CN107026455A - 一种风电场高压穿越的动态无功协调控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风电场高压穿越的动态无功协调控制方法及系统，对风力发电机组端口电压进行实时监测；将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制；将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制低压电抗器，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。本发明提供的方法能够在电网发生扰动事故过程中有效降低风电机组端口电压，防止风电场大面积脱网。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统领域的控制方法，具体涉及一种风电场高压穿越的动态无功协调控制方法及系统。
背景技术
大规模远距离输电是解决大型清洁能源消纳和防治大气污染的重要举措，但是大规模清洁能源发电的自身特点也给电网的安全稳定运行带来了一系列的挑战，如清洁能源发电机组的高低压穿越问题，尤其是近年来风电机组的高压穿越问题难以解决给电网安全及新能源送出带来了较大制约。
随着以双馈感应电动机(DIFG)为主流机型的风电机组单机容量的不断增大和总装机容量在电网中所占比例的快速提高，世界各国纷纷出台风电并网导则，对并网风电机组的稳定性、可靠性提出了日益严格的要求。其中难度较大、技术要求相对较高的当属电网电压跌落或骤升故障下的不妥王或故障穿越运行(FaultRide-Through，FRT)。
与技术相对成熟的LVRT不同，目前针对电网电压骤升故障下风电机组的运行与控制研究及工程实践还比较少。近年来，发生的几次风电大规模脱网事故以及相关的研究表明，电网发生的电电压故障在故障消除后的电压恢复阶段，风电场并网接入的高压线路可能发生过电压，风场负载的突降、大容量电容补偿器的投入也会引起电网电压的骤升，并随即引起风电场脱网。
当新能源分布在距离负荷中心较远的地区时，大规模新能源一般采用常规高压或特高压直流(LCCHVDC)集中送出。但是由于LCC-HVDC存在换相失败问题，而且由于直流输电距离远、跨越地域比较广，换相失败时有发生，在换相失败期间，交流电网将产生大量的无功盈余，交流母线电压骤升，最高有可能达到1.3pu，送端交流电网风机会发生大面积脱网，当直流换相恢复后直流功率将恢复运行，送端电网功率不平衡，系统频率将大幅跌落，由可能会损失大量负荷，对电网安全运行造成很大影响。
目前还尚没有提出针对由于电网扰动故障(包括交流故障和直流故障)引起风电机组端口电压骤升进而使大规模风电机组脱网问题的有效工程解决方案，导致新能源发电无法有效消纳、交直流输电通道能力受限。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种风电场高压穿越的动态无功协调控制方法及系统，该方法提出了基于外部控制器的风电机组变流器控制和低压电抗器快速投切相互协调配合的联合控制方法，能够在电网发生扰动事故过程中有效降低风电机组端口电压，防止风电场大面积脱网。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种风电场高压穿越的动态无功协调控制方法，其改进之处在于：
对风力发电机组端口电压进行实时监测；
将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制；
将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制低压电抗器，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
进一步地，将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制，包括：
当U≥UH-ref1时，启动第一外部控制器，当T≥TH-1，外部控制器确认控制指令，向风电机组变流器发送无功启动控制指令，使风电机组变流器从电网吸收感性无功功率QL1；
其中：U表示风电机组端口电压，UH-ref-1表示风电机组变流器无功控制的第一阈值，T表示确认时间，TH-1表示风电机组变流器无功控制确认时间延时。
进一步地，将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制投入低压电抗器，包括；
当U≥UH-ref2时，启动基于晶闸管投切的第二外部控制器，当T≥TH-2时，第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，使低压电抗器从电网吸收感性无功功率QL2；
其中：U表示风电机组端口电压，UH-ref-2表示低压电抗器投入的第二阈值，T表示确认时间，TH-2表示低压电抗器投入的确认时间延时。
