CN109088438A - 基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，包括计算交流输电线路线路潮流过载量ΔP_d，计算双馈风电场最大可控有功出力ΔP_wm，从而提出双馈风电机组加速可控范围；当ΔP_d≤ΔP_wm，计算各台双馈风电机组的有功控制量ΔP_gi；当ΔP_d＞ΔP_wm，设置各台双馈风电机组的有功控制量为其最大可控有功出力ΔP_gmi；根据有功控制量计算各台双馈风电机组的转速控制参考值ω′_ri*；闭锁双馈风电机组转子侧变流器控制外环，直接给定内环有功电流参考值i_rqi*。本发明能够充分发挥双馈风电机组的有功控制能力，迅速降低双馈风电场的有功出力，从而避免交流输电线路过载引发连锁跳闸。

Description

基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法

技术领域

本发明涉及风电控制领域，具体地说，涉及一种基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法。

背景技术

对于风能资源和负荷中心逆向分布的地区，风电开发一般采取大规模集中式开发，远距离高电压输送的模式。由于电网换相换流器高压直流输电系统具有传输容量大，传输距离远等优点，因此风电经常规直流送出已成为风能资源跨区优化配置的主要方式。但是高压直流输电工程的建设显著超前于高压交流输电工程，使当前交直流混联系统呈现出典型的强直弱交特性。常规直流受逆变站交流电压下降的影响易发生换相失败，连续换相失败甚至可能导致直流闭锁。巴西3·21大停电事故表明，当常规直流发生换相失败或者直流闭锁后，易引发大规模潮流转移，由于交流电网的承载能力较弱，可能导致连锁故障，极大地威胁电力系统的安全稳定运行。

目前为解决风电送出系统在直流换相失败和直流闭锁后引发连锁故障的问题，国内外科研人员已开展了相关的研究。一些研究通过建立含风电的交直流系统简化模型，结合数学推导和仿真实验，分析了故障条件和常规直流控制响应共同约束下的风电机组高压脱网和交流线路相继跳闸等连锁故障特性，揭示了相应的连锁故障机理。一些研究提出通过加强交流同步电网避免连锁故障，但系统稳定特性依然复杂，在大扰动下系统失稳风险仍然存在。一些研究通过制定直流闭锁后的切负荷决策，减少联络线传送的功率防止系统失稳。一些研究提出通过直流背靠背异步互联，将潮流转移引发的功角稳定问题转化为送端电网的频率稳定问题，但是由于大规模风电机组替换常规发电机组，降低了送端电网惯量，无法快速地响应频率变化。一些研究通过改进常规直流整流站控制器，使其参与送端电网频率控制，但是在直流闭锁情况下，常规直流整流站失去控制能力，面对送端电网的大有功冲击，无法继续保证系统稳定。总而言之，上述研究都主要从输电系统耐受能力和消纳能力的角度出发，提出相应的连锁故障阻断方法，尚未考虑对送端电源过剩的有功出力进行控制，也无法充分发挥风电机组的快速功率控制能力。

综上所述，如何提供一种新的技术方案，充分发挥大规模双馈风电场的功率控制能力，实现风电送出系统在直流受端故障时的功率控制，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，考虑了双馈风电机组风能利用系数随机组转速的动态变化规律，通过提升机组转速降低送端电源的有功出力，将过剩风能储存在转子动能中，并通过双馈风电机组控制器的改进实现快速的有功功率控制。该控制方法从源网协调的角度出发，能够充分发挥双馈风电机组的功率控制能力，可以在一定的范围内阻断因送端有功过剩引发的连锁跳闸。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，包括如下步骤：

S1、当故障发生时，基于故障前整流站直流电压U_dr0、故障前整流站直流电流I_d0及故障稳态时常规直流输电系统传输的有功功率P_df计算交流输电线路潮流过载量ΔP_d；

S2、根据实时风速计算各台双馈风电机组的最大可控有功出力，基于各台双馈风电机组的最大可控有功出力计算双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm；

S3、基于公式计算各台双馈风电机组的有功控制量，ΔP_gi表示第i台双馈风电机组的有功控制量；

S4、根据各台双馈风电机组的有功控制量计算各台双馈风电机组的转速控制参考值；

S5、根据各台双馈风电机组的有功控制量、转速参考值和机端电压计算各台双馈风电机组的转子侧变流器控制内环的电磁转矩参考值，根据各台双馈风电机组的转子侧变流器控制内环的电磁转矩参考值和定子磁链计算各台双馈风电机组的有功电流参考值；

