CN108270232A - 一种双馈风电场经vsc-hvdc联接弱受端系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双馈风电场经VSC‑HVDC联接弱受端系统的控制方法，包括以下步骤：1)根据短路比划SCR分受端系统的强弱程度；2)获取双馈风电场经VSC‑HVDC联接弱受端交流系统的结构，采用理想电压源串联阻抗模型作为弱受端系统的模型；3)通过控制定子磁链守恒实现双馈风机转子侧变流器的功率解耦，通过电压矢量定向控制使网侧变流器保持直流系统电压和输出无功功率的恒定，同时为避免功率频繁切换产生的损耗和失稳，VSC变流器控制采用定功率控制方式，结合安全稳定运行条件的约束，获取临界短路比的理论值；4)当短路比SCR取值为广义临界短路比时，给出提高VSC传输功率的方法。与现有技术相比，本发明具有适用于弱受端系统、可行性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及双馈风电场经高压直流输电并网的技术领域，尤其是涉及一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法。
背景技术
风电作为技术相对成熟的可再生能源之一，近些年受到了各国的广泛关注。然而现在风力资源丰富的区域，比如海上风电场，距离负荷用户多的受端电网较近，若能够直接并入弱受端电网既可以减小线路损耗，也能提高电能传输容量。VSC-HVDC中变流器的自换相能力使联接弱受端系统成为可能。但是接入后的运行特性还有待研究，其中，第一点：VSC-HVDC不能接入极弱受端系统，则考虑以划分弱和极弱系统的临界短路比，此时受端系统处于额定工作状态和临界运行状态。那么双馈风电场经VSC-HVDC能联接怎样弱的受端系统是现在需要解决的问题。第二点：目前关于VSC变流器的控制都是以传统发电机作为模型，若以双馈风机为研究对象，其RSC和GSC的控制需要和VSC的控制配合，结合调度过程中尽可能保持功率恒定的原则选定控制方式。第三点：在实际工况中，还需要考虑传输线路的阻抗角对接入受端系统的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，包括以下步骤：
1)根据短路比SCR划分受端系统的强弱程度，将短路比SCR>3的系统定义为强交流系统，定义2<SCR<3为弱交流系统，SCR<2定义为极弱交流系统；
2)获取双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端交流系统的结构，采用理想电压源串联阻抗模型作为弱受端系统的模型，并且采用双馈风机作为发电机模型；
3)通过控制定子磁链守恒实现双馈风机转子侧变流器的功率解耦，通过电压矢量定向控制使网侧变流器保持直流系统电压和输出无功功率的恒定，同时为避免功率频繁切换产生的损耗和失稳，VSC变流器控制采用定功率控制方式，结合安全稳定运行条件的约束，获取临界短路比的理论值；
4)当短路比SCR取值为广义临界短路比时，获取在不同阻抗角的工况下所对应的最大传输功率Pmax和所需无功功率Qmax的计算值，并且给出提高VSC传输功率的方法。
所述的步骤1)中，短路比SCR的表达式为：
其中，Sac为VSC的三相短路容量，PN为VSC-HVDC的额定传输功率，UN为交流母线的额定电压，Zs为受端系统的等效阻抗。
所述的步骤2)中，弱受端系统模型采用理想电压源Vs与等效电阻Rs和等效电抗Xs的串联模型。
所述的步骤3)中，通过控制定子磁链守恒实现双馈风机转子侧变流器的功率解耦，在dq轴坐标下定子侧的输出功率和定子磁链的关系式为：
其中，Ps和Qs分别为定子侧的有功和无功功率，us为定子电压，ψs为定子磁链，Lm为激磁电抗，Ls为定子自感，idr和iqr为转子dq轴的电流分量。
所述的步骤3)中，通过电压矢量定向控制使网侧变流器保持直流系统电压和输出无功功率的恒定，定义d轴方向与电网侧电压方向一致，则有：
ed＝E
eq＝0
其中，Pe和Qe分别为GSC输出的有功和无功功率，ed、eq分别为d轴和q轴电势，E为电网电压，id、iq分别为d轴和q轴电流。
所述的步骤3)中，VSC变流器的控制要求为保持有功和无功功率恒定，在阻抗角的情况下，VSC变流器的有功和无功功率P和Q的表达式为：
其中，Vs为理想电压源，Vt为变流站和受端系统联接点处的电压，δ为Vt相对于Vs的功角差，Xs为等效电抗。
所述的步骤3)中，安全稳定运行条件的约束包括：
稳定性约束条件：
安全约束条件：
Vtmin≤Vt≤Vtmax
其中，Vtmin、Vtmax分别为变流站和受端系统联接点处的电压Vt的上下限
在稳定性约束条件中，当SCR>1时，VSC-HVDC的并网不会影响到受端系统的稳定性。
所述的步骤3)中，临界短路比的理论值为2。
