CN109672193B - 基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法 - Google Patents

基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法 Download PDF

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CN109672193B CN201910156331.7A CN201910156331A CN109672193B CN 109672193 B CN109672193 B CN 109672193B CN 201910156331 A CN201910156331 A CN 201910156331A CN 109672193 B CN109672193 B CN 109672193B
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Abstract

本发明公开了基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，检测到直流输电系统闭锁信号时，计算风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol；选择紧急功率控制方案；将风电场承担的盈余有功功率按每台双馈风电机组中最大主动耗能能力进行分配；执行紧急功率控制方案；检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，对每台主动耗能控制下的双馈风电机组实施恢复控制。本发明利用双馈风电机组主动耗能运行，在交流电网产生有功盈余时可使双馈风电机组从发电状态迅速切换为电动状态，吸收有功功率，从而实现盈余有功的快速平抑。本发明控制响应快，恢复速度快，易于实现，代价小，可有效减小火电切机量，有利于提高系统功角稳定性和频率稳定性。

Description

基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，具体涉及基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法。
背景技术
新能源和直流输电系统的接入，使传统电网发生了很大的变化。源网之间、交直流之间的耦合性逐渐增强，电网故障引起的不平衡有功功率随着故障的发展和蔓延也愈发强烈，故障影响范围也随着扩大。
现有的有功紧急控制措施主要有快速汽门控制、制动、切机。其中，快速汽门控制受风电机组参数影响，当存在大量有功盈余时，其无法满足要求。制动电阻虽然在减小不平衡方面发挥直接作用，但容易受到热稳、安全场地等限制。切机通常以系统加速能量或同步机转子角预测作为判据。然而，切机控制一般采用基于离线策略表的控制方式，有限的策略数可能无法完全涵盖风电场、直流系统复杂多变的输出特性，控制灵活性不足，可能造成决策失误，从而导致过切或欠切，不利于系统安全。此外切机控制代价较大，在超速、热应力及轴疲劳寿命方面给风电机组带来威胁，同时故障清除后恢复时间较长。而在高渗透率的风电交直流混联电网中，由于同步机装机容量较小，当电网出现有功盈余时，仅采用切机控制会造成控制裕度不足。
双馈风电机组是目前应用广泛的风力发电装备之一，具有技术成熟、成本相对较低、安装相对方便等优势。由于采用变流器提供变频励磁电压，双馈风电机组能在较大风速范围内正常运行。双馈风电机组可以通过转子加速存储过剩能量，减小自身输出功率，也可以采用转子侧变流器转速或转矩控制来调节自身输出的有功功率，从而能够被用于电网的有功调节。
亚同步运行的双馈风电机组在转子无励磁条件下会进入电动状态，可有效地消耗交流系统中的盈余有功，从而保证系统安全性。基于主动耗能这一特点，本发明提出了一种基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，相比于火电机组切机控制，具有代价小、响应快、恢复速度快、控制更灵活等优点。
发明内容
因此，本发明需要解决的问题是如何在交流电网产生有功盈余时使双馈风电机组从发电状态迅速切换为电动状态，吸收有功功率，从而实现盈余有功的快速平抑。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，包括如下步骤：
S101、获取双馈风电机组参数及双馈风电交直流送出系统运行参数，当检测到直流输电系统闭锁信号时，计算风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol；
S102、基于风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol选择紧急功率控制方案；
S103、基于选择的紧急功率控制方案将风电场承担的盈余有功功率按每台双馈风电机组中最大主动耗能能力进行分配；
S104、执行选择的紧急功率控制方案；
S105、当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，对每台主动耗能控制下的双馈风电机组实施恢复控制。
优选地，双馈风电机组参数包括额定容量、定子额定电压、转子额定电压、定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、激磁电感、升压变压器正序电抗、故障前定子电流、故障前转子电流及故障前运行风速；
风电交直流送出系统运行参数包括外送通道数量、每条外送通道过载能力、每条外送通道故障前的传输功率。
优选地，风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol按下式计算：
Figure GDA0002460109610000021
式中，n表示风电交直流送出系统外送通道的数量；kL表示直流输电系统闭锁后降低的传输功率相对于闭锁前的传输功率的比值，单极闭锁时kL＝1/2，双极闭锁时kL＝1；ki表示第i条风电交直流送出系统外送通道的过载能力，
Figure GDA0002460109610000022
表示第i条风电交直流送出系统外送通道故障前传输的功率，
Figure GDA0002460109610000023
为第i条风电交直流送出系统外送通道的额定功率，其中i＝1,2,3，…，n，PL表示直流闭锁前传输的有功功率。
优选地，若Pol＞Ptpm，则选择的紧急功率控制方案包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法及切除火电机组容量Pol-Ptpm；若Pol≤Ptpm，则选择的紧急功率控制方案只包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法，Ptpm表示所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和；
所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和Ptpm按下式计算：
Ptpm＝PtD0+PtDc
