CN109842159A - 一种柔性直流电网风电故障穿越方法、装置及其控制器 - Google Patents

一种柔性直流电网风电故障穿越方法、装置及其控制器 Download PDF

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迟永宁
刘超
汤海雁
魏林君
张占奎
王真
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Abstract

本发明涉及一种柔性直流电网风电故障穿越方法、装置及其控制器，所述方法包括：根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力；根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值；根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率；本发明提供的技术方案，提出风电机组孤岛接入柔直电网的功率紧急控制策略，柔直电网故障后，换流站根据功率控制需求，改变交流侧的频率，风电机组响应这个频率及时将功率控下来，来实现故障穿越。

Description

一种柔性直流电网风电故障穿越方法、装置及其控制器
技术领域
本发明涉及孤岛接入柔性直流电网送出的风电机组故障穿越控制的技术领域，具体涉及一种柔性直流电网风电故障穿越方法、装置及其控制器。
背景技术
我国西电东送的格局近期不会有太大的改变，在大规模开发风电的同时，难以提供同步支撑电源，大规模风电的远距离输送将成为需要突破的难点和关键点。风电并网需要接入的系统能给并网点提供足够的电压支撑，并提供稳定的频率用于风机锁住相位保持同步运行，为了保持风电的稳定运行，直流电网的换流站在运行中将按照控交流侧电压恒定，并提供稳定50Hz频率，风电没有调频能力，只是适应性，在48-52Hz之间运行，按照最大风速追踪来实现功率输出。
当直流电网发生故障，导致换流站的输送容量降低，如果换流站仍按照控制交流侧电压恒定，并提供稳定的频率，风电机组将仍按照正常的功率输出，导致直流电网中功率过剩，而使得换流站过载，退出运行，甚至导致整个直流电网闭锁关停。
发明内容
本发明提供一种柔性直流电网风电故障穿越方法、装置及其控制器，其目的是提出风电机组孤岛接入柔直电网的功率紧急控制策略，柔直电网故障后，换流站根据功率控制需求，改变交流侧的频率，风电机组响应这个频率及时将功率控下来，来实现故障穿越。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种柔性直流电网风电故障穿越方法，其改进之处在于，包括：
根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值；
根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率。
优选的，所述根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值，包括：
根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力；
根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值。
进一步的，所述根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力，包括：
按下式确定风电基地需要调整的出力ΔP：
ΔP＝P2-P1
上式中，P2为柔性直流电网故障前传输功率，P1为柔性直流电网故障后传输功率。
所述根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值，包括：
按下式确定换流站输出至交流电网频率的变化值Δf：
Δf＝KpΔP
上式中，Kp为下垂系数，ΔP为风电基地需要调整的出力。
优选的，所述根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，包括：
按下式确定风电机组的输出功率调整量ΔPE：
ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt
上式中，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
一种柔性直流电网风电故障穿越装置，其改进之处在于，所述装置包括：
确定模块，用于根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值；
调整模块，用于根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率。
优选的，所述确定模块，包括：
第一确定单元，用于根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力；
第二确定单元，用于根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值。
进一步的，所述第一确定单元，用于：
按下式确定风电基地需要调整的出力ΔP：
ΔP＝P2-P1
上式中，P2为柔性直流电网故障前传输功率，P1为柔性直流电网故障后传输功率。
所述第二确定单元，用于：
按下式确定换流站输出至交流电网频率的变化值Δf：
Δf＝KpΔP
上式中，Kp为下垂系数，ΔP为风电基地需要调整的出力。
优选的，所述调整模块，用于：
按下式确定风电机组的输出功率调整量ΔPE：
ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt
上式中，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
一种柔性直流电网风电故障穿越方法的控制器，其改进之处在于，所述控制器包括：
最大功率跟踪控制器、第一加法器、转速控制器、第二加法器和功率调整控制器；
所述功率调整控制器与所述第二加法器依次连接；
所述最大功率跟踪控制器、第一加法器、转速控制器和第二加法器依次连接；
所述功率调整控制器的传递函数为ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt，其中，ΔPE为风电机组的输出功率调整量，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
优选的，所述最大功率跟踪控制器的输入参数为风电机组的电磁功率，所述第一加法器的输入信号为ω-ωref，所述第二加法器的输入信号为其中，ω为风电机组的转速，ωref为所述最大功率跟踪控制器输出的风电机组的转速参考值，为所述转速控制器输出的风电机组的输出功率参考值。
优选的，所述功率调整控制器包括：惯性控制器、第三加法器、死区控制器、比例控制器、积分控制器和第四加法器；
所述惯性控制器、第三加法器、死区控制器、比例控制器和第四加法器依次连接；
所述死区控制器与比例控制器的连接点与所述积分控制器的一端连接，所述积分控制器的另一端与所述第四加法器连接；
