CN109980655A - 一种基于风机降载运行的无功紧急控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于风机降载运行的无功紧急控制方法。首先获取抑制过电压所需的无功功率；进一步，计算双馈风机无功极限；最后，根据抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限的大小关系，提出一种基于风机降载运行的无功紧急控制策略，通过利用双馈风机快速的有功主动控制来短时增大其无功极限，提升暂态过程中双馈风机无功支撑能力，进而有效抑制直流闭锁暂态过电压。该发明在保证系统可靠性的前提下尽可能增大风场的无功极限，在故障期间提供无功支撑，进而解决直流闭锁下风场的高电压穿越问题。该控制方法可以作为大规模风电送出系统的无功紧急控制及与其他无功设备协同控制的有效参考。

Description

一种基于风机降载运行的无功紧急控制方法
技术领域
本发明涉及一种风电场无功紧急控制策略，尤其是涉及一种基于风机降载运行的无功紧急控制方法。
背景技术
我国许多大型风电场都远离负荷中心，对于风力发电的实际远距离输送，一般采用高压直流输电方式输送1000MW级的风力发电。由于HVDC换流转会消耗大量的无功功率(约占其有功功率的30％～40％)，当交/直流系统发生不同类型的故障导致直流闭锁时，换流站内剩余的无功功率将引起暂态过电压问题。
传统上对于电压的调节通常采用投切电容器组、改变变压器分接头以及通过安装SVC、STATCOM的等无功装置来维持局部电压的稳定。然而考虑到各种无功装置的响应时间、动作时间尺度及安装成本等因素，目前针对大规模风电场送出系统中直流闭锁过电压问题的还没有较好的解决方案，传统的换流站安控与极控方案也存在一定的时延及部分切风机等问题。
考虑到风机的有功主动控制能力，从风机自身的角度充分挖掘其参与系统局部调压的潜力，通过利用双馈风机快速的有功主动控制来短时增大其无功极限，提升暂态过程中双馈风机无功支撑能力，使其在故障期间可提供一定的无功支撑。为充分发挥风电参与系统局部调压能力，解决直流闭锁下风场的高电压穿越问题，本发明公开了一种基于风机降载运行的无功紧急控制方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于风机降载运行的无功紧急控制方法，解决大规模风电送出系统直流闭锁下过电压问题。
本发明的技术方案采用如下步骤：
1)利用Q-V下垂控制器及风场接入点电压测量值获取抑制过电压所需的无功功率；
2)结合双馈风机容量及定转子电流热稳定性约束，计算双馈风机无功极限；
3)根据抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限的四种大小关系，提出基于风机降载运行的无功紧急控制策略：
Ⅰ.当过电压水平较低时，抑制过电压所需的无功功率较少，考虑到换流器的损耗及定转子侧无功极限的大小关系，只需要控制定子侧提供所需的无功功率即可；
Ⅱ.当过电压水平超过了此时的定转子侧无功极限，需要同时控制定子侧和转子侧提供所需的无功功率；
Ⅲ.当定转子侧的无功极限仍无法满足抑制过电压所需的无功功率要求时，通过有功降载控制降低定子侧有功功率出力，短时增大定子侧无功极限，提升暂态过程中双馈风机无功支撑能力；
Ⅳ.当过电压水平过高，以至于抑制过电压所需的无功功率超过风场无功出力极限最大值时，风场提供其此时无功出力极限最大值的无功出力，剩余的无功需要由其他无功补偿装置提供来帮助恢复电压水平。
上述技术方案中，所述的步骤1)利用Q-V下垂控制器及风场接入点电压测量值获取抑制过电压所需的无功功率采用以下公式得到：