式中，PtD0为所有亚同步双馈风电机组发电状态下输出功率之和，PtDc为所有亚同步双馈风电机组主动耗能运行控制下吸收的最大功率之和；
Figure GDA0002460109610000031
式中，
Figure GDA0002460109610000032
为第j台亚同步风电机组正常运行时输出的有功功率，
Figure GDA0002460109610000033
为第j台亚同步风电机组最大主动耗能能力下吸收的有功功率，
Figure GDA0002460109610000034
式中，
Figure GDA0002460109610000035
为在安全约束下第j台双馈风电机组的最大虚拟电阻控制系数，
Figure GDA0002460109610000036
和
Figure GDA0002460109610000037
分别为双馈发电机定子等效电感和激磁电感，ωs为同步转速，
Figure GDA0002460109610000038
为定子电压幅值；ωs为同步转速；
第j台双馈风电机组的最大虚拟电阻控制系数
Figure GDA0002460109610000039
由下式计算：
Figure GDA00024601096100000310
Figure GDA00024601096100000311
是第j台双馈风电机组转子电压的调制比约束确定的最大虚拟电阻控制系数，由下式计算：
Figure GDA00024601096100000312
其中，
Figure GDA00024601096100000313
为第j台双馈风电机组背靠背变流器直流电压，
Figure GDA00024601096100000314
为转差速，
Figure GDA00024601096100000315
为转子等效电感，
Figure GDA00024601096100000316
为漏磁系数，mj为转子变流器脉宽调制比；
Figure GDA00024601096100000317
是第j台双馈风电机组最大转子电流约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由下式确定：
Figure GDA00024601096100000318
其中，
Figure GDA00024601096100000319
为第j台双馈风电机组转子电流的最大允许值；
Figure GDA00024601096100000320
是第j台双馈风电机组最大转速约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由以下不等式计算：
Figure GDA0002460109610000041
其中，
Figure GDA0002460109610000042
为函数
Figure GDA0002460109610000043
的极大值，
Figure GDA0002460109610000044
为第j台双馈风电机组虚拟电阻控制系数。
Figure GDA0002460109610000045
取得极大值对应的虚拟电阻控制系数为
Figure GDA0002460109610000046
函数
Figure GDA0002460109610000047
为：
Figure GDA0002460109610000048
式中，
Figure GDA0002460109610000049
为第j台双馈风电机组初始转速；第j台双馈风电机组计算系数
Figure GDA00024601096100000410
Figure GDA00024601096100000411
分别为
Figure GDA00024601096100000412
Figure GDA00024601096100000413
Figure GDA00024601096100000414
其中，Δj、
Figure GDA00024601096100000415
均为计算系数，
Figure GDA00024601096100000416
Figure GDA00024601096100000417
ρ为空气密度；λopt为最佳叶尖速比，λopt＝6.908；
Figure GDA00024601096100000418
和
Figure GDA00024601096100000419
分别为第j台双馈风电机组风力机和发电机转动惯量；
Figure GDA00024601096100000420
和
Figure GDA00024601096100000421
分别为第j台双馈风电机组轴刚度系数和阻尼系数；
Figure GDA00024601096100000422
为第j台双馈风电机组风速；
Figure GDA00024601096100000423
为第j台双馈风电机组扫风面积，
Figure GDA00024601096100000424
为叶片半径；
Figure GDA00024601096100000425
为第j台双馈风电机组电磁功率，由下式计算
Figure GDA00024601096100000426
Figure GDA00024601096100000427
是第j台双馈风电机组轴系安全约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由以下不等式计算：
Figure GDA00024601096100000428
其中，
Figure GDA00024601096100000429
为函数
Figure GDA00024601096100000430
的极大值，取得极大值时的虚拟电阻控制系数为
Figure GDA00024601096100000431
时间
Figure GDA00024601096100000432
其中函数
Figure GDA00024601096100000433
为：
Figure GDA0002460109610000051
式中，第j台双馈风电机组计算系数
Figure GDA0002460109610000052
分别为：
Figure GDA0002460109610000053
Figure GDA0002460109610000054
Figure GDA0002460109610000055
优选地，在步骤S103中：
若紧急功率控制方案包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法及切除火电机组容量Pol-Ptpm，第j台亚同步双馈风电机组分配的盈余有功功率
Figure GDA0002460109610000056
按下式计算：
Figure GDA0002460109610000057
第j台亚同步双馈风电机组虚拟电阻控制系数
Figure GDA0002460109610000058
取为
Figure GDA0002460109610000059
若紧急功率控制方案只包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法，第j台亚同步双馈风电机组分配的盈余有功功率
Figure GDA00024601096100000510
按下式计算：
Figure GDA00024601096100000511
