CN108471120A - 一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法 - Google Patents

一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法 Download PDF

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Abstract

一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法，包括以下步骤：1)当电网电压骤升至1.1pu以上时，风电机组进入高电压穿越状态，风电机组优先控制网侧变流器吸收无功功率以补偿电网电压；2)当网侧变流器无功能力不足时，机组进一步采用控制机侧变流器吸收无功功率以补偿电网电压；3)在高电压穿越期间，当无功输出满足要求时，若变流器容量仍有盈余，采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s；4)在高电压穿越期间，当无功输出满足要求时，若变流器容量无盈余，那么在电压恢复时刻开始即采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s。本发明保证了机组在电压恢复时刻及恢复后的功率平稳，避免引起电网频率震荡。

Description

一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法
技术领域
本发明涉及风电机组的高电压穿越控制，尤其是一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法。
背景技术
近年来风电连锁脱网事故频发，引起运行、研究人员广泛关注。2011年发生的几次大规模风电脱网事故，起因是风电场电气设备故障引发相间短路故障，引起站内和系统电压跌落，在此期间大量风机因不具备低电压穿越能力而脱网，风场内馈线及风场间输电线传输功率减轻，线路充电电容以及风场升压站内投入的并联电容发出的无功相对线路吸收无功过剩。故障切除后系统电压恢复，各风电场的无功补偿装置无法及时进行自动电压调整，引起系统电压升高，导致部分机组因过电压保护动作脱网。由于分布式区域短路容量小，过剩无功导致系统电压大幅抬升，最终造成其他邻近风场内风机过电压保护动作。该过程促使系统过剩无功进一步增加，使发生风机脱网事故区域的面积继续扩大。
分布式机组接入电网的短路容量较小，机组与电网之间的相互影响大。参考德国E.ON公司的HVRT(高电压穿越)并网要求，并网点电压骤升至1.1倍标称值及以上时，机组需按电网电压每升高1％、至少提供2％额定无功电流的原则优先对故障电网进行补偿。那么在电网电压骤升期间，在无功优先输出的原则下，变流器容量仍有盈余则可采用有功功率控制，以防止机组转速飙升和系统频率的震荡。
发明内容
为解决分布式风电机组高电压穿越过程中输出功率震荡，特别是电压恢复时功率导致电网频率震荡的问题，本发明提供一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法，保证了机组在电压恢复时刻及恢复后的功率平稳，避免引起电网频率震荡。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法，包括以下步骤：
1)当电网电压骤升至1.1pu以上时，风电机组优先控制网侧变流器吸收无功功率以降低电压，在高电压穿越期间网侧变流器输出无功电流；
2)实时检测并判断电网电压，若电网电压仍高于1.1pu时，风电机组控制网侧变流器吸收无功功率的同时，控制机侧变流器吸收无功功率以降低电压，参考高电压穿越并网要求，电网电压每升高1％，提供2％额定无功电流，双馈风电机组的定子侧输出无功电流；
3)判断变流器在高穿期间无功优先输出后，若有容量盈余，则在高穿期间开始采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s，G1的小扰动方程如下：
HG为同步发电机G1的惯性时间常数，kp为有功阻尼系数，p为微分因子，D为阻尼系数，δ0、θ0、UG0是δ、θ、UG的初始值，UG是风电场接入点电压，θ是E'和UG之间的相角差，δ是E'和U之间的相角差，E'是同步发电机G1的q轴暂态电势，Δδ是E'和U之间的相角差的变化量；x1是线路电抗参数；
其中，
式中，U是电网电压，x2是线路电抗参数；
在高穿期间及电压恢复后设置有功阻尼系数kp＞0，系统阻尼增加，抑制高电压穿越期间和高电压恢复后的电网频率震荡；
4)判断变流器在高穿期间无功优先输出后，容量若无容量盈余，则在高电压穿越结束时刻开始采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s，设置有功阻尼系数kp＞0，系统阻尼增加，抑制高电压恢复时刻及恢复后的电网频率震荡。
本发明通过网侧变流器和机侧变流器帮助机组实现高电压穿越，同时在电网电压恢复后采用有功功率阻尼控制，避免分布式机组高电压穿越引起电网频率震荡。
同时采用网侧变流器和机侧变流器吸收无功功率，能够最大限度降低电压，帮助机组实现高电压穿越；在电网电压升高及恢复后采用有功功率阻尼控制，避免分布式风电机组高电压穿越引起电网频率震荡。
