CN110581560A - 一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，所述的直驱风力发电机与整流器相连，整流器与电压源型逆变器相连，逆变器通过LC滤波电路与电网相连；整流器采用最大功率追踪控制方法，逆变器采用电网电压定向的矢量控制方法；该计算方法的步骤如下：分析直驱风电系统的拓扑结合和控制框图、计算故障前稳态下风电系统电流电压、计算电网电压变化引起的暂态电流、计算逆变器电压变化引起的暂态电流、计算直驱风电系统的暂态无功功率。该方法可有效解决直驱风电系统在电网电压阶跃/连续变化时暂态功率与暂态电流的计算问题，为风电高渗透率接入特高压直流输电线路发生换相失败故障下的送端电网过电压抑制提供理论依据。

Description

一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法

技术领域

本发明属于风机并网技术领域，具体涉及一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法。

背景技术

随着能源危机和环境问题日趋严峻，以风力发电为代表的可再生能源得到了快速发展。我国风能资源分布极为不均匀，主要集中在“三北”地区，风电资源与负荷中心的逆向分布导致风电无法就地消纳。采用特高压直流(Ultra High Voltage Direct Current，UHVDC)输电技术是把风电进行远距离传输的有效方式。UHVDC技术可以实现风场和受端电网之间的非同步运行，同时直流输电线路在运行时无需无功补偿，可实现快速功率调节和灵活的传输功率控制。因此，UHVDC输电在风电远距离输电中得到了大量的研究和应用。

随着UHVDC在风电远距离输电中的大量应用，受端换流站换相失败故障作为常见的直流输电故障，导致风电大规模接入的送端电网中产生了新的电压故障特性。在换相失败故障发生后，由于直流电压迅速下降，送端换流站的移相角增大，从送端电网大量吸收无功功率使送端电网电压随之下降。随着换相失败故障被清除，直流母线电压逐渐上升，送端换流站移相角开始减小，换流站从送端电网吸收的无功功率快速减少，而此时送端电网上的发电机组以及无功补偿装置仍在向送端电网补充无功功率，会导致送端电网在换相失败故障恢复过程中产生过电压。与传统的交流电网故障不同，换相失败故障会导致送端电网出现电压幅值非阶跃变化、先低穿后高穿的特性，其故障电压的峰值受到送端换流站、无功补偿装置、火电机组与风电机组的暂态无功特性的共同影响。因此，进行直流换相失败下风电系统暂态无功特性的计算具有重要的理论和实际意义。

现有的直驱风电系统的暂态无功特性计算方法仅适用于电网电压阶跃变化下的故障工况，无法适用于换相失败故障下电网电压幅值非阶跃变化、先低穿后高穿的运行工况。

发明内容

针对上述现有计算方法中所存在的技术问题，本发明提供了一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法。该方法考虑到了电网电压幅值非阶跃变化特性的情况以及变流器控制参数对暂态特性的影响，为风电高渗透率接入特高压直流输电线路发生换相失败故障下的送端电网过电压抑制提供理论依据。

本发明采用以下技术方案实现：

一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，所述的直驱风电系统的拓扑结构与控制框图分别满足以下条件：直驱风力发电机与整流器相连，整流器与电压源型逆变器相连，逆变器通过LC滤波电路与电网相连；直驱风电系统中的整流器采用最大功率追踪控制方法，逆变器的控制方式采用电网电压定向的矢量控制方法；所述的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法包括以下步骤：

(1)分析直驱风电系统的拓扑结构和控制框图：通过直驱风电系统的拓扑结构分析得到直驱风电系统的等效电路图和相应参数，通过直驱风电系统的控制框图分析确定直驱风电系统的控制方法和相应控制参数；

(2)计算故障前稳态下风电系统电流电压：根据直驱风电系统的等效电路图和故障前风机功率计算故障前稳态的电网电流、电网电压、逆变器电流、逆变器电压；

(3)计算电网电压变化引起的暂态电流：根据直驱风电系统的等效电路图和故障下电网电压变化情况计算电网电压变化引起的暂态电网全电流、暂态逆变器全电流；

(4)计算逆变器电压变化引起的暂态电流：根据直驱风电系统的控制方法和控制参数计算逆变器电压变化引起的暂态电网无功电流；

(5)计算直驱风电系统的暂态无功功率：根据故障前稳态电网电流、电网电压变化引起的暂态电网全电流和逆变器电压变化引起的暂态电网无功电流，计算电网电压故障下直驱风电系统输出的暂态无功电流，结合故障电压，计算直驱风电系统的暂态无功功率。