所述惯性控制器的输入量为换流站输出至交流电网的频率，所述惯性控制器的传递函数为所述第三加法器的输入量为fref-f′，所述死区控制器的输出量为换流站输出至交流电网频率的变化值Δf，所述第四加法器的输入量为所述比例控制器的输出量加上所述积分控制器的输出量，所述第四加法器的输出量为ΔPE，所述比例控制器的传递函数为Kf，所述积分控制器的传递函数为其中，f′为所述惯性控制器的输出量，fref为换流站输出至交流电网的频率参考值，s为复变量。
本发明的有益效果：
本发明提供的技术方案，基于换流站可以整定孤岛风电频率的前提下，根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力，根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值，最终根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率，风电机组配合根据频率调整功率输出，减少风电的功率，本发明充分利用风电机组能够对频率及时响应的特点，通过直流换流站整定频率来达到减少风电输出功率的目的，方法简单易行，时间响应快。
附图说明
图1是本发明一种柔性直流电网风电故障穿越方法的流程图；
图2是本发明一种柔性直流电网风电故障穿越装置的结构示意图；
图3是本发明一种柔性直流电网风电故障穿越方法的控制器原理示意图。
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。
风电在没有同步电源支撑下要开展远距离输送，采用柔性直流输电技术将成为可选的方案，换流站通过控制风电接入的交流母线的电压，并给出50Hz的频率，使得风电可以采用交流接入并网并送出功率。当直流发生故障导致换流站容量降低，在换流站还采取控制交流电压和50Hz频率的方式下，风电不能感受到故障仍按照正常发出功率，将导致换流站过载，甚至退出运行。本专利基于换流站可以整定孤岛风电频率的前提下，提供的一种柔性直流电网风电故障穿越方法，风电机组配合根据频率调整功率输出，减少风电的功率，从而达到确保换流站不闭锁，实现直流电网故障下风电故障穿越的目的，如图1所示，包括：
101.根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值；
102.根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率。
具体的，所述步骤101，包括：
根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力；
根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值。
其中，按下式确定风电基地需要调整的出力ΔP：
ΔP＝P2-P1
上式中，P2为柔性直流电网故障前传输功率，P1为柔性直流电网故障后传输功率。
按下式确定换流站输出至交流电网频率的变化值Δf：
Δf＝KpΔP
上式中，Kp为下垂系数，ΔP为风电基地需要调整的出力。
一旦系统发生故障，将根据事先拟定好的场景确定需要控制的孤岛系统的频率f，风电机组根据频率进行控制，改变风电机组的输出功率，所述步骤103中，包括：
按下式确定风电机组的输出功率调整量ΔPE：
ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt
上式中，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
一种柔性直流电网风电故障穿越装置，如图2所示，所述装置包括：
确定模块，用于根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值；
调整模块，用于根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率。
具体的，所述确定模块，包括：
第一确定单元，用于根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力；
第二确定单元，用于根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值。
所述第一确定单元，用于：
按下式确定风电基地需要调整的出力ΔP：
ΔP＝P2-P1
上式中，P2为柔性直流电网故障前传输功率，P1为柔性直流电网故障后传输功率。
所述第二确定单元，用于：
按下式确定换流站输出至交流电网频率的变化值Δf：
Δf＝KpΔP
上式中，Kp为下垂系数，ΔP为风电基地需要调整的出力。
所述调整模块，用于：
按下式确定风电机组的输出功率调整量ΔPE：
ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt
上式中，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
一种柔性直流电网风电故障穿越方法的控制器，如图3所示，所述控制器包括：
最大功率跟踪控制器、第一加法器、转速控制器、第二加法器和功率调整控制器；
所述功率调整控制器与所述第二加法器依次连接；
所述最大功率跟踪控制器、第一加法器、转速控制器和第二加法器依次连接；
所述功率调整控制器的传递函数为ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt，其中，ΔPE为风电机组的输出功率调整量，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
其中，所述最大功率跟踪控制器的输入参数为风电机组的电磁功率，所述第一加法器的输入信号为ω-ωref，所述第二加法器的输入信号为其中，ω为风电机组的转速，ωref为所述最大功率跟踪控制器输出的风电机组的转速参考值，为所述转速控制器输出的风电机组的输出功率参考值。
所述功率调整控制器包括：惯性控制器、第三加法器、死区控制器、比例控制器、积分控制器和第四加法器；
所述惯性控制器、第三加法器、死区控制器、比例控制器和第四加法器依次连接；
所述死区控制器与比例控制器的连接点与所述积分控制器的一端连接，所述积分控制器的另一端与所述第四加法器连接；
所述惯性控制器的输入量为换流站输出至交流电网的频率，所述惯性控制器的传递函数为所述第三加法器的输入量为fref-f′，所述死区控制器的输出量为换流站输出至交流电网频率的变化值Δf，所述第四加法器的输入量为所述比例控制器的输出量加上所述积分控制器的输出量，所述第四加法器的输出量为ΔPE，所述比例控制器的传递函数为Kf，所述积分控制器的传递函数为其中，f′为所述惯性控制器的输出量，fref为换流站输出至交流电网的频率参考值，s为复变量。
其中，按下式确定风电基地需要调整的出力ΔP：
ΔP＝P2-P1
上式中，P2为柔性直流电网故障前传输功率，P1为柔性直流电网故障后传输功率。
按下式确定换流站输出至交流电网频率的变化值Δf：
Δf＝KpΔP
上式中，Kp为下垂系数，ΔP为风电基地需要调整的出力。
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 (11)

