CN108599230A - 一种联合撬棒电路与储能装置提高系统暂态稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种联合撬棒电路与储能装置提高系统暂态稳定性的方法，用于含风机的多机系统，采用转子侧撬棒保护电路并将超导储能装置装设在风电场出口处。步骤如下：系统正常运行时，超导储能装置工作在平抑风机出力波动工作模式；当系统发生短路故障，风机并网点电压降低，转子电流达到设定值，转子侧撬棒保护电路投入工作，超导储能装置检测到撬棒信号变化后，由平抑风机出力工作模式转变为故障情况下工作模式；超导储能装置开始检测两机系统两同步机之间的功角差信号，若当前时刻功角差信号与前一时刻功角差信号间差的绝对值大于设定值ε时，超导储能装置继续工作于故障情况下工作模式。

Description

一种联合撬棒电路与储能装置提高系统暂态稳定性的方法

技术领域

本发明所属领域为含风电场电力系统的暂态稳定性，涉及双馈风机的撬棒保护电路以及超导储能装置，特别给出一种联合转子侧撬棒保护电路与超导储能装置提高系统暂态稳定的方法。

背景技术

风力发电凭借其清洁无污染的特性成为应用最为广泛的新型清洁能源之一，在电网中的占比不断提高。随着系统中风电穿透功率的提高，向风电机组提出了低电压穿越的要求，要求风机在并网点电压跌落时能够保持不脱网运行，并尽可能向系统提供一定的无功支撑。目前国内外开发了众多的低电压穿越技术，其中以转子侧变流器并联撬棒电路应用最为广泛。而且并网风电场在故障期间的低电压穿越过程中对同步机的电磁功率和系统稳定性也会带来影响，因此研究风电场撬棒穿越措施对电力系统暂态稳定性的影响具有重要意义。

现有技术存在以下缺点和不足：

现有的低电压穿越技术主要针对风电场本身存在的问题，对于风电场采用低电压穿越方案后给系统稳定性带来的影响尚缺乏相关研究。风机低电压穿越过程中运行状态会发生变化，在高风电穿透功率的电网中，风机状态的改变会对电力系统暂态稳定性造成一定的影响。目前针对风电场并网稳定性的相关研究一般通过时域仿真法，针对某一具体电网展开讨论，分析的结果不具有普适性^[1-5]。部分文献通过理论推导的方法，借助拓展等面积准则分析风机对系统暂态稳定的影响^[6-9]，但其分析过程中将风机的机械功率和电磁功率按照与同步机相似的方式进行处理，这种处理方式对风机并不适用^[10]。而且最关键的是大多研究缺乏给出能提高系统暂态稳定性的合理方案。

参考文献

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发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种在实现风机本身低电压穿越要求的基础上，能够在一定程度上提高系统暂态稳定的方法。技术方案如下：

一种联合撬棒电路与储能装置提高系统暂态稳定性的方法，用于含风机的多机系统，采用转子侧撬棒保护电路并将超导储能装置装设在风电场出口处。步骤如下：

1)系统正常运行时，超导储能装置工作在平抑风机出力波动工作模式，并随时检测撬棒信号T_R，该信号在撬棒不工作时为零，撬棒投入运行后置为1；

2)当系统发生短路故障，风机并网点电压降低，转子电流达到设定值，转子侧撬棒保护电路投入工作，撬棒信号T_R由0转变为1，超导储能装置检测到撬棒信号T_R变为1后，由平抑风机出力工作模式转变为故障情况下工作模式；

3)超导储能装置开始检测两机系统两同步机之间的功角差信号δ，若当前时刻功角差信号δ(t)与前一时刻功角差信号δ(t-Δt)之间差的绝对值大于设定值ε时，表明当前系统正处于功角震荡阶段，超导储能装置继续工作于故障情况下工作模式；

4)将多机系统等值为含风机的扩展双机系统，进一步等值为单机无穷大系统，单机无穷大系统的机械功率称为等值机械功率P_m，风电接入后等值机械功率的变化量为ΔP_m，根据风机并网位置计算ΔP_m的正负；

5)比较当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值，当差值大于零，表明系统正处于功角增大的阶段，此时：

