CN110417028B - 含抽水蓄能电站与风电场的柔直系统协调故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网稳定控制技术，具体涉及含抽水蓄能电站与风电场的柔直系统协调故障穿越方法，在双馈式抽水蓄能机组的转子侧变换器加入外环功率控制。功率的指令值根据柔直系统的故障情况与风电机组的输出功率决定。当柔直系统发生故障时，将故障信息以通信的形式传递给抽水蓄能机组，同时风电场PCC节点的功率测量环节也将测得的功率值发送给抽蓄机组。抽水蓄能机组通过对故障信息进行判断结合风电场的输出功率确定机组的运行模式，同时确定功率指令值的大小，通过快速功率调节减小注入柔直系统的功率，实现故障穿越。该协调故障穿越方法能有效降低故障期间注入直流系统的功率，避免柔直系统非故障极因过流而强制闭锁，在实际工程中具有一定意义。

Description

含抽水蓄能电站与风电场的柔直系统协调故障穿越方法

技术领域

本发明属于交流干线或交流配电网络的电路装置，尤其涉及在网络中防止或减少功率振荡的装置。

背景技术

对于风电场和抽水蓄能电站经柔性直流输电并网系统，当电网发生故障，电压跌落时，交流电网电压跌落，导致网侧换流站的功率传输能力下降，柔性直流输电系统不能将风电场发出的功率全部送到交流电网，从而导致直流侧功率过剩，电网故障期间柔直系统的直流电压将抬升。同时对于双极柔直并网系统，当其中一极发生故障时，该极换流器在短时间内闭锁，流过故障极的电流和功率迅速下降到0。由于风电场侧换流器采用定交流电压控制且两极的控制相互独立，当其中一极闭锁后，另一极换流器仍能够给风电场提供额定的电压和频率支撑，因此风电场不会响应柔性直流输电系统的故障而降低其有功输出。此时有功功率将全部转移到非故障极上，导致非故障极的电流大大升高，严重威胁该极的正常运行。因此有必要在直流系统侧故障期间通过协调控制的方法降低注入直流系统的功率，抑制直流系统的过电压和过电流。由于风电场规模庞大，采用通信的方式降低风电场的输出功率在实际工程应用中存在难度。

随着电力电子技术的发展，具有变频调速功能的抽水蓄能机组逐渐普及，抽水蓄能电站逐步具备了短时间快速改变运行状态的能力，令抽水蓄能电站参与到快速功率调节成为可能。由于抽水蓄能机组相比风电机组数量较少，便于调度。通过将柔直系统的故障情况与风电场的出力情况反馈至抽水蓄能电站，抽水蓄能机组根据柔直系统的需求改变运行模式(抽水-发电)以及运行速率，从而减小故障期间注入柔直系统的功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过抽水蓄能机组的快速功率调节改变电网故障期间注入柔直系统功率，实现柔直系统的故障穿越的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：含抽水蓄能电站与风电场的柔直系统协调故障穿越方法，在双馈式抽水蓄能机组的转子侧变换器加入外环功率控制，柔直系统发生故障时，通过通信端口将柔直系统的直流电压变化量和非故障极功率变化量传递至抽水蓄能机组的控制系统，同时抽水蓄能机组根据直流电压变化量、功率变化量判断柔直系统的故障情况，从而调整抽水蓄能机组的运行状态和有功功率的指令值，减小注入柔直系统的功率，实现故障穿越；具体包括以下步骤：

步骤1、当电网发生故障导致功率的不平衡使柔直系统的直流电压上升时，将故障期间柔直系统直流电压减去额定直流电压得到的电压变化量Δu_d，通过通信端口发送给抽水蓄能机组；

步骤2、电压变化量Δu_d经过抽水蓄能机组内部的电压-功率下垂控制环节得到抽水蓄能需要减发的功率ΔP_g，将抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀减去ΔP_g得到电网故障期间抽水蓄能机组转子侧变换器的有功功率的指令值P_{ref_1}；

步骤3、当柔直系统单极故障闭锁时，将流经非故障极的功率减去换流站额定功率P_c0得到故障期间非故障极功率变化量ΔP_c，将其发送到抽水蓄能机组，抽水蓄能机组根据自身的运行模式和ΔP_c作出判断；

步骤4、若抽水蓄能机组运行于发电模式且抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀减去ΔP_c小于机组在发电模式所能发出功率最小值时，机组翻转运行模式，将发电模式转换至抽水模式，并根据ΔP_c与风电场输出功率P_w确定抽水蓄能机组转子侧变换器有功功率的指令值P_{ref_2}；

