。

Description

一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法

技术领域

本发明涉及风电场输配电技术领域，特别涉及一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法。

背景技术

随着风电的大规模开发，越来越多的风电将通过柔性直流输电系统送出。但在风电场所处的地区，交流电网强度较弱或没有交流电网支撑，所以采用孤岛运行方式，需要柔性直流输电系统的送端换流站VSC1(Voltage Source Converter 1)采用定交流电压和定频率控制来为风电场提供交流电压。采用此种控制方式，将有一些缺点：

1.送端换流站VSC1将相当于一个理想的交流电源，不能实现对风电场输出功率的调节，风电场输出的功率将全部由柔性直流输电系统送出；

2.在受端交流系统故障时，例如发生电压跌落，受端换流站VSC2(Voltage Source Converter 2)由于受到限电流环节的影响，输出功率将降低，若风电场不能及时减小输出的功率，直流侧将出现过电压。若柔性直流输电系统长时间处于过电压状态下，会威胁设备安全，并造成整个系统停运，交流电网将损失大量功率，对交流系统的稳定造成严重威胁。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，用以解决目前风电场输配电研究中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，其中，所述风电场包括双馈风机、双馈风机控制器；所述柔性直流输电系统包括送端换流站VSC1、受端换流站VSC2、连接两个换流站的直流电路、受端等效交流电网；所述送端换流站VSC1与受端电流站VSC2结构相同，包括换流变压器、交流滤波器、换流主回路、检测与控制设备；所述检测和控制设备包括直流电压互感器、A/D转换器、控制机柜；当受端换流站VSC2所连接的交流系统发生电压跌落故障时，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

步骤1：直流电压互感器采集送端换流站VSC1端口的直流电压U_dc，将采集到的直流电压模拟信号通过A/D转换器进行A/D转换，转换后的直流电压U_dc数字信号传送给送端换流站VSC1的控制机柜；

步骤2：送端换流站VSC1的控制机柜根据所采集的直流电压U_dc值升高送端换流站VSC1输出的交流电压频率f，具体步骤如下：

步骤201：计算双馈风机角速度ω和直流电压U_dc的函数关系；设E为直流电容储存的能量，则有，

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^2---\left(1\right)$

(1)式中，C为等效直流电容值，U_dc为送端换流站VSC1输出的直流电压，双馈风机的加速功率为：

$P_{\mathrm{WT}}=\mathrm{H\ω}\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}},(\mathrm{\ω}\≤{\mathrm{\ω}}_{\max })$

(2)(2)式中，H为风电场的总转动惯量，ω为双馈风机的角速度，ω_max为双馈风机最大角速度；设Δt时间双馈风机增加的动能为E_wt，调节初始时间为t₀，由(2)式可得：

$E_{\mathrm{wt}}={\∫}_{t_0}^{t_0+\mathrm{\Δt}}\mathrm{H\ω}\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$

由双馈风机所增加的风机动能E_wt等于直流电容多储存的能量E，得：

${\∫}_{t_0}^{t_0+\mathrm{\Δt}}\mathrm{H\ω}\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=\frac{1}{2}C(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)---\left(4\right)$

(4)式中U_dcN为额定直流电压；

有

$H[{\mathrm{\ω}}^2(t_0+\mathrm{\Δt})-{\mathrm{\ω}}^2\left(t_0\right)]=C(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)---\left(5\right)$

(5)式中ω₀为调节前双馈风机的初始角速度，即t₀时刻的角速度；

令

$k_1=\frac{{\mathrm{\ω}}^2(t_0+\mathrm{\Δt})-{\mathrm{\ω}}^2\left(t_0\right)}{U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2}=\frac{C}{H}---\left(6\right)$

因此，双馈风机的角速度ω和送端换流站VSC1输出的直流电压U_dc的关系为：

$\mathrm{\ω}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_0& (U_{\mathrm{dc}}\≤U_{\mathrm{dcN}}+{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}})\\ \sqrt{{\mathrm{\ω}}_0^2+k_1(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)}& (U_{\mathrm{dc}}>U_{\mathrm{dcN}}+{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}})\end{array}\right.---\left(7\right)$

步骤202：计算风机角速度ω和送端换流站VSC1输出的交流电压频率f的函数关系；

由风机的角速度ω与交流电压频率f的变化量成比例增加，这里人为设定比例系数为k₂，则有关系式：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_0^2+k_2(f^2-f_N^2)}---\left(8\right)$