若ΔP_m>0，发出吸收功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，从系统侧吸收功率，从而减小加速面积；

若ΔP_m<0，发出释放功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，向系统侧释放功率，从而减小加速面积；

6)当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值小于零，表明系统正处于功角减小的阶段，此时：

若ΔP_m>0，发出释放功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，向系统侧馈出能量，从而增大系统减速面积；

若ΔP_m<0，发出吸收功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，从系统侧吸收能量，从而增大系统减速面积；

7)若当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值的绝对值小于设定值ε时，表明等值系统两台同步机之间的功角差基本不再波动，系统恢复稳定，超导储能装置重新切换为平抑风机出力波动的工作模式。

与现有技术相比较，本联合方案使风电场在完成低电压穿越的基础上，减小了系统功角的震荡幅度，提高了系统的暂态稳定性。

附图说明

图1为含风机的拓展双机系统图

图2为转子撬棒联合超导储能装置协调方案的控制逻辑图

图3为超导储能输出功率与系统功角对应图

图4为系统功角震荡图

具体实施方式

本方法将风电场作为功率注入源处理，借助电力系统的节点导纳矩阵，将风电场注入功率的变化折算为等值单机无穷大系统机械功率的变化，利用扩展等面积定则，从理论上分析风电场撬棒保护电路对电力系统暂态稳定的影响机理。根据此影响机理，利用超导储能装置的四象限工作能力，提出有利于电力系统暂态稳定性的联合转子侧撬棒保护电路与超导储能装置的协调控制策略，给出了依据系统等值功角随时间的变化情况和风机并网位置的不同相应的超导储能装置的控制方案。

所述方案包括以下步骤：

(1)撬棒保护电路对风机暂态输出特性的影响

系统发生故障后，风电场并网点电压跌落，进而引发转子电流激增。当转子电流超过设定值时，转子侧撬棒保护电路投入运行，转子侧PWM变流器闭锁。故障期间，转子撬棒保护电路的投入从两方面改变风机的运行状态：

1)转子侧的冲击能量经过撬棒电阻的消耗后，转子电流迅速降低到接近于零；

2)不投入撬棒时，故障期间风机可以向系统馈出一定的无功功率以支撑系统电压，撬棒的投入使风机类似笼型异步电机运行，从系统吸收大量的无功，使得风机并网点的电压进一步跌落。

总的来说，相较于不采用转子侧撬棒保护电路的风机，采用转子侧撬棒保护电路的风机，在故障期间，转子电流更小，风机并网点电压更低。而双馈风机输出的电磁功率由定子侧输出的功率和转子侧变流器与系统交换的功率两部分组成。其中定子侧输出的电磁功率可表示为：

P_s＝1.5L_msU_si_rd (1)

式中，P_s表示定子侧输出功率，L_ms为定转子间互感与定子自感的比值，为一固定值。U_s为定子电压，i_rd为转子电流d轴分量。因此，由于故障期间转子侧撬棒的投入使得转子电流降低、并网点电压降低，导致定子侧的输出功率进一步降低。对于转子侧与系统交换的功率，在故障期间，由于撬棒投入闭锁了转子侧变流器，转子侧的功率通路受阻，直流母线电容上储存的功率很快通过网侧变流器释放完毕，双馈风机通过网侧变流器馈出的能量迅速降低。

综上所述，转子侧撬棒保护电路降低了故障期间风机输出的电磁功率。

(2)风机接入位置及输出外特性与系统暂态稳定的关系

根据非自治非线性多刚体系统的稳定性分析理论，通过数学推导可以将含有多台同步发电机的系统等值为双机系统，并由双机系统的稳定性和稳定裕度来表征多机系统的稳定性和稳定裕度。

对于含有风机的拓展双机模型，定义功率送端机群为S机群，功率受端机群为R机群。假设电力系统网络已经收缩到只剩发电机内节点以及风机的并网节点，且系统的负荷已作为阻抗归入系统的节点导纳矩阵。系统的双机模式可进一步收缩，等值为一单机无穷大系统。该等值单机无穷大系统的运动方程可表述为：