则第j台亚同步双馈风电机组主动耗能控制系数
Figure GDA00024601096100000512
按下式计算：
Figure GDA00024601096100000513
优选地，双馈风电机组主动耗能运行的控制方法包括如下步骤：
获取全部亚同步运行双馈风电机组数量、参数和故障前运行参数，当交流电网发生故障产生有功功率盈余时，对双馈风电机组进行调整控制，将亚同步运行的双馈风电机组从发电状态切换至电动状态，消纳交流电网盈余的有功功率，实现交流电网有功功率的平衡。
优选地，对第j台亚同步双馈风电机组进行调整控制包括转子虚拟电阻控制，转子虚拟电阻控制由双馈风电机组的转子侧变流器实施，采用前馈解耦控制，控制方程为：
Figure GDA00024601096100000514
其中，
Figure GDA00024601096100000515
为第j台亚同步双馈风电机组转子电压矢量的控制参考值；
Figure GDA00024601096100000516
为转子电流矢量；
Figure GDA0002460109610000061
为虚拟电阻，其值由下式确定：
Figure GDA0002460109610000062
其中，
Figure GDA0002460109610000063
为第j台亚同步双馈风电机组发电机转子转速；
Figure GDA0002460109610000064
为转子电阻。
优选地，在第j台亚同步双馈风电机组启动虚拟电阻控制的同时启动无功补偿控制，无功补偿控制通过切换双馈风电机组网侧变流器的无功控制参考值实现，第j台亚同步双馈风电机组无功控制参考值按照以下方式计算：
第j台亚同步双馈风电机组所需补偿的无功功率应为：
Figure GDA0002460109610000065
第j台亚同步双馈风电机组主动耗能运行时网侧变流器可输出的最大无功功率由下式计算：
Figure GDA0002460109610000066
当
Figure GDA0002460109610000067
时，无功补偿控制由双馈风电机组的网侧变流器实施，网侧变流器的无功功率控制参考值设置为
Figure GDA0002460109610000068
当
Figure GDA0002460109610000069
时，无功补偿控制由双馈风电机组的网侧侧变流器和无功补偿装置共同实施，网侧变流器的无功功率控制参考值设置为
Figure GDA00024601096100000610
无功补偿装置的补偿量设置为
Figure GDA00024601096100000611
优选地，在第j台亚同步双馈风电机组启动虚拟电阻控制的同时启动桨距角辅助控制，通过增大桨距角形成负的气动转矩来平衡驱动性质的电磁转矩；桨距角辅助控制通过切换双馈风电机组桨距角控制的参考值实现，第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制参考值按照以下方式计算：
第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制的参考值设置为：
Figure GDA00024601096100000612
其中，
Figure GDA0002460109610000071
为第j台亚同步双馈风电机组风力机桨距角的调节速度；t为时间；tco为风电场主动耗能控制的启动时间。
第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制的参考值应满足以下约束：
Figure GDA0002460109610000072
其中，
Figure GDA0002460109610000073
为桨距角辅助控制的最大可调桨距角，由下式计算：
Figure GDA0002460109610000074
tre为风电场主动耗能控制的恢复时间，即双馈风电机组由电动状态恢复至发电状态的时间，其值决定于电网对主动耗能响应速度的要求。
优选地，当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，每台双馈风电机组主动耗能运行的控制方法控制下的双馈风电机组实施恢复控制，恢复控制包括如下步骤：S1051、将第j台亚同步双馈风电机组转子侧变流器的电流内环由虚拟电阻控制切换为比例-积分控制，并按下式给定内环电流参考值
Figure GDA0002460109610000075
Figure GDA0002460109610000076
式中，tc为故障清除时刻，
Figure GDA0002460109610000077
为此时第j台亚同步双馈风电机组的转子电流矢量，以其为恢复控制下的转子电流参考值初值，
Figure GDA0002460109610000078
为故障前的初始转子电流矢量；
S1052、将桨距角从
Figure GDA0002460109610000079
以
Figure GDA00024601096100000710
的速度减小桨距角至0°；
S1053、将网侧变流器无功功率参考值切换为0；若采用网侧变流器及无功补偿装置的协同补偿方式，则切除投入的无功补偿装置。
综上所述，本发明公开了基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，包括如下步骤：获取双馈风电机组参数及双馈风电交直流送出系统运行参数，当检测到直流输电系统闭锁信号时，计算风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol；基于风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol选择紧急功率控制方案；基于选择的紧急功率控制方案将风电场承担的盈余有功功率按每台双馈风电机组中最大主动耗能能力进行分配；执行选择的紧急功率控制方案；当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，对每台主动耗能控制下的双馈风电机组实施恢复控制。本发明利用双馈风电机组主动耗能运行，在交流电网产生有功盈余时可使双馈风电机组从发电状态迅速切换为电动状态，吸收有功功率，从而实现盈余有功的快速平抑。本发明控制响应快，恢复速度快，易于实现，代价小，可有效减小火电切机量，有利于提高系统功角稳定性和频率稳定性。
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为基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种双馈风电交直流送出系统实例图；
图3为基于主动耗能运行的风电交直流送出系统紧急功率控制的控制框图。
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，本发明公开了基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，包括如下步骤：
S101、获取双馈风电机组参数及双馈风电交直流送出系统运行参数，当检测到直流输电系统闭锁信号时，计算风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol；
