CN109390952A - 一种风电机组广域快速电压控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风电机组广域快速电压控制器及控制方法，所述控制器包括：电压偏差计算环节、第一死区环节、第一限幅环节、第一PI环节、无功功率偏差计算环节、第二死区环节、第二限幅环节、第二PI环节、第一选择开关和超前滞后环节；所述电压偏差计算环节、第一死区环节、第一限幅环节、第一PI环节依次连接；所述无功功率偏差计算环节、第二死区环节、第二限幅环节和第二PI环节依次连接；所述第一选择开关的第一输入端与所述第一PI环节连接；所述第一选择开关的第二输入端与所述第二PI环节连接；所述第一选择开关的输出端与所述超前滞后环节连接。本发明提供的技术方案能改善风电机组的无功功率输出，快速抑制电压骤升与骤降。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统控制技术领域，具体涉及一种风电机组广域快速电压控制器及控制方法。
背景技术
风力发电以其技术成熟、成本较低和大规模开发利用的优势成为新能源发展最快、最具竞争力的发电技术。据《2017全球可再生能源现状报告》(Renewables 2017 GlobalStatus Report)指出，2016年可再生能源电力新增容量再创新高，达到161吉瓦(GW)，全球累计装机近2017GW，较2015年增幅约9％，其中风电在年新增电力容量中占比34％。2004年风力发电仅占再生能源发电的6％，到2016年进展到24.1％。2016年全球风电场年增长15.6％，发电量为959.5TW·h，其中发电量最多的国家是中国，中国于2016年超过美国，中国年增长39.4％，发电量为241.0TW·h，占全球总量的25.1％，但是新能源的消纳成为目前急需解决的问题。大规模远距离输电是解决大型清洁能源消纳和防治大气污染的重要举措，但是大规模清洁能源发电的自身特点也给电网的安全稳定运行带来了一系列的挑战，如清洁能源发电机组的高低压穿越问题，尤其是近年来风电机组的电压稳定性与无功控制问题难以解决给电网安全及新能源送出带来了较大制约。
目前，新能源开发发展快速，但新能源大多分布在距离负荷中心较远的地区，将大规模新能源送出大部分采用常规高压交流线路或特高压直流(LCC-HVDC)集中送出。但是由于LCC-HVDC存在换相失败问题，而且由于直流输电距离远、跨越地域比较广，送端多以配套新能源为主，新能源调压性能不稳造成换流站换相失败，直流故障时有发生，系统电压将发生跌落或上升，对电网安全运行造成很大影响。
为此需要针对新能源送出过程对电网电压稳定性的影响提出一种快速调压的技术方案。
发明内容
本发明提供一种风电机组广域快速电压控制器及控制方法，其目的是改善风电机组的无功功率输出，快速抑制电压骤升与电压骤降，能够增强受扰后大型并网风电场系统电压稳定性，提高电网接纳大容量新能源电力的能力。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种风电机组广域快速电压控制器，其改进之处在于：所述控制器包括：电压偏差计算环节、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8、无功功率偏差计算环节、第二死区环节13、第二限幅环节14、第二PI环节15、第一选择开关9和超前滞后环节10；
所述电压偏差计算环节、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8依次连接；
所述无功功率偏差计算环节、第二死区环节13、第二限幅环节14和第二PI环节15依次连接；
所述第一选择开关9的第一输入端与所述第一PI环节8连接；
所述第一选择开关9的第二输入端与所述第二PI环节15连接；
所述第一选择开关9的输出端与所述超前滞后环节10连接。
优选地，所述电压偏差计算环节包括：放大器1、第一加法器2、第二选择开关3、第一滤波环节4、第二加法器5；
所述放大器1、第一加法器2、第二选择开关3、第一滤波环节4、第二加法器5依次连接；
所述放大器1的输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch，所述放大器1的输出端与第一加法器2相加；所述第一加法器2的输入量包括风电场并网点电压Vreg；
所述第二选择开关3的第一输入端的输入值为风电场并网点电压Vreg，所述第一加法器2的输出端与第二选择开关3的第二输入端连接；
所述第一滤波环节4与所述第二加法器5相减，所述第二加法器5的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref。
优选地，所述第一滤波环节4的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数。
优选地，所述无功功率偏差计算环节包括：第二滤波环节11、第三滤波环节16、乘法器17、第三选择开关18、第三加法器12；
所述第三滤波环节16、乘法器17、第三选择开关18、第三加法器12依次连接；
所述第三滤波环节16的输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的有功功率Pbranch；
所述乘法器17的输入量包括其中，PFPOI__ref为功率因数；
所述乘法器17的输出量与所述第三选择开关18的第一输入端连接，所述第三选择开关18的第二输入端的输入值为无功功率参考值Qplant_ref，所述第三选择开关18的输出端与所述第三加法器12相加；
所述第二滤波环节11与第三加法器12相减，其输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch。
优选地，所述第二滤波环节11的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数。
优选地，所述第三滤波环节16的传递参数为：
式中，s为积分算子，Trp为时间常数。
优选地，所述超前滞后环节10的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tft为时间常数、Tfv为时间常数。
