CN106558883B - 一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统,系统包括无功补偿装置的主电路模块及用于控制无功补偿装置的控制模块;主电路模块中的运行模型为理想电流源模型。控制模块包括信号采集单元、正常控制策略单元、故障控制策略单元、故障识别单元以及输出单元。本发明提出的系统,全面考虑了无功补偿装置正常工况下建模、故障识别建模和故障穿越建模等环节;实现了可通过模型用户界面进行设定,进而实现了对实际风电场中品种繁多的无功补偿装置进行准确建模,同时也提高了建模的灵活性、准确性及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电及并网评价技术领域,具体涉及一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统。
背景技术
风电场一般处在电网末端,和主电网的连接较弱,容易发生电压故障,导致电压不稳定等问题,为此风电场一般都加装无功补偿装置改善其电压稳定性,因此无功补偿装置的运行性能对整个风电场的安全稳定运行有着重要影响,目前国内风电场的无功补偿装置种类繁多,控制策略不一,运行特性差异很大,无功补偿装置的建模准确性对风电场的并网评价工作有着重要意义。
然而,目前大部分电力系统分析软件自带的无功补偿装置模型控制策略单一,并且更多考虑装置的正常工况下控制性能,未考虑实际设备控制策略多样化、故障响应特性差异较大的特点,因此在仿真过程中很难反映出实际设备的运行性能。
发明内容
有鉴于此,本发明提供的一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统,该系统全面考虑了无功补偿装置正常工况下建模、故障识别建模和故障穿越建模等环节;实现了可通过模型用户界面进行设定,进而实现了对实际风电场中品种繁多的无功补偿装置进行准确建模,同时也提高了建模的灵活性、准确性及可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统,所述无功补偿装置安装在电网中的母线上;所述系统包括无功补偿装置的主电路模块及用于控制所述无功补偿装置的控制模块;
所述主电路模块中的运行模型为理想电流源模型。
优选的,所述理想电流源模型中的输入侧为有功电流参考值idref及无功电流参考值iqref;所述理想电流源模型中的三相输出侧为:
式(1)中,iaref、ibref、icref分别为三相电流的输出值,θ为DQ同步旋转坐标系变换角,其中D轴采用并网点电压矢量定向。
优选的,所述控制模块包括信号采集单元、正常控制策略单元、故障控制策略单元、故障识别单元以及输出单元;
所述信号采集单元的输入端连接至接入点及电网控制点上的采样传感器;
所述故障识别单元、正常控制策略单元及故障控制策略单元的输入端分别与所述信号采集单元的输出端连接;
所述正常控制策略单元、故障控制策略单元输出端用1个两相位置选择开关连接至所述输出单元;故障识别模块的输出连接至两相位置选择开关的控制端;
所述信号采集单元的输出端连接至所述输出单元。
优选的,所述信号采集单元用于采集所述控制点及接入点的电压、有功功率和无功功率,并将采集到的数据信息经一阶惯性环节输出至所述正常控制策略单元、故障控制策略单元及故障识别单元。
优选的,所述正常控制策略单元根据控制策略控制正常工况下的所述控制点;所述控制策略包括恒电压控制策略,恒功率控制策略及恒功率因数控制策略。
优选的,所述恒电压控制策略用于将所述控制点的电压维持在电压参考值范围[Umin,Umax]内,在所述恒电压控制策略下的所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
其中,
式(2)中,K为比例常数,T为积分时间常数,ΔU为电压偏离误差,Umax为电压最大值;Upcc为母线电压;Umin为电压最小值;
所述恒功率控制策略用于将所述控制点的无功功率值维持为无功功率参考值Qref,在所述恒功率控制策略下的所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
Qsvg_ref=Qref-Qpcc+Qsvg (3)
式(3)中,Qref为所述控制点的无功功率参考值;Qpcc为控制点的无功功率;Qsvg为无功补偿装置接入点无功功率;
所述恒功率因数控制策略用于将所述控制点的功率因数维持为功率因数参考值PFref,在所述恒功率因数控制策略下的所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
式(4)中,PFref为所述控制点的功率因数参考值;Ppcc,Qpcc为控制点的有功功率、无功功率;
所述恒电压控制策略、恒功率控制策略及恒功率因数控制策略之间的转换通过修改控制参数实现。
