CN107482678A - 一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法 - Google Patents
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Abstract
本技术方案提供了一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，包括当双馈风电场经柔直并网系统的交流电网侧发生短路故障且柔直输电线路的直流电压超过预设门槛值时，计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束Δfωr的第三边界Δf3，判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir，若Δfir存在，计算Δfir的第一边界Δf1和第二边界Δf2，若Δfir存在，若Δf1≤Δf3≤Δf2成立，则fwmax＝Δf1，否则fwmax＝Δf3，若Δfir不存在，柔直风场侧换流站频率控制的上限fwmax＝Δf3，基于fwmax控制风电场交流电压频率的提升。提升了双馈风电场经柔直并网系统故障穿越时的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及风电控制领域，具体地说，涉及一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法。
背景技术
为解决全球能源危机，风力发电在全球内发展迅速。风电经柔性直流输电线路并网相对于直接交流并网、常规直流联网方式而言，可以隔离风电场与交流主网，具备黑启动能力，减少了无功补偿装置，适用于远距离风功率传输，已成为目前风电并网的主要方式。目前，基于双馈感应发电机的变速恒频风电机组是风力发电的主力机型。大规模双馈风电机组的应用，形成了双馈风电场经柔直并网的特殊电网拓扑。
随着风电渗透率越来越高，电网故障下风电场不能从电力系统中切除，否则会对电力系统的稳定运行造成巨大冲击，因此风电场应具备一定的故障穿越能力。在双馈风电场经柔直并网系统中，双馈风电机组和柔直换流站的控制方式相互耦合，使得故障特性分析和故障穿越控制更加复杂。当交流系统侧发生三相对称短路时，柔直电网侧换流站输出有功功率减少，但是由于双馈风电机组故障穿越措施仅以避免风电机组不脱网为目标，并未考虑双馈风电机组输出有功功率与柔直电网侧换流站输出功率的匹配，不平衡的有功功率将使柔性直流输电的直流电压升高，严重时会导致系统崩溃，因此必须对柔直两侧不平衡有功功率加以控制，以实现双馈风电场经柔直并网系统的故障穿越。
电网故障下，将直流过压信息传输到双馈风电机组，通过双馈风电机组控制减小输出有功功率能抑制直流电压，但是存在通信延时和可靠性问题。因此在确保直流电压不越限的前提下，应首先控制柔性直流输电的风电场侧换流站减小其交流侧馈入的有功功率，再由双馈风电机组对机电两侧的不平衡功率进行协调控制。目前通过柔性直流输电的风电场侧换流站控制减少风电场侧馈入功率的方法主要包括3类：一类是利用风电场侧换流站控制实现风电场交流电压频率的提升，即升频法；一类是利用风电场换流站控制实现风电场交流电压的降低，即降压法；另一方面则是在直流侧附加泄能电阻电路，以吸收不平衡功率。其中，附加泄能电阻电路会导致散热问题严重；双馈风电机组对机端电压较为敏感，降压法可能会触发双馈风电机组的故障穿越控制，因此升频法对于双馈风电机组经柔直并网系统的故障穿越具有更好的适用性。
目前，针对双馈风电场经柔直并网系统故障穿越的升频法，研究人员进行了一系列研究，但是研究的重点主要集中于提高升频法的响应速度。部分研究人员对所需提升的频率大小进行一定的探索，但是仅从避免直流电压越限方面来确定频率的控制定值，并未考虑双馈风电机组对于机端电压频率升高的适应性。双馈风电机组对机端电压十分敏感，电压频率的变化通过发电机定子反应和双馈风电机组转子侧换流器影响转子电流的大小，双馈风电场经柔直并网系统的升频控制可能造成双馈风电机组转子电流升高，威胁双馈风电机组转子侧换流器安全。此外，为了使得双馈风电机组能够直接参与系统频率调节，目前一般采用附加虚拟惯量控制环节对双馈风电机组有功功率控制指令值进行修正，此时双馈风电机组转子转速与机端电压频率呈现强相关关系，升频控制可能造成双馈风电机组转子超速，威胁双馈风电机组的转子机械安全。
