CN105356520A - 一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法，通过实时检测风电场侧并网点电压值并经过与并网点电压的给定参考值比较后，其差值经过PI控制器常规计算后得到电网所需的总的无功值，同时通过监测DFIG直流母线电压并通过与给定值比较，来控制直流卸荷电阻的投切，维持直流母线电压的稳定和防止转子侧过电流，从而降低双馈风机动作的概率。通过采集双馈风机转子侧转子保护动作信号判断实现在网侧变流器、双馈风机定子侧和VSC-HVDC风电场侧变流器之间进行无功功率分配，保证了风电场在面临不同严重程度的各项故障时，都能够得到足够的无功补偿，维持了自身的暂态电压稳定性，并降低了双馈风机动作的概率，减小故障恢复时间。

Description

一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风电机组控制技术，特别涉及一种基于DFIG模型和电压源型的高压直流输电技术协调控制来改善风电场低电压穿越能力的控制方法。

背景技术

当今，风力发电技术呈现出快速发展的势头，装机容量越来越大，在电网中所占的比例也随之上升。风电场规模和并网输电距离的增加使传统的交流输电呈现出各种弊端。基于电压源型的高压直流输电(VSC-HVDC)因其变流器采用的是全控型电力电子器件，通过控制能够改善并网点电能质量，减少风电场对电网影响，因此成为长距离大规模风电场并网较为理想的输电方式，与此同时也出现了不少的问题，其中第一点风电场侧故障时双馈风机Crowbar动作，风机运行于异步发电机状态，故障消除后需要从电网吸收大量无功，不利于电网故障的恢复；第二点风电场侧故障时如何协调并网点两侧的无功源也是一个重要方面，目前大多数学者研究的都是电网侧故障下的风电场低电压穿越能力，而对电网侧故障的研究很少，而且风电场提供无功是以牺牲其有功输出能力为代价。因此急需对双馈风电机组(DFIG)模型进行改进，并且提出一种无功控制策略既能够充分利用各无功源的无功调节能力，保证风电系统的暂态稳定性，又能够保证双馈风机的有功输出能力。

发明内容

本发明是针对目前VSC-HVDC并网风电场侧故障下的低电压穿越的问题，提出了一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法，协调两侧无功源，在不增加投资成本的前提下减小故障恢复时间。

本发明的技术方案为：一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法，具体包括如下步骤：

1)通过在双馈风电机组模型DFIG直流母线处安装直流卸荷电阻DC-Chopper，以直流母线实时电压U_dc与给定电压参考值U_{dc_ref}之差为信号，控制DC-Chopper的投切，当监测到直流母线电压U_dc大于1.1U_{dc_ref}，控制DC-Chopper投入，当U_dc小于U_{dc_ref}并持续0.2s，控制DC-Chopper投出；

2)在风电场并入基于电压源型的高压直流输电VSC-HVDC系统母线处安装电压互感器检测其实时电压；

3)将风电场侧并网点检测到的实时电压测量值U_pcc与并网点电压的给定参考值U_{pcc_ref}进行比较，两者的差值信号通过PI控制器处理后得到电网所需的总无功值Q_{ref_all}；

4)在双馈风机转子绕组处安装电流测量元件检测转子电流i_r，将转子电流i_r值与转子侧变流器的极限电流值i_cmax做减法运算，如结果大于0，双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，反之双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0；

5)无功功率分配：双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0，则将电网所需的总的无功值Q_{ref_all}在网侧变流器、双馈风机定子侧和VSC-HVDC风电场侧变流器三者之间分配；双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，则将电网所需的总的无功值Q_{ref_all}在网侧变流器和VSC-HVDC风电场侧变流器之间分配。

所述网侧变流器的无功调节：网侧变流器的最大功率为P_cmax，实际发出的有功功率为P_c，则发出的无功功率Q_c范围为：

$-\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2}\≤Q_c\≤\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2};$