一种如权利要求1-7任一项所述风电机组广域快速电压控制器的控制方法，其改进之处在于：
当闭合所述第二选择开关3的第一输入端，且闭合所述第一选择开关9的第一输入端时，风电场并网点电压Vreg依次经过第一滤波环节4、第二加法器5、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，第二加法器5的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref；
当闭合所述第二选择开关3的第二输入端，且闭合所述第一选择开关9的第一输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch依次经过放大器1、第一加法器2、第二选择开关3、第一滤波环节4、第二加法器5、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述第一加法器2的输入量包括风电场并网点电压Vreg，所述第二加法器5的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref；
当闭合所述第三选择开关18的第一输入端，且闭合所述第一选择开关9的第二输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的有功功率Pbranch依次经过第三滤波环节16、乘法器17、第三选择开关18、第三加法器12、第二死区环节13、第二限幅环节14、第二PI环节15、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述乘法器17的输入量包括PFPOI__ref为功率因数，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch经过第二滤波环节11后输入第三加法器12；
当闭合所述第三选择开关18的第二输入端，且闭合所述第一选择开关9的第二输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch依次经过第二滤波环节11、第三加法器12、第二死区环节13、第二限幅环节14、第二PI环节15、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述第三加法器12的输入值包括无功功率参考值Qplant_ref。
优选地，所述第一滤波环节4的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数；
所述第二滤波环节11的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数；
所述第三滤波环节16的传递参数为：
式中，s为积分算子，Trp为时间常数；
所述超前滞后环节10的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tft为时间常数、Tfv为时间常数。
本发明的有益效果：
本发明提供的技术方案，针对因大电网内发生的扰动故障引起的系统电压骤升、骤降，通过风电场级的广域快速电压控制，改善风电机组的无功功率输出，解决并网风电场系统无功功率不足的问题，从而快速增加系统电压稳定性。
本发明提供的技术方案，可以应用于所有风电场，覆盖范围广，实现方便，投资小，效果更加显著。
附图说明
图1是本发明提供的一种风电机组场级广域快速电压控制器示意图；
图2是本发明实施例中各个机组无功功率分配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
就目前风电场而言，将大规模新能源送出主要采用的是常规高压或特高压直流集中送出，但是由于新能源与负荷中心相距较远，在直流输电距离远、跨越地域广的情况下，新能源调压性能不稳造成换流站换相失败，直流故障时有发生，系统电压发生跌落或上升，对电网安全运行造成很大影响。
实施例一
本发明提供一种风电机组广域快速电压控制器，如图1所示，包括：电压偏差计算环节、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8、无功功率偏差计算环节、第二死区环节13、第二限幅环节14、第二PI环节15、第一选择开关9和超前滞后环节10；
所述电压偏差计算环节、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8依次连接；
所述无功功率偏差计算环节、第二死区环节13、第二限幅环节14和第二PI环节15依次连接；
所述第一选择开关9的第一输入端与所述第一PI环节8连接；
所述第一选择开关9的第二输入端与所述第二PI环节15连接；
所述第一选择开关9的输出端与所述超前滞后环节10连接。
具体的，所述电压偏差计算环节包括：放大器1、第一加法器2、第二选择开关3、第一滤波环节4、第二加法器5；
所述放大器1、第一加法器2、第二选择开关3、第一滤波环节4、第二加法器5依次连接；
所述放大器1的输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch，放大器1的输出端与第一加法器2相加；所述第一加法器2的输入量包括风电场并网点电压Vreg；
所述第二选择开关3的第一输入端的输入值为风电场并网点电压Vreg，所述第一加法器2的输出端与第二选择开关3的第二输入端连接；
所述第一滤波环节4与所述第二加法器5相减，所述第二加法器5的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref。
所述第一滤波环节4的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数。
具体的，所述无功功率偏差计算环节包括：第二滤波环节11、第三滤波环节16、乘法器17、第三选择开关18、第三加法器12；
所述第三滤波环节16、乘法器17、第三选择开关18、第三加法器12依次连接；
