CN110544955A - 风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，包括步骤：S01、在风电机组运行过程中，实时检测风电机组并网电压；S02、当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。本发明还相应公开了一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制系统，包括第一模块，用于在风电机组运行过程中，实时检测风电机组并网电压；第二模块，用于当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。本发明的方法及系统均具有提高风电机组持续挂网能力、以及提高风电机组利用率以及发电效益等优点。

Description

风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法及系统
技术领域
本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着风电装机容量的快速增长，受当地负荷和电力外送通道的限制，三北地区弃风限电现象依然严重，在该地区进行大规模集中式风电场开发已面临瓶颈，风电机组逐渐从大规模风电基地的开发模式到基于负荷容量规划的小规模、分布式风电场开发模式转变。由于分布式风电场利用率较高，并且接近负荷，减少了电力输送通道建设费用，也减低了电气传输损耗。随着国家对分布式风电场开发政策的陆续出台，未来分布式风电场的开发会迎来快速增长。但分布式风电场主要接入35kV及以下的配电网，其电网较差的电能质量可能会对分布式风电机组的并网运行带来一定影响。根据分布式电源并网标准规定，分布式电源正常运行电压范围为(85％～110％)Un，其中Un为额定电压(超出此范围则为越限区间)，低于85％Un时，传统的风电机组控制策略仅根据低穿曲线确保风电机组短时不脱网运行，如果电网电压长时间低于85％Un时，分布式风电机组需要脱网停机，由于分布式风电机组通常接入35kV及以下配电网，配电网基本处于电网末端，特别是处于偏远地区的配电网，其电网容量较小，与大电网之间距离远，传输线路阻抗大，一但该配电网接入非线性负荷或大功率电动机负荷的频繁投切，都可能会引起配电网电压的大幅度波动越限，导致分布式风电机组可利用率降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种提高风电机组利用率及发电效益的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，包括步骤：
S01、在风电机组运行过程中，实时检测风电机组并网电压；
S02、当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。
优选地，在步骤S02中，根据风电机组机端电压确定需输出的无功功率值。
优选地，当无功功率值超过风电机组的最大容量时，风电机组脱网停机。
优选地，通过以下公式得到无功功率值
其中usd表示风电机组机端电压d轴分量；ug为电网电压；LT为箱变短路电感；pg为风电机组有功功率；Qg为风电机组无功功率；ωs为风电机组发电机同步电角频率。
优选地，通过风电机组中发电机或/和网侧变流器输出无功功率。
优选地，在步骤S02中，在风电机组输出无功功率的同时，输出有功功率。
优选地，风电机组有功功率的控制目标值为风电机组有功功率约束值和对应风速下最大有功功率两者中的较小值，其中有功功率控制约束值根据风电机组中输出的无功功率确定。
优选地，风电机组的有功功率控制约束值根据以下公式确定：
其中Pgmax为风电机组有功功率约束值；Srmax为发电机转子容量；Qsref为风电机组发电机定子无功功率控制目标值，Qncref为风电机组网侧变流器无功功率控制目标值；Sncmax为发电机无功功率最大值；S为风电机组发电机转差率。
优选地，在步骤S02中，当风电机组并网电压大于预设阈值时，输出容性无功功率；当风电机组并网电压小于预设阈值时，输出感性无功功率。
优选地，在步骤S02中，当风电机组并网电压在预设阈值内时，风电机组按最优功率跟踪控制模式进行控制。
优选地，在步骤S02中，所述预设阈值为(85％～110)％Un，其中Un为额定电压。
本发明还相应公开了一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制系统，包括
第一模块，用于在风电机组运行过程中，实时检测风电机组并网电压；
第二模块，用于当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法及系统，实时检测风电机组的并网电压(或电网电压或定子电压或风电机组机端电压)，当风电机组的并网电压不在预设阈值内时，风电机组向并网点注入无功电流，实现风电机组接入点的配电网内部无功功率自平衡，防止风电机组向电网吸收感性无功功率，导致传输线路电压降过大，确保风电机组机端电压在正常运行范围内，从而避免风电机组脱网，提高风电机组利用率和发电效益。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的控制框图。
图3为本发明中仿真工况一的波形图。
图4为本发明中仿真工况二的波形图。
图5为本发明中仿真工况三的波形图。
图6为本发明中仿真工况四的波形图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，具体包括以下步骤：