进一步地：将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，第二外部控制器根据比较结果控制投入低压电抗器，还包括：当风力发电机组端口电压降低，并且当U＜UL-ref、T＞TL、K＜KL-ref时，关断所述第二外部控制器，将低压电抗器退出运行；
其中：U表示风电机组端口电压，T表示确认时间，UL-ref表示低压电抗器退出的阈值，KL-ref表示低压电抗器退出的电压变化率；TL表示低压电抗器退出的确认时间延时。
进一步地：所述第二外部控制器包括基于晶闸管的双向开关；所述关断所述第二外部控制器包括：关断所述晶闸管的双向开关。
本发明还提供一种动态无功协调控制方法的控制系统，其改进之处在于，包括：
监测模块，用于对风力发电机组端口电压进行实时监测；
第一控制模，用于将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制；
第二控制模块，用于将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制低压电抗器，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
进一步地，所述第一控制模块进一步包括：
第一比较模块，用于将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制。
进一步地，所述第二控制模块进一步包括：
第二比较模块，用于将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制投入低压电抗器。
进一步地，进一步包括：第三控制模块，用于当风力发电机组端口电压降低，并且当U＜UL-ref、T＞TL、K＜KL-ref时，关断所述第二外部控制器，将低压电抗器退出运行；
其中：U表示风电机组端口电压，T表示确认时间，UL-ref表示低压电抗器退出的阈值，KL-ref表示低压电抗器退出的电压变化率；TL表示低压电抗器退出的确认时间延时。
进一步地，所述第三控制模块，进一步包括关断模块，所述第二外部控制器包括基于晶闸管双向开关；
所述关断模块，用于关断所述第二外部控制器，包括：关断所述晶闸管的双向开关。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：
本发明针对目前由特高压直流换流站集中送出的千万千瓦级风力发电机集群由于特高压直流换相失败引起风力发电机端电压骤升而导致其大面积脱网的问题，提出了在风力发电机端实现多种动态无功协调控制的方法；
本发明提供一种解决风电场高压穿越的动态无功协调控制方法，通过优化风力发电机组变流器的无功控制策略、在风电机组出口装设可通过晶闸管开关可快速投切的低压电抗器，实现变流器无功控制和低压电抗器投切控制策略的协调配合，解决因大电网内发生的扰动故障引起系统母线电压骤升、进而导致同时风电场风电机组出口电压瞬时升高而脱网的问题；可应用于所有风力发电厂，覆盖范围广，相对于风力发电机组本体改造，实现方便、投资小、效果更加显著。
附图说明
图1是本发明提供的的接于风电场出口的基于晶闸管开关投切的低压电抗器结构示意图；
图2是本发明提供的应对风电场高压穿越的动态无功协调控制流程图；
图3是本发明提供的动态无功协调控制抑制过电压效果图。
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。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
实施例一、
本发明提供一种应对直流阀组相继故障的跨区交直流协调控制方法，所述方法包括：
如图1所示，在风力发电机端装设基于晶闸管开关投切的低压电抗器；基于晶闸管开关投切的低压电抗器包括：晶闸管双向开关、低压电抗器、控制回路；其中晶闸管双向开关一端(W)直接T接在风电机组出口线路或母线上，另一端(S)直接与低压电抗器串接；低压电抗器一端直接与晶闸管双向开关S端连接，另一端接地；控制回路与晶闸管双向开关S端和G端连接构成控制回路，实现低压电抗器的投入和退出；
晶闸管双向开关的导通(低压电抗器投入)速度不大于10毫秒、晶闸管双向开关的关断(低压电抗器退出)时间不大于50毫秒。
如图2所示，充分利用风力发电机组本体的变流器无功功率快速控制能力，与低压电抗器协调配合实现对风电机组端口高电压的抑制，具体步骤包括：
(1)针对因大电网内发生的扰动故障引起系统母线电压骤升、同时风电场风电机组出口电压瞬时升高并超过风电机组过压保护定值Umax而脱网的问题，采用协调控制风力发电机组变流器与快速头切电抗的方式抑制风电机组端口电压；
(2)对风电机组变流器进行快速控制，当电压升高时快速启动变流器无功控制，使其从电网吸收感性无功功率QL1；
(3)在风电机组出口装设容量为QL2的电抗器，当电压升高时快速投入电压电抗器，使其从电网吸收感性无功功率QL2；
