CN105703382B - 一种风电场次同步振荡抑制方法和系统 - Google Patents
一种风电场次同步振荡抑制方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种风电场次同步振荡抑制方法和系统，所述方法包括步骤：A、检测风电场出口母线电流，获取母线电流各次同步频率的电流分量；B、当某一次同步频率分量超过预定阈值时，启动风电场次同步振荡抑制；C、对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角，调节晶闸管控制串联电容的容抗。利用本发明的风电场次同步振荡抑制方法和系统，能够适应风电场灵活多变的运行工况，更加适合抑制风电场次同步振荡。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统控制技术领域，尤其是涉及到可再生风电领域的控制技术。
背景技术
近年来，我国大力发展可再生能源，特别是在风电能源的开发与利用领域有了长足发展。由于风电资源一般位于远离负荷中心的偏远地区，因此远距离外送成为风电消纳的主要方式。为提高输电效率，在远距离输电时常采用串联补偿技术。但是串联补偿技术容易引发风电机组的次同步振荡问题，威胁风电场安全稳定运行。实际中已发生多次因次同步振荡导致的风电场切机事故。
次同步振荡现象最早发现于火电机组，包括次同步谐振(SubSynchrousResonance，SSR)与装置引起的次同步振荡(SubSynchrous Torsional InteractionSSTI)，二者均与发电机轴系自然扭振频率有关。风电机组的次同步振荡是随着风力发电快速发展而产生的新的振荡形式，主要是由于风电机组的快速调节特性可能导致系统在次同步频率下出现负阻尼。这种振荡形式被称为次同步控制相互作用(SubsynchronousControl Interaction，SSCI)。与传统SSR与SSTI不同的是，SSCI没有发电机轴系参与。同时，随着风电场运行方式的改变振荡模态也发生变化，没有固定的振荡模态。传统的火电机组次同步振荡抑制方法多采集转速作为输入信号，然而风电场内风电机组较多，每台机组运行状态不一致，难以采集发电机转速作为输入信号。因此，用于抑制火电机组次同步振荡的方法无法直接用于风电场次同步振荡的抑制。
晶闸管控制串联电容(GCSC)由两个反串并联全控型的GTO形成的等效开关阀与一个固定电容并联构成(如图1所示)，可实现增大线路输送能力、优化潮流、降低网损等功能。GCSC通过改变GTO关断延迟角可连续控制电容电压，由于流过GCSC的电流不变，其串入线路的容抗可实现连续调节，如图2所示。本发明利用GCSC容抗控制模式可以灵活调节容抗的特性，提出一种基于GCSC的风电场次同步振荡抑制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的旨在克服现有技术中传统的火电机组次同步振荡抑制方法多采集转速作为输入信号，然而风电场内风电机组较多，每台机组运行状态不一致，难以采集发电机转速作为输入信号，因此，用于抑制火电机组次同步振荡的方法无法直接用于风电场次同步振荡的抑制的问题，提出一种基于GCSC的风电场次同步振荡抑制方法，利用晶闸管控制串联电容GCSC能够灵活调节串入线路的容抗的特点，并加入附加控制，干扰次同步振荡自然建立过程，实现对风电场次同步振荡的抑制。
为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
本发明请求保护一种风电场次同步振荡抑制方法，包括如下步骤：
A、检测风电场出口母线电流，获取母线电流各次同步频率的电流分量；
B、当某一次同步频率分量超过预定阈值时，启动风电场次同步振荡抑制；
C、对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角，调节晶闸管控制串联电容的容抗。
其中，步骤C中，对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角包括：
C1、确定不同运行工况对于风电场次同步振荡频率和振荡幅值的影响；
C2、利用振荡频率确定模态滤波的参数，利用振荡幅值确定放大环节的参数，利用运行工况决定相位补偿环节的参数，对母线电流信号进行调整。
进一步地，所述运行工况包括风电场出力和系统串补度，步骤C2中包括：
C21、利用系统串补度与振荡频率关系，确定模态滤波的参数；
C22、利用风电场出力与振荡幅值关系，确定放大环节的参数；
C23、利用确定相位补偿环节，其中有，
其中ωx为振荡点角频率；θ为需要补偿的角度；T1、为为补偿环节时间常数。
其中，模态滤波的带通频率范围为±0.5Hz。
本发明还请求保护一种风电场次同步振荡抑制系统，所述系统包括电信号检测单元、自适应参数设置单元、模态滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元，其中，
电信号检测单元用于检测风电场出口母线电流，获取母线电流各频率的次同步电流分量；