S01、在风电机组运行过程中，实时检测风电机组的并网电压；
S02、当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。
本发明的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，实时检测风电机组的并网电压(或电网电压或定子电压或风电机组机端电压)，当风电机组的并网电压不在预设阈值内时，风电机组向并网点注入无功电流，实现风电机组接入点的配电网内部无功功率自平衡，防止风电机组向电网吸收感性无功功率，导致传输线路电压降过大，确保风电机组机端电压在正常运行范围内，从而避免风电机组脱网，提高风电机组利用率和发电效益。
如图1所示，在步骤S02中，根据风电机组机端电压确定输出的无功功率值；具体地，通过公式(1)得到无功功率值
其中usd表示风电机组机端电压d轴分量；ug为电网电压；LT为箱变短路电感；pg为风电机组有功功率；Qg为风电机组无功功率；通过上式可知，在pg一定的情况下，通过调整Qg，即可达到调整usd的目的。
如图2所示，本实施例中，以风电机组机端电压(或定子电压)为控制目标，实时检测风电机组机端电压值us，并与风电机组机端电压控制目标值(可在机端电压正常范围内取任意值)做差比较后，将比较结果经PI运算，得到风电机组无功功率控制目标值Qgref，其中Qgref在风电机组无功功率最大约束值Qgmax与风电机组无功功率最小约束值Qgmin之间，再通过发电机和网侧变流器输出，如图2所示，其中风电机组发电机定子无功功率控制目标值为Qsref，风电机组网侧变流器无功功率控制目标值为Qncref。当然，在其它实施例中，也可以由发电机或网侧变流器单独输出无功功率。
本实施例中，当风电机组出现故障或者所需的无功功率超过风电机组的最大容量时，风电机组脱网停机，保障风电机组的安全；在步骤S02中，当风电机组并网电压在预设阈值内时，风电机组按最优功率跟踪控制模式进行控制，不输出无功功率；当风电机组并网电压大于预设阈值(如1 10％Un)时，输出容性无功功率；当风电机组并网电压小于预设阈值(如85％Un)时，输出感性无功功率。
本实施例中，风电机组在输出无功功率的同时，同时按照式(2)计算风电机组有功功率控制约束值，并根据式(3)将风电机组有功功率控制约束值和风电机组在此时风速条件下最大有功功率输出值比较后，确定风电机组实际有功功率控制目标值Pgref(取两者之中的较小值)；
Pgref＝min[Pgmax,Pgopt] (3)
其中Pgmax为风电机组有功功率约束值；Srmax为发电机转子容量；Qsref为风电机组发电机定子无功功率控制目标值，Qncref为风电机组网侧变流器无功功率控制目标值；Sncmax为发电机无功功率最大值。
具体地，以双馈发电机定子电压定向，电网电压与双馈发电机定子电压的关系为：
式中，ugd表示风电机组箱变高压侧归算到低压侧电压d轴分量，ugq表示风电机组箱变高压侧归算到低压侧电压q轴分量，usd表示风电机组机端电压d轴分量，igd表示风电机组输入到电网总电流d轴分量，igq表示风电机组输入到电网总电流q轴分量，RT为箱变短路电阻，LT为箱变短路电感；
根据式(5)、式(6)消除暂态分量后，同时忽略电阻压降，可得稳态方程为：
ugd＝usd-ωsLTigq (7)
ugq＝ωsLTigd (8)
pg＝usdigd (9)
Qg＝usdigq (10)
式中，pg表示风电机组输入到电网的有功功率，Qg表示风电机组输入到电网的无功功率。
则根据式(7)～(10)可得：
usd＝ugd+ωsLTigq (11)
另外，发电机定子输出有功功率与发电机定子容量、定子无功功率之间的关系为：
网侧输出有功功率与发电机定子容量、定子无功功率之间的关系为：
其中发电机定子容量约束条件为：
发电机网侧变流器容量约束条件为：
式(13)～(16)中，S为风电机组发电机转差率、Qs为风电机组发电机定子无功功率、Qnc为风电机组网侧变流器无功功率、Ss为风电机组发电机定子容量、Snc为风电机组网侧变流器容量、Ssmax为风电机组发电机定子最大输出容量、Sncmax为风电机组网侧变流器最大输出容量。
为此，根据式(1)，以Qg为主控制量，Pg为次控制量，对usd进行控制，具体控制方法如上所述。
本实施例中，以某款2MW风电机组为例，仿真在分布式双馈风电机组接入点电网电压跌落情况下，通过上述运行控制策略，风电机组机端电压变化趋势；
其中2MW风电机组关键电气参数为：
双馈发电机参数：额定容量2226kVA；额定定子容量：1988kVA；极对数：2；定子电阻：0.00652Ω；定子漏抗：0.03833Ω；激磁电抗：2.52Ω；转子电阻：0.00547Ω；转子漏抗：0.10069Ω；
双馈变流器：网侧变流器额定容量：480kVA；
箱变参数：额定容量2200kVA、额定短路阻抗比：6％；
电网参数：额定电压690VAC、额定频率50Hz。
仿真工况1：风电机组转速为1350r/min(141.37rad/s)下，电网线电压突然从690VAC降低到414VAC时，风电机组机端电压动态变化如图3所示：
仿真工况2：风电机组转速为1350r/min(141.37rad/s)下，电网线电压突然从690VAC降低到138VAC时，风电机组机端电压动态变化如图4所示：
仿真工况3：风电机组转速为1650r/min(172.79rad/s)下，电网线电压突然从690VAC降低到414VAC时，风电机组机端电压动态变化如图5所示：