(8)式中f_N为额定交流频率，

步骤203：计算送端换流站VSC1输出的交流电压频率f与直流电压U_dc与之间的函数关系；

将(7)式带入(6)式可得送端换流站VSC1输出的交流电压频率f与送端换流站VSC1输出的直流电压U_dc的关系为：

$f=\left\{\begin{array}{cc}{f}_N& (U_{\mathrm{dcN}}<U_{\mathrm{dc}}\&le;U_{\mathrm{dcN}}+\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{dc}})\\ \sqrt{f_N^2+k(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)}& (U_{\mathrm{dcN}}+{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{dc}}<U_{\mathrm{dc}}\&le;U_{\mathrm{dc}\max })\end{array}\right.---\left(9\right)$

(9)式中U_dcmax为直流电压最大限值，k＝k₁/k₂；

步骤204：送端换流站VSC1中的控制机柜按(9)式升高送端换流站VSC1输出的交流电压频率f；

步骤3：双馈风机控制器实时跟踪送端换流站VSC1输出的交流频率f，双馈风机控制器按(8)式增大双馈风机角速度ω，降低风电场的输出到直流系统的功率，当风电场输出功率小于等于故障期间VSC2所能送出的功率时，受端换流站VSC2的控制机柜控制直流电压U_dc恢复到额定值；送端换流站VSC1中的控制机柜延时控制送端换流站VSC1输出的交流电压频率f恢复到额定值f_N。

所述受端换流站VSC2发生电压跌落为系统暂时性故障。

所述双馈风机控制器跟踪交流电压的幅值、相位和频率，并采用最大功率追踪控制。

所述直流电压最大值U_dcmax设为1.1U_dcN，最大交流频率为1.1f_N，额定交流频率f_N为50Hz，额定直流电压U_dcN为300kV，风机角速度标准值为30r/min；直流电压U_dc超过U_dcmax时，双馈风机控制器控制双馈风机切机。

所述送端换流站VSC1采用定交流电压定交流频率控制策略，受端换流站VSC2采用定直流电压控制策略。

所述送端换流站VSC1中的控制机柜延时控制的延时时间为150～250ms。

所述送端换流站VSC1和受端换流站VSC2的控制策略皆为基于d-q解耦的直接电流控制。

其有益效果如下：

1不需要换流站与风电场通信，系统更为可靠，调节更为迅速；

2所有风机都参与调节，调节更为平滑，在相同的调节量下，每台风机的调节量较小，避免了切除某些风机，使所有风机都能持续运行；

3在受端交流系统故障清除后，直流电压恢复到额定值，故障期间，由风机加速所储存的动能将转化为电能，有利于快速地恢复输送功率。

附图说明

图1是连接风电场的柔性直流送出系统示意图。

图中VSC1-送端换流站，VSC2-受端换流站；

直流电压互感器、A/D转换器、控制机柜均为受端换流站VSC1中的检测和控制设备，为了清晰表示本发明所涉及的方法，这里单独画出。

图2是送端换流站VSC1主电路图。

图3是直流电压-频率调节曲线。

图中各符号表示为：f-交流电压频率，U_dc-直流电压，U_dcN-额定直流电压，ΔU_dc-直流过电压裕度，f_max-频率最大值，U_dcmax-直流电压最大值。

图4是过电压抑制过程中交流电压频率变化曲线。

图5是过电压抑制前后的功率对比图。

图6是过电压抑制前后直流电压变化对比图。

图7是过电压抑制后风机转速图。

具体实施方式

在受端交流系统故障时，例如发生电压跌落，受端换流站VSC2(Voltage Source Converter 2)由于限电流环节的作用，输出功率将降低，若风电场不能及时减小输出的功率，直流侧将出现过电压。若柔性直流输电系统长时间处于过电压状态下，会威胁设备安全，并造成整个系统停运，交流电网将损失大量功率，对交流系统的稳定造成严重威胁。

当受端换流站VSC2发生电压跌落时，送端换流站VSC1中的控制机柜根据所采集的直流电压U_dc的值，由送端换流站VSC1中的控制机柜升高送端换流站VSC1输出的交流电压频率f，双馈风机控制器实时跟踪送端换流站VSC1输出的交流频率f，双馈风机控制器按(8)式增大双馈风机角速度ω，降低风电场的输出功率。

降低风电场输出功率后，输入到VSC1的功率将小于等于故障期间VSC2所能送出的功率，VSC2的输出电流恢复到限流环节所限电流最大值以下，VSC2的定直流电压控制策略重新起作用，使直流电压恢复到额定值。虽然这时直流电压恢复到额定值，但不能确保受端交流系统故障已经恢复，不能立即恢复交流频率，否则直流电压又将升高，造成多次往复调节，为了确保VSC1输出的交流频率f在故障清除后再恢复到额定值，设置交流频率在直流电压恢复后延时后再恢复，交流系统故障绝大多数为暂时故障，恢复时间一般为100ms～200ms，因此Δt可根据具体情况设置为150～250ms比较合适，最多再发生一次直流电压再次升高。对于永久性故障，本发明不适用，将由上层调度来发出降低风电场输出功率指令。