步骤5、若抽水蓄能机组运行于抽水模式，则直接通过风电场输出功率P_w与ΔP_c确定抽水蓄能机组转子侧变换器有功功率的指令值P_{ref_2}。

本发明的有益效果：故障发生时不需要将柔直系统的故障信息发送到风电场并改变风机的调度与控制方式。只需要利用柔直系统与抽水蓄能机组之间的通信设备，并改变抽水蓄能机组的有功控制部分使得机组可以根据柔直系统的故障情况调节运行模式与有功指令值。通过抽水蓄能机组的快速功率调节能力实现系统的故障穿越。

附图说明

图1为本发明一个实施例电网故障下的抽水蓄能机组有功功率附加控制流程图；

图2为本发明一个实施例直流电压-有功功率的下垂控制特性曲线；

图3为本发明一个实施例柔直系统单极故障下的协调控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例利用双馈式抽水蓄能机组短时间迅速改变运行状态的能力，通过抽水蓄能机组的快速功率调节改变故障期间注入柔直系统功率，实现柔直系统的故障穿越。双馈式抽水蓄能机组的转子侧变换器采用基于定子磁链定向的功率解耦矢量控制，转子电流的q轴分量用于控制有功功率，通过调节有功功率指令值即可改变抽水蓄能机组吸收或发出的有功功率，响应速度较快。

通过对现有控制方法的改进，在双馈式抽水蓄能机组的转子侧变换器加入外环功率控制，如图1所示。功率的指令值根据柔直系统的故障情况与风电机组的输出功率决定。当柔直系统发生故障时，将故障信息以通信的形式传递给抽水蓄能机组，同时风电场PCC节点的功率测量环节也将测得的功率值发送给抽蓄机组。抽水蓄能机组通过对故障信息进行判断结合风电场的输出功率确定机组的运行模式，同时确定功率指令值的大小，通过快速功率调节减小注入柔直系统的功率，实现故障穿越。

本实施例对传统的故障穿越方法的改进主要在于利用双馈式抽水蓄能机组可快速翻转运行模式并调节吸收或发出的功率，以减小故障期间柔直系统的不平衡功率。本实施例是对现有系统级控制方法的改进，由于抽水蓄能机组的功率调节范围较大，因此在整个故障穿越过程中抽水蓄能机组可独立完成对注入柔直系统功率的抑制，协调控制方法不涉及对风电场控制方式的改变，风电场在故障穿越过程中可始终保持最大风能跟踪。

本实施例的协调故障穿越方法，包括如下步骤：

如图1所示，当电网发生故障导致功率的不平衡令柔直系统的直流电压上升时，将故障期间柔直系统直流电压减去额定直流电压得到的电压变化量Δu_d通过通信端口发送给抽水蓄能机组。如图2所示，电压变化量Δu_d经过机组内部的电压-功率下垂控制环节得到抽水蓄能机组需要减发的功率ΔP_g，抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀为抽水蓄能机组结合风电场出力变化与柔直系统需求确定的功率参考值，电网故障期间抽水蓄能机组转子侧变换器的有功功率的指令值P_{ref_1}可通过计划发出的有功功率P₀减去ΔP_g即可得到。

如图3所示，当柔直系统单极因故障闭锁导致功率经非故障极转带时，非故障极的功率将迅速上升，将流经非故障极的功率减去换流站额定功率P_c0得到故障期间非故障极功率变化量ΔP_c并将其发送到抽水蓄能机组，此时抽水蓄能机组根据自身的运行模式和ΔP_c作出判断：若抽水蓄能机组运行于发电模式且抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀减去ΔP_c小于机组在发电模式所能发出功率最小值时，机组翻转运行模式，将发电模式转换至抽水模式并根据ΔP_c与风电场输出功率确定抽水蓄能机组转子侧变换器有功功率的指令值P_{ref_2}；若抽水蓄能机组运行于抽水模式，则直接通过风电场输出功率P_w与ΔP_c确定抽水蓄能机组转子侧变换器有功功率的指令值P_{ref_2}。

本实施例的故障穿越方法在整个柔直系统中位于系统级控制层，其主要功能是根据柔直系统的故障情况和风电场的输出功率，确定抽水蓄能机组的运行模式并根据故障期间柔直系统的直流电压、换流站功率等电气参数的变化情况调节抽水蓄能机组转子侧变换器的有功功率指令值，以降低注入柔直系统的功率。该故障穿越方法是对现有系统级控制方法的改进，因此可以不需要专门添加硬件设备。可在原有抽水蓄能机组控制系统硬件平台上通过修改控制程序实现，使柔直系统控制同时实现正常的有无功功率控制和故障时的协调故障穿越控制。

