CN105515014B - 基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统及控制方法，控制系统包括管理层、站控层和间隔层；管理层包括主控机、以及分别与主控机连接的本地调试监控台和远方调度集控中心；所述站控层包括分别与管理层主控机连接的电能管理机和保护管理机；所述间隔层包括通过现场总线或以太网总线分别与电能管理机连接的n个并网点电压测量单元和无功功率控制单元、以及通过现场总线或以太网总线分别与保护管理机连接的n个汇集线路保护测量单元。

Description

基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统技术领域中的风电场无功控制系统及其控制方法，具体涉及一种基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统及控制方法。

背景技术

随着当前大规模风电机组接入电网，风电场内部和外部电网故障引起风电基地发生连锁故障并引发大规模风电脱网的事故愈加频繁。当某个风电场近端发生严重故障时，距离故障点电气距离较近的一些风电机组机端电压深度跌落，为了实现其低电压穿越，转子严重过流触发crowbar动作，风机运行于近似异步机的不可控状态，吸收大量无功会引起机端电压跌落进一步恶化(电压二次降落)。如果无功补偿设备投切速度过于缓慢，由于无功不足会引起一些距故障点电气距离较远而故障时刻并未动作的风机联动，即由于缺乏无功支撑引起大面积风机低压脱网。

考虑到元件保护动作后，断路器切除故障元件，距故障点较近且crowbar已动作的风电机组脱离电网，即大量无功负荷被切除。无论故障后电压降低是否投入无功，此时电网都可能出现无功过剩致使系统过电压的情况，而目前入网风机普遍不具备高压穿越能力，电压持续过高又会引起大量风电机涉网过压保护动作，即又引起大面积风机高压脱网。过电压产生是由于系统无功容量过剩、风机机端电压升高造成的，随即风机过电压保护动作切除风机。阻止这一过程的方法应从两方面考虑：一是降低系统无功容量，降低风机机端电压；二是提高风机耐受电压能力。

从保护风机的角度考虑，风机的耐受高电压的程度和时间无限制的提高是不可行的，但是为了保护系统安全，阻止风机连锁切机，电网对风机的耐受高电压水平和时间都需要有一定的要求。当风机的机端电压升高时，风机能够维持并网运行一段时间，在这段时间内系统无功紧急控制装置采用一定的措施来降低风机机端电压。这样风机的过电压保护不会动作，连锁故障被阻止。

目前部分风电场无功投切装置的运行于手动操作模式，不能快速得到补偿风电场故障后无功不足，无功过剩时又得不到快速及时切除，而当前的研究并没有一种能够在低压时快速补偿无功、故障切除电压恢复后防止无功过剩的解决策略。张曼等(张曼，姜惠兰.协调相邻风电场之间低压穿越的综合保护方案[J].电网技术，2013，37(00)：1-7)以故障期间双馈机组的无功功率特性为基础，提出了一种实现风电场之低压穿越协调控制的综合保护方案，从而能够防止撬棒的连锁动作，使风机自身能在故障期间为系统输送无功功率，提高相邻风电场出口电压，但计算方法太过繁琐和复杂，不适用于工程实际。杨烨等(杨桦，梁海峰，李庚银.含双馈感应电机的风电场协调控制策略[J].电网技术，2011,30(25)：23-28)采用遗传算法求解多目标优化模型，研究了双馈风电机组电压控制电容器组投切相结合的双馈风电场电压控制策略，但其只是将风电机组看作一台等值的风电机组，着重研究等值风电机组和集中补偿设备之间的无功配合，而忽略了实际风电场中由于线路无功损耗以及空间上风电机组分布造成的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统及控制方法，试图通过实时获取大型风电基地中各风电场中元件保护动作信息和并网点电压降落信息，并结合以上信息采用更为实用有效的逻辑控制手段来防止风电场中由于低压和高压穿越失败引起的大面积风机脱网。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统，所述控制系统包括通信机构，所述通信机构采用分布式分层结构，包括管理层、站控层和间隔层；其改进之处在于，所述管理层包括主控机、以及分别与主控机连接的本地调试监控台和远方调度集控中心；所述站控层包括分别与管理层主控机连接的电能管理机和保护管理机；所述间隔层包括通过现场总线或以太网总线分别与电能管理机连接的n个并网点电压测量单元和无功功率控制单元、以及通过现场总线或以太网总线分别与保护管理机连接的n个汇集线路保护测量单元。