S6、对各台双馈风电机组，闭锁转子侧变流器控制外环，将内环有功电流值设置为所述有功电流参考值，实现交流输电线路连锁跳闸的阻断。

优选地，步骤S1中，ΔP_d＝U_dr0I_d0-P_df。

优选地，步骤S2中基于各台双馈风电机组的最大可控有功出力计算双馈风电场的最大可控有功出力包括如下步骤：

基于公式计算双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm，其中，ΔP_gmi为第i台双馈风电机组的最大可控有功出力，i＝1,2,3，…，N，N为双馈风电场中的双馈风电机组台数。

优选地，步骤S4具体包括如下步骤：

基于公式

计算各台双馈风电机组的转速控制参考值，其中，ω′_ri*为第i台双馈风电机组的转速控制参考值，C′_pi表示第i台双馈风电机组转速提升到ω′_ri*时的风能利用系数；λ′_i为第i台双馈风电机组转速提升到ω′_ri*时的叶尖速比；

k₁表示第一风轮相关系数，k₂表示第二风轮相关系数，V_wi表示第i台双馈风电机组的风速，C_pmax表示最大风能利用系数，C″_p表示双馈风电机组在最大转速下运行时的风能利用系数，λ″表示双馈风电机组在最大转速下运行时的叶尖速比，λ″＝k₂ω_rmax/V_w，iω_rmax表示双馈风电机组最大允许转速，

P_df＝U_drfI_df，

U_drf表示故障稳态时整流站直流电压，I_df表示故障稳态时整流站直流电流，

U_if表示故障稳态时逆变站换流母线电压，T表示换流变压器变比，R_d表示直流线路电阻，X_T表示换流变压器漏抗，表示关断角控制指令值，表示故障稳态时逆变站触发超前角，I_dh、U_dh、I_dl、及U_dl均为整流站低电压限电流控制环节参数，Δα表示直流逆变站换相失败预测控制的输出。

优选地，步骤S5具体包括如下步骤：

基于公式

计算各台双馈风电机组转子侧变流器控制内环的有功电流参考值，其中，i_rqi*为第i台双馈风电机组转子侧变流器控制内环的有功电流参考值，L_s表示定子电感，L_m表示激磁电感，ψ_si表示第i台双馈风电机组定子磁链，T_ei*为第i台双馈风电机组转子侧变流器控制内环电磁转矩参考值，

U_sN表示双馈风电机组机端电压的额定值，U_s表示双馈风电机组机端电压的有效值。

综上所述，本发明提供了一种基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，包括计算交流输电线路线路潮流过载量ΔP_d，计算双馈风电场最大可控有功出力ΔP_wm，从而提出双馈风电机组加速可控范围；当ΔP_d≤ΔP_wm，计算各台双馈风电机组的有功控制量ΔP_gi；当ΔP_d＞ΔP_wm，设置各台双馈风电机组的有功控制量为其最大可控有功出力ΔP_gmi；根据有功控制量计算各台双馈风电机组的转速控制参考值ω′_ri*；闭锁双馈风电机组转子侧变流器控制外环，直接给定内环有功电流参考值i_rqi*。本发明能够充分发挥双馈风电机组的有功控制能力，迅速降低双馈风电场的有功出力，从而避免交流输电线路过载引发连锁跳闸。

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基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法的流程图；

图2为本发明公开的风电送出系统示意图；

图3为本发明公开的双馈风电机组加速可控范围示意图；

图4为本发明公开的双馈风电机组在加速控制下转子侧变流器的控制结构；

图5为采用本发明前后的双馈风电场输出的有功功率；

图6为采用本发明前后的交流输电线路传输的有功功率。

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。

如图1所示，一种基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，包括如下步骤：

S1、当故障发生时，基于故障前整流站直流电压U_dr0、故障前整流站直流电流I_d0及故障稳态时常规直流输电系统传输的有功功率P_df计算交流输电线路潮流过载量ΔP_d；

S2、根据实时风速计算各台双馈风电机组的最大可控有功出力，基于各台双馈风电机组的最大可控有功出力计算双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm；