自适应参数设置单元用于当某一次同步频率分量超过预定阈值时，启动风电场次同步振荡抑制，并自适应配置模态滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元的相关参数；
滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元分别对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角，调节晶闸管控制串联电容的容抗。
通过采用本发明的风电场次同步振荡抑制方法，利用晶闸管控制电容器GCSC能够灵活改变串入线路容抗的特点，达到抑制风电场次同步振荡的目的。与采用其他FACTS装置抑制次同步振荡的方法相比，所述方法原理清晰、控制系统结构简单、能够适应风电场灵活多变的运行工况，更加适合抑制风电场次同步振荡。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中GCSC的结构示意图。
图2是本发明具体实施方式中GCSC控制结构图。
图3是本发明具体实施方式中GCSC附加控制结构图。
图4是本发明具体实施方式中测试系统接线图。
图5是本发明具体实施方式中串补度与出力对含GCSC风电场次同步振荡特性的影响，其中，图(a)为振荡幅值变化图，图(b)为振荡频率变化图。
图6是自适应参数设置单元输入输出示意图。
图7是本发明具体实施方式中基于GCSC的风电场次同步振荡抑制方法的抑制效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
本发明具体实施例中风电场次同步振荡抑制系统的接线如图4所示，风电场内所有风电机组等值为一台风机，经晶闸管控制电容器(GCSC)送出，与无穷大系统相连。电磁暂态仿真模型在PSCAD/EMTDC中搭建。例如风电场额定出力为200MW，额定工况下系统串补度为10％。等值风机类型选择目前最常用的，且受次同步振荡影响最大的双馈风电机组，轴系采用单质量块模型，变频器采用软件内的高频开关器件模型搭建。通过在图4所示故障点设置接地故障，激发风电场的次同步振荡。
在上述测试系统中，形成自适应参数设置单元，具体步骤包括：
1)搭建包含晶闸管控制电容器(GCSC)的风电场电磁暂态仿真模型，其中风电场内所有风机可用一台风机进行等值。
测试系统搭建完毕后，需验证系统在稳态运行时是否稳定，出力是否达到额定值；还需验证在故障时，能否激发出典型的次同步振荡现象。验证无误后即可进行下一步。
2)分析不同运行工况对含晶闸管控制电容器(GCSC)的风电场次同步振荡特性的影响，其中特性主要指振荡频率与振荡幅值。
所述运行工况主要指风电场出力与系统串补度。通过时域仿真分别分析风电场出力与系统串补度对含GCSC风电场次同步振荡频率与幅值的影响。
分析串补度对含GCSC风电场次同步振荡特性的影响时，风电场保持额定功率200MW输出，基准串补度为10％，分别设置0.8倍串补度、1.0倍串补度、1.3倍串补度、1.5倍串补度，观察风电场输出有功功率，分析结果如图5所示。随着串补度增加测试系统的振荡幅值与频率均上升。
分析风电场出力对含GCSC风电场次同步振荡特性的影响时，系统串补度保持为10％，分别设置风电场出力为0.5p.u.，0.8p.u.，1.0p.u.，1.2p.u.，观察风电场输出有功功率，仿真结果如图6所示。随着风速增加，振荡发散程度下降，振荡频率上升。
3)按照运行工况不同，采用时域仿真法确定附加控制各环节参数，其中振荡频率决定滤波环节参数，振荡幅值决定放大环节参数，运行工况决定相位补偿环节参数。
在测试系统中补充搭建GCSC附加控制系统。按照串补度不同与风电场出力不同，形成各个运行工况。通过前期时域分析，确定振荡频率、振荡幅值、需补偿相位的范围，并划分等级，形成针对不同特性次同步振荡的自适应参数。
振荡频率决定滤波环节参数。由前述特性分析可知，串补度对振荡频率的影响大于风电场出力对振荡频率的影响。系统串补度作为运行参数可以通过实时测量与计算得到。仿真确定不同串补度下系统次同步振荡频率，形成串补度与振荡频率的对应关系。考虑到风电场出力对振荡频率的影响，滤波环节带通频率设置为±0.5Hz。
振荡幅值决定放大环节参数。风电场出力较大时，初始振荡幅值高，但不一定会发散；风电场出力较小时，初始振荡幅值较小，但是有可能会快速发散。因此，可针对不同风电场出力，根据初始振荡幅值大小，分别设置放大环节参数。
运行工况决定相位补偿环节参数。相位补偿环节采用表达式实现，其参数计算方法如下：
式中，ωx为振荡点角频率；θ为需要补偿的角度；T1、T2为补偿环节时间常数。在不同运行工况下，测得关断角偏差Δγ到系统有功功率间的相角差，形成自适应参数设置库中的相位补偿环节参数。
完整的自适应参数设置库输入输出如图6所示。
由含GCSC风电场次同步振荡特性分析可知，由于风电场出力不同，导致此类情况出现：初始次同步振荡电流分量较大，但可快速衰减；初始次同步振荡电流分量较小，但持续发散。因此，附加控制系统的电信号检测环节，应根据风电场出力不同，分别设置预定阈值Iset。同时，检测振荡开始后0.2s振荡幅值，若小于预定阈值Iset则不启动附加控制。