所述的步骤4)中，当无功充足时，VSC传输的最大功率随着电阻的比重加大而减小，对于受端系统，通过增大系统阻抗角的方式提高VSC传输功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明针对目前风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制策略选择和接入后的临界运行特性问题，考虑电力系统中风电场出力、风速波动小干扰以及三相短路的暂态稳定性问题，首次以双馈风机作为发电机模型考虑经VSC-HVDC与弱受端系统相连的控制策略，通过风电场出力的变化，可得出对应的最大等效阻抗和临界短路比，利用风速波动和三相短路故障的稳定检验，证明提出的控制方法可行。
附图说明
图1为基于VSC-HVDC联接弱受端系统的风电场结构图。
图2为弱受端系统的P-Q圆图。
图3为双馈风机示意图。
图4为转子侧变流器控制框图。
图5为网侧变流器控制框图。
图6为VSC-HVDC的控制系统图。
图7为风电场出力参数变化图。
图8为风速波动时不同短路比下的并网点电压。
图9为三相短路时不同短路比下的母线电压。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
本发明提供一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，具体包括下述步骤：
步骤1、首先考虑双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的结构，包括变流站、变流变压器、直流滤波器和电容器等。
步骤2、采用理想电压源串联阻抗模型，来体现弱受端系统的高阻抗特性。以短路比作为划分系统强弱的指标，得出短路比和其他参数的关系式，并总结弱受端系统的特点。
步骤3、双馈风机的直流背靠背的变流器控制能够使其在不同风速和不同转速下保持稳定运行，转子侧变流器和网侧变流器的控制方式类似，都是基于矢量控制的控制方式。
步骤4、结合实际受端电网中保持功率稳定的工况，将VSC的变流器控制选定为定有功无功控制，通过PWM控制的电压源变流器，对VSC-HVDC输出的有功和无功功率实现独立解耦控制。
步骤5、在此基础上考虑安全稳定运行条件，结合实际电网中阻抗角的影响，总结出两种减小短路比的方法。最后得出采用这种控制方法时，不同风电场出力对应的临界短路比。
由短路比来划分受端系统的强弱程度。式(1)为其表达式。
式中：Sac为VSC的三相短路容量；PN为VSC-HVDC的额定传输功率；UN为交流母线的额定电压；Zs为受端系统的等效阻抗。由于在理论计算中，交流线路的电阻相对于电抗可忽略，即当受端系统的等效阻抗角时，若取UN为交流系统的基准电压，PN为传输功率的基准功率，再进一步将电抗标幺化，可得到SCR的简化表达式，如式(2)所示。
由(2)式可知，短路比SCR即为受端交流系统等值电抗标幺值的倒数。从广义上说，将SCR>3的系统定义为强交流系统，SCR<2定义为极弱交流系统。
双馈风机转子侧变流器通过控制定子磁链守恒来实现转子侧变流器的功率解耦，在dq轴坐标下定子侧的输出功率和定子磁链的关系式为：
式(3)中，Ps和Qs分别表示定子侧的有功和无功功率；us为定子电压；ψs为定子磁链；Lm为激磁电抗；Ls为定子自感；idr和iqr为转子dq轴电流分量。
网侧变流器采用电压矢量定向控制方法，其控制目标是保持直流系统电压和输出无功功率的恒定。即定义d轴方向与电网侧电压方向一致，即ed＝E，eq＝0，ed、eq为d轴和q轴电势，E为电网电压。则：
式(4)中，Pe和Qe分别为GSC输出的有功和无功功率。
VSC变流器控制要求保持有功和无功功率恒定，在阻抗角的理想情况下，VSC的有功和无功功率P和Q的表达式为：
其中，弱受端系统采用理想电压源Vs与等效电阻Rs和等效电抗Xs的串联模型；Vt∠δ为变流站和受端系统联接点处的电压(δ为Vt相对于Vs的功角差)。
为保证受端系统能够稳定运行并处于安全稳定运行区域，需要满足稳定性约束条件(7)和安全约束条件(8)，即：
Vtmin≤Vt≤Vtmax (8)
式(7)为静态电压稳定运行判据，需满足小于零的限制条件，求出零点Xsmax＝0，需满足0<Xs<Xsmax，也就是SCR>1时，VSC-HVDC的并网才不会影响到受端系统的稳定性。式(8)中的Vtmin通常取0.95pu，Vtmax通常取1.05pu。
在理想工况下，可简化VSC-HVDC的传输功率方程，联立与SCR的关系式为：
由式(9)可知，如果要保证VSC处于额定工作状态，则需要SCR>1。
当阻抗角即考虑阻抗角的非理想工况时，受端交流系统P和Q的函数式为：
由式(10)(11)可知，VSC-HVDC的最大传输功率Pmax和可提供的最大无功功率Qmax分别为：
将最大值标幺化，并结合(14)(15)的电压降落公式：
可得到Pmax.pu、Qmax.pu与SCR、相关的表达式(16)(17)：
取SCR＝2时的广义临界短路比时，在不同阻抗角的工况下所对应的最大传输功率Pmax和所需无功功率Qmax的计算值如表1。
表1
由表中数据可知：当无功充足时，VSC传输的最大功率随着电阻的比重加大而减小。所以对于受端系统来说，若提高VSC传输功率可以增大系统阻抗角。
算例1：不同风电场出力并网的临界短路比