下面结合附图作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照图1，风电场由双馈风机和双馈风机控制器组成，风电场功率经柔性直流输电系统送出。送端换流站VSC1采用定交流电压定交流频率控制，受端换流站VSC2采用定直流电压控制。两个换流站的控制方式都采用基于d-q解耦的控制策略。

当受端换流站VSC2右侧的交流电网发生电压跌落20％故障时，由于受端换流站VSC2限流环节的作用，受端换流站VSC2送出的功率将降低；又因为送端换流站VSC1采用定交流电压定交流频率的控制策略，不能控制风电场输入的功率，从而导致直流侧电压升高，出现过电压。整个系统功率的流向为从左往右，送端换流站VSC1的作用是把风电场发出的交流电转换成直流电，经柔性直流输电系统输送到受端换流站VSC2，受端换流站VSC2把直流电转换成交流电，送到右侧的交流电网。设置的交流系统故障在右侧的交流系统，即受端换流站VSC2的交流侧。当故障发生时，由于受端换流站VSC2送出能量减少，而送端换流站VSC1送出的能量不变，导致直流电压升高。在送端换流站VSC1检测到直流电压升高时，依据调节曲线(图2)，增加输出的交流电压频率(如说明书所述，风电场的交流电压由VSC1提供)。风电场内双馈风机控制器检测到频率升高后，将跟踪系统频率，使风机加速，风能转化为动能，从而减少了输出功率。使受端功率和送端输出功率相等，从而直流电压恢复到额定值。

图2为送端换流站VSC1的换流主回路，U_dc是送端换流站VSC1端口直流电压，直流电容C为换流站等效电容。

图3为交流电压频率调节曲线。为了避免频繁调节交流电压频率，并且避免与受端换流站VSC2的定直流电压控制策略起冲突同时避免频繁调节输出的交流频率，必须设置一个过电压裕度ΔU_dc，相当于一个死区。

当直流过电压值超过ΔU_dc时，送端换流站VSC1将增大输出的交流电压频率，当受端交流系统故障清除后，直流电压将恢复到额定值，送端换流站VSC1的频率将恢复到额定值。U_dcmax通过柔性直流输电系统所能承受的过电压水平确定，以我国某柔性直流输电工程为例，为1.1U_dcN.。f_max为风电场设计时设定的最大交流电压频率，以我国某风电场为例，设为1.1f_N。在我国某风电场在发生受端交流系统电压跌落故障后，应用本发明所涉及的控制策略后有明显的效果。

图4为系统发生故障和回复时，交流电压频率变化曲线。1.01s时送端换流站VSC1检测到直流电压升高并且升高的值超过ΔU_dc后提高交流电压频率到50.6Hz左右，经过150ms的延时，在故障恢复后的1.20s左右恢复到额定值50Hz。

图5为采用本发明和没有采用本发明系统的输出功率变化曲线。可以看出采用此方法后，发生故障后风电场不必切机，在功率下降到250MW左右后，系统继续稳定运行，在故障清除后，继续以额定功率运行，而未采用此方法的情况下，风电场必须切机，以使电压降低，故障清除后不能立即恢复运行。

图6为采用本发明和没有采用本发明直流电压的变化曲线。可以看出，采用本发明所涉及的控制策略后，直流系统过电压水平显著降低，最大值从330kV(风电场退出情况下)下降到312kV左右，没有超过1.1U_dcN。

图7为系统发生故障时和故障解除后，双馈风机角速度的变化曲线。从图中可以看出，在控制系统的作用下，故障发生后风机开始加速，把风能更多地转换为动能，在故障清除后风机开始减速，把储存的动能释放，转化为电能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，当受端换流站VSC2所连接的交流系统发生电压跌落故障时，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

步骤1：直流电压互感器采集送端换流站VSC1端口的直流电压U_dc，将采集到的直流电压模拟信号通过A/D转换器进行A/D转换，转换后的直流电压U_dc数字信号传送给送端换流站VSC1的控制机柜；

步骤2：送端换流站VSC1的控制机柜根据所采集的直流电压U_dc值升高送端换流站VSC1输出的交流电压频率f，具体步骤如下：

步骤201：计算双馈风机角速度ω和直流电压U_dc的函数关系；设E为直流电容储存的能量，则有，

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^2---\left(1\right)$

(1)式中，C为等效直流电容值，U_dc为送端换流站VSC1输出的直流电压，双馈风机的加速功率为：

$P_{\mathrm{WT}}=\mathrm{H\&omega;}\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}},(\mathrm{\&omega;}\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\max })$