当电网发生故障时，网侧变流器所产生的无功极限值Q_{max_GSC}为：

$Q_{\max \_GSC}=\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2}.$

所述基于电压源型的高压直流输电VSC-HVDC系统采用风电场侧变流器进行无功调节，采用交流电压外环电流内环的双环控制对风电场侧变流器进行控制。

本发明的有益效果在于：本发明改善风电场低电压穿越能力的控制方法，保证了风电场在面临不同严重程度的各项故障时，都能够得到足够的无功补偿，维持了自身的暂态电压稳定性，并降低了双馈风机Crowbar动作的概率，减小故障恢复时间。

附图说明

图1为本发明现有DFIG模型示意图；

图2为本发明改进后DFIG模型示意图；

图3为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地故障时，PCC点电压波形对比图；

图4为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地故障时，直流母线电压波形对比图；

图5为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地故障时，转子电流波形对比图；

图6为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地故障时，DFIG定子提供无功波形对比图；

图7为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地故障时，PCC点电压波形对比图；

图8为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地故障时，直流母线电压波形对比图；

图9为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地故障时，转子电流波形对比图；

图10为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地故障时，定子侧提供无功功率波形对比图；

图11为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地故障时，网侧变流器提供无功功率波形对比图。

具体实施方式

传统的DFIG与改进的DFIG模型如图1、2所示。传统双馈风电机组中的Crowbar目的在于保护转子侧变流器RSC，避免故障时被烧毁，虽然保护了转子侧变流器，但是Crowbar动作时DFIG变成常规的异步发电机，需要从电网吸收大量无功，而且牺牲了风电机组在故障时的无功支持能力。改进的DFIG采用主动式DC-Chopper配合Crowbar代替传统的Crowbar保护技术，根据直流母线电压来控制DC-Chopper开关的投入。当电网电压跌落时网侧变流器GSC输出功率受到限制，能量在直流侧积累造成直流母线电压U_dc升高，当达到一定值时触发DC-Chopper电路中的IGBT导通，卸荷电阻投入运行，以分担过量的电流及功率，保护变流器安全及直流母线的电压稳定。恢复正常工况后IGBT截止，DC-Chopper被切除，从而降低双馈风机Crowbar动作的概率。

一种改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制改善风电场低电压穿越能力的控制方法，它包括下述步骤：

步骤1、通过在DFIG直流母线处安装直流卸荷电阻DC-Chopper，以直流母线实时电压U_dc与给定电压参考值U_{dc_ref}之差为信号，控制DC-Chopper的投切，当监测到直流母线电压U_dc大于1.1U_{dc_ref}，控制DC-Chopper投入，当U_dc小于U_{dc_ref}并持续0.2s，控制DC-Chopper投出；

步骤2、在风电场并入VSC-HVDC系统母线处安装电压互感器检测其实时电压；

步骤3、将风电场侧并网点检测到的实时电压测量值U_pcc与并网点电压的给定参考值U_{pcc_ref}进行比较，两者的差值信号通过PI控制器处理后得到电网所需的总无功值Q_{ref_all}；

步骤4、在双馈风机转子绕组处安装电流测量元件检测转子电流i_r，将转子电流i_r值与转子侧变流器的极限电流值i_cmax做减法运算，如结果大于0，双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，反之双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0；

步骤5、无功功率分配：双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0，则将电网所需的总的无功值Q_{ref_all}在网侧变流器、双馈风机定子侧和VSC-HVDC风电场侧变流器三者之间分配；双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，则将电网所需的总的无功值Q_{ref_all}在网侧变流器和VSC-HVDC风电场侧变流器之间分配。

双馈风机定子侧的无功调节能力：双馈风电场作为一个电源，它完全有能力来向电网提供无功，在转子侧变流器的控制下，可以很好的调节电网所输送的无功，对风电接入系统的电压稳定性提供良性的支撑，在故障较轻，Crowbar装置未动作时，双馈风机定子侧可以根据指令值来发出不超出其极限的无功功率；但当故障严重到致使Crowbar装置的动作，转子侧变流器退出运行，双馈风力发电机按异步风力发电机运行，不但不能向外发送无功，而且还要吸收无功，此时就需要借助其他的无功源，来向电网提供必要的无功支撑。因此，可以看出双馈风机定子侧不是一个稳定的无功源，只有在故障较轻时，才能体现出它的无功调节能力