综上所述，双馈风电场经柔直并网系统的故障穿越控制已成为电力系统故障安全运行的必备技术，但是现有方法主要解决电网故障对柔性直流输电线路的危害，却未考虑故障穿越控制措施可能造成的双馈风电机组损害，不仅严重制约了双馈风电场经柔直并网系统故障穿越的效果，还将威胁双馈风电机组的设备安全，可能造成大量风电机组和柔直输电线路脱网，加剧电网故障危害，引起电网连锁性故障和暂态稳定等一系列系统安全问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，基于双馈风电机组转子最大允许电流及最大允许转速计算Δfwmax，避免使用升频法控制双馈风电场进行故障穿越时对风电机组造成损害，提升了双馈风电场经柔直并网系统故障穿越时的安全性。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，包括：
步骤A：当双馈风电场经柔直并网系统的交流电网侧发生短路故障且柔直输电线路的直流电压超过预设门槛值时，基于双馈风电机组转子最大允许转速计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束Δfωr的第三边界Δf3，执行步骤B；
步骤B：判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir，若Δfir存在，执行步骤C，若Δfir不存在执行步骤E；
步骤C：基于故障后双馈风电机组的机端电压跌落幅度和转子侧换流器控制定值计算Δfir的第一边界Δf1和第二边界Δf2，执行步骤D；
步骤D：若Δf1≤Δf3≤Δf2成立，则令柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax＝Δf1，否则令柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax＝Δf3，执行步骤F；
步骤E：令柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax＝Δf3，执行步骤F；
步骤F：基于柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax控制风电场交流电压频率的提升。
优选地，所述判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir包括：
判断是否满足
若是，则双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir存在；
若不是，则双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir不存在；
其中，上限电流ifmin和下限电流irmax分别为
式中，τrp＝τr+τp， 为双馈风电机组转子有功电流控制定值，为双馈风电机组转子无功电流控制定值，ωr为双馈风电机组转子转速，Rr为双馈风电机组转子电阻，Lr为双馈风电机组转子电感，Ls为双馈风电机组定子电感，Lm为双馈风电机组激磁电感，Um0为短路前双馈风电机组定子电压幅值，μ为短路后双馈风电机组定子电压幅值变化率，σ为双馈风电机组漏电系数，kpi为双馈风电机组转子侧换流器内环内环控制比例系数，kii为双馈风电机组转子侧换流器内环控制积分系数，irlim为双馈风电机组转子最大允许电流。
优选地，所述基于故障后双馈风电机组的机端电压跌落幅度和转子侧换流器控制定值计算Δfir的第一边界Δf1和第二边界Δf2包括：
计算第一边界
计算第二边界
其中：系数系数
式中：τrp＝τr+τp， 为双馈风电机组转子有功电流控制定值，为双馈风电机组转子无功电流控制定值，ωr为双馈风电机组转子转速，Rr为双馈风电机组转子电阻，Lr为双馈风电机组转子电感，Ls为双馈风电机组定子电感，Lm为双馈风电机组激磁电感，Um0为短路前双馈风电机组定子电压幅值，μ为短路后双馈风电机组定子电压幅值变化率，σ为双馈风电机组漏电系数，kpi为双馈风电机组转子侧换流器内环内环控制比例系数，kii为双馈风电机组转子侧换流器内环控制积分系数，irlim为双馈风电机组转子最大允许电流。
优选地，所述基于双馈风电机组转子最大允许转速计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束Δfωr的第三边界Δf3包括：
计算第三边界
式中，K＝2Hωr，ωr为双馈风电机组转子转速，ωr0为短路前双馈风电机组转子转速，J为双馈风电机组转动惯量，H为双馈风电机组惯性时间常数，ωrlim为双馈风电机组转子最大允许转速。