式中M表示等值系统的转动惯量，δ为等值系统的功角，P_m、P_e分别表示系统的等值机械功率和电磁功率。与传统的单机无穷大系统相比，等值的单机无穷大系统中，机械功率与电磁功率均是折算量，功角为两机模式下两机组功角的功角差。

将风电场等值为一台注入功率与风电场总功率相等的双馈风机。设风电场的并网节点为W，将其注入功率表示为根据风电场注入功率及并网点电压，可得风电场的注入电流为风机的接入导致系统各同步发电机节点输出功率降低，相应的同步发电机的注入电流也随之减小，将此减小的电流表示为：

式中k表示负荷转移系数，是一个介于0与1之间的实数。将风机引起的同步机注入电流的变化折算为系统节点导纳矩阵的变化，进而对原系统的导纳矩阵进行修正。根据修正后的导纳矩阵重新计算系统的运动方程。得到式(2)中等值机械功率因风机接入发生变化，将此变化量写于式(4)：

其中M_R、M_S分别表示S机群、R机群的转动惯量。由此可以看出，ΔP_m的大小与负荷转移系数有直接关联关系，而负荷转移系数与风机并网位置密切相关。风机并网点距离S机群越近，负荷转移系数k_i越大，k_j越小，相应的ΔP_m越大。这样，考虑风机接入系统输出功率变化折算为等值单机无穷大系统机械功率的改变量ΔP_m后，重写等值单机无穷大系统转子运动方程如下：

因此，通过将风电场作为注入源处理，其在暂态期间的功率输出被折算到等值系统的机械功率上，风机输出电磁功率的变化体现为等值单机无穷大系统机械功率的变化，而机械功率的变化会引起等值系统加速面积和减速面积的变化，给系统的暂态稳定带来影响。进而可通过分析风机输出功率的变化，推导出等值系统机械功率的变化规律，为进一步给出提高系统暂态稳定的方案提供了理论基础。

(3)联合转子侧撬棒保护电路与超导储能装置提高系统暂态稳定的方案

根据扩展等面积定则，为提高电力系统的暂态稳定性，应减小系统的加速面积或增大系统的减速面积。由前面分析可知，系统的加速、减速面积受等值机械功率的影响，也可以说是由风机的暂态输出特性所决定。然而转子侧撬棒电路投入够虽然能使风机完成低电压穿越，但其投入、切除时间受转子电流、直流母线电压等限制，无法同时兼顾电力系统暂态稳定性。

考虑到超导储能具有优越的四象限工作能力，能够进行快速的有功、无功功率的双向调节，在国内外电力系统中已有初步应用，将超导储能装置装设在风电场出口处可以有效控制风电运行时向系统输出的功率^[11]。为此，本专利提出一种联合转子撬棒和储能装置的协调控制策略，将储能装置与风机作为一个整体的功率源考虑，使风电场在整个故障期间以及故障恢复过程中，能够按照需求实现对作为功率注入源的风机输出功率的调节，达到同时满足低电压穿越和提高系统暂态稳定的要求。

由式(5)可以看出，ΔP_m的正负会使得风机输出功率的变化给系统暂态稳定带来不同的影响。当ΔP_m>0时，等值系统的机械功率与风机储能联合系统的输出功率同向变化。当ΔP_m<0时，等值系统的机械功率与风机储能联合系统的输出功率逆向变化。而ΔP_m的正负却又与风机的并网位置相关，风机并网位置距离功率送端越近，ΔP_m越大，距离功率受端越近，ΔP_m越小。

所提联合转子侧撬棒保护电路与超导储能装置提高系统暂态稳定的控制方案如下，流程图如图2所示。

1)系统正常运行时，超导储能装置工作在平抑风机出力波动工作模式，并随时检测撬棒信号T_R，该信号在撬棒不工作时为零，撬棒投入运行后置为1。

2)当系统发生短路故障，风机并网点电压降低，转子电流达到设定值，转子侧撬棒保护电路投入工作，撬棒信号T_R由0转变为1。超导储能装置检测到撬棒信号T_R变为1后，由平抑风机出力工作模式转变为故障情况下工作模式。