S102、基于风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol选择紧急功率控制方案；
S103、基于选择的紧急功率控制方案将风电场承担的盈余有功功率按每台双馈风电机组中最大主动耗能能力进行分配；
S104、执行选择的紧急功率控制方案；
S105、当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，对每台主动耗能控制下的双馈风电机组实施恢复控制。
本发明利用双馈风电机组主动耗能控制，在交流电网产生有功盈余时可使双馈风电机组从发电状态迅速切换为电动状态，吸收有功功率，从而实现盈余有功的快速平抑。本发明控制响应快，恢复速度快，易于实现，代价小，可有效减小火电切机量，有利于提高系统功角稳定性和频率稳定性。
具体实施时，双馈风电机组参数包括额定容量、定子额定电压、转子额定电压、定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、激磁电感、升压变压器正序电抗、故障前定子电流、故障前转子电流及故障前运行风速；
风电交直流送出系统运行参数包括外送通道数量、每条外送通道过载能力、每条外送通道故障前的传输功率。
具体实施时，风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol按下式计算：
Figure GDA0002460109610000091
式中，n表示风电交直流送出系统外送通道的数量；kL表示直流输电系统闭锁后降低的传输功率相对于闭锁前的传输功率的比值，单极闭锁时kL＝1/2，双极闭锁时kL＝1；ki表示第i条风电交直流送出系统外送通道的过载能力，
Figure GDA0002460109610000092
表示第i条风电交直流送出系统外送通道故障前传输的功率，
Figure GDA0002460109610000093
为第i条风电交直流送出系统外送通道的额定功率，其中i＝1,2,3，…，n，PL表示直流闭锁前传输的有功功率。
具体实施时，若Pol＞Ptpm，则选择的紧急功率控制方案包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法及切除火电机组容量Pol-Ptpm；若Pol≤Ptpm，则选择的紧急功率控制方案只包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法，Ptpm表示所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和；
所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和Ptpm按下式计算：
Ptpm＝PtD0+PtDc
式中，PtD0为所有亚同步双馈风电机组发电状态下输出功率之和，PtDc为所有亚同步双馈风电机组主动耗能运行控制下吸收的最大功率之和；
Figure GDA0002460109610000094
式中，
Figure GDA0002460109610000095
为第j台亚同步风电机组正常运行时输出的有功功率，
Figure GDA0002460109610000096
为第j台亚同步风电机组最大主动耗能能力下吸收的有功功率，
Figure GDA0002460109610000097
式中，
Figure GDA0002460109610000098
为在安全约束下第j台双馈风电机组的最大虚拟电阻控制系数，
Figure GDA0002460109610000099
和
Figure GDA00024601096100000910
分别为双馈发电机定子等效电感和激磁电感，ωs为同步转速，
Figure GDA00024601096100000911
为定子电压幅值；ωs为同步转速；
第j台双馈风电机组的最大虚拟电阻控制系数
Figure GDA00024601096100000912
由下式计算：
Figure GDA0002460109610000101
Figure GDA0002460109610000102
是第j台双馈风电机组转子电压的调制比约束确定的最大虚拟电阻控制系数，由下式计算：
Figure GDA0002460109610000103
其中，
Figure GDA0002460109610000104
为第j台双馈风电机组背靠背变流器直流电压，
Figure GDA0002460109610000105
为转差速，
Figure GDA0002460109610000106
为转子等效电感，
Figure GDA0002460109610000107
为漏磁系数，mj为转子变流器脉宽调制比；
Figure GDA0002460109610000108
是第j台双馈风电机组最大转子电流约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由下式确定：
Figure GDA0002460109610000109
其中，
Figure GDA00024601096100001010
为第j台双馈风电机组转子电流的最大允许值；
Figure GDA00024601096100001011
是第j台双馈风电机组最大转速约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由以下不等式计算：
Figure GDA00024601096100001012
其中，
Figure GDA00024601096100001013
为函数
Figure GDA00024601096100001014
的极大值，
Figure GDA00024601096100001015
为第j台双馈风电机组虚拟电阻控制系数。
Figure GDA00024601096100001016
取得极大值对应的虚拟电阻控制系数为
Figure GDA00024601096100001017
函数
Figure GDA00024601096100001018
为：
Figure GDA00024601096100001019
式中，
Figure GDA00024601096100001020
为第j台双馈风电机组初始转速；第j台双馈风电机组计算系数
Figure GDA00024601096100001021
Figure GDA00024601096100001022
分别为
Figure GDA00024601096100001023
Figure GDA00024601096100001024
Figure GDA00024601096100001025
其中，Δj、
Figure GDA0002460109610000111
均为计算系数，
Figure GDA0002460109610000112
Figure GDA0002460109610000113
ρ为空气密度；λopt为最佳叶尖速比，λopt＝6.908；
Figure GDA0002460109610000114
和
Figure GDA0002460109610000115
分别为第j台双馈风电机组风力机和发电机转动惯量；