1.一种柔性直流电网风电故障穿越方法，其特征在于，所述方法包括：
根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值；
根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值，包括：
根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力；
根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力，包括：
按下式确定风电基地需要调整的出力ΔP：
ΔP＝P2-P1
上式中，P2为柔性直流电网故障前传输功率，P1为柔性直流电网故障后传输功率。
所述根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值，包括：
按下式确定换流站输出至交流电网频率的变化值Δf：
Δf＝KpΔP
上式中，Kp为下垂系数，ΔP为风电基地需要调整的出力。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，包括：
按下式确定风电机组的输出功率调整量ΔPE：
ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt
上式中，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
5.一种柔性直流电网风电故障穿越装置，其特征在于，所述装置包括：
确定模块，用于根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定换流站输出至交流电网频率的变化值；
调整模块，用于根据所述换流站输出至交流电网频率的变化值确定风电机组的输出功率调整量，并利用所述风电机组的输出功率调整量调整风电机组的输出功率。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块，包括：
第一确定单元，用于根据柔性直流电网故障前后的传输功率确定风电基地需要调整的出力；
第二确定单元，用于根据所述风电基地需要调整的出力确定换流站输出至交流电网频率的变化值。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一确定单元，用于：
按下式确定风电基地需要调整的出力ΔP：
ΔP＝P2-P1
上式中，P2为柔性直流电网故障前传输功率，P1为柔性直流电网故障后传输功率。
所述第二确定单元，用于：
按下式确定换流站输出至交流电网频率的变化值Δf：
Δf＝KpΔP
上式中，Kp为下垂系数，ΔP为风电基地需要调整的出力。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述调整模块，用于：
按下式确定风电机组的输出功率调整量ΔPE：
ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt
上式中，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
9.一种如权利要求1-4任一项所述的柔性直流电网风电故障穿越方法的控制器，其特征在于，所述控制器包括：
最大功率跟踪控制器、第一加法器、转速控制器、第二加法器和功率调整控制器；
所述功率调整控制器与所述第二加法器依次连接；
所述最大功率跟踪控制器、第一加法器、转速控制器和第二加法器依次连接；
所述功率调整控制器的传递函数为ΔPE＝KfΔf+KD∫Δfdt，其中，ΔPE为风电机组的输出功率调整量，Δf为换流站输出至交流电网频率的变化值，Kf为比例系数，KD为积分系数。
10.如权利要求9所述的控制器，其特征在于，所述最大功率跟踪控制器的输入参数为风电机组的电磁功率，所述第一加法器的输入信号为ω-ωref，所述第二加法器的输入信号为其中，ω为风电机组的转速，ωref为所述最大功率跟踪控制器输出的风电机组的转速参考值，为所述转速控制器输出的风电机组的输出功率参考值。
11.如权利要求9所述的控制器，其特征在于，所述功率调整控制器包括：惯性控制器、第三加法器、死区控制器、比例控制器、积分控制器和第四加法器；
所述惯性控制器、第三加法器、死区控制器、比例控制器和第四加法器依次连接；
所述死区控制器与比例控制器的连接点与所述积分控制器的一端连接，所述积分控制器的另一端与所述第四加法器连接；
所述惯性控制器的输入量为换流站输出至交流电网的频率，所述惯性控制器的传递函数为所述第三加法器的输入量为fref-f′，所述死区控制器的输出量为换流站输出至交流电网频率的变化值Δf，所述第四加法器的输入量为所述比例控制器的输出量加上所述积分控制器的输出量，所述第四加法器的输出量为ΔPE，所述比例控制器的传递函数为Kf，所述积分控制器的传递函数为其中，f′为所述惯性控制器的输出量，fref为换流站输出至交流电网的频率参考值，s为复变量。
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