3)超导储能装置开始检测两机系统两同步机之间的功角差信号δ。若当前时刻功角差信号δ(t)与前一时刻功角差信号δ(t-Δt)之间差的绝对值大于设定值ε时，表明当前系统正处于功角震荡阶段，超导储能装置继续工作于故障情况下工作模式。

4)根据风机并网位置计算ΔP_m的正负。

5)比较当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值，当差值大于零，表明系统正处于功角增大的阶段。此时：

若ΔP_m>0，发出吸收功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，从系统侧吸收功率，从而减小加速面积；

若ΔP_m<0，发出释放功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，向系统侧释放功率，从而减小加速面积。

6)当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值小于零，表明系统正处于功角减小的阶段，此时：

若ΔP_m>0，发出释放功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，向系统侧馈出能量，从而增大系统减速面积；

若ΔP_m<0，发出吸收功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，从系统侧吸收能量，从而增大系统减速面积

7)若当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值的绝对值小于设定值ε时，表明等值系统两台同步机之间的功角差基本不再波动，系统恢复稳定，超导储能装置重新切换为平抑风机出力工作模式。

某含有风机的拓展双机系统如图1所示。其中SG1所示的同步发电机是PV节点，正常运行时输出功率为70MW。SG2所示同步机作为系统的平衡节点。故障发生在单回线的其中一条支路上，在0.1s是发生三项短路故障，在0.35s时切除发生故障的单回线。

如图3所示，在风机转子撬棒电路工作的同时，根据ΔP_m的正负和双侧系统功角差的变化，超导储能按照本专利所述的控制方案进行功率调节。在故障期间，其输出功率随系统的功角增减发生相应的变化，系统功角增大时，从系统吸收功率，系统功角减小时，向系统发出功率。

图4所示，系统故障时，采用联合风机转子撬棒与超导储能装置的协调方案和仅采用传统的风机转子撬棒保护电路两种方案下，系统的功角随时间变化的震荡曲线。由图4可知，采用联合方案的功角震荡幅度相较于传统方案明显减小，系统的暂态稳定性能得到了一定程度的提高。

Claims (1)

1.一种联合撬棒电路与储能装置提高系统暂态稳定性的方法，用于含风机的多机系统，采用转子侧撬棒保护电路并将超导储能装置装设在风电场出口处。步骤如下：

1)系统正常运行时，超导储能装置工作在平抑风机出力波动工作模式，并随时检测撬棒信号TR，该信号在撬棒不工作时为零，撬棒投入运行后置为1；

2)当系统发生短路故障，风机并网点电压降低，转子电流达到设定值，转子侧撬棒保护电路投入工作，撬棒信号TR由0转变为1，超导储能装置检测到撬棒信号TR变为1后，由平抑风机出力工作模式转变为故障情况下工作模式；

3)超导储能装置开始检测两机系统两同步机之间的功角差信号δ，若当前时刻功角差信号δ(t)与前一时刻功角差信号δ(t-Δt)之间差的绝对值大于设定值ε时，表明当前系统正处于功角震荡阶段，超导储能装置继续工作于故障情况下工作模式；

4)将多机系统等值为含风机的扩展双机系统，进一步等值为单机无穷大系统，单机无穷大系统的机械功率称为等值机械功率P_m，风电接入后等值机械功率的变化量为ΔP_m，根据风机并网位置计算ΔP_m的正负；

5)比较当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值，当差值大于零，表明系统正处于功角增大的阶段，此时：

若ΔP_m>0，发出吸收功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，从系统侧吸收功率，从而减小加速面积；

若ΔP_m<0，发出释放功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，向系统侧释放功率，从而减小加速面积；

6)当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值小于零，表明系统正处于功角减小的阶段，此时：

若ΔP_m>0，发出释放功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，向系统侧馈出能量，从而增大系统减速面积；

若ΔP_m<0，发出吸收功率的控制信号，并控制超导储能装置的变流器和斩波器，从系统侧吸收能量，从而增大系统减速面积；

7)若当前时刻功角差与前一时刻功角差的差值的绝对值小于设定值ε时，表明等值系统两台同步机之间的功角差基本不再波动，系统恢复稳定，超导储能装置重新切换为平抑风机出力波动的工作模式。