本发明的技术构思为：风电机组具备一定的HVRT能力可以减少风电机组批量脱网规模，避免连锁反应式事故。大规模风电场集中接入弱电网时会降低电网的安全稳定裕度，增加电压控制的难度。在较高的风电比重下，如何提高电力系统的安全稳定裕度必将引起更多更大的重视。为了增强系统的安全稳定裕度，为了减轻系统电压控制难度，并为了提高风电机组技术性能，最终需要开发风电机组HVRT能力尤为重要。
当电网电压骤升至1.1pu以上时，风电机组优先控制网侧变流器吸收无功功率以降低电压，在高电压穿越期间网侧变流器无功电流输出为：
其中，Igq是网侧变流器输出的无功电流，ωs是同步电角速度，Lg是网侧变流器电感，Udc是变流器直流侧母线电压，Ug是电网相电压峰值。Igmax是网侧变流器最大电流，Igd是网侧变流器输出的有功电流。
实时检测并判断电网电压，若电网电压仍高于1.1pu时，风电机组控制网侧变流器吸收无功功率的同时，控制机侧变流器吸收无功功率以降低电压，参考德国E.ON公司的HVRT(高电压穿越)并网要求，电网电压每升高1％，提供2％额定无功电流，那么双馈风电机组的转子侧输出的无功电流如下：
Isq≤-2(Us-1.1)IN-Igd (4)
其中，Isq是双馈机组定子侧输出的无功电流，IN是风电机组额定电流，Lm是双馈机组定转子之间的互感，Irq是双馈机组转子侧输出的无功电流。
判断变流器在高穿期间无功优先输出后，容量是否有盈余，若有容量盈余，则在高穿期间开始采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s，若无盈余，则在高穿结束(电网电压恢复)时刻开始采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s。
同步发电机G1运动方程为：
其中，HG1为G1的惯性时间常数，PG1为G1的电磁功率，D为阻尼系数，ωs为G1的电角速度。
其小扰动方程为：
HG1p2Δδ+DpΔδ+ΔPG1＝0 (9)
其中，ΔPG1为G1有功功率变化量，p为微分因子。
G1的有功功率输出为：
式中，UG是风电场接入点电压，E'是G1的q轴暂态电势，θ是E'和UG之间的相角差，x1是线路电抗参数。
其小扰动方程如下：
ΔPw＝-kppΔδ＝-kpΔωs (13)
其中，δ是E'和U之间的相角，δ0、θ0是δ、θ的初始值。
根据式(10)、(11)和(12)，得到如下结果：
其中，
根据式(10)和(13)，得到G1的小扰动方程如下：
当有功阻尼系数kp＞0时，系统阻尼增加，抑制高电压穿越期间和高电压恢复后的电网频率震荡。
本发明的有益效果主要表现在：1.风电机组充分利用变流器的无功控制能力，补偿电压的同时，帮助分布式机组实现高电压穿越；2、同时采用网侧变流器和机侧变流器无功功率的能力，使得机组向电网输送的无功最大；3、采用有功阻尼控制，保证了机组在电压恢复时刻及恢复后的功率平稳，避免引起电网频率震荡；4、在机组容量有盈余时，在高穿期间便开始采用有功阻尼控制，保证分布式机组高穿全过程的功率稳定。
附图说明
图1是分布式风电机组并网等值电路。
图2是分布式风电机组高电压穿越控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图2，一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法，包括以下步骤：
1)当电网电压骤升至1.1pu以上时，风电机组优先控制网侧变流器吸收无功功率以降低电压，在高电压穿越期间网侧变流器输出无功电流；
2)实时检测并判断电网电压，若电网电压仍高于1.1pu时，风电机组控制网侧变流器吸收无功功率的同时，控制机侧变流器吸收无功功率以降低电压，参考德国E.ON公司的HVRT(高电压穿越)并网要求，电网电压每升高1％，提供2％额定无功电流，那么双馈风电机组的定子侧输出无功电流；
3)判断变流器在高穿期间无功优先输出后，若有容量盈余，则在高穿期间开始采用有功阻尼控制，G1的小扰动方程如下：
其中，HG为同步发电机G1的惯性时间常数，kp为有功阻尼系数，p为微分因子，D为阻尼系数，δ0、θ0、UG0是δ、θ、UG的初始值，UG是风电场接入点电压，θ是E'和UG之间的相角差，δ是E'和U之间的相角差，E'是同步发电机G1的q轴暂态电势，Δδ是E'和U之间的相角差的变化量；x1是线路电抗参数；
其中，
式中，U是电网电压，x2是线路电抗参数；
在高穿期间及电压恢复后设置有功阻尼系数kp＞0，系统阻尼增加，抑制高电压穿越期间和高电压恢复后的电网频率震荡；
4)判断变流器在高穿期间无功优先输出后，容量若无容量盈余，则在高穿结束(电网电压恢复)时刻开始采用有功阻尼控制，设置有功阻尼系数kp＞0，系统阻尼增加，抑制高电压恢复时刻及恢复后的电网频率震荡。
进一步，所述步骤1)中，当电网电压骤升至1.1pu以上时，风电机组优先控制网侧变流器吸收无功功率以降低电压，在高电压穿越期间网侧变流器无功电流输出为：
其中，Igq是网侧变流器输出的无功电流，ωs是同步电角速度，Lg是网侧变流器电感，Udc是变流器直流侧母线电压，Ug是电网相电压峰值。Igmax是网侧变流器最大电流，Igd是网侧变流器输出的有功电流。
再进一步，所述步骤2)中，双馈风电机组的转子侧输出的无功电流如下：
Isq≤-2(Us-1.1)IN-Igd (4)
其中，Isq是双馈机组定子侧输出的无功电流，IN是风电机组额定电流，Lm是双馈机组定转子之间的互感，Irq是双馈机组转子侧输出的无功电流。