S3、基于公式计算各台双馈风电机组的有功控制量，ΔP_gi表示第i台双馈风电机组的有功控制量；

S4、根据各台双馈风电机组的有功控制量计算各台双馈风电机组的转速控制参考值；

S5、根据各台双馈风电机组的有功控制量、转速参考值和机端电压计算各台双馈风电机组的转子侧变流器控制内环的电磁转矩参考值，根据各台双馈风电机组的转子侧变流器控制内环的电磁转矩参考值和定子磁链计算各台双馈风电机组的有功电流参考值；

S6、对各台双馈风电机组，闭锁转子侧变流器控制外环，将内环有功电流值设置为所述有功电流参考值，实现交流输电线路连锁跳闸的阻断。

双馈风电机组一般运行在中低风速，通过转速控制主动提升转子转速，可以将风能储存在转子动能中，从而降低双馈风电机组的有功出力。当常规直流发生换相失败或者直流闭锁后，通过调整双馈风电机组转速进行功率控制，有利于抑制潮流转移，阻断连锁故障。此外，潮流转移主要影响交流输电线路的后备保护动作，响应时间较长，为风电机组的功率控制创造了条件，通过改进双馈风电机组的控制结构有助于实现快速的功率支援。但是风电场功率控制和常规直流低电压穿越控制相互耦合，转速控制应根据具体的故障情况和故障响应来实现。

针对现有的风电送出系统故障过载控制方法未充分考虑双馈风电场与常规直流输电系统的交互影响，未明确双馈风电场的功率可控范围，导致双馈风电机组的快速功率控制能力无法充分发挥，也可能造成送端有功功率调节失当的问题。本发明充分考虑了双馈风电场和常规直流输电系统在电路拓扑和故障控制方面的耦合作用，提出了交流输电线路潮流过载量和双馈风电场最大可控有功出力的计算方法，分析了双馈风电机组加速可控范围，提出了双馈风电机组加速控制参考值计算方法，并通过双馈风电机组控制结构的改进，实现了更快的响应速度。该控制方法能够充分发挥双馈风电场的有功控制能力，迅速降低双馈风电场的有功出力，从而避免交流输电线路过载引发连锁跳闸。

具体实施时，步骤S1中，ΔP_d＝U_dr0I_d0-P_df。

具体实施时，步骤S2中基于各台双馈风电机组的最大可控有功出力计算双馈风电场的最大可控有功出力包括如下步骤：

基于公式计算双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm，其中，ΔP_gmi为第i台双馈风电机组的最大可控有功出力，i＝1,2,3，…，N，N为双馈风电场中的双馈风电机组台数。

具体实施时，步骤S4具体包括如下步骤：

基于公式

计算各台双馈风电机组的转速控制参考值，其中，ω′_ri*为第i台双馈风电机组的转速控制参考值，C′_pi表示第i台双馈风电机组转速提升到ω′_ri*时的风能利用系数；λ′_i为第i台双馈风电机组转速提升到ω_r′_i*时的叶尖速比；

k₁表示第一风轮相关系数，k₂表示第二风轮相关系数，V_wi表示第i台双馈风电机组的风速，C_pmax表示最大风能利用系数，C″_p表示双馈风电机组在最大转速下运行时的风能利用系数，λ”表示双馈风电机组在最大转速下运行时的叶尖速比，λ″＝k₂ω_rmax/V_w，iω_rmax表示双馈风电机组最大允许转速，

P_df＝U_drfI_df，

U_drf表示故障稳态时整流站直流电压，I_df表示故障稳态时整流站直流电流，

U_if表示故障稳态时逆变站换流母线电压，T表示换流变压器变比，R_d表示直流线路电阻，X_T表示换流变压器漏抗，表示关断角控制指令值，表示故障稳态时逆变站触发超前角，I_dh、U_dh、I_dl、及U_dl均为整流站低电压限电流控制环节参数，Δα表示直流逆变站换相失败预测控制的输出。

具体实施时，步骤S5具体包括如下步骤：

基于公式

计算各台双馈风电机组转子侧变流器控制内环的有功电流参考值，其中，i_rqi*为第i台双馈风电机组转子侧变流器控制内环的有功电流参考值，L_s表示定子电感，L_m表示激磁电感，ψ_si表示第i台双馈风电机组定子磁链，T_ei*为第i台双馈风电机组转子侧变流器控制内环电磁转矩参考值，