进一步地，所述n个汇集线路保护测量单元均为35kV汇集线路保护测量单元，采用分散式结构，就地安装，通过现场总线或以太网总线与保护管理机实时通信；风电场的n个并网点电压测量单元，获取的实时信息传输至站控层的电能管理机集中收集处理；

所述电能管理机和保护管理机集中收集站控层获取的实时数据，通过现场总线或以太网总线将信息上传至上级管理层的主控机，主控机根据获取的实时保护信息和并网点电压信息制定各并网点的无控控制方案；

风电场并网点通过站控层的电能管理机传输至间隔层的无功功率控制单元实施，无功功率控制单元采用集中组屏安装于控制室或保护室内。

本发明还提供一种风电场综合无功控制系统的无功控制方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

步骤一：循环检验汇集线路元件保护的动作情况，并反复检测并网点电压是否发生降落，根据并网点电压降落幅度ΔU_i是否大于δ来判断，δ为并网点电压降落阈值，δ取值大于0.05pu；根据正常运行所允许的电压偏移幅度±5％来确定；

步骤二：判断并网点的性质，通过收集各并网点电压降落信息，比较各并网点电压降落程度ΔU_i确定该并网点是否与故障元件直接相连，i＝1，2……；

步骤三：故障期间，根据并网点是否与故障元件直接连接，采取不同的无功控制策略；

步骤四：故障元件切除后，由保护动作信号启动的无功投切联动装置(由无功控制系统控制)切除部分无功功率，控制剩余无功功率容量恢复至故障前无功比例水平，并恢复原风机无功功率参考值Q_ref；

同时采用防高压穿越循环判据ΔU_i＝Umeasure-Un<ΔU_lim＝+0.05pu判断故障切除后电压是否恢复超越额定水平，若恢复电压超越正常额定电压的5％，再切除少量无功功率ΔQ_quit＝0.05Q，此循环判断环节持续时间t>t₀，其中t₀为防高压穿越循环判据持续时间阈值，若此时间段内电压变化量ΔU＝Umeasure-Un一直满足小于ΔU_lim＝+0.05pu则表明系统脱离高压穿越脱网危险，则结束循环判据判别，反之继续通过切除少量无功功率手段以防止过电压；其中Q指故障切除后的无功补偿容量。

进一步地，所述步骤二中，对于并网点k，若电压降落幅度ΔU_k＝max{ΔU_i，i＝1，2……}，则此并网点距离故障点最近，检测该PCC母线所联断路器动作，加速断开故障元件；

若ΔU_k≠max{ΔU_i，i＝1，2……}，则故障点距离本并网点距离并非最近或者直接关联，其故障会引起本并网的电压降落，造成并网点所连接的风电场风机机端电压跌落、大规模风机撬棒crowbar纵序动作甚至连锁脱网。

进一步地，所述步骤三中，若判断并网点与故障元件直接相连，则为故障并网点，并网点距离故障点最近，电压降落最严重，检测故障公共连接点母线所联断路器动作情况，断开故障元件；

若判断并网点与故障元件并未直接相连，为非故障并网点，故障造成并网点电压降落程度不及故障并网点，采取无功调整措施，提高并网点电压水平，防止大规模风机低压连锁脱网事故的发生；

对于非故障并网点采取的无功调整措施包括①调整并网点SVC及SVG投入无功，根据并网点电压跌落程度调整风机的无功功率大小；②启动开启各台风机自带的风电机组紧急控制策略，根据并网点电压跌落程度ΔU投入SVC或SVG无功功率提升并网点电压。