本小节针对提出的方法，以双馈风电场的接入为基础，采用递增受端系统的等效电抗控制变量法，以潮流计算存在实数解以及交流母线电压在稳定区域内波动为判断依据，得出在不同风电场出力下对应的最大等效电抗和临界短路比如表2所示，三者的图示变化情况如图7。
表2
算例2：风速波动稳定性
风速波动是风电场运行过程中的普遍现象，当初始风速10m·s-1在1s～2s内下降到7m·s-1，短路比分别取1.5，1.6和1.7时，并网PCC点的电压波动情况如图8所示。
由图8可看出，受端系统的短路比相对较大时，电压的波动较小，稳定性较好。当受端系统很弱，如图中SCR＝1.5时，电压降落已低于0.95pu，系统稳定性受风速波动的影响很大。
算例3：暂态稳定性
在整流变流器侧母线设置三相接地短路，并在0.15s后切除故障，不同短路比对应的并网PCC点母线的电压变化如图9所示，同理当SCR＝1.5时，三相短路电流相对于SCR>1.6的情况要大得多。
Claims (10)
1.一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据短路比SCR划分受端系统的强弱程度，将短路比SCR>3的系统定义为强交流系统，定义2<SCR<3为弱交流系统，SCR<2定义为极弱交流系统；
2)获取双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端交流系统的结构，采用理想电压源串联阻抗模型作为弱受端系统的模型，并且采用双馈风机作为发电机模型；
3)通过控制定子磁链守恒实现双馈风机转子侧变流器的功率解耦，通过电压矢量定向控制使网侧变流器保持直流系统电压和输出无功功率的恒定，同时为避免功率频繁切换产生的损耗和失稳，VSC变流器控制采用定功率控制方式，结合安全稳定运行条件的约束，获取临界短路比的理论值；
4)当短路比SCR取值为广义临界短路比时，获取在不同阻抗角的工况下所对应的最大传输功率Pmax和所需无功功率Qmax的计算值，并且给出提高VSC传输功率的方法。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，短路比SCR的表达式为：
其中，Sac为VSC的三相短路容量，PN为VSC-HVDC的额定传输功率，UN为交流母线的额定电压，Zs为受端系统的等效阻抗。
3.根据权利要求1所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，弱受端系统模型采用理想电压源Vs与等效电阻Rs和等效电抗Xs的串联模型。
4.根据权利要求1所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，通过控制定子磁链守恒实现双馈风机转子侧变流器的功率解耦，在dq轴坐标下定子侧的输出功率和定子磁链的关系式为：
其中，Ps和Qs分别为定子侧的有功和无功功率，us为定子电压，ψs为定子磁链，Lm为激磁电抗，Ls为定子自感，idr和iqr为转子dq轴的电流分量。
5.根据权利要求1所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，通过电压矢量定向控制使网侧变流器保持直流系统电压和输出无功功率的恒定，定义d轴方向与电网侧电压方向一致，则有：
ed＝E
eq＝0
其中，Pe和Qe分别为GSC输出的有功和无功功率，ed、eq分别为d轴和q轴电势，E为电网电压，id、iq分别为d轴和q轴电流。
6.根据权利要求1所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，VSC变流器的控制要求为保持有功和无功功率恒定，在阻抗角的情况下，VSC变流器的有功和无功功率P和Q的表达式为：
其中，Vs为理想电压源，Vt为变流站和受端系统联接点处的电压，δ为Vt相对于Vs的功角差，Xs为等效电抗。
7.根据权利要求6所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，安全稳定运行条件的约束包括：
稳定性约束条件：
安全约束条件：
Vtmin≤Vt≤Vtmax
其中，Vtmin、Vtmax分别为变流站和受端系统联接点处的电压Vt的上下限。
8.根据权利要求7所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，在稳定性约束条件中，当SCR>1时，VSC-HVDC的并网不会影响到受端系统的稳定性。
9.根据权利要求1所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，临界短路比的理论值为2。
10.根据权利要求9所述的一种双馈风电场经VSC-HVDC联接弱受端系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤4)中，当无功充足时，VSC传输的最大功率随着电阻的比重加大而减小，对于受端系统，通过增大系统阻抗角的方式提高VSC传输功率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180710 |