所述第三滤波环节16的输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的有功功率Pbranch；
所述乘法器17的输入量包括其中，PFPOI__ref为功率因数；
所述乘法器17的输出量与所述第三选择开关18的第一输入端连接，所述第三选择开关18的第二输入端的输入值为无功功率参考值Qplant_ref，所述第三选择开关18的输出端与所述第三加法器12相加；
所述第二滤波环节11与第三加法器12相减，其输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch。
所述第二滤波环节11的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数。
所述第三滤波环节16的传递参数为：
式中，s为积分算子，Trp为时间常数。
具体的，所述超前滞后环节10的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tft为时间常数、Tfv为时间常数。
如图2所示，所述控制器在计算出全场的无功功率Qord之后，根据机组约束条件与限制，经过控制模式选择和机组分配优化计算分配到各个机组。
所述控制器输出时将无功功率调节量指令经光端机，通过对风电机组的变流器、主控的通信，使用快速光纤通道，保证控制延时小于0.2秒。
所述控制器在当风电场并网点电压偏差大于设定值，例如风电场并网点电压偏差为正负0.1p.u，风电机组无功出力大于20％Sn，没有满发时，能为系统提供快速无功功率支撑。
实施例二、
当闭合所述第二选择开关3的第一输入端，且闭合所述第一选择开关9的第一输入端时，风电场并网点电压Vreg依次经过第一滤波环节4、第二加法器5、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，第二加法器5的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref；
当闭合所述第二选择开关3的第二输入端，且闭合所述第一选择开关9的第一输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch依次经过放大器1、第一加法器2、第二选择开关3、第一滤波环节4、第二加法器5、第一死区环节6、第一限幅环节7、第一PI环节8、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述第一加法器2的输入量包括风电场并网点电压Vreg，所述第二加法器5的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref；
当闭合所述第三选择开关18的第一输入端，且闭合所述第一选择开关9的第二输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的有功功率Pbranch依次经过第三滤波环节16、乘法器17、第三选择开关18、第三加法器12、第二死区环节13、第二限幅环节14、第二PI环节15、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述乘法器17的输入量包括PFPOI__ref为功率因数，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch经过第二滤波环节11后输入第三加法器12；
当闭合所述第三选择开关18的第二输入端，且闭合所述第一选择开关9的第二输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch依次经过第二滤波环节11、第三加法器12、第二死区环节13、第二限幅环节14、第二PI环节15、第一选择开关9和超前滞后环节10，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述第三加法器12的输入值包括无功功率参考值Qplant_ref。
具体的，所述第一滤波环节4的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数；
所述第二滤波环节11的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数；
所述第三滤波环节16的传递参数为：
式中，s为积分算子，Trp为时间常数；
所述超前滞后环节10的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tft为时间常数、Tfv为时间常数。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种风电机组广域快速电压控制器，其特征在于，所述控制器包括：电压偏差计算环节、第一死区环节(6)、第一限幅环节(7)、第一PI环节(8)、无功功率偏差计算环节、第二死区环节(13)、第二限幅环节(14)、第二PI环节(15)、第一选择开关(9)和超前滞后环节(10)；
所述电压偏差计算环节、第一死区环节(6)、第一限幅环节(7)、第一PI环节(8)依次连接；
所述无功功率偏差计算环节、第二死区环节(13)、第二限幅环节(14)和第二PI环节(15)依次连接；
所述第一选择开关(9)的第一输入端与所述第一PI环节(8)连接；
所述第一选择开关(9)的第二输入端与所述第二PI环节(15)连接；
所述第一选择开关(9)的输出端与所述超前滞后环节(10)连接。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述电压偏差计算环节包括：放大器(1)、第一加法器(2)、第二选择开关(3)、第一滤波环节(4)、第二加法器(5)；
所述放大器(1)、第一加法器(2)、第二选择开关(3)、第一滤波环节(4)、第二加法器(5)依次连接；
所述放大器(1)的输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch，所述放大器(1)的输出端与第一加法器(2)相加；所述第一加法器(2)的输入量包括风电场并网点电压Vreg；