U_sN表示双馈风电机组机端电压的额定值，U_s表示双馈风电机组机端电压的有效值。

下面以附图2所示的风电送出系统为例介绍应用本发明进行有功控制。当附图2所示系统的直流受端发生三相对称故障时，直流在低电压限电流控制下传输的有功功率下降，导致潮流转移至交流输电线路，可能导致交流输电线路因过载发生连锁跳闸，为了提升系统安全稳定性，双馈风电机组启动加速控制。

首先，计算双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm和交流输电线路潮流过载量ΔP_d：

ΔP_d＝U_dr0I_d0-P_df

其中，ΔP_gmi和P_df分别为第i台双馈风电机组的最大可控有功出力和故障稳态时常规直流输电系统传输的有功功率：

P_df＝U_drfI_df

其中，U_drf和I_df分别为故障稳态时整流站直流电压和直流电流：

其中，为故障稳态时逆变站触发超前角：

根据双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm和交流输电线路潮流过载量ΔP_d的关系，可以确定双馈风电机组加速可控范围如附图3所示。故障稳态期间的交流输电线路潮流过载量ΔP_d与整流站直流电压成反比，而整流站直流电压由逆变站交流母线电压的跌落程度决定；风电场最大可控有功功率ΔP_wm随着风速增加而逐渐减小。在一定的运行风况和故障严重程度下，ΔP_d与ΔP_wm存在一定的大小关系，当ΔP_d≤ΔP_wm时，双馈风电场的最大可控有功出力满足送端电网过剩功率的控制要求。

根据双馈风电机组加速可控范围，当ΔP_d≤ΔP_wm时，各台双馈风电机组按照各自的最大可控有功出力占风电场最大可控有功出力的比例来分配其有功控制量，可以保证各台双馈风电机组不存在控制越限的问题；当ΔP_d＞ΔP_wm时，各台双馈风电机组都发挥各自的最大有功可控能力，尽量减小送端过剩的有功功率。因此第i台双馈风电机组的有功控制量ΔP_gi为：

根据各台双馈风电机组的有功控制量，可以通过下式计算出对应的转速控制参考值：

式中，P_gi为第i台双馈风电机组在正常运行时的有功出力；V_wi为第i台双馈风电机组的风速；C′_pi为第i台双馈风电机组转速提升到ω′_ri*时的风能利用系数；λ′_i为第i台双馈风电机组转速提升到ω′_ri*时的叶尖速比；k₁、k₂为风轮机相关系数；C_pmax为最大风能利用系数；为双馈风电机组在最大转速下运行时的风能利用系数；λ″＝k₂ω_rmax/V_wi为双馈风电机组在最大转速下运行时的叶尖速比；ω_rmax为双馈风电机组最大允许转速；N为风电场内双馈风电机组的台数；U_dr0为故障前整流站直流电压；I_d0为故障前直流电流；U_if为故障稳态时逆变站换流母线电压；为关断角控制指令值；T为换流变压器变比；R_d为直流线路电阻；X_T为换流变压器漏抗；I_dh、I_dl、U_dh和U_dl为整流站低电压限电流控制环节参数；Δα为直流逆变站换相失败预测控制的输出；

双馈风电机组转子侧变流器的控制外环一般按照典型Ⅱ型系统设计，响应时间较长，而控制内环按照典型Ⅰ型系统设计，PI控制器的带宽约为35Hz，上升时间约为10ms，因此闭锁双馈风电机组转子侧变流器控制外环，直接给定内环有功电流参考值，可以实现快速的有功调节。双馈风电机组转子侧变流器改进的控制结构如附图4所示。附图4中，Q_s*为定子无功参考值，Q_s为定子无功测量值，ω_r*为转速参考值，ω_r为转速测量值，i_rd*和i_rq*为转子无功电流和有功电流参考值，i_rd和i_rq为转子无功电流和有功电流测量值。正常运行情况下的转子有功电流参考值由转速偏差决定，功率控制下的有功电流参考值i_rqi*的计算方法为

其中，T_ei*为转子侧变流器控制内环电磁转矩参考值：

式中，U_s为双馈风电机组机端电压的有效值；U_sN为机端电压的额定值；L_s为定子电感；L_s为激磁电感，ψ_si为定子磁链。

最后双馈风电机组启动加速控制，降低送端过剩的有功功率，实现交流输电线路连锁跳闸的阻断。

本发明从源网协调的角度出发，通过双馈风电场的功率控制来阻断风电送出系统的连锁跳闸，根据双馈风电场的最大可控有功出力和交流潮流过载量，提出了双馈风电机组加速可控范围，根据潮流过载量调整双馈风电机组的转速，使双馈风电机组偏离最大功率跟踪控制，同时通过控制器的改进，能够迅速降低双馈风电场的有功出力。本发明实现简单，充分利用了双馈风电机组的功率控制能力，提升了系统的安全稳定水平，可为含大规模风电和直流的复杂电力系统的规划建设与运行控制提供理论参考。