对本实施例进行抑制效果验证，仿真结果如图7所示。可以看出，附加控制起作用后，风电场次同步振荡得到抑制，且抑制效果良好。
因此，本发明包括一种风电场次同步振荡抑制方法，所述方法包括以下步骤：
A、检测风电场出口母线电流，获取母线电流各次同步频率的电流分量；
B、当某一次同步频率分量超过预定阈值时，启动风电场次同步振荡抑制；
C、对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角，调节晶闸管控制串联电容的容抗。
步骤C中，对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角包括：
C1、确定不同运行工况对于晶闸管控制串联电容振荡频率和振荡幅值的影响；
C2、利用振荡频率确定模态滤波的参数，利用振荡幅值确定放大环节的参数，利用运行工况决定相位补偿环节的参数，对母线电流信号进行调整。
特别地，所述运行工况包括风电场出力和系统串补度，步骤C2中包括：
C21、利用系统串补度与振荡频率关系，确定模态滤波的参数；
C22、利用风电场出力与振荡幅值关系，确定放大环节的参数；
C23、利用确定相位补偿环节，其中有，
其中ωx为振荡点角频率；θ为需要补偿的角度；T1、为为补偿环节时间常数。
其中模态滤波的带通频率范围为±0.5Hz。
与本发明的风电场次同步振荡抑制方法相对应，本发明还包括一种风电场次同步振荡抑制系统，所述系统包括电信号检测单元、自适应参数设置单元、模态滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元，其中，
电信号检测单元用于检测风电场出口母线电流，获取母线电流各频率的次同步电流分量；
自适应参数设置单元用于当某一次同步频率分量超过预定阈值时，启动风电场次同步振荡抑制，并自适应配置模态滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元的相关参数；
所述滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元分别对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角，调节晶闸管控制串联电容的容抗。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明距离保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的距离保护范围。
Claims (3)
1.一种风电场次同步振荡抑制方法，包括步骤：
A、检测风电场出口母线电流，获取母线电流各次同步频率的电流分量；
B、当某一次同步频率分量超过预定阈值时，启动风电场次同步振荡抑制；
C、对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角，调节晶闸管控制串联电容的容抗，具体包括以下步骤：
C1、确定不同运行工况对于风电场次同步振荡频率和振荡幅值的影响；
C2、利用振荡频率确定模态滤波的参数，利用振荡幅值确定放大环节的参数，利用运行工况决定相位补偿环节的参数，对母线电流信号进行调整；
所述运行工况包括风电场出力和系统串补度，步骤C2中包括：
C21、利用系统串补度与振荡频率关系，确定模态滤波的参数；
C22、利用风电场出力与振荡幅值关系，确定放大环节的参数；
C23、利用确定相位补偿环节，其中有，
其中ωx为振荡点角频率；θ为需要补偿的角度；T1、T2为补偿环节时间常数。
2.根据权利要求1中所述的风电场次同步振荡抑制方法，其特征在于，模态滤波的带通频率范围为±0.5Hz。
3.一种风电场次同步振荡抑制系统，所述系统包括电信号检测单元、自适应参数设置单元、模态滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元，其中，
电信号检测单元用于检测风电场出口母线电流，获取母线电流各频率的次同步电流分量；
自适应参数设置单元用于当某一次同步频率分量超过预定阈值时，启动风电场次同步振荡抑制，并自适应配置模态滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元的相关参数；
所述自适应参数设置单元通过搭建包含晶闸管控制电容器的风电场电磁暂态仿真模型，经过时域仿真分别分析风电场出力与系统串补度对含晶闸管控制电容器的风电场次同步振荡频率与振幅幅值的影响；按照串补度不同与风电场出力不同，形成各个运行工况，再按照运行工况不同，通过时域分析，确定振荡频率、振荡幅值、需补偿相位的范围，并划分等级，形成针对不同特性次同步振荡的自适应参数，包括滤波环节参数，放大环节参数以及相位补偿环节参数，其中振荡频率决定滤波环节参数，振荡幅值决定放大环节参数，运行工况决定相位补偿环节参数；
滤波单元、放大环节单元和相位补偿单元分别对母线电流信号进行模态滤波、放大环节和相位补偿，调整晶闸管控制串联电容的关断延迟角，调节晶闸管控制串联电容的容抗。
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