优选的,所述故障控制策略单元用于在故障情况下,根据控制参数对所述控制点的电压偏离值进行比例积分运算,得到所述无功补偿装置的无功功率参考值;所述控制参数包括PI调节器参数Kf及Tf,电压跌落临界值Ul1,电压升高临界值Uh1,输入信号为控制点电压Upcc,输出信号为所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref:
优选的,所述故障识别单元根据与所述控制点的电压幅值对所述电网的故障情况进行判断及给出故障状态标志位,并进行临界电压滞环控制和故障时间死区控制。
优选的,所述故障识别单元将电压跌落的临界值设置为Ul1,恢复临界值设置为Ul2,其中Ul1<Ul2;
当电压低于Ul1的时间超过跌落触发判别时间Δtl1时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压跌落故障;此时输出故障状态标志位为flag=1;
当电压跌落后从故障状态恢复至U12的时间超过跌落恢复判别时间Δtl2时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压恢复,此时输出故障状态标志位为flag=0;
所述故障识别单元将电压升高的临界值设置为Uh1,恢复临界值设置为Uh2,其中Uh2<Uh1;
当电压高于Uh1的时间超过升高触发判别时间Δth1时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压过高故障,此时输出故障状态标志位为flag=1;
当电压低于Uh2的时间超过升高恢复判别时间Δth2时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压恢复正常,此时输出故障状态标志位为flag=0。
优选的,所述输出单元根据故障状态标志位选择正常工作模式或故障工作模式,并将电流参考值输出至所述主电路模块;所述输出单元的控制参数包括所述无功补偿装置的额定损耗PN、电流额定值IN及输出延时时间常数Tout;
所述输出单元的输入侧为无功功率参考值Qsvg_ref及故障状态标志位flag,其输出侧为无功电流参考值idref和有功电流参考值iqref:
式(6)中,Ud为采用并网点电压空间矢量定向时DQ坐标系下的并网点电压d轴分量,Qsvg_ref为无功功率参考值;Qsvg_ref根据故障状态标志位flag进行选择,当flag=1时,由所述故障控制策略单元给出Qsvg_ref的值;当flag=0时,由所述正常控制模块给出Qsvg_ref的值,无功电流参考值idref和有功电流参考值iqref经输出延时环节给主电路。
从上述的技术方案可以看出,本发明提供了一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统,系统包括无功补偿装置的主电路模块及用于控制无功补偿装置的控制模块;主电路模块中的运行模型为理想电流源模型。控制模块包括信号采集单元、正常控制策略单元、故障控制策略单元、故障识别单元以及输出单元。该系统全面考虑了无功补偿装置正常工况下建模、故障识别建模和故障穿越建模等环节;实现了可通过模型用户界面进行设定,进而实现了对实际风电场中品种繁多的无功补偿装置进行准确建模,同时也提高了建模的灵活性、准确性及可靠性。
与最接近的现有技术比,本发明提供的技术方案具有以下优异效果:
1、本发明所提供的技术方案中,全面考虑了无功补偿装置正常工况下建模、故障识别建模和故障穿越建模等环节。其中正常工况下的建模包括恒电压控制,恒功率控制,恒功率因数控制等几种常见的控制策略,故障识别建模包括临界电压滞环控制和故障时间死区控制,故障穿越建模包括设备无功功率参考值的发生策略。反应设备运行性能的各种参数,包括控制策略选择,控制目标值设定,设备采样和输出延时,故障识别过程中电压滞环和死区时间设定等参数,均可通过模型用户界面进行设定,只需通过修改模型参数即可调节模型的输出特性,实现了对实际风电场中品种繁多的无功补偿装置进行准确建模。
2、本发明所提供的技术方案,提高了建模的灵活性、准确性及可靠性。
3、本发明提供的技术方案,应用广泛,具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明的一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统的总结构示意图;
图2是本发明的控制系统的控制模块的结构示意图;
图3是本发明的控制系统的应用例的无功补偿装置在风电场中典型应用的示意图;
图4是本发明的控制系统的应用例的结构及过程示意图;
图5是本发明的控制系统的应用例中的低电压故障识别过程图;
图6是本发明的控制系统的应用例中的高电压故障识别过程图;
图7是本发明的控制系统的应用例中的正常控制策略的示意图。
具体实施方式