Figure GDA0002460109610000116
和
Figure GDA0002460109610000117
分别为第j台双馈风电机组轴刚度系数和阻尼系数；
Figure GDA0002460109610000118
为第j台双馈风电机组风速；
Figure GDA0002460109610000119
为第j台双馈风电机组扫风面积，
Figure GDA00024601096100001110
为叶片半径；
Figure GDA00024601096100001111
为第j台双馈风电机组电磁功率，由下式计算
Figure GDA00024601096100001112
Figure GDA00024601096100001113
是第j台双馈风电机组轴系安全约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由以下不等式计算：
Figure GDA00024601096100001114
其中，
Figure GDA00024601096100001115
为函数
Figure GDA00024601096100001116
的极大值，取得极大值时的虚拟电阻控制系数为
Figure GDA00024601096100001117
时间
Figure GDA00024601096100001118
其中函数
Figure GDA00024601096100001119
为：
Figure GDA00024601096100001120
式中，第j台双馈风电机组计算系数
Figure GDA00024601096100001121
分别为：
Figure GDA00024601096100001122
Figure GDA00024601096100001123
Figure GDA00024601096100001124
具体实施时，在步骤S103中：
若紧急功率控制方案包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法及切除火电机组容量Pol-Ptpm，第j台亚同步双馈风电机组分配的盈余有功功率
Figure GDA00024601096100001125
按下式计算：
Figure GDA00024601096100001128
第j台亚同步双馈风电机组虚拟电阻控制系数
Figure GDA00024601096100001126
取为
Figure GDA00024601096100001127
若紧急功率控制方案只包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法，第j台亚同步双馈风电机组分配的盈余有功功率
Figure GDA0002460109610000121
按下式计算：
Figure GDA0002460109610000122
则第j台亚同步双馈风电机组主动耗能控制系数
Figure GDA0002460109610000123
按下式计算：
Figure GDA0002460109610000124
具体实施时，双馈风电机组主动耗能运行的控制方法包括如下步骤：
获取全部亚同步运行双馈风电机组数量、参数和故障前运行参数，当交流电网发生故障产生有功功率盈余时，对双馈风电机组进行调整控制，将亚同步运行的双馈风电机组从发电状态切换至电动状态，消纳交流电网盈余的有功功率，实现交流电网有功功率的平衡。
可以通过三种措施进行双馈风电机组主动耗能运行的控制：(1)利用虚拟电阻控制，实现双馈发电机组转子侧变流器交流侧电阻特性的输出；(2)利用桨距角辅助控制，实现双馈风电机组耗能运行过程中发电机转子转速稳定；(3)利用无功补偿控制，实现双馈风电机组耗能运行中机端电压的稳定。该方法可在交流电网出现有功盈余时将双馈风电机组从发电状态迅速切换为电动状态，从而实现电网盈余有功的快速平衡。相较于现有的切机、电气制动、快速汽门控制等有功紧急控制措施，该方法具有响应快、吸收功率平稳、易于实现、代价小和恢复速度快等有点，可有效减小火电切机量，有利于提高系统功角稳定性和频率稳定性。
具体实施时，对第j台亚同步双馈风电机组进行调整控制包括转子虚拟电阻控制，转子虚拟电阻控制由双馈风电机组的转子侧变流器实施，采用前馈解耦控制，控制方程为：
Figure GDA0002460109610000125
其中，
Figure GDA0002460109610000126
为第j台亚同步双馈风电机组转子电压矢量的控制参考值；
Figure GDA0002460109610000127
为转子电流矢量；
Figure GDA0002460109610000128
为虚拟电阻，其值由下式确定：
Figure GDA0002460109610000129
其中，
Figure GDA00024601096100001210
为第j台亚同步双馈风电机组发电机转子转速；
Figure GDA00024601096100001211
为转子电阻。
具体实施时，在第j台亚同步双馈风电机组启动虚拟电阻控制的同时启动无功补偿控制，无功补偿控制通过切换双馈风电机组网侧变流器的无功控制参考值实现，第j台亚同步双馈风电机组无功控制参考值按照以下方式计算：
第j台亚同步双馈风电机组所需补偿的无功功率应为：
Figure GDA0002460109610000131
第j台亚同步双馈风电机组主动耗能运行时网侧变流器可输出的最大无功功率由下式计算：
Figure GDA0002460109610000132
当
Figure GDA0002460109610000133
时，无功补偿控制由双馈风电机组的网侧变流器实施，网侧变流器的无功功率控制参考值设置为
Figure GDA0002460109610000134
当
Figure GDA0002460109610000135
时，无功补偿控制由双馈风电机组的网侧侧变流器和无功补偿装置共同实施，网侧变流器的无功功率控制参考值设置为
Figure GDA0002460109610000136
无功补偿装置的补偿量设置为
Figure GDA0002460109610000137
具体实施时，在第j台亚同步双馈风电机组启动虚拟电阻控制的同时启动桨距角辅助控制，通过增大桨距角形成负的气动转矩来平衡驱动性质的电磁转矩；桨距角辅助控制通过切换双馈风电机组桨距角控制的参考值实现，第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制参考值按照以下方式计算：
第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制的参考值设置为：
Figure GDA0002460109610000138
其中，
Figure GDA0002460109610000139
为第j台亚同步双馈风电机组风力机桨距角的调节速度；t为时间；tco为风电场主动耗能控制的启动时间。
第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制的参考值应满足以下约束：
Figure GDA00024601096100001310
其中，
Figure GDA00024601096100001311
