CN106786765A - 一种基于vrdc和drcc的pmsg自适应低电压穿越实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VRDC和DRCC的PMSG自适应低电压穿越实现方法，针对直驱机组的结构特点，在不增加任何硬件电路前提下，基于变阻值直流卸荷电路（VRDC）和网侧动态无功协调控制（DRCC）并结合静止无功发生器（SVG）共同实现机组低电压穿越，VRDC和DRCC均根据电网电压跌落程度而相应改变以实现机组对电压跌落水平的自适应。在低电压穿越期间以机组无功电流为参考值协调控制机组有功电流参考值，从而更好的保护机组和变流器安全可靠运行。本方法可大幅提升机组对电网无功的支撑能力和机组低电压穿越能力，改善故障穿越后机组运行的稳定性。

Description

一种基于VRDC和DRCC的PMSG自适应低电压穿越实现方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种基于VRDC和DRCC的自适应电压跌落水平的PMSG低电压穿越实现方法。

背景技术

随着风电并网容量在电力系统中的比例不断增大，风电脱网对电网安全运行的影响也越来越严重。近年来我国甘肃酒泉、新疆等风电基地发生多次因电网小故障造成大面积风机集中脱网的事故，对电网系统整体的安全性和稳定运行造成了严重影响，有力说明了风电对电力系统的不利影响。为此《风电并网技术规程》要求并网风电场需具备低电压穿越能力以实现在电压跌落期间为电网提供一定的无功支撑，提升电网电压的恢复能力。直驱风力发电机由于其全功率变流器实现与电网电气隔离、电网故障期间更易实现LVRT控制以及自身低电压穿越能力性能好等优点广泛应用于风电场，其实现低电压穿越的方法也成为研究热点。

目前关于直驱风电机组的低电压穿越技术主要为浆距角调节、卸荷电路保护、储能装置、机组无功控制策略、无功补偿以及相关组合方法。通过对比发现，目前关于直驱风电机组的低电压穿越技术在动态响应速度、散热问题、控制复杂程度、经济性、故障恢复时间以及调节能力等方面或多或少存在明显弊端。一言以蔽之，目前关于直驱风机的低电压穿越技术最大的问题就是不能较好适应不同程度电网电压跌落的变化从而无法兼顾穿越期间机组的低电压穿越能力和穿越结束后机组的稳定运行能力。因此，开发提高直驱风电机组低电压穿越能力同时改善故障穿越后机组和系统稳定运行能力的自适应电压跌落程度的PMSG低电压穿越方法，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供提出一种基于VRDC和DRCC的自适应电压跌落水平的PMSG自适应低电压穿越实现方法，通过VRDC和DRCC实现对电压跌落水平的自适应，同时以机组无功电流为参考值协调控制机组有功电流参考值，并结合静止无功发生器SVG在电网电压跌落时大幅度提升直驱机组的低电压穿越能力和改善故障穿越后机组运行的稳定性，同时降低机组低电压穿越前后对系统稳定性的影响，能够更好地保障风电机组可靠安全工作和提升机组对电网电压恢复的支撑能力。

本发明的目的是这样实现的：一种基于VRDC和DRCC的PMSG自适应低电压穿越实现方法，包括以下步骤：

步骤101、采集风电场并网点电压值，并转化为标幺值；

步骤102、判断采集的风电场并网点电压标幺，当风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u时，则判定为电网正常电压波动，风电机组不进入低电压穿越状态，网侧变流器无功控制仍采用单位因数控制，即不发无功功率策略；

步骤103、当采集的风电场并网点电压标幺值为（U_glvp，0.9p.u]时，其中U_glvp为直驱机组低电压保护动作值，则判定为电网电压跌落异常，机组进入低电压穿越状态，采用变阻值直流卸荷电路（VRDC）和网侧动态无功协调控制（DRCC）并结合静止无功发生器（SVG）的低电压穿越方法实现对并网点电压跌落水平的自适应，包括以下步骤：

步骤1031、若风电场并网点电压标幺值不大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时，则判定为电网电压仍未恢复，低电压穿越中相应动作模块保持投运状态；

步骤1032、若风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时，则判定为电网电压已恢复，低电压穿越中相应动作模块退出，而直流卸荷电路仅在U_dc＜U_dcmax时退出运行；