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、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1和2所示,本发明提供一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统,无功补偿装置安装在电网中的母线上;包括无功补偿装置的主电路模块及用于控制无功补偿装置的控制模块;
主电路模块中的运行模型为理想电流源模型。
理想电流源模型中的输入侧为有功电流参考值idref及无功电流参考值iqref;理想电流源模型中的三相输出侧为:
上式中,iaref、ibref、icref分别为三相电流的输出值,θ为DQ同步旋转坐标系变换角,其中D轴采用并网点电压矢量定向。
控制模块包括信号采集单元、正常控制策略单元、故障控制策略单元、故障识别单元以及输出单元;
信号采集单元的输入端连接至接入点及电网控制点上的采样传感器;
故障识别单元、正常控制策略单元及故障控制策略单元的输入端分别与信号采集单元的输出端连接;
正常控制策略单元、故障控制策略单元输出端用1个两相位置选择开关连接至输出单元;故障识别模块的输出连接至两相位置选择开关的控制端;
信号采集单元的输出端连接至输出单元。
信号采集单元用于采集控制点及接入点的电压、有功功率和无功功率,并将采集到的数据信息经一阶惯性环节输出至正常控制策略单元、故障控制策略单元及故障识别单元。
正常控制策略单元根据控制策略控制正常工况下的控制点;控制策略包括恒电压控制策略,恒功率控制策略及恒功率因数控制策略。
恒电压控制策略用于将控制点的电压维持在电压参考值范围[Umin,Umax]内,在恒电压控制策略下的无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
其中,
上式中,K为比例常数,T为积分时间常数,ΔU为电压偏离误差,Umax为电压最大值;Upcc为母线电压;Umin为电压最小值;
恒功率控制策略用于将控制点的无功功率值维持为无功功率参考值Qref,在恒功率控制策略下的无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
Qsvg_ref=Qref-Qpcc+Qsvg (3)
上式中,Qref为控制点的无功功率参考值;Qpcc为控制点的无功功率;Qsvg为无功补偿装置接入点无功功率;
恒功率因数控制策略用于将控制点的功率因数维持为功率因数参考值PFref,在恒功率因数控制策略下的无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
上式中,PFref为控制点的功率因数参考值;Ppcc,Qpcc为控制点的有功功率、无功功率;
恒电压控制策略、恒功率控制策略及恒功率因数控制策略之间的转换通过修改控制参数实现。
故障控制策略单元用于在故障情况下,根据控制参数对控制点的电压偏离值进行比例积分运算,得到无功补偿装置的无功功率参考值;控制参数包括PI调节器参数Kf及Tf,电压跌落临界值Ul1,电压升高临界值Uh1,输入信号为控制点电压Upcc,输出信号为无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref:
故障识别单元根据与控制点的电压幅值对电网的故障情况进行判断及给出故障状态位,并进行临界电压滞环控制和故障时间死区控制。
故障识别单元将电压跌落的临界值设置为Ul1,恢复临界值设置为Ul2,其中Ul1<Ul2;
当电压低于Ul1的时间超过跌落触发判别时间Δtl1时,故障识别单元判断电网当前状态为电压跌落故障;此时输出故障状态标志位为flag=1;
当电压跌落后从故障状态恢复至U12的时间超过跌落恢复判别时间Δtl2时,故障识别单元判断电网当前状态为电压恢复,此时输出故障状态标志位为flag=0;
故障识别单元将电压升高的临界值设置为Uh1,恢复临界值设置为Uh2,其中Uh2<Uh1;
当电压高于Uh1的时间超过升高触发判别时间Δth1时,故障识别单元判断电网当前状态为电压过高故障,此时输出故障状态标志位为flag=1;
当电压低于Uh2的时间超过升高恢复判别时间Δth2时,故障识别单元判断电网当前状态为电压恢复正常,此时输出故障状态标志位为flag=0。
输出单元根据状态标志位选择正常工作模式或故障工作模式,并将电流参考值输出至主电路模块;输出单元的控制参数包括无功补偿装置的额定损耗PN、电流额定值IN及输出延时时间常数Tout;
输出单元的输入侧为无功功率参考值Qsvg_ref及故障状态位flag,其输出侧为无功电流参考值idref和有功电流参考值iqref:
上式中,Ud为采用并网点电压空间矢量定向时DQ坐标系下的并网点电压d轴分量,Qsvg_ref为无功功率参考值;Qsvg_ref根据故障状态标志位flag进行选择,当flag=1时,由故障控制策略单元给出Qsvg_ref的值;当flag=0时,由正常控制模块给出Qsvg_ref的值,无功电流参考值idref和有功电流参考值iqref经输出延时环节给主电路。
