CN104362674B - 一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,包括以下步骤:步骤A:根据双馈风力发电机的参数对安全电压范围进行确定;如能够确定安全电压范围,则双馈风电机组能够成功实现高压穿越,并进行步骤B;如不能够确定安全电压范围,则双馈风电机组不能够成功实现高压穿越,不执行后续步骤;步骤B:根据双馈风电机组接口电压和步骤A确定的安全电压范围,确定双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器需输出的无功和有功电流分量。本发明可对双馈风力发电机组的高电压穿越能力进行判断。
Description
技术领域
本发明属于风力发电系统控制技术领域,尤其涉及一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法。
背景技术
随着风能利用的迅速发展,一些国家相继提出了风电接入电网的导则、测试要求以及适应性规范,对风电机组故障穿越能力的要求越来越高。目前国内外对低压故障穿越能力(low voltage ride-through:LVRT)的研究已趋成熟。国内各家风电企业的技术路线虽有差别,近两年基本都实现了低电压穿越功能。而通常由短路引起低电压造成的风电脱网现象,实际运行中低电压的时间通常非常短,仅几十毫秒,最终导致风场所有风机停机的原因往往是无功过补偿引起的电压偏高,因此高电压穿越(High Voltage Ride-Through:HVRT)问题更应引起重视。国际上对风电机组HVRT已有初步规范的是澳大利亚、美国、德国、西班牙、丹麦等国电网规程,如澳大利亚电网规程要求风电机组能够在并网点电压骤升至1.3倍标称值时不脱网运行60ms。国内风电行业目前还没有高电压穿越的相关要求和检测标准。
现有解决风电机组高电压穿越问题的基本思路是在风机原有硬件设备基础上,充分利用LVRT设备,调整相应的控制策略,使用同一套设备来实现LVRT和HVRT。双馈风电机组对电压的变化敏感,电压偏高会引起直流母线电容过压,导致变流器不能正常工作,风电机组由于自我保护自动脱离电网。而目前现有技术没有从接口电压控制方面进行研究。本发明方法充分考虑双馈风力发电机组(Double Fed Induction Generator:DFIG)接口电压对直流母线电压的影响,给出一种基于安全电压的协调控制策略,协调控制变流器和发电机定子输出的无功功率和有功功率,保证变流器的安全运行,最终实现双馈风力发电机组的高电压穿越。
发明内容
本发明的目的即在于克服现有技术的不足,提供一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,本方法可在电网高电压故障期间将双馈风力发电机组的接口电压控制在安全运行范围内。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,包括以下步骤:
步骤A:根据双馈风力发电机的参数对安全电压范围进行确定;
如能够确定安全电压范围,则双馈风电机组能够成功实现高压穿越,并进行步骤B;
如不能够确定安全电压范围,则双馈风电机组不能够成功实现高压穿越,不执行后续步骤;
步骤B:根据双馈风电机组接口电压和步骤A确定的安全电压范围,确定双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器需输出的无功和有功电流分量。
进一步的,所述安全电压的范围的确定方法如下:
其中,Ug,R表示安全电压,Uwt表示双馈风电机组接口电压;Iw,max表示DFIG最大能够输出的无功电流;Xt表示接口变压器的电抗;ωr表示转子旋转角速度;Lg表示网侧变流器进线电感;Igd表示网侧变流器输出的有功电流分量;Igq表示网侧变流器输出的无功电流分量;Vdc,R表示网侧变流器直流侧母线的给定电压运行值;
Vdc,R满足:
其中,kv为安全系数;为直流侧电容的最大能够连续工作电压,Igq,max表示网侧变流器能输出的最大无功电流分量;
如上述两个公式有解,则双馈风电机组能够成功实现高压穿越;
如上述两个公式无解,则双馈风电机组不能够成功实现高压穿越。
进一步的,双馈风电机组能够成功实现高压穿越,则Ug,R和Vdc,R均取其运行范围内的最小值。
进一步的,所述步骤B中,发电机定子输出的无功电流分量的确定方法如下:
Uwt≥U″g时
Uwt<U″g时Isq=-2(Uwt-1)
其中,Isq表示发电机定子输出的无功电流分量,
进一步的,Isq满足如下约束:
当Isq越限时,取其上、下极限值;
其中,Ug表示定子侧接入点电压,Ls表示定子漏感,ωs表示定子旋转角速度,Lm表示激磁电感,Ir,max表示发电机转子侧最大允许电流,Isd表示发电机定子输出的有功电流分量。
进一步的,所述步骤B中,网侧变流器输出的无功电流分量的确定方法如下:
其中,Igq表示网侧变流器输出的无功电流分量,Igd表示网侧变流器输出的有功电流分量。
进一步的,Igq满足如下约束:
-Ig,max+Igd≤Igq≤Ig,max-Igd
当Igq越限时,取其上、下极限值;
Ig,max表示定子侧最大允许电流。
进一步的,所述步骤B中,双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器输出的有功电流分量由双馈风力发电机组的最大功率跟踪方法获得。
进一步的,所述步骤B中,双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器输出的有功电流分量的最大值为:
其中Isd,max表示考虑双馈风力发电机组定子输出的无功电流时,发电机定子最大可输出的有功电流分量,Igd,max表示考虑网侧变流器输出的无功电流时其最大可输出的有功电流分量,Is,max表示发电机定子侧最大允许电流,Ig,max表示网侧变流器最大允许电流,Isq表示发电机定子输出的无功电流分量,Igq表示网侧变流器输出的无功电流分量。
综上所述,本发明的优点和有益效果在于:
1.可对双馈风力发电机组的高电压穿越能力进行判断;
2.网侧变流器直流侧电压的给定值可以根据接口电压升高情况而设定,从而保证了控制系统的稳定;
3.控制过程中双馈风力发电机组接口电压可有效控制在机组安全运行的范围之内;
4.减少直流卸荷电路保护的动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例,下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域的技术人员而言,在不付出创造性劳动的情况下,还可以根据下面的附图,得到其它附图。
图1为本发明适用的双馈风力发电机组系统结构图;
图2为电网电压骤升至1.3倍标称值时实施例中双馈风力发电机的无功功率输出仿真图;
图3电网电压骤升至1.3倍标称值时实施例中双馈风力发电机的网侧变流器直流侧母线电压仿真图;
图4为电网电压骤升至1.3倍标称值时双馈风电机组接口电压。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明,下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的,下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分,而不是全部。基于本发明记载的实施例,本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例,均在本发明保护的范围内。
实施例1:
图1为本发明适用的双馈风力发电机组系统结构图,主要包括异步发电机(G)、网侧变流器(Grid-side Convertor,GSC)、卸荷Chopper电路、转子侧变换器(Rotor-sideConvertor,RSC)、接口变压器T1、电缆以及风电场与电网连接的变压器T2,故障点电压为Uwt。正常运行下转子侧变换器和网侧变换器采用有功和无功功率解耦控制,通过控制RSC输出的励磁电流来调节DFIG定子输出的有功和无功功率,GSC的控制目标为直流侧电压的稳定。直流母线上并联的卸荷Chopper电路,在直流电容电压高于其最大能够连续操作电压时触发导通,以抑制电压骤变瞬间可能出现的母线电压泵升。网侧PWM变换器采用直流电压外环、交流侧电流内环的双闭环串级结构控制器。电压外环控制输出直流电压,电流内环控制交流侧电流,使之快速的跟踪电流指令。通过电流指令限幅实现对变换器装置的过流保护。图中Ug为GSC接入点电压,Uwt为风机接口变压器的网侧电压,Pg为GSC输出的有功功率,Ps为DFIG定子侧输出的有功功率,Qg为GSC输出的无功功率,Qs为DFIG定子侧输出的无功功率,Pw为DFIG输出的总有功功率,Qw为DFIG输出的总无功功率。
图1中相关参数如下:
DFIG叶片半径为40m,额定风速为12m/s,切入风速为6m/s,切除风速为15m/s;发电机参数:额定功率为2MW,定子转子比为0.333;定子额定电压690V;定子电阻0.00489p.u.;转子电阻0.0055p.u.;激磁电感3.954p.u.;定子漏感0.0924p.u.;转子漏感0.0996p.u.。变流器参数:GSC额定容量600kVA,RSC额定容量800kVA,直流母线电压额定值为1100V;最大能够连续操作直流电压1250V;PWM开关频率为2kHz;网侧进线电感为0.5mH,直流储能电容为10mF;变压器参数T1:额定容量2.5MVA,电抗0.1p.u.,k=0.95。其中p.u.(又名标么值)表示电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法,将实际值对统一的基准值进行归算表示各物理量及额定参数的相对值,无量纲。目的是简化计算和便于对计算结果进行分析和评价。本实施例中交流系统取基准功率2MW,基准线电压690V。
根据电网规程要求风电机组能够在并网点电压骤升至1.3倍标称值时至少不脱网运行60ms。当图1中双馈风力发电机组发生高电压故障,故障点电压Uwt升高到1.3倍标么值。
故障前风力发电机风速为11m/s,稳定输出0.83p.u.有功功率。在t=4s时刻电网电压骤升至1.3倍标么值,故障持续600ms。
Vdc,R表示网侧变流器直流侧母线的给定电压运行值;
Vdc,R的最大值为
为使下式有解:
先需满足:
得即考虑其最大无功输出能力时相电压幅值Ug,R的最大值为:
697.889/(690*1.414/1.732)=1.24
由下式
Ug,R的最小值为Uwt-Iw,maxXt=1.3-1*0.1*(2.5/2)=1.175
Vdc,R的最小值与Ug,R的大小有关:
在Ug,R=1时,即接口电压为额定值时,为
在考虑接口电压升高的背景下,为更稳定的PWM控制效果,可将其适当抬高,一般取其额定值1100V。
在Ug,R=1.2时为
由以上计算可知,安全电压范围Ug,R∈[1.175,1.24],Vdc,R∈[1149.5,1187.5],即有解。因此在发电机接口电压升高到1.3倍时,双馈风力发电机组可通过自身的无功调节能力实现高电压故障穿越。
取Ug,R=1.2,Vdc,R=1150,故障期间GSC快速向故障电网注入感性无功功率Igq,RSC控制DFIG优先向电网输出无功功率Isq,支持故障电网的快速恢复。
计算下式:
满足Uwt≥U″g,故