网侧变流器的无功调节能力：网侧变流器的功率一般按风电系统的最大转差有功功率设计，一般约为风机容量的30％-50％。在实际的运行状况下，当风速波动或者发生轻微故障时，网侧变流器与电网交换的有功功率不可能达到其额定容量，尤其在发生故障时，交换的有功功率更少，因此可考虑让网侧变流器在满足有功要求的前提下尽量的输出无功功率。假设网侧变流器的最大功率为P_cmax，实际发出的有功功率为P_c，则可发出的无功功率Q_c为：

$-\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2}\≤Q_c\≤\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2}---\left(1\right)$

当电网发生故障时，电网电压严重跌落，网侧变流器与电网的有功交换接近零，此时可以充分利用网侧变流器的无功调节能力，能够产生接近于其容量的无功功率。

因此网侧变流器所产生的无功会受到有功功率的影响，其无功极限值Q_{max_GSC}为：

$Q_{\max \_GSC}=\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2}---\left(2\right)$

VSC-HVDC风电场侧变流器(WFVSC)的无功调节能力：VSC-HVDC风电场侧变流器(WFVSC)由于其采用了先进的电力电子开关，因此它可以实现与电网的快速有功和无功交换，控制目标是将风电场发出的功率输送到电网中，同时保证风电场并网电的要求，借鉴传统的矢量控制结构，构建交流电压外环电流内环的双环控制结构。由于WFVSC的容量很大，因此其无功补偿的能力也很强。

本发明在软件DIgSILENT/PowerFactory中搭建了包含双馈风电场和VSC-HVDC并网系统，设置了两种典型的故障类型，与传统的风电场并网控制相比，以此来验证本发明所提出的改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制改善风电场低电压穿越能力的控制方法的有效性和准确性。

算例1：PCC点a,b两相对地故障仿真

图3-6给出了PCC点发生a,b两相短路接地时故障仿真对比。电压跌落至约20％，故障持续0.15s后清除。

如图3所示，故障清除后传统DFIG的PCC点电压恢复时间约在2s，且PCC点会出现一个1.47p.u.的过电压，而改进DFIG的PCC点则无过电压现象，电压约在1.6s恢复稳定，电压恢复时间更短。图1可以看出，在发生故障时，传统DFIG直流母线电压峰值约为1.26kV，改进DFIG由于采用DC-Chopper保护技术，直流母线电压峰值约为1.18kV，之后电压波动也更平稳。图5中改进的DFIG转子电流峰值更小，波动也更小。图6中，传统的DFIG由于Crowbar动作，变为普通的异步发电机，故障后需要从电网吸收大量无功，改进的DFIG的Crowbar并未动作，能够在故障情况下发出一定无功，帮助电压的恢复。

算例2：PCC点三相短路接地故障仿真

设置在1s时风电场并网点PCC母线发生非金属性三相短路接地故障，电压跌落至约20％。故障持续0.15s后清除。仿真结果如图7-11所示。

由图7可看出，传统DFIG不采用协调控制时，PCC点电压在故障切除后升高至接近1.5p.u.，然后缓慢下降至正常值，大约在2s恢复稳态；采用改进DFIG的协调策略，故障期间DFIG的RSC依然能够为电网提供无功支持，从故障恢复的曲线可以看出，PCC点电压在故障切除后迅速恢复至1p.u.附近，在1.4s即进入稳定状态，故障恢复时间进一步缩短。

由图8可以看出，在发生故障时，传统DFIG直流母线电压峰值达到2.4kV，改进DFIG直流母线电压峰值约为1.5kV，相比之下减小了很多，有效的保护了直流电容的安全，1.15s时故障切除瞬间直流母线电压发生波动，但仍在合理的范围内，验证了改进式DFIG能够起到很好的控制直流母线电压的作用。

由图9看出，1s发生故障时，传统的DFIG转子侧电流迅速升高到9kA，Crowbar投入，采用改进式DFIG通过监测转子侧电流，当故障时主动式DC-Chopper投入将转子电流控制在4.5kA，在5kA以下，没有达到触发Crowbar动作的电流值，且当电压跌落至0.2p.u.时，Crowbar仍未动作，说明转子侧未出现过电压及过电流现象，验证了主动式DC-Chopper的使用可以大大降低Crowbar动作的概率，起保护风力机的作用，为严重故障时实现转子侧变流器参与协调控制提供了前提条件。