为桨距角辅助控制的最大可调桨距角，由下式计算：
Figure GDA0002460109610000141
tre为风电场主动耗能控制的恢复时间，即双馈风电机组由电动状态恢复至发电状态的时间，其值决定于电网对主动耗能响应速度的要求。
具体实施时，当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，每台双馈风电机组主动耗能运行的控制方法控制下的双馈风电机组实施恢复控制，恢复控制包括如下步骤：
S1051、将第j台亚同步双馈风电机组转子侧变流器的电流内环由虚拟电阻控制切换为比例-积分控制，并按下式给定内环电流参考值
Figure GDA0002460109610000142
Figure GDA0002460109610000143
式中，tc为故障清除时刻，
Figure GDA0002460109610000144
为此时第j台亚同步双馈风电机组的转子电流矢量，以其为恢复控制下的转子电流参考值初值，
Figure GDA0002460109610000145
为故障前的初始转子电流矢量；
S1052、将桨距角从
Figure GDA0002460109610000146
以
Figure GDA0002460109610000147
的速度减小桨距角至0°；
S1053、将网侧变流器无功功率参考值切换为0；若采用网侧变流器及无功补偿装置的协同补偿方式，则切除投入的无功补偿装置。
以图2公开的双馈风电交直流送出系统为例，采用本发明公开的方法进行风电交直流送出系统紧急功率控制的控制框图如图3所示，具体步骤包括：
(1)获取所有双馈风电机组参数和双馈风电交直流送出系统运行参数；
双馈风电机组参数包括：
固定参数：额定容量；定、转子额定电压；定、转子电阻；定、转子漏感；激磁电感；升压变压器正序电抗；
故障前运行参数：定转子电流；运行风速。
双馈风电交直流送出系统运行参数包括：
外送通道数量；每条外送通道过载能力；每条外送通道故障前的传输功率；
(2)计算风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol，
Figure GDA0002460109610000148
式中，n表示健全外送通道的数量；kL表示LCC-HVDC闭锁后降低的传输功率相对于闭锁前的比值，单极闭锁时kL＝1/2，双极闭锁时kL＝1；ki表示第i条通道的过载能力，
Figure GDA0002460109610000149
表示第i条健全外送通道故障前传输的功率，
Figure GDA00024601096100001410
为其额定功率，其中i＝1,2…n，n为风电交直流送出系统外送通道的数量。
(3)通过比较风电交直流送出系统盈余的有功功率和所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和来选择紧急功功率控制方案，具体为：
所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和Ptpm为
Ptpm＝PtD0+PtDc
式中，PtD0为所有亚同步双馈风电机组发电状态下输出功率之和，PtDc为所有亚同步双馈风电机组主动耗能运行控下吸收的最大功率之和：
Figure GDA0002460109610000151
式中，
Figure GDA0002460109610000152
为第j台机组最大主动耗能能力下吸收的有功功率，
Figure GDA0002460109610000153
为在安全约束下第j台双馈风电机组的最大主动耗能控制系数，计算
Figure GDA0002460109610000154
Figure GDA0002460109610000155
当Pol>Ptpm，表明风电场无法全部消耗送端交流系统盈余功率，此时选择风机主动耗能控制加切火电机组的控制方案，同时切除火电机组容量Pol-Ptpm；
当Pol≤Ptpm，表明风电场可以全部消耗送端交流系统盈余功率，此时选择仅风机主动耗能控制的方案。
(4)将风电场承担的盈余有功功率按每台双馈风电机组中最大主动耗能能力进行分配，分配的具体方法为：
定义双馈风场第j台机组的主动耗能控制系数为
Figure GDA0002460109610000156
在风机主动耗能控制加切火电机组的控制方案下，计算第j台机组吸收的有功功率
Figure GDA0002460109610000157
Figure GDA0002460109610000158
第j台机组的主动耗能控制系数
Figure GDA0002460109610000159
在仅风机主动耗能控制的方案下，计算第j台亚同步双馈风电机组承担的盈余有功功率
Figure GDA00024601096100001510
则第j台亚同步双馈风电机组主动耗能控制系数
Figure GDA00024601096100001511
设计为
Figure GDA00024601096100001512
(5)当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，每台主动耗能控制下的双馈风电机组实施恢复控制，即将第j台亚同步双馈风电机组转子侧变流器的电流内环由虚拟电阻控制切换为比例-积分控制，并按下式给定内环电流参考值
Figure GDA0002460109610000161
Figure GDA0002460109610000162
式中，tc为故障清除时刻，
Figure GDA0002460109610000163
为此时第j台亚同步双馈风电机组的转子电流矢量，以其为恢复控制下的转子电流参考值初值，
Figure GDA0002460109610000164
为故障前的初始转子电流矢量；
将桨距角从
Figure GDA0002460109610000165
以
Figure GDA0002460109610000166
的速度减小桨距角至0°；
将网侧变流器无功功率参考值切换为0；若采用网侧变流器及无功补偿装置的协同补偿方式，则切除投入的无功补偿装置。
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 (6)

1.基于风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、获取双馈风电机组参数及双馈风电交直流送出系统运行参数，当检测到直流输电系统闭锁信号时，计算风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol；双馈风电机组参数包括额定容量、定子额定电压、转子额定电压、定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、激磁电感、升压变压器正序电抗、故障前定子电流、故障前转子电流及故障前运行风速；风电交直流送出系统运行参数包括外送通道数量、每条外送通道过载能力、每条外送通道故障前的传输功率；
S102、基于风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol选择紧急功率控制方案；风电交直流送出系统盈余的有功功率Pol按下式计算：