(4)当风电机组端口电压骤升时第一外部控制器优先对变流器进行控制，当机组电压继续上升时再进一步控制低压电抗器，当端口电压降低时需要退出低压电抗器，进而保证风电机组端口电压保持在不会触发保护动作的合理范围内。
进一步地，采用外部控制器对风电机组的变流器和装设在风电机端的低压电抗器进行联合控制，以风电机组保护PT(电压互感器)的实时测量量U为控制器的输入量；
针对风电机组的变流器设置第一外部控制器，该控制器的输入量是保护PT测量电压U，控制器的输出是给变频器直接发送无功控制指令，控制器内设置启动判别逻辑，实现对机端端口电压的平滑控制；当U≥UH-ref1时启动风电机组变流器无功功率控制系统，当T≥TH-1控制器确认控制指令，向变流器发送无功启动控制指令，实现对风电机端电压的平滑控制，整个控制过程不超过20毫秒；UH-ref1为设定值，TH-1为风电机组变流器无功控制的启动门槛值和确认时间延时；
在风电机组变流器第一外部控制器进行无功功率控制的基础上，针对装设在风电机组端口装设的一次设备—低压电抗器进行补充控制，即快速头切低压电抗器，针对低压电抗器同样设置第二外部控制器，其输入量为PT测量电压U(可与风电机组变流器外部控制器输入信号共享)，当变流器无功控制后端口母线电压U仍持续快速升高时，并达到门槛值UH-ref2和TH-2则投入低压电抗器；当U≥UH-ref2时启动基于晶闸管投切的第二外部控制器，当T≥TH-2控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器；UH-ref2为设定值和TH-2为低压电抗器投入的启动门槛值和确认时间延时，其中UH-ref2≥UH-ref1。
针对低压电抗器需要设置退出控制环节，为了抑制由于系统扰动故障而引起风电机端电压升高问题，但是当系统扰动消失后系统电压会恢复正常，而低压电抗器会导致系统电压跌落，设定值UL-ref、TL、分别为电压电抗器退出的门槛值、确认时间延时、电压变化率；当U＜UL-ref、确认时延T＞TL、电压变化率K＜KL-ref时，启动基于晶闸管投切的第二外部控制器，关断晶闸管双向开关，快速将低压电抗器退出运行，以保证扰动后不会出现低电压。
低压电抗器的投切不会对风电机组和交流电网造成谐波干扰，在低压电抗器投入运行阶段不会引起风电机组端口暂态电压超过机组低电压保护动作定值、不会使端口电压稳态值低于0.95pu。
具体注意事项为：
(1)对风电机组的变流器外部无功控制器与PT测量端、机组变流器之间的通信需要实现专用直联光纤通道，从PT测量出口到变流器接收到控制指令所需要的时间延迟不超过10毫秒，整个控制过程不超过20毫秒；
(2)针对低电电抗器的控制系统，采用晶闸管双向投切开关与电抗器串联的结构形式，并联在风力发电机组的出口处，晶闸管开关对串联的低压电抗器进行快速的投入和切除，投切速度不大于10毫秒；
(3)低压电抗器的投切不会对风电机组和交流电网造成谐波干扰，在低压电抗器投入运行阶段不会引起风电机组端口暂态电压超过机组低电压保护动作定值、不会使端口电压稳态值低于0.95pu。
图3是本发明的动态无功协调控制抑制过电压效果图，如图3所示，在装机容量为50MW的风电场每台风电机组端口采用基于风机变流器与低压电抗器投切的协调控制方案，当电网内某特高压直流发生1次换相失败后导致系统电压骤升，可以有效将风电机组端口电压降低0.1pu以上，同时在低压电抗器退出后使得端口电压不低于0.95pu。
实施例二、
基于同样的发明构思，本发明还提供一种风电场高压穿越的动态无功协调控制方法的控制系统，包括：
监测模块，用于对风力发电机组端口电压进行实时监测；
第一控制模，用于将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制；
第二控制模块，用于将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制低压电抗器，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
进一步地，所述第一控制模块进一步包括：
第一比较模块，用于将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制。
进一步地，所述第二控制模块进一步包括：
第二比较模块，用于将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制投入低压电抗器。
进一步地，进一步包括：第三控制模块，用于当风力发电机组端口电压降低，并且当U＜UL-ref、T＞TL、K＜KL-ref时，关断所述第二外部控制器，将低压电抗器退出运行；
其中：U表示风电机组端口电压，T表示确认时间，UL-ref表示低压电抗器退出的阈值，KL-ref表示低压电抗器退出的电压变化率；TL表示低压电抗器退出的确认时间延时。
进一步地，所述第三控制模块，进一步包括关断模块，所述第二外部控制器包括基于晶闸管双向开关；
所述关断模块，用于关断所述第二外部控制器，包括：关断所述晶闸管的双向开关。