进一步地，所述风电机组紧急控制策略包括下述步骤：

1)获取风机撬棒crowbar的动作信号和风机机端电压信号Uwt；

2)根据风机撬棒crowbar的动作信号判断风机撬棒保护是否启动：若撬棒crowbar动作可以发出相应的告警信息，表明风机撬棒保护动作，根据风机机端电压信号Uwt，重新给定风机网侧变频器无功功率参考值Q_ref；其中每台风机的新无功功率参考值Q_ref大小与故障时刻风机机端电压Uwt的跌落程度有关，Uwt跌落越严重，新参考值Q_ref应越大，其具体数值与风机网侧变频器容量及其控制系统相关参数有关；其中的Q指故障切除后的无功补偿容量。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统及控制方法有效调节多风场之间无功功率在低高压穿越期间不足或过剩的情况，同时最大发挥风电机自身的网侧变频器无功提供能力以改善风机机端和并网点故障期间的电压，从而避免大面积风机由于低压或高压穿越脱网形成连锁故障。

2、本发明结合大型风电基地中各风电场并网点的电压信息以及风电场元件的保护动作信息，充分利用风电场中风机网侧和风电场无功补偿设备的无功补偿能力，通过合理的逻辑顺序在不同的时间尺度内采用分层通信机构进行控制，能够防止大型风电基地中风电场内故障后由于无功不足而引发的大规模风机低电压穿越失败脱网，同时能够防止故障元件被切除后由于无功功率过剩引起的高压穿越失败引发的大规模风机脱网。

附图说明

图1是本发明提供的综合无功控制系统原理图；

图2是本发明提供的防连锁故障无功控制系统通信机构分层结构图；

图3是本发明提供的综合无功功率控制方法流程图；

图4是本发明提供的综合无功控制动作流程时间轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的综合无功控制系统原理图如图1所示，为实现有效防止低压、高压穿越失败引起的风电场连锁故障所采用的技术方案为：实时收集大型风电基地中各个风电场并网点电压跌落信息，快速并充分利用风机网侧变频器及风电场无功补偿设备无功发出能力以防范风机低压脱网，实时获取各风电场保护元件动作信息，在故障元件被切除前切除部分无功功率，以防范风机高压脱网。

具体描述为：对于距离故障点电气距离最近的并网点(简化称其为故障并网点)，检测该并网点所联保护和断路器的动作情况加速切除故障元件。对于距离故障点电气距离并非最近的并网点(简化称其为非故障并网点)，根据该非故障并网点所联机端电压跌落程度，快速修正风机网侧变频器的无功功率参考值Q_ref，同时结合非故障并网点的电压降落程度ΔU_i，可确定为防范低压脱网各非故障并网点对应无功补偿设备(SVC等)需要增发的无功容量。为避免无功功率过剩引起的高压穿越故障，保护一旦动作发出跳闸信号，设置由保护动作信号启动的联动装置随之切除相应增发的无功补偿容量。

本发明提供的防连锁故障无功控制系统通信机构分层结构图如图2所示，控制系统包括通信机构，所述通信机构采用分布式分层结构，包括依次进行通信的管理层、站控层和间隔层；管理层包括主控机、以及分别与主控机连接的本地调试监控台和远方调度集控中心；所述站控层包括分别与管理层主控机连接的电能管理机和保护管理机；所述间隔层包括通过现场总线或以太网总线分别与电能管理机连接的n个并网点电压测量单元和无功功率控制单元、以及通过现场总线或以太网总线分别与保护管理机连接的n个汇集线路保护测量单元。

n个汇集线路保护测量单元均为35kV汇集线路保护测量单元，采用分散式结构，就地安装，通过现场总线或以太网总线与保护管理机实时通信；风电场的n个并网点电压测量单元，获取的实时信息传输至站控层的电能管理机集中收集处理；所述电能管理机和保护管理机集中收集站控层获取的实时数据，通过现场总线或以太网总线将信息上传至上级管理层的主控机，主控机根据获取的实时保护信息和并网点电压信息制定各并网点的无控控制方案；风电场并网点通过站控层的电能管理机传输至间隔层的无功功率控制单元实施，无功功率控制单元采用集中组屏安装于控制室或保护室内。