Figure FDA0002460109600000011
式中，n表示风电交直流送出系统外送通道的数量；kL表示直流输电系统闭锁后降低的传输功率相对于闭锁前的传输功率的比值，单极闭锁时kL＝1/2，双极闭锁时kL＝1；ki表示第i条风电交直流送出系统外送通道的过载能力，Pt i表示第i条风电交直流送出系统外送通道故障前传输的功率，
Figure FDA0002460109600000012
为第i条风电交直流送出系统外送通道的额定功率，其中i＝1,2,3，…，n，PL表示直流闭锁前传输的有功功率；
若Pol＞Ptpm，则选择的紧急功率控制方案包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法及切除火电机组容量Pol-Ptpm；若Pol≤Ptpm，则选择的紧急功率控制方案只包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法，Ptpm表示所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和；
所有亚同步运行的双馈风电机组最大主动耗能功率之和Ptpm按下式计算：
Ptpm＝PtD0+PtDc
式中，PtD0为所有亚同步双馈风电机组发电状态下输出功率之和，PtDc为所有亚同步双馈风电机组主动耗能运行控制下吸收的最大功率之和；
Figure FDA0002460109600000013
式中，
Figure FDA0002460109600000021
为第j台亚同步风电机组正常运行时输出的有功功率，
Figure FDA0002460109600000022
为第j台亚同步风电机组最大主动耗能能力下吸收的有功功率，
Figure FDA0002460109600000023
式中，
Figure FDA0002460109600000024
为在安全约束下第j台双馈风电机组的最大虚拟电阻控制系数，
Figure FDA0002460109600000025
和
Figure FDA0002460109600000026
分别为双馈发电机定子等效电感和激磁电感，ωs为同步转速，
Figure FDA0002460109600000027
为定子电压幅值；
第j台双馈风电机组的最大虚拟电阻控制系数
Figure FDA0002460109600000028
由下式计算：
Figure FDA0002460109600000029
Figure FDA00024601096000000210
是第j台双馈风电机组转子电压的调制比约束确定的最大虚拟电阻控制系数，由下式计算：
Figure FDA00024601096000000211
其中，
Figure FDA00024601096000000212
为第j台双馈风电机组背靠背变流器直流电压，
Figure FDA00024601096000000213
为转差速，
Figure FDA00024601096000000214
为转子等效电感，
Figure FDA00024601096000000215
为漏磁系数，mj为转子变流器脉宽调制比；
Figure FDA00024601096000000216
是第j台双馈风电机组最大转子电流约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由下式确定：
Figure FDA00024601096000000217
其中，
Figure FDA00024601096000000218
为第j台双馈风电机组转子电流的最大允许值；
Figure FDA00024601096000000219
是第j台双馈风电机组最大转速约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由以下不等式计算：
Figure FDA00024601096000000220
其中，
Figure FDA00024601096000000221
为函数
Figure FDA00024601096000000222
的极大值，
Figure FDA00024601096000000223
为第j台双馈风电机组虚拟电阻控制系数，
Figure FDA00024601096000000224
取得极大值对应的虚拟电阻控制系数为
Figure FDA00024601096000000225
函数
Figure FDA00024601096000000226
为：
Figure FDA00024601096000000227
式中，
Figure FDA00024601096000000228
为第j台双馈风电机组初始转速；第j台双馈风电机组计算系数
Figure FDA00024601096000000229
Figure FDA0002460109600000031
分别为
Figure FDA0002460109600000032
Figure FDA0002460109600000033
Figure FDA0002460109600000034
其中，Δj、
Figure FDA0002460109600000035
均为计算系数，
Figure FDA0002460109600000036
Figure FDA0002460109600000037
ρ为空气密度；λopt为最佳叶尖速比，λopt＝6.908；
Figure FDA0002460109600000038
和
Figure FDA0002460109600000039
分别为第j台双馈风电机组风力机和发电机转动惯量；
Figure FDA00024601096000000310
和
Figure FDA00024601096000000311
分别为第j台双馈风电机组轴刚度系数和阻尼系数；
Figure FDA00024601096000000312
为第j台双馈风电机组风速；
Figure FDA00024601096000000313
为第j台双馈风电机组扫风面积，
Figure FDA00024601096000000314
为叶片半径；
Figure FDA00024601096000000315
为第j台双馈风电机组电磁功率，由下式计算
Figure FDA00024601096000000316
Figure FDA00024601096000000317
是第j台双馈风电机组轴系安全约束确定的最大虚拟电阻控制系数，可由以下不等式计算：
Figure FDA00024601096000000318
其中，
Figure FDA00024601096000000319
为函数
Figure FDA00024601096000000320
的极大值，取得极大值时的虚拟电阻控制系数为
Figure FDA00024601096000000321
时间
Figure FDA00024601096000000322
其中函数
Figure FDA00024601096000000323
为：
Figure FDA00024601096000000324
式中，第j台双馈风电机组计算系数
Figure FDA00024601096000000325
分别为：
Figure FDA00024601096000000326