通过风电机组变流器无功功率控制和基于晶闸管快速投切的低压电抗器施协调控制，适用于任何原因导致的风电机组端口电压骤升进而脱网的工况，在解决风电机组高压穿越问题的同时，对于保障大规模风力发电集中送出系统安全和提高新能源消纳能力具有重要意义。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，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 (10)
1.一种风电场高压穿越的动态无功协调控制方法，其特征在于：
对风力发电机组端口电压进行实时监测；
将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制；
将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制低压电抗器，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
2.如权利要求1所述的动态无功协调控制方法，其特征在于，将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制，包括：
当U≥UH-ref1时，启动第一外部控制器，当T≥TH-1，外部控制器确认控制指令，向风电机组变流器发送无功启动控制指令，使风电机组变流器从电网吸收感性无功功率QL1；
其中：U表示风电机组端口电压，UH-ref-1表示风电机组变流器无功控制的第一阈值，T表示确认时间，TH-1表示风电机组变流器无功控制确认时间延时。
3.如权利要求1所述的动态无功协调控制方法，其特征在于，将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制投入低压电抗器，包括；
当U≥UH-ref2时，启动基于晶闸管投切的第二外部控制器，当T≥TH-2时，第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，使低压电抗器从电网吸收感性无功功率QL2；
其中：U表示风电机组端口电压，UH-ref-2表示低压电抗器投入的第二阈值，T表示确认时间，TH-2表示低压电抗器投入的确认时间延时。
4.如权利要求1所述的动态无功协调控制方法，其特征在于：将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，第二外部控制器根据比较结果控制投入低压电抗器，还包括：当风力发电机组端口电压降低，并且当U＜UL-ref、T＞TL、K＜KL-ref时，关断所述第二外部控制器，将低压电抗器退出运行；
其中：U表示风电机组端口电压，T表示确认时间，UL-ref表示低压电抗器退出的阈值，KL-ref表示低压电抗器退出的电压变化率；TL表示低压电抗器退出的确认时间延时。
5.如权利要求4所述的动态无功协调控制方法，其特征在于：所述第二外部控制器包括基于晶闸管的双向开关；所述关断所述第二外部控制器包括：关断所述晶闸管的双向开关。
6.一种动态无功协调控制方法的控制系统，其特征在于，包括：
监测模块，用于对风力发电机组端口电压进行实时监测；
第一控制模，用于将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制；
第二控制模块，用于将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制低压电抗器，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制模块进一步包括：
第一比较模块，用于将所述检测到的电压与第一阈值进行比较，根据比较结果对风电机组变流器进行控制。
8.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述第二控制模块进一步包括：
第二比较模块，用于将所述检测到的电压与第二阈值进行比较，根据比较结果控制投入低压电抗器。
9.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，进一步包括：第三控制模块，用于当风力发电机组端口电压降低，并且当U＜UL-ref、T＞TL、K＜KL-ref时，关断所述第二外部控制器，将低压电抗器退出运行；
其中：U表示风电机组端口电压，T表示确认时间，UL-ref表示低压电抗器退出的阈值，KL-ref表示低压电抗器退出的电压变化率；TL表示低压电抗器退出的确认时间延时。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述第三控制模块，进一步包括关断模块，所述第二外部控制器包括基于晶闸管双向开关；
所述关断模块，用于关断所述第二外部控制器，包括：关断所述晶闸管的双向开关。
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