(2)(2)式中，H为风电场的总转动惯量，ω为双馈风机的角速度，ω_max为双馈风机最大角速度；设Δt时间双馈风机增加的动能为E_wt，调节初始时间为t₀，由(2)式可得：

$E_{\mathrm{wt}}={\&Integral;}_{t_0}^{t_0+\mathrm{\&Delta;t}}\mathrm{H\&omega;}\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$

由双馈风机所增加的风机动能E_wt等于直流电容多储存的能量E，得：

${\&Integral;}_{t_0}^{t_0+\mathrm{\&Delta;t}}\mathrm{H\&omega;}\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=\frac{1}{2}C(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)---\left(4\right)$

(4)式中U_dcN为额定直流电压；

有

$H[{\mathrm{\&omega;}}^2(t_0+\mathrm{\&Delta;t})-{\mathrm{\&omega;}}^2\left(t_0\right)]=C(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)---\left(5\right)$

(5)式中ω₀为调节前双馈风机的初始角速度，即t₀时刻的角速度；

令

$k_1=\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2(t_0+\mathrm{\&Delta;t})-{\mathrm{\&omega;}}^2\left(t_0\right)}{U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2}=\frac{C}{H}---\left(6\right)$

因此，双馈风机的角速度ω和送端换流站VSC1输出的直流电压U_dc的关系为：

$\mathrm{\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&omega;}}_0& (U_{\mathrm{dc}}\&le;U_{\mathrm{dcN}}+{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{dc}})\\ \sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_0^2+k_1(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)}& (U_{\mathrm{dc}}>U_{\mathrm{dcN}}+{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{dc}})\end{array}\right.---\left(7\right)$

步骤202：计算风机角速度ω和送端换流站VSC1输出的交流电压频率f的函数关系；

由风机的角速度ω与交流电压频率f的变化量成比例增加，这里人为设定比例系数为k₂，则有关系式：

$\mathrm{\&omega;}=\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_0^2+k_2(f^2-f_N^2)}---\left(8\right)$

(8)式中f_N为额定交流频率，

步骤203：计算送端换流站VSC1输出的交流电压频率f与直流电压U_dc与之间的函数关系；

将(7)式带入(6)式可得送端换流站VSC1输出的交流电压频率f与送端换流站VSC1输出的直流电压U_dc的关系为：

$f=\left\{\begin{array}{cc}{f}_N& (U_{\mathrm{dcN}}<U_{\mathrm{dc}}\&le;U_{\mathrm{dcN}}+\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{dc}})\\ \sqrt{f_N^2+k(U_{\mathrm{dc}}^2-U_{\mathrm{dcN}}^2)}& (U_{\mathrm{dcN}}+{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{dc}}<U_{\mathrm{dc}}\&le;U_{\mathrm{dc}\max })\end{array}\right.---\left(9\right)$

(9)式中U_dcmax为直流电压最大限值，k＝k₁/k₂；

步骤204：送端换流站VSC1中的控制机柜按(9)式升高送端换流站VSC1输出的交流电压频率f；

步骤3：双馈风机控制器实时跟踪送端换流站VSC1输出的交流频率f，双馈风机控制器按(8)式增大双馈风机角速度ω，降低风电场的输出到直流系统的功率，当风电场输出功率小于等于故障期间VSC2所能送出的功率时，受端换流站VSC2的控制机柜控制直流电压U_dc恢复到额定值；送端换流站VSC1中的控制机柜延时控制送端换流站VSC1输出的交流电压频率f恢复到额定值f_N。

2.根据权利要求1所述的一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，其特征在于，所述受端换流站VSC2发生电压跌落为系统暂时性故障。

3.根据权利要求1所述的一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，其特征在于，所述双馈风机控制器跟踪交流电压的幅值、相位和频率，并采用最大功率追踪控制。

4.根据权利要求1所述的一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，其特征在于，所述直流电压最大值U_dcmax设为1.1U_dcN，最大交流频率为1.1f_N，额定交流频率f_N为50Hz，额定直流电压U_dcN为300kV，风机角速度标准值为30r/min；直流电压U_dc超过U_dcmax时，双馈风机控制器控制双馈风机切机。

5.根据权利要求1所述的一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，其特征在于，所述送端换流站VSC1采用定交流电压定交流频率控制策略，受端换流站VSC2采用定直流电压控制策略。

6.根据权利要求1所述的一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，其特征在于，所述送端换流站VSC1中的控制机柜延时控制的延时时间为150～250ms。

7.根据权利要求5所述的一种连接风电场的柔性直流输电系统直流过电压抑制方法，其特征在于，所述送端换流站VSC1和受端换流站VSC2的控制策略皆为基于d-q解耦的直接电流控制。