综上所述，本技术方案提供了一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，包括当双馈风电场经柔直并网系统的交流电网侧发生短路故障且柔直输电线路的直流电压超过预设门槛值时，计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束Δfωr的第三边界Δf3，判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir，若Δfir存在，计算Δfir的第一边界Δf1和第二边界Δf2，若Δfir存在，若Δf1≤Δf3≤Δf2成立，则fwmax＝Δf1，否则fwmax＝Δf3，若Δfir不存在，柔直风场侧换流站频率控制的上限fwmax＝Δf3，基于fwmax控制风电场交流电压频率的提升。本发明基于双馈风电机组转子最大允许电流及最大允许转速计算fwmax，避免使用升频法控制双馈风电场进行故障穿越时对风电机组造成损害，提升了双馈风电场经柔直并网系统故障穿越时的安全性。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法的流程图；
图2为本发明公开的双馈风电场经柔性直流输电并网系统示意图；
图3为本发明公开的双馈风电机组转子电流对机端电压频率约束存在条件的示意图；
图4为本发明公开的双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，通过该控制策略能够实现双馈风电场经柔直并网系统在交流系统故障时的故障穿越，避免双馈风电机组和柔性直流输电线路损害。下面以附图2所示的双馈风电场经柔直并网系统为例介绍应用本发明进行故障穿越控制。当附图2所示系统的交流侧K1点发生短路故障时，交流侧电压跌落造成柔性直流输电线路的电网侧换流器输出有功功率减小，为了避免柔性直流输电线路的风电场侧换流器输入有功功率与电网侧换流器不匹配造成柔性直流输电线路直流电压超过运行范围，如图1所示，为本发明公开的一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法的流程图，包括：
S101、当双馈风电场经柔直并网系统的交流电网侧发生短路故障且柔直输电线路的直流电压超过预设门槛值时，基于双馈风电机组转子最大允许转速计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束△fωr的第三边界△f3，执行步骤S102；
其中预设门槛值由工作人员根据双馈风电场的实际情况进行设置。为了使得双馈风电机组能够直接参与系统频率调节，目前一般采用附加虚拟惯量控制环节对双馈风电机组有功功率控制指令值进行修正，此时双馈风电机组转子转速与机端电压频率呈现强相关关系，升频控制可能造成双馈风电机组转子超速，威胁双馈风电机组的转子机械安全，因此需要基于双馈风电机组转子最大允许转速计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束△fωr的第三边界△f3。△fωr是一个范围值，约束了保证双馈风电机组的转子机械安全的前提下机端电压频率的变化范围，△f3是一个具体的值，是△fωr的边界。
S102、判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束△fir，若△fir存在，执行步骤S103，若△fir不存在，执行步骤S105；
双馈风电机组对机端电压十分敏感，电压频率的变化通过发电机定子反应和双馈风电机组转子侧换流器影响转子电流的大小，双馈风电场经柔直并网系统的升频控制可能造成双馈风电机组转子电流升高，威胁双馈风电机组转子侧换流器安全，因此需要判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束△fir。△fir是一个范围值，约束了保证双馈风电机组转子侧换流器安全的前提下机端电压频率的变化范围。
S103、基于故障后双馈风电机组的机端电压跌落幅度和转子侧换流器控制定值计算△fir的第一边界△f1和第二边界△f2，执行步骤S104；
△f1及△f2都是具体的值，是△fir的边界。
S104、若△f1≤△f3≤△f2≤成立，则令柔直风场侧换流站频率控制的上限△fwmax＝△f1，否则令柔直风场侧换流站频率控制的上限△fwmax＝△f3,执行步骤S106；
若在某一运行状态下存在双馈风电机组转子最大允许电流确定的机端电压频率范围约束，则风电场侧换流站的频率控制的限值Δfwmax应同时满足3个约束：
为了最大限度地避免柔性直流输电直流电压越限，风电场侧换流站的频率控制定值的限值应满足3个约束的最大值，即为：
△fwmax是一个具体的值，是柔直风场侧换流站频率控制的上限。
S105、令柔直风场侧换流站频率控制的上限△fwmax＝△f3，执行步骤S106；
不存在由转子电流确定的机端电压频率变化范围的约束，即在任意机端电压频率条件下，双馈风电机组的转子电流都不会出现越限的情况。则只用考虑最大允许转速对机端电压频率的约束△fωr。
若在某一运行状态下不存在双馈风电机组转子最大允许电流确定的机端电压频率范围约束，则风电场侧换流站频率控制定值的限值Δfwmax由双馈风电机组转子转速确定的机端电压频率范围约束确定为：Δfwmax＝Δf3。
S106、基于柔直风场侧换流站频率控制的上限△fwmax控制风电场交流电压频率的提升。