其中ΔQ(t)为抑制过电压所需的无功功率；VW(t)为实测的风场接入点电压测量值；为风场接入点电压参考值；K(t)为Q-V下垂控制器的下垂系数，其值由风场接入点电压对无功的灵敏度系数决定：
其中，VS为风场接入点电压对无功的灵敏度系数，为系统潮流雅克比矩阵中风场接入点电压对无功灵敏度元素；
所述的步骤2)结合双馈风机容量及定转子电流热稳定性约束，计算双馈风机无功极限采用以下公式得到：
其中Xl＝XS+Xm，XS是定子绕组电感，Xm是定转子绕组互感；Irmax是转子最大电流，通常取1.2p.u.；PS(t)是双馈风机定子侧的有功功率出力；VS(t)是双馈风机定子侧电压测量值；QS(t)是双馈风机定子侧无功功率输出极限；Smax是双馈风机网侧换流器容量；Pgc(t)是双馈风机网侧换流器的的有功功率出力；Qgc(t)是双馈风机网侧换流器无功功率输出极限；
所述的步骤3)抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限之间可能存在的四种大小关系如下：
I.ΔQ(t)≤QS(t)
II.QS(t)＜ΔQ(t)≤QS(t)+Qgc(t)
III.QS(t)+Qgc(t)＜ΔQ(t)≤Qmax(t)+Qgc(t)
IV.ΔQ(t)＞Qmax(t)+Qgc(t)
Qmax(t)是双馈风机处于最大降载系数Kmax下的定子侧无功极限最大值。
本发明的有益效果是：
该发明旨在考虑风机降载运行下，挖掘其有功出力与无功极限的关系，充分发挥风电的无功支撑能力，在保证系统可靠性的前提下尽可能增大风场的无功极限，在故障期间提供无功支撑，进而解决直流闭锁下风场的高电压穿越问题。该控制策略可以作为大规模风电送出系统的无功紧急控制及与其他无功设备协同控制的有效参考。
附图说明
图1功率指令参考值分段函数示意图；
图2双馈风机控制框图；
图3风电场高压直流送出系统示意图；
图4不同控制策略下过电压的抑制效果图；
图5所提控制策略下风电场有功无功功率出力；
表1不同场景下的功率指令参考值分配；
表2双馈风机PI控制器参数；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明方法包括以下步骤：
1)利用Q-V下垂控制器及风场接入点电压测量值获取抑制过电压所需的无功功率；
2)结合双馈风机容量及定转子电流热稳定性约束，计算双馈风机无功极限；
3)根据抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限的大小关系，提出一种基于风机降载运行的无功紧急控制策略：
Ⅰ.当过电压水平较低时，抑制过电压所需的无功功率较少，考虑到换流器的损耗及定转子侧无功极限的大小关系，只需要控制定子侧提供所需的无功功率即可；
Ⅱ.当过电压水平超过了此时的定转子侧无功极限，需要同时控制定子侧和转子侧提供所需的无功功率；
Ⅲ.当定转子侧的无功极限仍无法满足抑制过电压所需的无功功率要求时，通过有功降载控制降低定子侧有功功率出力，短时增大定子侧无功极限，提升暂态过程中双馈风机无功支撑能力；
Ⅳ.当过电压水平过高，以至于抑制过电压所需的无功功率超过风场无功出力极限最大值时，风场提供其此时无功出力极限最大值的无功出力，剩余的无功需要由其他无功补偿装置提供来帮助恢复电压水平。
所述的步骤1)中的利用Q-V下垂控制器及风场接入点电压测量值获取抑制过电压所需的无功功率具体如下：
通过对风场接入点的Q-V下垂控制器的设计以及实测的接入点电压值来估计抑制过电压所需的无功功率大小，Q-V下垂控制器的设计如下所示：
其中ΔQ(t)为抑制过电压所需的无功功率；VW(t)为实测的风场接入点电压测量值；为风场接入点电压参考值；K(t)为Q-V下垂控制器的下垂系数，其值由风场接入点电压对无功的灵敏度系数决定：