步骤1033、若机组低电压穿越时间t＞2s且风电场并网点电压标幺值小于0.9p.u 时，按照《风电场接入电网技术规定》中LVRT曲线要求，风电机组切机退出运行；若机组低电压穿越时间t＞2s且风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u 时，风电机组保持并网运行，低电压穿越中相应动作模块退出，直流卸荷电路在U_dc＜U_dcmax时退出运行；

步骤104、当采集的风电场并网点电压标幺值为[0，U_glvp]时，则判定为电网极度电压跌落，直驱风电机组低电压保护动作，风电机组切机。

进一步，VRDC通过实时测量网侧和机侧变流器功率偏差针对不同电压跌落水平调节系数来确定卸荷电路电阻值以实现对电压跌落水平的自适应，所述调节系数的计算方法包括以下步骤：

步骤201、计算直流侧功率Δ：

式中：U _dc 为直流母线电压；P _g 为机侧输入功率；P _s 为网侧输出功率；C为直流侧电容；ΔP为风电机组机侧变流器输入功率与网侧变流器输出功率的偏差；

步骤202、计算卸荷电路电阻理论最大值：

式中：U _dcmax 为直流母线最大允许电压；P_e为机组额定功率；i_g为网侧电流；u_f为故障后电压；β为网侧变流器过载倍数比；

步骤203、计算所述卸荷电阻阻值调节系数：

式中：为卸荷电阻阻值调节系数，其值取值范围为0＜≤1。

进一步，DRCC通过在低电压穿越期间实时测量风电场并网点电压跌落程度从而进行发无功功率实时调整以实现自适应电压跌落程度，包括以下步骤：

步骤301、计算所述DRCC的取值变功率因数cosθ：

步骤302，计算注入无功电流，其中I_N为机组额定电流，而国标中最新风电接入电力系统导则规定在电网故障时，风电机组注入无功电流i_gqref2为

式中，u _gpu 为机组并网点电压标幺值，

步骤303、计算低电压穿越期间网侧动态无功协调控制中风电机组注入无功电流i_gqref：

步骤304、利用机组无功电流i _gqref 对机组有功电流i _gdref1 进行限流控制，有功电流i _gdref1 计算方程为：

式中，i _max 为网侧变流器的最大安全电流，

步骤305、计算有功通道d轴电流值i _gdref ：

式中i _gdref2 为原有功电流值，由直流电压外环PI环节得到。

本发明的优点在于：与现有直驱风电机组低电压穿越技术相比，本发明能够自适应电网电压跌落程度的变化，更好地保障风电机组和变流器的安全可靠工作和提升机组对电网电压恢复的支撑能力，实现在电网电压跌落时大幅度提升直驱机组的低电压穿越能力和改善故障穿越后机组运行的稳定性，降低机组低电压穿越前后对系统稳定性的影响，改善了传统低电压穿越技术所引起的功率波动、无功问题，该方法较传统直驱风电机组低电压穿越技术更具优越性。

附图说明

附图1为本发明方法的流程示意图；

附图2为本发明的低电压穿越方法中网侧动态无功协调控制原理图；

附图3为本发明的结构框图；

附图4为本发明应用风电场的示意图；

附图5为本发明应用风电场电压穿越特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明为一种基于VRDC和DRCC的PMSG自适应低电压穿越实现方法，图1为本发明的方法流程图，该方法包括以下步骤：

1）实时采集风电场并网点电压值，并转化为标幺值；

2）当采集的风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u时，则判定为电网正常电压波动，风电机组不进入低电压穿越状态，网侧变流器无功控制仍采用单位因数控制，即不发无功功率策略；

3）当采集的风电场并网点电压标幺值为（U_glvp，0.9p.u]时，则判定为电网电压跌落异常，机组进入低电压穿越状态，采用变阻值直流卸荷电路和网侧动态无功协调控制并结合静止无功发生器（SVG）的低电压穿越方法，其中：变阻值直流卸荷电路和网侧变流器动态无功协调控制均以并网点电压标幺值为参考进行相应调节确定卸荷电阻值和网侧无功电流以实现对并网点电压跌落水平的自适应（注：U_glvp为直驱机组低电压保护动作值）；