柔性直流输电线路的风场侧换流站调整为升频控制，如附图4所示。其中，频率控制定值由上述频率变化范围约束确定。附图4中，Uwf0为短路前柔直风电场侧换流站交流侧电压矢量；Uwdc和Uwdc0分别为柔直直流电压的实时值和额定值；fwf0为短路前柔直风电场侧换流站交流电压的频率；Δfw*频率控制频率增量的定值；Pwf*和Qwf*分别为柔直风电场侧换流站有功和无功控制定值；ΔPwf*为频率控制确定附加功率定值；Pwf和Qwf分别为柔直风电场侧换流站有功和无功实时值；Δfwmax为风电场侧换流站的频率控制的限值。
本方法充分考虑双馈风电机组的机端电压频率变化对机组安全运行的影响，根据转子最大允许电流和转子最大允许转速确定双馈风电机组机端电压频率范围的约束，通过柔直输电线路的风场侧换流站提升风电机组的机端电压频率，从而减小双馈风电场输出的有功功率，不仅能够实现交流系统故障下双馈风电场经柔直并网系统的故障穿越运行，还能最大限度地保证双馈风电机组的安全。
针对现有双馈风电场经柔性直流输电并网系统的故障穿越控制方法未考虑升频控制对双馈风电机组影响，可能造成故障穿越控制无法满足要求，双馈风电机组损坏或脱网，造成电压故障影响扩大的问题，本发明充分考虑了双馈风电机组机端电压频率变化对转子电流和转子转速的影响，给出了双馈风电机组机端电压频率约束的存在条件及其计算方法，利用机端电压频率约束确定柔性直流输电的风场侧换流站升频控制定值。本发明实现了柔性直流输电并网系统与双馈风电场故障穿越控制的配合，能够在保障双馈风电机组运行安全的基础上，实现并提升双馈风电场经柔性直流输电系统的故障穿越能力，具有原理和算法简单，易于实现等特点，可以进一步用于大型交直流电力系统的故障暂态控制的研究和实施。
为进一步优化上述技术方案，判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir的具体方法可为：
判断是否满足
若是，则双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir存在；
若不是，则双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir不存在；
其中，根据交流系统侧短路后实时采集的风电场机端电压幅值变化率μ，上限电流ifmin和下限电流irmax分别为
式中，τrp＝τr+τp， 为双馈风电机组转子有功电流控制定值，为双馈风电机组转子无功电流控制定值，ωr为双馈风电机组转子转速，Rr为双馈风电机组转子电阻，Lr为双馈风电机组转子电感，Ls为双馈风电机组定子电感，Lm为双馈风电机组激磁电感，Um0为短路前双馈风电机组定子电压幅值，μ为短路后双馈风电机组定子电压幅值变化率，σ为双馈风电机组漏电系数，kpi为双馈风电机组转子侧换流器内环内环控制比例系数，kii为双馈风电机组转子侧换流器内环控制积分系数，irlim为双馈风电机组转子最大允许电流。
根据故障后双馈风电机组转子电流的控制定值和可以判断在任一故障和运行状态下双馈风电机组转子电流对机端电压频率范围约束的存在性：
若满足式则存在由转子电流确定的机端电压频率变化范围的约束，如附图3所示，在不同电压跌落范围内，若双馈风电机组的转子电流控制指令值位于图纸黑色区域，机端电压频率受到转子电流的约束。此时，双馈风电场经柔直并网系统的故障穿越控制应考虑频率变化对双馈风电机组的影响。
若不满足式则不存在由转子电流确定的机端电压频率变化范围的约束，即在任意机端电压频率条件下，双馈风电机组的转子电流都不会出现越限的情况
为进一步优化上述技术方案，基于故障后双馈风电机组的机端电压跌落幅度和转子侧换流器控制定值计算Δfir的第一边界Δf1和第二边界Δf2的具体方法可为：
计算第一边界
计算第二边界
其中：系数系数
式中：τrp＝τr+τp， 为双馈风电机组转子有功电流控制定值，为双馈风电机组转子无功电流控制定值，ωr为双馈风电机组转子转速，Rr为双馈风电机组转子电阻，Lr为双馈风电机组转子电感，Ls为双馈风电机组定子电感，Lm为双馈风电机组激磁电感，Um0为短路前双馈风电机组定子电压幅值，μ为短路后双馈风电机组定子电压幅值变化率，σ为双馈风电机组漏电系数，kpi为双馈风电机组转子侧换流器内环内环控制比例系数，kii为双馈风电机组转子侧换流器内环控制积分系数，irlim为双馈风电机组转子最大允许电流。
由转子最大允许电流确定的机端电压频率允许变化范围为：Δfir≤Δf1或Δfir≥Δf2。
为进一步优化上述技术方案，基于双馈风电机组转子最大允许转速计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束Δfωr的第三边界Δf3的具体方法可为：