其中，VS为风场接入点电压对无功的灵敏度系数，为系统潮流雅克比矩阵中风场接入点电压对无功灵敏度元素；
所述的步骤2)结合双馈风机容量及定转子电流热稳定性约束，计算双馈风机无功极限，双馈风机采用的控制方法如图2所示，其中PI控制器参数如表2所示，双馈风机无功极限采用以下公式得到：
其中Xl＝XS+Xm，XS是定子绕组电感，Xm是定转子绕组互感；Irmax是转子最大电流，通常取1.2p.u.；PS(t)是双馈风机定子侧的有功功率出力；VS(t)是双馈风机定子侧电压测量值；QS(t)是双馈风机定子侧无功功率输出极限；Smax是双馈风机网侧换流器容量；Pgc(t)是双馈风机网侧换流器的的有功功率出力；Qgc(t)是双馈风机网侧换流器无功功率输出极限；
所述的步骤3)根据抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限的大小关系，提出一种基于风机降载运行的无功紧急控制策略具体描述为：
抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限之间存在如下可能的四种大小关系：
I.ΔQ(t)≤QS(t)
II.QS(t)＜ΔQ(t)≤QS(t)+Qgc(t)
III.QS(t)+Qgc(t)＜ΔQ(t)≤Qmax(t)+Qgc(t)
IV.ΔQ(t)＞Qmax(t)+Qgc(t)
上述四种抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限大小关系，对应四种功率参考指令如图1和表1所示，组成所提的一种基于风机降载运行的无功紧急控制策略；
其中，图表中的Kmax是自定义的最大降载系数，通常取值为0.2；PK(t)＝(1-K)PMPPT(t)，PMPPT(t)、PK(t)、PKmax(t)分别是双馈风机最大功率跟踪、降载系数为K、最大降载系数Kmax下的定子侧有功功率出力；Qmax(t)是双馈风机处于最大降载系数Kmax下的定子侧无功极限最大值；
上述功率指令分配的意义在于，当过电压水平较低时，说明抑制过电压所需的无功功率较少，考虑到换流器的损耗及定转子侧无功极限的大小关系，只需要控制定子侧提供所需的无功功率即可，对应于场景I；当过电压水平较高超过了此时的定转子侧无功极限，需要同时控制定子侧和转子侧提供所需的无功功率，对应于场景II；当定转子侧的无功极限仍无法满足抑制过电压所需的无功功率要求时，通过有功降载控制降低定子侧有功功率出力，短时增大定子侧无功极限，提升暂态过程中双馈风机无功支撑能力，对应于场景III；当过电压水平过高，以至于抑制过电压所需的无功功率超过风场无功出力极限最大值时，风场提供其此时无功出力极限最大值的无功出力，剩余的无功需要由其他无功补偿装置提供来帮助恢复电压水平。
表1
表2
采用本发明方法进行风电场无功紧急控制充分发挥风电的无功支撑能力，在保证系统可靠性的前提下尽可能增大风场的无功极限，在故障期间提供无功支撑，进而解决直流闭锁下风场的高电压穿越问题。该控制策略可以作为大规模风电送出系统的无功紧急控制及与其他无功设备协同控制的有效参考。
本发明的具体实施例如下：
我们采用所提方法对图3所示的风电场送出系统进行验证。在直流闭锁信号发出后，启动风电场无功紧急控制策略，根据风电接入点电压测量值实时分配风机功率参考值指令，通过对比实施所提控制策略前后风场接入点电压波形，可对本发明提出的方法进行验证。
采用本发明方法对实施例进行仿真计算，结果如下：