上述技术方案中，进一步地，所述的直驱风电系统的控制框图的分析方法如下：锁相环采集电网电压计算电网电压的相角，旋转坐标转换环节根据电网电压相角将采集的电网电流转换为d轴电流和q轴电流，电压环根据目标直流母线电压和采集的直流母线电压通过比例积分调节器计算目标d轴电流和q轴电流，d轴电流环根据目标d轴电流和d轴电流通过比例积分调节器计算d轴电压，q轴电流环根据目标q轴电流和q轴电流通过比例积分调节器计算q轴电压，空间矢量脉宽调制环节根据d轴电压和q轴电压计算三相桥的脉冲控制信号并发送给逆变器。

进一步地，所述的故障前稳态电流电压求解的计算方程为：

其中：下标0表示电压电流为故障前稳态的分量，U_gd、U_gq、I_gd和I_gq分别为在dq轴上的电网电压分量与输出到电网的电流分量，U_vscd、U_vscq、I_vscd和I_vscq分别为在dq轴上的逆变器电压分量与逆变器输出的电流分量，U_gbase为故障前电网相电压幅值，I_0g为故障前输出到电网的相电流幅值，ω_g为电网电压的角频率，L_f为滤波电感，C_f为滤波电容，R_f为滤波电阻。

进一步地，所述的电网电压变化引起的暂态电流求解的在复频域下表示为：

其中：下标1表示电网电压变化引起的暂态分量，i_gd和i_gq为在dq轴上输出到电网的电流分量，L_f为滤波电感，C_f为滤波电容，R_f为滤波电阻，u_1g为电网电压幅值的变化量，s为拉普拉斯算子，K_RC可表示为：K_RC＝s+(s²+ω_g ²)C_fR_f，ω_g为电网电压的角频率；

将复频域的电流通过反拉普拉斯变换即可得到时域下电网电压变化引起的暂态电流。

进一步地，所述的逆变器电压变化引起的暂态电流求解的在复频域下表示为：

其中：I_0gq为故障前稳态下输出到电网的q轴电流分量，i_1gq为电网电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量，i_2gq为逆变器电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量，为q轴电流指令值，k_gqp和k_gqi为q轴电流环的比例和积分系数，ω_g为电网电压的角频率，L_f为滤波电感，s为拉普拉斯算子；

将复频域的电流通过反拉普拉斯变换即可得到时域下逆变器电压变化引起的暂态电流。

进一步地，所述的暂态无功功率求解的计算方程为：

Q_g(t)＝-1.5(U_0gd+u_1g(t))(I_0gq+i_1gq(t)+i_2gq(t))

其中：Q_g为直驱风电系统输出的暂态无功功率，U_0gd为故障前稳态下电网电压的d轴分量，u_1g为电网电压幅值的变化量，I_0gq为故障前稳态下输出到电网的q轴电流分量，i_1gq为电网电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量，i_2gq为逆变器电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量。

本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明充分考虑了直驱风电系统控制参数对暂态无功特性的影响，在计算逆变器电压变化引起的暂态电流时将完整的控制流程纳入数学建模之中，从而避免忽略控制环节延时以及输出电压误差而导致的功率误差，能够准确分析复杂情况下直驱风电系统的暂态无功特性。

(2)本发明提出的直驱风电系统暂态无功特性的计算方法不仅适用于电网电压发生阶跃跌落的故障，也适用于送端电网接特高压直流系统发生换相失败引起的电网电压先低穿后高穿这种复杂的非阶跃的电网电压故障，因此本发明具有很强的适用性。

附图说明

图1为直驱风电系统拓扑图和控制框图。

图2为直驱风电系统滤波环节在稳态与暂态下的等效电路图。

图3为直驱风电系统的仿真模型。

图4为电压阶跃跌落直驱风电系统输出无功的计算结果与仿真结果对比图。

图5为电压阶跃升高直驱风电系统输出无功的计算结果与仿真结果对比图。

图6为电压非阶跃故障下直驱风电系统输出无功的计算结果与仿真结果对比图。

图7为实测换相失败故障下送端电网的电压波形图。

图8为换相失败故障下直驱风电系统输出无功的计算结果与仿真结果对比图。

图9为本发明的一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法流程图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图9为一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法流程图，该方法包括以下步骤：