Figure FDA00024601096000000327
Figure FDA0002460109600000041
S103、基于选择的紧急功率控制方案将风电场承担的盈余有功功率按每台双馈风电机组中最大主动耗能能力进行分配；
若紧急功率控制方案包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法及切除火电机组容量Pol-Ptpm，第j台亚同步双馈风电机组分配的盈余有功功率
Figure FDA0002460109600000042
按下式计算：
Figure FDA0002460109600000043
第j台亚同步双馈风电机组虚拟电阻控制系数
Figure FDA0002460109600000044
取为
Figure FDA0002460109600000045
若紧急功率控制方案只包括实施双馈风电机组主动耗能运行的控制方法，第j台亚同步双馈风电机组分配的盈余有功功率
Figure FDA0002460109600000046
按下式计算：
Figure FDA0002460109600000047
则第j台亚同步双馈风电机组主动耗能控制系数
Figure FDA0002460109600000048
按下式计算：
Figure FDA0002460109600000049
S104、执行选择的紧急功率控制方案；
S105、当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，对每台主动耗能控制下的双馈风电机组实施恢复控制。
2.如权利要求1所述的风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，其特征在于，双馈风电机组主动耗能运行的控制方法包括如下步骤：
获取全部亚同步运行双馈风电机组数量、参数和故障前运行参数，当交流电网发生故障产生有功功率盈余时，对双馈风电机组进行调整控制，将亚同步运行的双馈风电机组从发电状态切换至电动状态，消纳交流电网盈余的有功功率，实现交流电网有功功率的平衡。
3.如权利要求2所述的风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，其特征在于，对第j台亚同步双馈风电机组进行调整控制包括转子虚拟电阻控制，转子虚拟电阻控制由双馈风电机组的转子侧变流器实施，采用前馈解耦控制，控制方程为：
Figure FDA00024601096000000410
其中，
Figure FDA00024601096000000411
为第j台亚同步双馈风电机组转子电压矢量的控制参考值；
Figure FDA00024601096000000412
为转子电流矢量；
Figure FDA0002460109600000051
为虚拟电阻，其值由下式确定：
Figure FDA0002460109600000052
其中，
Figure FDA0002460109600000053
为第j台亚同步双馈风电机组发电机转子转速；
Figure FDA0002460109600000054
为转子电阻。
4.如权利要求3所述的风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，其特征在于，在第j台亚同步双馈风电机组启动虚拟电阻控制的同时启动无功补偿控制，无功补偿控制通过切换双馈风电机组网侧变流器的无功控制参考值实现，第j台亚同步双馈风电机组无功控制参考值按照以下方式计算：
第j台亚同步双馈风电机组所需补偿的无功功率应为：
Figure FDA0002460109600000055
第j台亚同步双馈风电机组主动耗能运行时网侧变流器可输出的最大无功功率由下式计算：
Figure FDA0002460109600000056
当
Figure FDA0002460109600000057
时，无功补偿控制由双馈风电机组的网侧变流器实施，网侧变流器的无功功率控制参考值设置为
Figure FDA0002460109600000058
当
Figure FDA0002460109600000059
时，无功补偿控制由双馈风电机组的网侧侧变流器和无功补偿装置共同实施，网侧变流器的无功功率控制参考值设置为
Figure FDA00024601096000000510
无功补偿装置的补偿量设置为
Figure FDA00024601096000000511
5.如权利要求4所述的风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，其特征在于，在第j台亚同步双馈风电机组启动虚拟电阻控制的同时启动桨距角辅助控制，通过增大桨距角形成负的气动转矩来平衡驱动性质的电磁转矩；桨距角辅助控制通过切换双馈风电机组桨距角控制的参考值实现，第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制参考值按照以下方式计算：
第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制的参考值设置为：
Figure FDA0002460109600000061
其中，
Figure FDA0002460109600000062
为第j台亚同步双馈风电机组风力机桨距角的调节速度；t为时间；tco为风电场主动耗能控制的启动时间；
第j台亚同步双馈风电机组桨距角辅助控制的参考值应满足以下约束：
Figure FDA0002460109600000063
其中，
Figure FDA0002460109600000064
为桨距角辅助控制的最大可调桨距角，由下式计算：
Figure FDA0002460109600000065
tre为风电场主动耗能控制的恢复时间，即双馈风电机组由电动状态恢复至发电状态的时间，其值决定于电网对主动耗能响应速度的要求。
6.如权利要求1所述的风机主动耗能运行的风电送出系统紧急功率控制方法，其特征在于，当检测到故障清除、直流输电系统恢复信号后，每台双馈风电机组主动耗能运行的控制方法控制下的双馈风电机组实施恢复控制，恢复控制包括如下步骤：
S1051、将第j台亚同步双馈风电机组转子侧变流器的电流内环由虚拟电阻控制切换为比例-积分控制，并按下式给定内环电流参考值
Figure FDA0002460109600000066
Figure FDA0002460109600000067
式中，tc为故障清除时刻，
Figure FDA0002460109600000068
为此时第j台亚同步双馈风电机组的转子电流矢量，以其为恢复控制下的转子电流参考值初值，
Figure FDA0002460109600000069
为故障前的初始转子电流矢量；
S1052、将桨距角从
Figure FDA00024601096000000610
以
Figure FDA00024601096000000611
的速度减小桨距角至0°；
S1053、将网侧变流器无功功率参考值切换为0；若采用网侧变流器及无功补偿装置的协同补偿方式，则切除投入的无功补偿装置。
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