有名值为:-0.8*(2000000/1.732/690*1.414)=-1.8931e+003A
计算其约束范围:
无功优先,先取Isd=0;按最严重情况取Ug=1.3
按正常情况取Ug=1.2
-1.8931e+003A满足约束条件
无功优先,即先取Igd=0;考虑无功输出时接口电压Uwt即为实际Ug,以下采用Ug,R代入计算。
Igq满足如下约束:
-Ig,max+Igd≤Igq≤Ig,max-Igd
Ig,max=(600000/1.732/690)*1.414=502.0584*1.414=709.9106A
-694.7622>-709.9,取其Igq=-694.7622;
双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器输出的有功电流分量的最大值为:
双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器输出的有功电流分量由双馈风力发电机组的最大功率跟踪方法获得,当给定值超过上述最大可输出的有功电流分量时按照上式中最大值确定。
双馈风力发电机组的最大功率跟踪方法为现有技术,在双馈风力发电机组出厂时即由厂家对其进行设定。
双馈机组输出的风力发电机定子和GSC输出的无功功率如图2所示。图3为实施例下的直流侧母线电压,在1.3倍额定电压下,本发明方法中HVRT期间直流侧电压升高到1150kV,直流侧电压稳定,Chopper电路无触发。通过协调定子侧和GSC输出的无功功率均可有效实现风电机组在1.3倍系统电压下的安全运行。图4为电网电压骤升至1.3倍标称值时DFIG接口电压,在高电压故障期间,双馈风力发电机组的接口电压保持在1.2倍标称值,在风机正常运行可承受范围内,从而实现机组的高电压穿越。
Claims (6)
1.一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤A:根据双馈风力发电机的参数对安全电压范围进行确定;
如能够确定安全电压范围,则双馈风电机组能够成功实现高压穿越,并进行步骤B;
如不能够确定安全电压范围,则双馈风电机组不能够成功实现高压穿越,不执行后续步骤;
步骤B:根据与双馈风电机连接的变压器并网点处的电压和步骤A确定的安全电压范围,确定双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器需输出的无功和有功电流分量;
所述安全电压的范围的确定方法如下:
其中,Ug,R表示安全电压,Uwt表示与双馈风电机连接的变压器并网点处的电压;Iw,max表示DFIG最大能够输出的无功电流;Xt表示与双馈风电机连接的变压器的电抗;ωr表示转子旋转角速度;Lg表示网侧变流器进线电感;Igd表示网侧变流器输出的有功电流分量;Igq表示网侧变流器输出的无功电流分量;Vdc,R表示网侧变流器直流侧母线的给定电压运行值;
Vdc,R满足:
其中,kv为安全系数;为直流侧电容的最大连续工作电压,Igq,max表示网侧变流器能输出的最大无功电流分量;
如上述两个公式有解,则双馈风电机组能够成功实现高压穿越;
如上述两个公式无解,则双馈风电机组不能够成功实现高压穿越;
所述步骤B中,发电机定子输出的无功电流分量的确定方法如下:
Uwt≥U″g时
Uwt<U″g时 Isq=-2(Uwt-1)
其中,Isq表示发电机定子输出的无功电流分量,
所述步骤B中,网侧变流器输出的无功电流分量的确定方法如下:
其中,Igq表示网侧变流器输出的无功电流分量,Igd表示网侧变流器输出的有功电流分量。
2.根据权利要求1所述的一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,其特征在于:
双馈风电机组能够成功实现高压穿越,则Ug,R和Vdc,R均取其运行范围内的最小值。
3.根据权利要求1所述的一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,其特征在于:
Isq满足如下约束:
当Isq越限时,取其上、下极限值;
其中,Ug表示定子侧接入点电压,Ls表示定子漏感,ωs表示定子旋转角速度,Lm表示激磁电感,Ir,max表示发电机转子侧最大允许电流,Isd表示发电机定子输出的有功电流分量。
4.根据权利要求1所述的一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,其特征在于:
Igq满足如下约束:
-Ig,max+Igd≤Igq≤Ig,max-Igd
当Igq越限时,取其上、下极限值;
Ig,max表示网侧变流器最大允许电流。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,其特征在于:
所述步骤B中,双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器输出的有功电流分量由双馈风力发电机组的最大功率跟踪方法获得。
6.根据权利要求5所述的一种基于安全运行电压的双馈风电机组高电压穿越方法,其特征在于:
所述步骤B中,双馈风力发电机组的发电机定子和网侧变流器输出的有功电流分量的最大值为:
其中Isd,max表示考虑双馈风力发电机组定子输出的无功电流时,发电机定子最大可输出的有功电流分量,Igd,max表示考虑网侧变流器输出的无功电流时其最大可输出的有功电流分量,Is,max表示发电机定子侧最大允许电流,Ig,max表示网侧变流器最大允许电流,Isq表示发电机定子输出的无功电流分量,Igq表示网侧变流器输出的无功电流分量。
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