(1)分析直驱风电系统的拓扑结构和控制框图：通过直驱风电系统的拓扑结构分析得到直驱风电系统的等效电路图和相应参数，通过直驱风电系统的控制框图分析确定直驱风电系统的控制方法和相应控制参数；

(2)计算故障前稳态下风电系统电流电压：根据直驱风电系统的等效电路图和故障前风机功率计算故障前稳态的电网电流、电网电压、逆变器电流、逆变器电压；

(3)计算电网电压变化引起的暂态电流：根据直驱风电系统的等效电路图和故障下电网电压变化情况计算电网电压变化引起的暂态电网全电流、暂态逆变器全电流；

(4)计算逆变器电压变化引起的暂态电流：根据直驱风电系统的控制方法和控制参数计算逆变器电压变化引起的暂态电网无功电流；

(5)计算直驱风电系统的暂态无功功率：根据故障前稳态电网电流、电网电压变化引起的暂态电网全电流和逆变器电压变化引起的暂态电网无功电流，计算电网电压故障下直驱风电系统输出的暂态无功电流，结合故障电压，计算直驱风电系统的暂态无功功率。

所述的直驱风电系统的拓扑结构与控制框图分别满足以下条件：直驱风力发电机与整流器相连，整流器与电压源型逆变器相连，逆变器通过LC滤波电路与电网相连；直驱风电系统中的整流器采用最大功率追踪控制方法，逆变器的控制方式采用电网电压定向的矢量控制方法。

图1为直驱风电系统拓扑图和控制框图。对拓扑图做分析可知：直驱风电系统主要由风力机、永磁同步发电机、双PWM背靠背全功率变流器以及相关控制系统等组成。由于直驱风电系统使用全功率变流器接入电网，因此电网故障下直驱风电系统暂态无功建模可以忽略机侧变流器。对控制框图作分析可知：UHVDC系统中发生换相失败故障时，在送端电网中的故障电压具有故障电压幅值三相对称、频率保持不变的特征，因此风机控制环路中锁相环始终处于正常工作状态。

图2为直驱风电系统滤波环节在稳态与暂态下的等效电路图。直驱风电系统中GSC输出电压U_vsc与输出电流I_g可通过电源叠加定理进行分析，将电网故障下直驱风电系统暂态响应计算分为三个状态分量：故障发生前的稳态(状态0)，电网电压变化的状态(状态1)，GSC输出电压变化的状态(状态2)。

首先进行故障前稳态电流电压求解。根据图2(a)可以计算发生换相失败故障前GSC输出的电压电流，在dq旋转坐标系下可表示为(下标0表示其为状态0下的分量)：

其中，U_gd、U_gq、I_gd和I_gq分别为在dq轴上的电网电压分量与输出到电网的电流分量，U_vscd、U_vscq、I_vscd和I_vscq分别为在dq轴上的GSC电压分量与GSC输出的电流分量，I_RCd和I_RCq分别为在dq轴上输出到RC滤波支路的电流分量，U_gbase为电网相电压幅值，I_0g为输出到电网的相电流幅值，ω_g为电网电压的角频率，L_f为滤波电感，C_f为滤波电容，R_f为滤波电阻。

之后进行电网电压变化引起的暂态电流求解。在以下分析中，下标1代表在状态1下的电压和电流分量。假设电网发生故障后，电网电压幅值的变化量表示为时间函数u_1g(t)(正值代表电网电压升高，负值代表电网电压降低)。根据图2(b)，GSC输出电流与电网电压的关系可表示为：