Claims (3)

1.一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)当电网电压骤升至1.1pu以上时，风电机组优先控制网侧变流器吸收无功功率以降低电压，在高电压穿越期间网侧变流器输出无功电流；
2)实时检测并判断电网电压，若电网电压仍高于1.1pu时，风电机组控制网侧变流器吸收无功功率的同时，控制机侧变流器吸收无功功率以降低电压，参考高电压穿越并网要求，电网电压每升高1％，提供2％额定无功电流，双馈风电机组的定子侧输出无功电流；
3)判断变流器在高穿期间无功优先输出后，若有容量盈余，则在高穿期间开始采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s，G1的小扰动方程如下：
其中，HG为同步发电机G1的惯性时间常数，kp为有功阻尼系数，p为微分因子，D为阻尼系数，δ0、θ0、UG0是δ、θ、UG的初始值，UG是风电场接入点电压，θ是E'和UG之间的相角差，δ是E'和U之间的相角差，E'是同步发电机G1的q轴暂态电势，Δδ是E'和U之间的相角差的变化量；x1是线路电抗参数。
其中，
式中，U是电网电压，x2是线路电抗参数；
在高穿期间及电压恢复后设置有功阻尼系数kp＞0，系统阻尼增加，抑制高电压穿越期间和高电压恢复后的电网频率震荡；
4)判断变流器在高穿期间无功优先输出后，容量若无容量盈余，则在高电压穿越结束时刻开始采用有功阻尼控制直至电压恢复后的5s，设置有功阻尼系数kp＞0，系统阻尼增加，抑制高电压恢复时刻及恢复后的电网频率震荡。
2.如权利要求1所述的一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，当电网电压骤升至1.1pu以上时，风电机组优先控制网侧变流器吸收无功功率以降低电压，在高电压穿越期间网侧变流器无功电流输出为：
其中，Igq是网侧变流器输出的无功电流，ωs是同步电角速度，Lg是网侧变流器电感，Udc是变流器直流侧母线电压，Ug是电网相电压峰值，Igmax是网侧变流器最大电流，Igd是网侧变流器输出的有功电流。
3.如权利要求1或2所述的一种风电机组高电压穿越主动支撑优化控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，双馈风电机组的转子侧输出的无功电流如下：
Isq≤-2(Us-1.1)IN-Igd (4)
其中，Isq是双馈机组定子侧输出的无功电流，IN是风电机组额定电流，Lm是双馈机组定转子之间的互感，Irq是双馈机组转子侧输出的无功电流。
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