仿真工况4：风电机组转速为1650r/min(172.79rad/s)下，电网线电压突然从690VAC降低到138VAC时，风电机组机端电压动态变化如图6所示：其中在图3～图6中，点划线表示风电机组转速，单位为rad/s；间断线表示风电机组并网处电网相电压峰值，单位为V；实线表示风电机组机端相电压峰值，单位为V。
通过上面四种工况仿真结果可知，当风电机组在额定电网电压下稳定运行时，风电机组并网处的电网电压发生突然跌落(对应图3～6的130s的时刻)，电压跌落范围均超过了风电机组正常运行电压范围(Ug＜85％*Un)，通过采取上述运行控制策略，增加双馈发电机定子感性无功功率和网侧变流器的感性无功功率，同时通过降低机组的有功出力来保证整个风电机组电流控制在最大持续运行值以内，从图3～图6中的仿真波形可以看出，不管在电网电压发生跌落前，风电机组无论是处于亚同步运行状态(风电机组转速小于1500r/min)，还是处于超同步运行状态(风电机组转速大于1500r/min)，风电机组机端电压经过短暂的过渡过程，过渡过程时间时间小于100ms后，仍然稳定在额定电压点附近，确保风电机组正常运行，同时，风电机组机端电压在暂态过程中相电压峰值最大值也控制在主电路设备绝缘耐受能力范围内。
本发明的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，当风电机组并网点电网电压超出标准规定范围时，可以保证接入到弱电网的分布式风电机组不脱网正常运行，对于分布式风机来说，其运行的配电网电压质量差，应用该策略，可提高分布式风电机组年可利用率和发电效益。同时应用该策略，风电机组可主动向电网提供无功功率，为局域电网电压快速恢复提供了必要支撑，提高了偏远地区局域弱电网自愈能力，降低了该地区的用电负荷频繁启停发生概率，确保负荷的稳定运行。
另外，本发明还相应公开了一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制系统，包括
第一模块，用于在风电机组运行过程中，实时检测风电机组并网电压；
第二模块，用于当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，包括步骤：
S01、在风电机组运行过程中，实时检测风电机组并网电压；
S02、当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。
2.根据权利要求1所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，在步骤S02中，根据风电机组机端电压确定需输出的无功功率值。
3.根据权利要求2所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，当无功功率值超过风电机组的最大容量时，风电机组脱网停机。
4.根据权利要求2所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，通过以下公式得到无功功率值
其中usd表示风电机组机端电压d轴分量；ug为电网电压；LT为箱变短路电感；pg为风电机组有功功率；Qg为风电机组无功功率；ωs为风电机组发电机同步电角频率。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，通过风电机组中发电机或/和网侧变流器输出无功功率。
6.根据权利要求5所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，在步骤S02中，在风电机组输出无功功率的同时，输出有功功率。
7.根据权利要求6所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，风电机组有功功率的控制目标值为风电机组有功功率约束值和对应风速下最大有功功率两者中的较小值，其中有功功率控制约束值根据风电机组中输出的无功功率确定。
8.根据权利要求7所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，风电机组的有功功率控制约束值根据以下公式确定：
其中Pgmax为风电机组有功功率约束值；Srmax为发电机转子容量；Qsref为风电机组发电机定子无功功率控制目标值，Qncref为风电机组网侧变流器无功功率控制目标值；Sncmax为发电机无功功率最大值；S为风电机组发电机转差率。
9.根据权利要求1至4中任意一项所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，在步骤S02中，当风电机组并网电压大于预设阈值时，输出容性无功功率；当风电机组并网电压小于预设阈值时，输出感性无功功率。
10.根据权利要求1至4中任意一项所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，在步骤S02中，当风电机组并网电压在预设阈值内时，风电机组按最优功率跟踪控制模式进行控制。
11.根据权利要求1至4中任意一项所述的风电机组在电网电压越限区间的运行控制方法，其特征在于，在步骤S02中，所述预设阈值为(85％～110)％Un，其中Un为额定电压。
12.一种风电机组在电网电压越限区间的运行控制系统，其特征在于，包括
第一模块，用于在风电机组运行过程中，实时检测风电机组并网电压；
第二模块，用于当风电机组并网电压不在预设阈值内时，通过控制风电机组向并网点输出无功功率，保证风电机组机端电压在正常范围内而不脱网。
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