在电网电压定向矢量控制下，电网电压可表示为：

为了避免时域下计算的复杂性，将GSC输出电流变换至复频域表示：

其中，s为拉普拉斯算子。

GSC滤波器数学模型可表示为：

其中，u_1Cd和u_1Cq为电容电压U_1C的d轴和q轴电压分量。

计算复频域下电容支路的电流：

其中，K_RC＝s+(s²+ω_g ²)C_fR_f。

将式(5)与式(7)计算得到的i_1vscd(s)、i_1vscq(s)、i_1RCd(s)和i_1RCq(s)变换到时域，状态1下直驱风电系统输出电流为：

接下来进行逆变器电压变化引起的暂态电流求解。在以下分析中，下标2代表在状态2下的电压和电流分量。根据图2(c)，滤波器RC支路的电流分量可表示为：

i_2RCd(t)＝i_2RCq(t)＝0

因此状态2下GSC输出电流可表示为：

滤波器电感L_f上电压电流的关系式为：

GSC输出电压受电流环比例积分调节器参数以及补偿环节共同影响。根据直驱风电系统的控制框图可知GSC输出电压可表示为：

其中，k_gdp和k_gdi为d轴电流环的比例和积分系数，k_gqp和k_gqi为q轴电流环的比例和积分系数。

根据电源叠加定理，△i_gd(t)、△i_gq(t)、i_cd(t)和i_cq(t)可表示为：

其中，为d轴电流指令值，为q轴电流指令值。

复频域下状态2下GSC输出电压为：

状态2直驱风电输出的暂态电流为：

其中，K_gq＝k_gqp+k_gqi/s。

对i_2gq(s)作反拉普拉斯变换，可以得到状态2电流时域解i_2gq(t)。

最后进行暂态无功功率求解。根据电源叠加定律，直驱风电系统输出的电压电流为：

直驱风电系统输出到电网的暂态无功功率为：

Q_g(t)＝1.5(-u_gd(t)i_gq(t)+u_gq(t)i_gd(t))

＝-1.5u_gd(t)i_gq(t)

＝-1.5(U_0gd+u_1g(t))(I_0gq+i_1gq(t)+i_2gq(t))

为了验证所提供的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性计算方法的准确性，在MATLAB/Simulink平台上搭建了1.5MW直驱风电系统仿真模型，搭建的仿真模型如图3所示，其参数如下表所示。

参数	符号	数值
			故障前电网相电压幅	U<sub>gbase</sub>	563/V
故障前电网相电流幅	I<sub>0g</sub>	1775/A
			电网电压角频率	ω<sub>g</sub>	314/rad·s<sup>-1</sup>
直流母线额定电压	V<sub>dc_nom</sub>	1050/V
			滤波电感	L<sub>f</sub>	100/μH
滤波电阻	R<sub>f</sub>	0.1/Ω
			滤波电容	C<sub>f</sub>	541/μF
电流环比例系数	k<sub>gqp</sub>	0.07/pu
			电流环积分系数	k<sub>gqi</sub>	5/pu

图4为电网电压阶跃跌落10％、30％、50％时直驱风电系统输出无功的计算结果与仿真结果对比图，其中仿真结果与计算结果的最大差值为11.07kvar，占稳态输出总功率的0.7％。

图5为电网电压阶跃升高10％、20％、30％时直驱风电系统输出无功的计算结果与仿真结果对比图，其中仿真结果与计算结果的最大无功功率差值为17.95kvar，占稳态输出总功率的1.2％。

图6为电压非阶跃故障下直驱风电系统输出无功功率的计算结果与仿真结果对比图，(a)为输入的电网电压波形，(b)为直驱风电系统输出无功功率的对比图，其中仿真结果与计算结果的最大无功功率差值为0.62kvar，占稳态输出总功率的0.04％。

2017年8月5日9:18，在祁韶直流中韶山站发生了换相失败故障，故障发生后在祁韶直流送端网络产生了电压波动，图7为实测波形记录。

将实测波形作为输入进行计算结果和仿真结果的对比，图8为换相失败故障下直驱风电系统输出无功功率的计算结果与仿真结果对比图(图8中的0时刻对应图7中的101s的时刻)，其中仿真结果与计算结果的最大无功功率差值为11.46kvar，占稳态输出总功率的0.65％。

Claims (6)

1.一种电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，其特征在于，所述的直驱风电系统的拓扑结构与控制框图分别满足以下条件：直驱风力发电机与整流器相连，整流器与电压源型逆变器相连，逆变器通过LC滤波电路与电网相连；整流器采用最大功率追踪控制方法，逆变器采用电网电压定向的矢量控制方法；