若转子双馈风电机组配置虚拟惯量控制，为了保护转子，转子转速必须小于限定值ωrlim，所以可以计算最大允许转子转速确定的机端电压频率变化范围约束为
Δfωr小于等于第三边界
式中，K＝2Hωr，ωr为双馈风电机组转子转速，ωr0为短路前双馈风电机组转子转速，J为双馈风电机组转动惯量，H为双馈风电机组惯性时间常数，ωrlim为双馈风电机组转子最大允许转速。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (4)
1.一种双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，其特征在于，包括：
步骤A：当双馈风电场经柔直并网系统的交流电网侧发生短路故障且柔直输电线路的直流电压超过预设门槛值时，基于双馈风电机组转子最大允许转速计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束Δfωr的第三边界Δf3，执行步骤B；
步骤B：判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir，若Δfir存在，执行步骤C，若Δfir不存在执行步骤E；
步骤C：基于故障后双馈风电机组的机端电压跌落幅度和转子侧换流器控制定值计算Δfir的第一边界Δf1和第二边界Δf2，执行步骤D；
步骤D：若Δf1≤Δf3≤Δf2成立，则令柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax＝Δf1，否则令柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax＝Δf3，执行步骤F；
步骤E：令柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax＝Δf3，执行步骤F；
步骤F：基于柔直风场侧换流站频率控制的上限Δfwmax控制风电场交流电压频率的提升。
2.如权利要求1所述的双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，其特征在于，所述判断是否存在双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir包括：
判断是否满足
若是，则双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir存在；
若不是，则双馈风电机组转子最大允许电流对机端电压频率的约束Δfir不存在；
其中，上限电流ifmin和下限电流irmax分别为
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式中，τrp＝τr+τp， 为双馈风电机组转子有功电流控制定值，为双馈风电机组转子无功电流控制定值，ωr为双馈风电机组转子转速，Rr为双馈风电机组转子电阻，Lr为双馈风电机组转子电感，Ls为双馈风电机组定子电感，Lm为双馈风电机组激磁电感，Um0为短路前双馈风电机组定子电压幅值，μ为短路后双馈风电机组定子电压幅值变化率，σ为双馈风电机组漏电系数，kpi为双馈风电机组转子侧换流器内环内环控制比例系数，kii为双馈风电机组转子侧换流器内环控制积分系数，irlim为双馈风电机组转子最大允许电流。
3.如权利要求1所述的双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，其特征在于，所述基于故障后双馈风电机组的机端电压跌落幅度和转子侧换流器控制定值计算Δfir的第一边界Δf1和第二边界Δf2包括：
计算第一边界
计算第二边界
其中：系数系数
式中：τrp＝τr+τp， 为双馈风电机组转子有功电流控制定值，为双馈风电机组转子无功电流控制定值，ωr为双馈风电机组转子转速，Rr为双馈风电机组转子电阻，Lr为双馈风电机组转子电感，Ls为双馈风电机组定子电感，Lm为双馈风电机组激磁电感，Um0为短路前双馈风电机组定子电压幅值，μ为短路后双馈风电机组定子电压幅值变化率，σ为双馈风电机组漏电系数，kpi为双馈风电机组转子侧换流器内环内环控制比例系数，kii为双馈风电机组转子侧换流器内环控制积分系数，irlim为双馈风电机组转子最大允许电流。
4.如权利要求1所述的双馈风电场经柔直并网系统故障穿越控制方法，其特征在于，所述基于双馈风电机组转子最大允许转速计算双馈风电机组转子最大允许转速对机端电压频率的约束Δfωr的第三边界Δf3包括：
计算第三边界
式中，K＝2Hωr，ωr为双馈风电机组转子转速，ωr0为短路前双馈风电机组转子转速，J为双馈风电机组转动惯量，H为双馈风电机组惯性时间常数，ωrlim为双馈风电机组转子最大允许转速。
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