风电场与抽水蓄能电站经柔性直流输电并网系统在电网发生故障时将导致柔直系统直流电压升高，而在柔直系统单极发生故障时，另一极产生的过电流可能引起整个柔性直流系统的闭锁和停运。为了提高系统运行可靠性，本实施例提出的一种含抽水蓄能电站与风电场的柔直系统协调故障穿越方法，充分利用双馈式抽水蓄能机组的响应速度与功率调节能力，当柔直系统发生故障时，通过通信端子将柔直系统的直流电压变化量和非故障极功率变化量传递至抽水蓄能机组的控制系统，同时抽水蓄能机组根据从柔直系统反馈来的电压变化量、非故障极功率变化量的信息，判断柔直系统的故障情况，从而调整抽水蓄能机组的运行状态和有功指令值，减小注入柔直系统的功率，实现故障穿越。

双馈式抽水蓄能机组转子侧换流器的控制框图如图1所示，包括直流电流、机端电压测量，与额定电流做差计算，PI调节器以及相应的限幅环节等。

具体实施时，含抽水蓄能电站与风电场的柔直系统协调故障穿越方法，包括如下步骤：

S1正常情况下，抽水蓄能机组转子侧变换器采用有功功率和无功功率的独立解耦控制，有功功率控制的有功功率指令值为预测发出/吸收的有功功率值，维持系统的正常运行；

S2当电网发生故障导致柔性直流系统的电压上升时，抽水蓄能机组根据柔直系统的直流电压变化情况调整机组的运行速率，减小输出功率，从而起到抑制柔直系统电压波动的作用。当电网发生故障导致电压跌落时，柔直系统将直流电压的变化量Δu_d通过通信端子发送到抽水蓄能机组，Δu_d经过电压-功率下垂控制环节得到抽水蓄能机组需要减发的功率ΔP_g。将抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀减去ΔP_g可得到抽水蓄能机组转子侧变换器的有功功率指令值P_{ref_1}。

S3当柔直系统单极出现直流侧接地、断线、阀侧接地等较严重的故障导致单极闭锁时，如果此时抽水蓄能机组运行于抽水工况，则机组将调整抽水蓄能机组的运行速率到最大运行速率，并且根据机组需要吸收的风电场发出的盈余功率调整抽水总量；如果此时抽水蓄能机组运行于发电工况，则抽水蓄能电站将首先紧急翻转当前运行模式，调整为抽水工况。当柔直系统单极故障闭锁时，非故障极功率变化量ΔP_c并将其发送到抽水蓄能机组，此时抽水蓄能机组根据自身的运行模式和ΔP_c作出判断：若抽水蓄能机组运行于发电模式且抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀减去ΔP_c小于机组在发电模式所能发出功率最小值时，机组翻转运行模式。若抽水蓄能机组运行于抽水模式，则直接通过风电场发出功率P_w与ΔP_c确定抽水蓄能机组转子侧变换器有功功率的指令值。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.含抽水蓄能电站与风电场的柔直系统协调故障穿越方法，其特征是，在双馈式抽水蓄能机组的转子侧变换器加入外环功率控制，柔直系统发生故障时，通过通信端口将柔直系统的直流电压变化量和非故障极功率变化量传递至抽水蓄能机组的控制系统，同时抽水蓄能机组根据直流电压变化量、功率变化量判断柔直系统的故障情况，从而调整抽水蓄能机组的运行状态和有功功率的指令值，减小注入柔直系统的功率，实现故障穿越；具体包括以下步骤：

步骤1、当电网发生故障导致功率的不平衡使柔直系统的直流电压上升时，将故障期间柔直系统直流电压减去额定直流电压得到的电压变化量Δu_d，通过通信端口发送给抽水蓄能机组；

步骤2、电压变化量Δu_d经过抽水蓄能机组内部的电压-功率下垂控制环节得到抽水蓄能需要减发的功率ΔP_g，将抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀减去ΔP_g得到电网故障期间抽水蓄能机组转子侧变换器的有功功率的指令值P_{ref_1}；

步骤3、当柔直系统单极故障闭锁时，将流经非故障极的功率减去换流站额定功率P_c0得到故障期间非故障极功率变化量ΔP_c，将其发送到抽水蓄能机组，抽水蓄能机组根据自身的运行模式和ΔP_c作出判断；

步骤4、若抽水蓄能机组运行于发电模式且抽水蓄能机组计划发出的有功功率P₀减去ΔP_c小于机组在发电模式所能发出功率最小值时，机组翻转运行模式，将发电模式转换至抽水模式，并根据ΔP_c与风电场输出功率P_w确定抽水蓄能机组转子侧变换器有功功率的指令值P_{ref_2}；

步骤5、若抽水蓄能机组运行于抽水模式，则直接通过风电场输出功率P_w与ΔP_c确定抽水蓄能机组转子侧变换器有功功率的指令值P_{ref_2}。

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