本发明提供的综合无功功率控制方法流程图如图3所示，包括下述步骤：

步骤一：循环检验汇集线路元件保护的动作情况，并反复检测并网点电压是否发生降落，根据并网点电压降落幅度ΔU_i是否大于δ来判断，δ为并网点电压降落阈值，δ取值大于0.05pu；根据正常运行所允许的电压偏移幅度±5％来确定；

步骤二：判断并网点的性质，通过收集各并网点电压降落信息，比较各并网点电压降落程度ΔU_i(i＝1，2……)确定该并网点是否与故障元件直接相连。对于并网点k，若电压降落幅度ΔU_k＝max{ΔU_i，i＝1，2……}，则此并网点距离故障点最近，检测该PCC母线所联断路器动作，加速断开故障元件；

若ΔU_k≠max{ΔU_i，i＝1，2……}，则故障点距离本并网点距离并非最近或者直接关联，其故障会引起本并网的电压降落，造成并网点所连接的风电场风机机端电压跌落、大规模风机撬棒crowbar纵序动作甚至连锁脱网。

步骤三：若判断某并网点与故障元件直接相连，为故障并网点，此并网点距离故障点最近，电压降落最严重，应快速检测故障PCC母线所联断路器动作情况，加速断开故障元件；若判断某并网点与故障元件并未直接相连，为非故障并网点，故障造成并网点电压降落程度不及故障并网点，此时需要采取一定的无功调整措施，提高并网点电压水平，防止大规模风机低压连锁脱网事故的发生。对于非故障并网点采取的措施有：1)获取风机撬棒crowbar的动作信号和风机机端电压信号Uwt；2)根据风机撬棒crowbar的动作信号判断风机撬棒保护是否启动：若撬棒crowbar动作可以发出相应的告警信息，表明风机撬棒保护动作，根据风机机端电压信号Uwt，重新给定风机网侧变频器无功功率参考值Q_ref；其中每台风机的新无功功率参考值Q_ref大小与故障时刻风机机端电压Uwt的跌落程度有关，Uwt跌落越严重，新参考值Q_ref应越大，其具体数值与风机网侧变频器容量及其控制系统相关参数有关；其中的Q指故障切除后的无功补偿容量。

步骤四：故障元件切除后，由保护动作信号启动的无功投切联动装置(由无功控制系统控制)切除部分无功功率，控制剩余无功功率容量恢复至故障前无功比例水平，并恢复原风机无功功率参考值Q_ref；

同时采用防高压穿越循环判据ΔU_i＝Umeasure-Un<ΔU_lim＝+0.05pu判断故障切除后电压是否恢复超越额定水平，若恢复电压超越正常额定电压的5％，再切除少量无功功率ΔQ_quit＝0.05Q，此循环判断环节持续时间t>t₀，其中t₀为防高压穿越循环判据持续时间阈值，若此时间段内电压变化量ΔU＝Umeasure-Un一直满足小于ΔU_lim＝+0.05pu则表明系统脱离高压穿越脱网危险，则结束循环判据判别，反之继续通过切除少量无功功率手段以防止过电压；其中Q指故障切除后的无功补偿容量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于保护动作信息的风电场综合无功控制系统，所述控制系统包括通信机构，所述通信机构采用分布式分层结构，包括管理层、站控层和间隔层；其特征在于，所述管理层包括主控机、以及分别与主控机连接的本地调试监控台和远方调度集控中心；所述站控层包括分别与管理层主控机连接的电能管理机和保护管理机；所述间隔层包括通过现场总线或以太网总线分别与电能管理机连接的n个并网点电压测量单元和无功功率控制单元、以及通过现场总线或以太网总线分别与保护管理机连接的n个汇集线路保护测量单元；

所述n个汇集线路保护测量单元均为35kV汇集线路保护测量单元，采用分散式结构，就地安装，通过现场总线或以太网总线与保护管理机实时通信；风电场的n个并网点电压测量单元，获取的实时信息传输至站控层的电能管理机集中收集处理；