4）当采集的风电场并网点电压标幺值为[0，U_glvp]时，则判定为电网极度电压跌落，直驱风电机组低电压保护动作，风电机组切机；

5）步骤3）执行过程中，实时采集并网点电压，若风电场并网点电压标幺值不大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时，则判定为电网电压仍未恢复，步骤3）低电压穿越中相应动作模块保持投运状态；若风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时，则判定为电网电压已恢复，步骤3）低电压穿越中相应动作模块退出，而直流卸荷电路仅在U_dc＜U_dcmax时退出运行；

6）若机组低电压穿越时间t＞2s且风电场并网点电压标幺值小于0.9p.u 时，按照《风电场接入电网技术规定》中LVRT曲线要求，风电机组切机退出运行；若机组低电压穿越时间t＞2s且风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u 时，风电机组保持并网运行，低电压穿越中相应动作模块退出，直流卸荷电路在U_dc＜U_dcmax时退出运行。

1.变阻值直流卸荷电路工作原理

变阻值直流卸荷电路由绝缘栅双极型晶体管和卸荷电阻串联构成，并联在直流母线侧。卸荷电路的投 切规则为：系统稳态 运行时，直流卸 荷电路不投入；当U _dc 大于U _dc-max 时，卸荷电 阻快速投入；反之，卸 荷电阻快速切出。卸荷电路投入时，通过实时测量不同电压跌落水平下的网侧和机侧变流器功率偏差计算卸荷电路电阻取值，通过调节系数实现自适应电压跌落水平，取值见下式：

式中：U _dc 为直流母线电压；P _g 为机侧输入功率；P _s 为网侧输出功率；U _dcmax 为直流母线最大允许电压；P_e为机组额定功率；i_g为网侧电流；u_f为故障后电压；β为网侧变流器过载倍数比；为卸荷电阻阻值调节系数，其值取值范围为0＜≤1。

2.网侧动态无功协调控制原理

图2为低电压穿越方法中网侧动态无功协调控制原理图，机组低电压穿越期间，机组网侧变流器通过实时测量风电场并网点电压跌落水平进行发无功功率实时调整以实现电压跌落程度的自适应，网侧动态无功协调控制下的风电机组注入无功电流i_gqref取i_gqref1和i_gqref2之间最大值，具体见下式。

式中：ugpu为机组并网点电压标幺值，IN为机组额定电流。

同时为防止损坏机组变流器，保证低电压穿越期间机组的安全运行，利用机组无功电流igqref对机组有功电流进行协调控制。通过式7对有功电流进行限流控制(其中imax为网侧变流器的最大安全电流)；有功通道d轴电流参考值igdref取有功参考电流限值igdref1和原有功电流参考值igdref2（由直流电压外环PI环节得到）之间的最小值。

图3为本发明的结构框图，结合该结构框图，以新疆哈密风电基地某风电场为具体实施例，更近一步地详细说明本发明的技术方案：

图4为在新疆哈密风电基地某风电场用用示意图，风电系统由33台1.5MW机组组成，主变侧静止无功发生器SVG容量取10Mvar，机组直流卸荷电路触发值为直流母线电压的1.2倍，卸荷电阻最值取2.5Ω，直驱风电机组参数如下表：

结合图5对基于VRDC和DRCC的自适应电压跌落水平的低电压穿越方法的直驱风电机组在并网点电压为0.2p.u下的低电压穿越特性进行描述：

在t=2.0s时电网电压跌落至0.2pu时，变阻值卸荷电路迅速投入，网侧变流器迅速切换至无功补偿模式，并投入主变侧SVG，均以适应电压跌落水平的变化而做出相应调整，同时以机组无功电流为参考值协调控制机组有功电流参考值，在低电压穿越期间协调机组有功出力，增大机组的无功功率支撑，在低电压穿越过程中机组的有功、无功功率波动较小，转子转速、电磁转矩、机械转矩、直流母线电压抑制效果较好，能够更好地保障风电机组可靠安全工作和提升机组对电网电压恢复的无功支撑能力，机组低电压穿越能力显著提升；故障穿越后，网侧变流器无功控制迅速切换至单位因素模式，主变侧SVG退出，直流母线电压恢复允许值后，变阻值卸荷电路退出运行，机组的有功功率波动较小，不存在无功恶化问题。