图4给出了不同控制策略下过电压的抑制效果，其中控制策略1是采用传统的AVC控制，控制策略2是无电压控制，控制策略3是采用本发明所提的无功紧急控制。从图中可以看出采用所提的无功紧急控制策略不仅可以将暂态过电压的峰值降低到1.2p.u.以下，故障后的稳态值也可以控制在额定电压附近，因此可以满足电网对于风场高电压穿越的要求。图5给出了所提控制策略下风电场有功无功功率出力，可以看出在直流闭锁信号发出后，双馈风机通过其转子侧换流器的快速响应与控制，使双馈风机处于最大降载系数0.2的降载运行状态，根据无功紧急控制策略计算出的有功及无功参考指令，双馈风机定转子侧快速调整其有功及无功出力，满足抑制过电压所需要的无功功率，从而实现直流闭锁下风场的高电压穿越。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于风机降载运行的无功紧急控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)利用Q-V下垂控制器及风场接入点电压测量值获取抑制过电压所需的无功功率；
2)结合双馈风机容量及定转子电流热稳定性约束，计算双馈风机无功极限；
3)根据抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限的四种大小关系，提出基于风机降载运行的无功紧急控制策略：
Ⅰ.当过电压水平较低时，抑制过电压所需的无功功率较少，考虑到换流器的损耗及定转子侧无功极限的大小关系，只需要控制定子侧提供所需的无功功率即可；
Ⅱ.当过电压水平超过了此时的定转子侧无功极限，需要同时控制定子侧和转子侧提供所需的无功功率；
Ⅲ.当定转子侧的无功极限仍无法满足抑制过电压所需的无功功率要求时，通过有功降载控制降低定子侧有功功率出力，短时增大定子侧无功极限，提升暂态过程中双馈风机无功支撑能力；
Ⅳ.当过电压水平过高，以至于抑制过电压所需的无功功率超过风场无功出力极限最大值时，风场提供其此时无功出力极限最大值的无功出力，剩余的无功需要由其他无功补偿装置提供来帮助恢复电压水平。
2.根据权利要求1所述的基于风机降载运行的无功紧急控制方法，其特征在于，所述的步骤1)利用Q-V下垂控制器及风场接入点电压测量值获取抑制过电压所需的无功功率采用以下公式得到：
其中ΔQ(t)为抑制过电压所需的无功功率；VW(t)为实测的风场接入点电压测量值；为风场接入点电压参考值；K(t)为Q-V下垂控制器的下垂系数，其值由风场接入点电压对无功的灵敏度系数决定：
其中，VS为风场接入点电压对无功的灵敏度系数，为系统潮流雅克比矩阵中风场接入点电压对无功灵敏度元素。
3.根据权利要求1所述的基于风机降载运行的无功紧急控制方法，其特征在于，所述的步骤2)结合双馈风机容量及定转子电流热稳定性约束，计算双馈风机无功极限采用以下公式得到：
其中Xl＝XS+Xm，XS是定子绕组电感，Xm是定转子绕组互感；Irmax是转子最大电流；PS(t)是双馈风机定子侧的有功功率出力；VS(t)是双馈风机定子侧电压测量值；QS(t)是双馈风机定子侧无功功率输出极限；Smax是双馈风机网侧换流器容量；Pgc(t)是双馈风机网侧换流器的的有功功率出力；Qgc(t)是双馈风机网侧换流器无功功率输出极限。
4.根据权利要求1所述的基于风机降载运行的无功紧急控制方法，其特征在于，步骤3)中抑制过电压所需的无功功率与双馈风机定转子无功极限的四种大小关系如下：
I.ΔQ(t)≤QS(t)
II.QS(t)＜ΔQ(t)≤QS(t)+Qgc(t)
III.QS(t)+Qgc(t)＜ΔQ(t)≤Qmax(t)+Qgc(t)
IV.ΔQ(t)＞Qmax(t)+Qgc(t)
其中，ΔQ(t)为抑制过电压所需的无功功率；QS(t)是双馈风机定子侧无功功率输出极限；Qgc(t)是双馈风机网侧换流器无功功率输出极限；Qmax(t)是双馈风机处于最大降载系数Kmax下的定子侧无功极限最大值。
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