所述电能管理机和保护管理机集中收集站控层获取的实时数据，通过现场总线或以太网总线将信息上传至上级管理层的主控机，主控机根据获取的实时保护信息和并网点电压信息制定各并网点的无控控制方案；

风电场并网点通过站控层的电能管理机传输至间隔层的无功功率控制单元实施，无功功率控制单元采用集中组屏安装于控制室或保护室内。

2.一种如权利要求1所述的风电场综合无功控制系统的无功控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤一：循环检验汇集线路元件保护的动作情况，并反复检测并网点电压是否发生降落，根据并网点电压降落幅度ΔU_i是否大于δ来判断，δ为并网点电压降落阈值，δ取值大于0.05pu；所述并网点电压根据正常运行所允许的电压偏移幅度±5％来确定；

步骤二：判断并网点的性质，通过收集各并网点电压降落信息，比较各并网点电压降落程度ΔU_i确定该并网点是否与故障元件直接相连，i＝1，2……；

步骤三：故障期间，根据并网点是否与故障元件直接连接，采取不同的无功控制策略；

步骤四：故障元件切除后，由保护动作信号启动的无功投切联动装置切除部分无功功率，控制剩余无功功率容量恢复至故障前无功比例水平，并恢复原风机无功功率参考值Q_ref；

同时采用防高压穿越循环判据ΔU_i＝Umeasure-Un<ΔU_lim＝+0.05pu判断故障切除后电压是否恢复超越额定水平，若恢复电压超越正常额定电压的5％，再切除少量无功功率ΔQ_quit＝0.05Q，此循环判断环节持续时间t>t₀，其中t₀为防高压穿越循环判据持续时间阈值，若此时间段内电压变化量ΔU＝Umeasure-Un一直满足小于ΔU_lim＝+0.05pu则表明系统脱离高压穿越脱网危险，则结束循环判据判别，反之继续通过切除少量无功功率手段以防止过电压；其中Q指故障切除后的无功补偿容量；

所述步骤二中，对于并网点k，若电压降落幅度ΔU_k＝max{ΔU_i，i＝1，2……}，则此并网点距离故障点最近，检测PCC母线所联断路器动作，加速断开故障元件；

若ΔU_k≠max{ΔU_i，i＝1，2……}，则故障点距离本并网点距离并非最近或者直接关联，其故障会引起本并网的电压降落，造成并网点所连接的风电场风机机端电压跌落、大规模风机撬棒crowbar纵序动作甚至连锁脱网；

所述步骤三中，若判断并网点与故障元件直接相连，则为故障并网点，并网点距离故障点最近，电压降落最严重，检测故障公共连接点母线所联断路器动作情况，断开故障元件；

若判断并网点与故障元件并未直接相连，为非故障并网点，故障造成并网点电压降落程度不及故障并网点，采取无功调整措施，提高并网点电压水平，防止大规模风机低压连锁脱网事故的发生；

对于非故障并网点采取的无功调整措施包括①调整并网点SVC及SVG投入无功，根据并网点电压跌落程度调整风机的无功功率大小；②启动开启各台风机自带的风电机组紧急控制策略，根据并网点电压跌落程度ΔU投入SVC或SVG无功功率提升并网点电压。

3.如权利要求2所述的无功控制方法，其特征在于，所述风电机组紧急控制策略包括下述步骤：

1)获取风机撬棒crowbar的动作信号和风机机端电压信号Uwt；

2)根据风机撬棒crowbar的动作信号判断风机撬棒保护是否启动：若撬棒crowbar动作发出相应的告警信息，表明风机撬棒保护动作，根据风机机端电压信号Uwt，重新给定风机无功功率参考值Q_ref；其中每台风机无功功率参考值Q_ref大小与故障时刻风机机端电压Uwt的跌落程度有关，Uwt跌落越严重，风机无功功率参考值Q_ref越大，其具体数值与风机网侧变频器容量及其控制系统相关参数有关。