综上所述，基于VRDC和DRCC的自适应电压跌落水平的低电压穿越方法不仅显著提高机组低电压穿越能力，而且更好的改善低电压穿越结束后机组的稳定运行能力，同时降低机组低电压穿越前后对系统稳定性的影响，能够更好地保障风电机组可靠安全工作和提升机组对电网电压恢复的无功支撑能力。本方法较传统直驱风电机组低电压穿越技术更具优越性。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种基于VRDC和DRCC的PMSG自适应低电压穿越实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101、采集风电场并网点电压值，并转化为标幺值；

步骤102、判断采集的风电场并网点电压标幺值，当风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u时，则判定为电网正常电压波动，风电机组不进入低电压穿越状态，网侧变流器无功控制仍采用单位因数控制，即不发无功功率策略；

步骤103、当采集的风电场并网点电压标幺值为（U_glvp，0.9p.u]时，其中U_glvp为直驱机组低电压保护动作值，则判定为电网电压跌落异常，机组进入低电压穿越状态，采用变阻值直流卸荷电路（VRDC）和网侧动态无功协调控制（DRCC）并结合静止无功发生器（SVG）的低电压穿越方法实现对并网点电压跌落水平的自适应，包括以下步骤：

步骤1031、若风电场并网点电压标幺值不大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时，则判定为电网电压仍未恢复，低电压穿越中相应动作模块保持投运状态；

步骤1032、若风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时，则判定为电网电压已恢复，低电压穿越中相应动作模块退出，而直流卸荷电路仅在U_dc＜U_dcmax时退出运行；

步骤1033、若机组低电压穿越时间t＞2s且风电场并网点电压标幺值小于0.9p.u 时，按照《风电场接入电网技术规定》中LVRT曲线要求，风电机组切机退出运行；若机组低电压穿越时间t＞2s且风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u 时，风电机组保持并网运行，低电压穿越中相应动作模块退出，直流卸荷电路在U_dc＜U_dcmax时退出运行；

步骤104、当采集的风电场并网点电压标幺值为[0，U_glvp]时，则判定为电网极度电压跌落，直驱风电机组低电压保护动作，风电机组切机。

2.根据权利要求1所述的一种基于VRDC和DRCC的PMSG自适应低电压穿越实现方法，其特征在于，所述VRDC通过实时测量网侧和机侧变流器功率偏差针对不同电压跌落水平调节系数来确定卸荷电路电阻值以实现对电压跌落水平的自适应，所述调节系数的计算方法包括以下步骤：

步骤201、计算直流侧功率Δ：

式中：U _dc 为直流母线电压；P _g 为机侧输入功率；P _s 为网侧输出功率；C为直流侧电容；ΔP为风电机组机侧变流器输入功率与网侧变流器输出功率的偏差；

步骤202、计算卸荷电路电阻理论最大值：

式中：U _dcmax 为直流母线最大允许电压；P_e为机组额定功率；i_g为网侧电流；u_f为故障后电压；β为网侧变流器过载倍数比；

步骤203、计算所述卸荷电阻阻值调节系数：

式中：为卸荷电阻阻值调节系数，其值取值范围为0＜≤1。

3.根据权利要求1所述的一种基于VRDC和DRCC的PMSG自适应低电压穿越实现方法，其特征在于，所述DRCC通过在低电压穿越期间实时测量风电场并网点电压跌落程度从而进行发无功功率实时调整以实现自适应电压跌落程度，包括以下步骤：

步骤301、计算所述DRCC的取值变功率因数cosθ：

步骤302，计算注入无功电流，其中I_N为机组额定电流，而国标中最新风电接入电力系统导则规定在电网故障时，风电机组注入无功电流i_gqref2为

式中，u _gpu 为机组并网点电压标幺值，

步骤303、计算低电压穿越期间网侧动态无功协调控制中风电机组注入无功电流i_gqref：

步骤304、利用机组无功电流i _gqref 对机组有功电流i _gdref1 进行限流控制，有功电流i _gdref1 计算方程为：

式中，i _max 为网侧变流器的最大安全电流，

步骤305、计算有功通道d轴电流值i _gdref ：

式中i _gdref2 为原有功电流值，由直流电压外环PI环节得到。