所述的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法包括以下步骤：

(1)分析直驱风电系统的拓扑结构和控制框图：通过直驱风电系统的拓扑结构分析得到直驱风电系统的等效电路图和相应参数，通过直驱风电系统的控制框图分析确定直驱风电系统的控制方法和相应控制参数；

(2)计算故障前稳态下风电系统电流电压：根据直驱风电系统的等效电路图和故障前风机功率计算故障前稳态的电网电流、电网电压、逆变器电流、逆变器电压；

(3)计算电网电压变化引起的暂态电流：根据直驱风电系统的等效电路图和故障下电网电压变化情况计算电网电压变化引起的暂态电网全电流、暂态逆变器全电流；

(4)计算逆变器电压变化引起的暂态电流：根据直驱风电系统的控制方法和控制参数计算逆变器电压变化引起的暂态电网无功电流；

(5)计算直驱风电系统的暂态无功功率：根据故障前稳态电网电流、电网电压变化引起的暂态电网全电流和逆变器电压变化引起的暂态电网无功电流，计算电网电压故障下直驱风电系统输出的暂态无功电流，结合故障电压，计算直驱风电系统的暂态无功功率。

2.根据权利要求1所述的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，其特征在于，所述的直驱风电系统的控制框图的分析方法如下：锁相环采集电网电压计算电网电压的相角，旋转坐标转换环节根据电网电压相角将采集的电网电流转换为d轴电流和q轴电流，电压环根据目标直流母线电压和采集的直流母线电压通过比例积分调节器计算目标d轴电流和q轴电流，d轴电流环根据目标d轴电流和d轴电流通过比例积分调节器计算d轴电压，q轴电流环根据目标q轴电流和q轴电流通过比例积分调节器计算q轴电压，空间矢量脉宽调制环节根据d轴电压和q轴电压计算三相桥的脉冲控制信号并发送给逆变器。

3.根据权利要求1所述的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：

采用以下方程计算故障前稳态电流电压：

其中：下标0表示电压电流为故障前稳态的分量，U_gd、U_gq、I_gd和I_gq分别为在dq轴上的电网电压分量与输出到电网的电流分量，U_vscd、U_vscq、I_vscd和I_vscq分别为在dq轴上的逆变器电压分量与逆变器输出的电流分量，U_gbase为故障前电网相电压幅值，I_0g为故障前输出到电网的相电流幅值，ω_g为电网电压的角频率，L_f为滤波电感，C_f为滤波电容，R_f为滤波电阻。

4.根据权利要求1所述的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体为：

所述的电网电压变化引起的暂态电流在复频域下表示为：

其中：下标1表示电网电压变化引起的暂态分量，i_gd和i_gq为在dq轴上输出到电网的电流分量，L_f为滤波电感，C_f为滤波电容，R_f为滤波电阻，u_1g为电网电压幅值的变化量，s为拉普拉斯算子，K_RC表示为：K_RC＝s+(s²+ω_g ²)C_fR_f，ω_g为电网电压的角频率；

将复频域的电流进行反拉普拉斯变换即可得到时域下电网电压变化引起的暂态电流。

5.根据权利要求1所述的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体为：

所述的逆变器电压变化引起的暂态电流在复频域下表示为：

其中：I_0gq为故障前稳态下输出到电网的q轴电流分量，i_1gq为电网电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量，i_2gq为逆变器电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量，为q轴电流指令值，k_gqp和k_gqi为q轴电流环的比例和积分系数，ω_g为电网电压的角频率，L_f为滤波电感，s为拉普拉斯算子；

将复频域下的暂态电流进行反拉普拉斯变换即可得到时域下逆变器电压变化引起的暂态电流。

6.根据权利要求1所述的电网电压故障下直驱风电系统暂态无功特性的计算方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体为：

采用以下计算方程对暂态无功功率进行求解：

Q_g(t)＝-1.5(U_0gd+u_1g(t))(I_0gq+i_1gq(t)+i_2gq(t))

其中：Q_g为直驱风电系统输出的暂态无功功率，U_0gd为故障前稳态下电网电压的d轴分量，u_1g为电网电压幅值的变化量，I_0gq为故障前稳态下输出到电网的q轴电流分量，i_1gq为电网电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量，i_2gq为逆变器电压变化引起的输出到电网的q轴暂态电流分量。