图10反应了定子侧提供无功功率波形对比，传统DFIG在Crowbar的作用下，故障时定子侧是不具有无功发生能力的，故障切除后发电机运行在异步状态，需要从电网吸收大量无功功率，不利于电网电压的恢复，严重时可能导致电网电压的崩溃。而改进的DFIG定子侧在严重故障时仍有为电网持续提供无功的能力，且故障切除后不再从电网吸收无功功率，有利于电压的恢复。

图11为网侧变流器提供无功功率波形对比图，可以看出改进的DFIG无功波动更小，低电压穿越更为平滑。

因此，经VSC-HVDC并网风电场在加入本发明控制方法之后，不仅可以克服Crowbar带来的缺点，降低其动作的概率，并在此基础上协调风电场侧并网点PCC两端的无功源，使故障电压恢复更加迅速平稳，具有较好的低电压穿越能力。

本发明通过实时检测风电场侧并网点电压值并经过与U_{pcc_ref}比较后，其差值经过PI控制器常规计算后得到电网所需的总的无功值，同时通过监测DFIG直流母线电压U_dc并通过与U_{dc_ref}比较，来控制DC-Chopper的投切，本文中DC-Chopper的作用是维持直流母线电压的稳定和防止转子侧过电流，从而降低Crowbar动作的概率。通过采集双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar信号，通过信号判断实现在网侧变流器、双馈风机定子侧和VSC-HVDC风电场侧变流器之间进行无功功率分配，保证了风电场在面临不同严重程度的各项故障时，都能够得到足够的无功补偿，维持了自身的暂态电压稳定性，并降低了Crowbar动作的概率，从而使双馈风机在风电场侧发生较严重的故障时Crowbar仍可不动作，并允许为电网提供一定无功，故障后不需要从电网吸收大量无功功率，有利于故障的恢复。解决了风电场侧故障时双馈风机Crowbar动作，风机运行于异步发电机状态，故障消除后需要从电网吸收大量无功以及风电场侧故障时协调并网点两侧的无功源等问题。

Claims (3)

1.一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)通过在双馈风电机组模型DFIG直流母线处安装直流卸荷电阻DC-Chopper，以直流母线实时电压U_dc与给定电压参考值U_{dc_ref}之差为信号，控制DC-Chopper的投切，当监测到直流母线电压U_dc大于1.1U_{dc_ref}，控制DC-Chopper投入，当U_dc小于U_{dc_ref}并持续0.2s，控制DC-Chopper投出；

2)在风电场并入基于电压源型的高压直流输电VSC-HVDC系统母线处安装电压互感器检测其实时电压；

3)将风电场侧并网点检测到的实时电压测量值U_pcc与并网点电压的给定参考值U_{pcc_ref}进行比较，两者的差值信号通过PI控制器处理后得到电网所需的总无功值Q_{ref_all}；

4)在双馈风机转子绕组处安装电流测量元件检测转子电流i_r，将转子电流i_r值与转子侧变流器的极限电流值i_cmax做减法运算，如结果大于0，双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，反之双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0；

5)无功功率分配：双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0，则将电网所需的总的无功值Q_{ref_all}在网侧变流器、双馈风机定子侧和VSC-HVDC风电场侧变流器三者之间分配；双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，则将电网所需的总的无功值Q_{ref_all}在网侧变流器和VSC-HVDC风电场侧变流器之间分配。

2.根据权利要求1所述改善风电场低电压穿越能力的控制方法，其特征在于，所述网侧变流器的无功调节：网侧变流器的最大功率为P_cmax，实际发出的有功功率为P_c，则发出的无功功率Q_c范围为：

$-\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2}\≤Q_c\≤\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2};$

当电网发生故障时，网侧变流器所产生的无功极限值Q_{max_GSC}为：

$Q_{\max \_GSC}=\sqrt{P_{cmax}^2-P_c^2}.$

3.根据权利要求1所述改善风电场低电压穿越能力的控制方法，其特征在于，所述基于电压源型的高压直流输电VSC-HVDC系统采用风电场侧变流器进行无功调节，采用交流电压外环电流内环的双环控制对风电场侧变流器进行控制。