本发明以无功补偿装置在风电场中的具体应用为例,提供一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统的搭建过程及操作的应用例:
如图3所示,步骤1:无功补偿装置安装在风电场35KV母线,主变为220KV/35KV,无功补偿装置控制目标一般为控制220KV母线电压或者主变高压侧的功率因数;无功补偿装置采用理想电流源模型建模,输入为有功电流参考值idref,无功电流参考值iqref,三相电流输出为:
如图4所示,模型控制器部分分为信号采集、正常控制策略、故障控制策略、故障识别模块以及输出模块一共五个部分,每一个控制模块都有相关的控制参数,以及输入输出变量。
步骤2:搭建信号采集模块,在图2中,采集信号包括220KV母线电压Upcc,主变高压侧并网点的有功功率Ppcc和无功功率Qpcc,无功补偿装置接入点电压Usvg,接入点无功功率Qsvg,采集信号经一阶惯性环节输出。
如图5和6所示,步骤3:搭建故障识别模块,故障识别模块包括临界电压滞环控制和故障时间死区控制,其中低电压判别过程如图4所示,电压跌落的临界值设置为Ul1,恢复临界值设置为Ul2,其中Ul1<Ul2。当电压低于Ul1时间超过Δtl1时判断为电压跌落故障,此时输出故障状态标志位为flag=1;电压跌落后从故障状态恢复至U12时间超过Δtl2时判断为电压恢复,此时输出故障状态标志位为flag=0;高电压判别过程.
如图7所示,电压升高的临界值设置为Uh1,恢复临界值设置为Uh2,其中Uh2<Uh1。当电压高于Uh1时间超过Δth1时判断为电压过高,此时输出故障状态标志位为flag=1;当电压低于Uh2时间超过Δth2时判断为电压恢复正常,此时输出故障状态标志位为flag=0
步骤4:搭建正常工况下控制策略模块,如图6所示,正常工况下控制模块包含三种控制策略,可通过控制参数CS进行灵活选择,当CS=1时为恒电压控制,CS=2时为恒无功功率控制,CS=3时为恒功率因数控制。
其中恒电压控制目标为保持控制点电压在电压参考值范围[Umin,Umax]内,无功补偿装置的无功功率参考值为:
其中:
恒无功功率控制目标为保持控制点无功功率为参考值Qref,无功补偿装置的无功功率参考值为:
Qsvg_ref=Qref-Qpcc+Qsvg
恒功率因数控制目标为保持控制点功率因数为参考值PFref,无功补偿装置的无功功率参考值为:
步骤5:搭建电网故障情况下的工作模块,相关控制参数为PI调节器参数Kf,Tf,电压跌落临界值Ul1,电压升高临界值Uh1,输入信号为控制点电压Upcc,输出信号为无功补偿装置无功功率参考值Qsvg_ref。
无功功率参考值Qsvg_ref根据下式计算得到:
搭建输出模块,相关控制参数为无功补偿装置的额定损耗PN,电流额定值IN,输出延时时间常数Tout。输入信号为无功功率参考值Qsvg_ref,故障状态位flag,输出为无功电流参考值和有功电流参考值,无功电流参考值和有功电流参考值为:
无功电流参考值和有功电流参考值为:
无功功率参考值Qsvg_ref根据故障状态标志位flag进行选择,当flag=1时,由故障控制模块给出,当flag=0时由正常控制模块给出,输出延时环节为
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管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依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于无功补偿装置的电网故障控制系统,所述无功补偿装置安装在电网中的母线上;其特征在于,所述系统包括无功补偿装置的主电路模块及用于控制所述无功补偿装置的控制模块;
所述主电路模块中的运行模型为理想电流源模型;
所述理想电流源模型中的输入侧为有功电流参考值idref及无功电流参考值iqref;所述理想电流源模型中的三相输出侧为:
式(1)中,iaref、ibref、icref分别为三相电流的输出值,θ为DQ同步旋转坐标系变换角,其中D轴采用并网点电压矢量定向;
所述控制模块包括信号采集单元、正常控制策略单元、故障控制策略单元、故障识别单元以及输出单元;
所述信号采集单元的输入端连接至接入点及电网控制点上的采样传感器;
所述故障识别单元、正常控制策略单元及故障控制策略单元的输入端分别与所述信号采集单元的输出端连接;
所述正常控制策略单元、故障控制策略单元输出端用1个两相位置选择开关连接至所述输出单元;故障识别模块的输出连接至两相位置选择开关的控制端;