所述第二选择开关(3)的第一输入端的输入值为风电场并网点电压Vreg，所述第一加法器(2)的输出端与第二选择开关(3)的第二输入端连接；
所述第一滤波环节(4)与所述第二加法器(5)相减，所述第二加法器(5)的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref。
3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述第一滤波环节(4)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数。
4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述无功功率偏差计算环节包括：第二滤波环节(11)、第三滤波环节(16)、乘法器(17)、第三选择开关(18)、第三加法器(12)；
所述第三滤波环节(16)、乘法器(17)、第三选择开关(18)、第三加法器(12)依次连接；
所述第三滤波环节(16)的输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的有功功率Pbranch；
所述乘法器(17)的输入量包括其中，PFPOI__ref为功率因数；
所述乘法器(17)的输出量与所述第三选择开关(18)的第一输入端连接，所述第三选择开关(18)的第二输入端的输入值为无功功率参考值Qplant_ref，所述第三选择开关(18)的输出端与所述第三加法器(12)相加；
所述第二滤波环节(11)与第三加法器(12)相减，其输入量为风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch。
5.如权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述第二滤波环节(11)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数。
6.如权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述第三滤波环节(16)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Trp为时间常数。
7.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述超前滞后环节(10)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tft为时间常数、Tfv为时间常数。
8.一种如权利要求1-7任一项所述风电机组广域快速电压控制器的控制方法，其特征在于：
当闭合所述第二选择开关(3)的第一输入端，且闭合所述第一选择开关(9)的第一输入端时，风电场并网点电压Vreg依次经过第一滤波环节(4)、第二加法器(5)、第一死区环节(6)、第一限幅环节(7)、第一PI环节(8)、第一选择开关(9)和超前滞后环节(10)，获取无功功率调节量指令Qord，其中，第二加法器(5)的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref；
当闭合所述第二选择开关(3)的第二输入端，且闭合所述第一选择开关(9)的第一输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch依次经过放大器(1)、第一加法器(2)、第二选择开关(3)、第一滤波环节(4)、第二加法器(5)、第一死区环节(6)、第一限幅环节(7)、第一PI环节(8)、第一选择开关(9)和超前滞后环节(10)，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述第一加法器(2)的输入量包括风电场并网点电压Vreg，所述第二加法器(5)的输入量包括并网点电压参考值VPOI_ref；
当闭合所述第三选择开关(18)的第一输入端，且闭合所述第一选择开关(9)的第二输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的有功功率Pbranch依次经过第三滤波环节(16)、乘法器(17)、第三选择开关(18)、第三加法器(12)、第二死区环节(13)、第二限幅环节(14)、第二PI环节(15)、第一选择开关(9)和超前滞后环节(10)，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述乘法器(17)的输入量包括PFPOI__ref为功率因数，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch经过第二滤波环节(11)后输入第三加法器(12)；
当闭合所述第三选择开关(18)的第二输入端，且闭合所述第一选择开关(9)的第二输入端时，风电场并网点流入新能源汇集站的无功功率Qbranch依次经过第二滤波环节(11)、第三加法器(12)、第二死区环节(13)、第二限幅环节(14)、第二PI环节(15)、第一选择开关(9)和超前滞后环节(10)，获取无功功率调节量指令Qord，其中，所述第三加法器(12)的输入值包括无功功率参考值Qplant_ref。
9.如权利要求8所述的控制器，其特征在于，所述第一滤波环节(4)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数；
所述第二滤波环节(11)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tfiltr为时间常数；
所述第三滤波环节(16)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Trp为时间常数；
所述超前滞后环节(10)的传递参数为：
式中，s为积分算子，Tft为时间常数、Tfv为时间常数。
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