图5为采用本发明前后的双馈风电场输出的有功功率；图6为采用本发明前后的交流输电线路传输的有功功率。由附图可见，采用本发明可迅速降低双馈风电场的有功出力，在不采取切机控制下，交流输电线路传输的有功功率基本回复到正常水平，有效避免了交流输电线路过载引发的连锁跳闸，提升了电力系统安全稳定水平。

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 (5)

1.一种基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、当故障发生时，基于故障前整流站直流电压U_dr0、故障前整流站直流电流I_d0及故障稳态时常规直流输电系统传输的有功功率P_df计算交流输电线路潮流过载量ΔP_d；

S2、根据实时风速计算各台双馈风电机组的最大可控有功出力，基于各台双馈风电机组的最大可控有功出力计算双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm；

S3、基于公式计算各台双馈风电机组的有功控制量，ΔP_gi表示第i台双馈风电机组的有功控制量；

S4、根据各台双馈风电机组的有功控制量计算各台双馈风电机组的转速控制参考值；

S5、根据各台双馈风电机组的有功控制量、转速参考值和机端电压计算各台双馈风电机组的转子侧变流器控制内环的电磁转矩参考值，根据各台双馈风电机组的转子侧变流器控制内环的电磁转矩参考值和定子磁链计算各台双馈风电机组的有功电流参考值；

S6、对各台双馈风电机组，闭锁转子侧变流器控制外环，将内环有功电流值设置为所述有功电流参考值，实现交流输电线路连锁跳闸的阻断。

2.如权利要求1所述的基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，其特征在于，步骤S1中，ΔP_d＝U_dr0I_d0-P_df。

3.如权利要求1所述的基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，其特征在于，步骤S2中基于各台双馈风电机组的最大可控有功出力计算双馈风电场的最大可控有功出力包括如下步骤：

基于公式计算双馈风电场的最大可控有功出力ΔP_wm，其中，ΔP_gmi为第i台双馈风电机组的最大可控有功出力，i＝1,2,3，…，N，N为双馈风电场中的双馈风电机组台数。

4.如权利要求3所述的基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，其特征在于，步骤S4具体包括如下步骤：

基于公式

计算各台双馈风电机组的转速控制参考值，其中，ω′_ri*为第i台双馈风电机组的转速控制参考值，C′_pi表示第i台双馈风电机组转速提升到ω′_ri*时的风能利用系数；λ_i′为第i台双馈风电机组转速提升到ω′_ri*时的叶尖速比；

k₁表示第一风轮相关系数，k₂表示第二风轮相关系数，V_wi表示第i台双馈风电机组的风速，C_pmax表示最大风能利用系数，C″_p表示双馈风电机组在最大转速下运行时的风能利用系数，λ″表示双馈风电机组在最大转速下运行时的叶尖速比，λ″＝k₂ω_rmax/V_w，iω_rmax表示双馈风电机组最大允许转速，

P_df＝U_drfI_df，

U_drf表示故障稳态时整流站直流电压，I_df表示故障稳态时整流站直流电流，

U_if表示故障稳态时逆变站换流母线电压，T表示换流变压器变比，R_d表示直流线路电阻，X_T表示换流变压器漏抗，表示关断角控制指令值，表示故障稳态时逆变站触发超前角，I_dh、U_dh、I_dl、及U_dl均为整流站低电压限电流控制环节参数，Δα表示直流逆变站换相失败预测控制的输出。

5.如权利要求3所述的基于双馈风电机组加速的风电送出系统故障过载控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括如下步骤：

基于公式

计算各台双馈风电机组转子侧变流器控制内环的有功电流参考值，其中，i_rqi*为第i台双馈风电机组转子侧变流器控制内环的有功电流参考值，L_s表示定子电感，L_m表示激磁电感，ψ_si表示第i台双馈风电机组定子磁链，T_ei*为第i台双馈风电机组转子侧变流器控制内环电磁转矩参考值，

U_sN表示双馈风电机组机端电压的额定值，U_s表示双馈风电机组机端电压的有效值。