所述信号采集单元的输出端连接至所述输出单元。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述信号采集单元用于采集所述控制点及接入点的电压、有功功率和无功功率,并将采集到的数据信息经一阶惯性环节输出至所述正常控制策略单元、故障控制策略单元及故障识别单元。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述正常控制策略单元根据控制策略控制正常工况下的所述控制点;所述控制策略包括恒电压控制策略,恒功率控制策略及恒功率因数控制策略。
4.如权利要求3所述的系统,其特征在于,
所述恒电压控制策略用于将所述控制点的电压维持在电压参考值范围[Umin,Umax]内,在所述恒电压控制策略下的所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
其中,
式(2)中,K为比例常数,T为积分时间常数,△U为电压偏离误差,Umax为电压最大值;Upcc为母线电压;Umin为电压最小值;
所述恒功率控制策略用于将所述控制点的无功功率值维持为无功功率参考值Qref,在所述恒功率控制策略下的所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
Qsvg_ref=Qref-Qpcc+Qsvg (3)
式(3)中,Qref为所述控制点的无功功率参考值;Qpcc为控制点的无功功率;Qsvg为无功补偿装置接入点无功功率;
所述恒功率因数控制策略用于将所述控制点的功率因数维持为功率因数参考值PFref,在所述恒功率因数控制策略下的所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref为:
式(4)中,PFref为所述控制点的功率因数参考值;Ppcc,Qpcc为控制点的有功功率、无功功率;
所述恒电压控制策略、恒功率控制策略及恒功率因数控制策略之间的转换通过修改控制参数实现。
5.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述故障控制策略单元用于在故障情况下,根据控制参数对所述控制点的电压偏离值进行比例积分运算,得到所述无功补偿装置的无功功率参考值;所述控制参数包括PI调节器参数Kf及Tf,电压跌落临界值Ul1,电压升高临界值Uh1,输入信号为控制点电压Upcc,输出信号为所述无功补偿装置的无功功率参考值Qsvg_ref:
6.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述故障识别单元根据与所述控制点的电压幅值对所述电网的故障情况进行判断及给出故障状态标志位,并进行临界电压滞环控制和故障时间死区控制。
7.如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述故障识别单元将电压跌落的临界值设置为Ul1,恢复临界值设置为Ul2,其中Ul1<Ul2;
当电压低于Ul1的时间超过跌落触发判别时间△tl1时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压跌落故障;此时输出故障状态标志位为flag=1;
当电压跌落后从故障状态恢复至U12的时间超过跌落恢复判别时间△tl2时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压恢复,此时输出故障状态标志位为flag=0;
所述故障识别单元将电压升高的临界值设置为Uh1,恢复临界值设置为Uh2,其中Uh2<Uh1;
当电压高于Uh1的时间超过升高触发判别时间△th1时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压过高故障,此时输出故障状态标志位为flag=1;
当电压低于Uh2的时间超过升高恢复判别时间△th2时,所述故障识别单元判断所述电网当前状态为电压恢复正常,此时输出故障状态标志位为flag=0。
8.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述输出单元根据故障状态标志位选择正常工作模式或故障工作模式,并将电流参考值输出至所述主电路模块;所述输出单元的控制参数包括所述无功补偿装置的额定损耗PN、电流额定值IN及输出延时时间常数Tout;
所述输出单元的输入侧为无功功率参考值Qsvg_ref及故障状态标志位flag,其输出侧为无功电流参考值idref和有功电流参考值iqref:
式(6)中,Ud为采用并网点电压空间矢量定向时DQ坐标系下的并网点电压d轴分量,Qsvg_ref为无功功率参考值;Qsvg_ref根据故障状态标志位flag进行选择,当flag=1时,由所述故障控制策略单元给出Qsvg_ref的值;当flag=0时,由所述正常控制模块给出Qsvg_ref的值,无功电流参考值idref和有功电流参考值iqref经输出延时环节给主电路。
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