CN110768297A - 一种具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法及装置，属于风力发电技术领域。首先根据检测到的电压幅值判断是否大于第一高电压穿越阈值，当大于时通过调整无功电流输出降低目标电网的电压幅值，同时对目标电网进行扰动，然后根据扰动后的结果采取相应的操作，在降低目标电网的电压幅值的同时改善电网的高电压情况；另一方面对电网无功功率平衡造成冲击，由于该冲击会使孤岛电网频率发生变化，直接超出风电机组正常运行范围，从而能够准确检测出孤岛工况，进行及时切出，以保护用户负载安全；在高电压穿越工况下执行预定高电压穿越策略，保证电网的正常供电，避免因误判而导致的风机大面积脱网或者用户负荷过电压损坏的情况。

Description

一种具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法及装置
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法及装置。
背景技术
高电压穿越工况是指电网处于高电压状态的工况。目前风机的高电压穿越标准一般为：电网电压低于1.1p.u.时可长期运行，介于1.1～1.15p.u.时可持续运行10s，介于1.15～1.2p.u.时可持续运行2s，介于1.2～1.25p.u.时可持续运行1s，介于1.25～1.3p.u.时可持续运行200ms。
孤岛工况是指电网因电气故障或者自然因素等中断供电时，风机仍然向周围负载供电的工况。进入孤岛状态后的风机提供的有功功率和无功功率与负载需求不匹配，会使电网电压和电网频率失控，对负载设备造成损坏，此时需要对风机进行切出操作。该工况下有功功率和无功功率与负载需求匹配的情况持续时间越长，对用户负载的设备造成的损坏越大。
现有技术中，高电压穿越工况和孤岛工况需要根据电网频率和电网电压的变化，以及预设的故障阈值进行区分判定。但是，由于孤岛工况下的电网频率和电网电压变化不具有规律性，仅靠电网本身出现高电压扰动难以区分高电压穿越工况和孤岛工况，容易造成对孤岛工况的误判。考虑到孤岛工况要求风机尽快切机，以保护用户负载安全，而高电压穿越工况要求风机吸收部分有功继续运行，因此对孤岛工况的误判容易导致风机大面积脱网或者用户负荷过电压损坏的情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法及装置，能够提高孤岛检测精度，避免因误判而导致的风机大面积脱网或者用户负荷过电压损坏的情况。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法，包括以下步骤：
步骤1)检测测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值；
步骤2)判断测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值是否大于第一高电压穿越阈值；若是，则调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出，接步骤3)；若否，则转步骤1)；
步骤3)调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出后：
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的频率均超出预设的安全频率，则对测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组进行切出操作；
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的频率未全部超出预设的安全频率，则控制测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组执行预定高电压穿越策略；
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值全部低于第一高电压穿越阈值，则停止调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出。
优选地，测点风力发电机组为一条集电线路上的任意一台风力发电机组。
优选地，步骤2)中，调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出包括：
若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第一高电压穿越阈值，且小于第二高电压穿越阈值，则将测点风力发电机组输出电流的第一百分比转化为无功电流；
若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第二高电压穿越阈值，且小于第三高电压穿越阈值，则将测点风力发电机组输出电流的第二百分比转化为无功电流，第二百分比大于第一百分比；
若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第三高电压穿越阈值，则将测点风力发电机组输出电流的第三百分比转化为无功电流，第三百分比大于第二百分比。
进一步优选地，第一高电压穿越阈值为电网电压额定值的1.1倍，第二高电压穿越阈值为电网电压额定值的1.2倍，第三高电压穿越阈值为电网电压额定值的1.3倍。
进一步优选地，第一百分比为10％，第二百分比为50％，第三百分比为70％。
本发明公开了一种实现上述具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法的装置，包括检测模块、判断模块、调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块，检测模块与判断模块连接，判断模块分别与调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块连接；
检测模块，用于检测测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值；
判断模块，用于判断检测到的测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值是否大于第一高电压穿越阈值；
调整模块，用于调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出；
孤岛切出模块，用于对测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组进行切出操作；
高电压穿越控制模块，用于控制测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组执行预定高电压穿越策略。
优选地，检测模块设在测点风力发电机组的变流器电网侧，判断模块设在测点风力发电机组的主控制器中，调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块设在测点风力发电机组的变流器中。
优选地，检测模块为电压互感器。
优选地，调整模块包括制动单元和制动电阻，制动单元包括若干个开关器件，制动单元与制动电阻连接，制动单元和制动电阻设在测点风力发电机组的机侧变流器和网侧变流器之间。
优选地，判断模块包括PWM控制器，PWM控制器与制动单元连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法，首先根据检测到的测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值判断是否大于第一高电压穿越阈值，当大于时通过调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出，来降低目标电网的电压幅值，同时对目标电网进行扰动，然后根据扰动后的结果采取相应的操作，一方面能够降低目标电网的电压幅值，改善电网的高电压情况；另一方面能对电网无功功率平衡造成冲击，由于该冲击会使孤岛电网频率发生变化，直接超出风电机组正常运行范围，从而能够准确检测出孤岛工况，进行及时切出，以保护用户负载安全；在高电压穿越工况下执行预定高电压穿越策略，保证电网的正常供电，避免因误判而导致的风机大面积脱网或者用户负荷过电压损坏的情况。
进一步地，测点风力发电机组为一条集电线路上的选取的任意一台风力发电机组，因为多台风力发电机组的多台变流器同时发出扰动会影响孤岛工况的检测效果，仅通过一个测点风力发电机组变流器发出主动扰动来判断孤岛工况，若判断为孤岛工况，则控制电网中的多条集电线路上的若干台风力发电机组整体保护性跳闸，不仅无需增加其他电气部件，而且具有实时性较好和安全可靠的优点。
进一步地，根据测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值将不同百分比的输出电流转化为无功电流，该分段式的无功电流输出规则，能够从电网实际情况出发改善电网情况，同时能够将电网扰动控制在一定范围内，保证风力发电机组的安全运行
更进一步地，由于目前没有相应的标准，第一、第二、第三高电压穿越阈值的选择，是按照电气元件的耐电压等级进行选取，在这三个阈值范围内，电气元件稳定运行的时间依次减少。
更进一步地，机组输出无功电流百分比数值的制定依据，有两个原则，一是在孤岛工况下，该扰动电流可以对的风机端电压形成快速影响，二是在联网工况下，该扰动电流对风机端电压的影响有一定的延迟，影响效果较小。该数值根据风电场现场实测结合其他相关数据进行计算得出。
本发明还公开了实现上述具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法的装置，通过各模块之间的协联工作，能够提高孤岛检测精度，避免因误判而导致的风机大面积脱网或者用户负荷过电压损坏的情况。
进一步地，采用电压互感器作为检测模块，能够实施监测并反馈风机端电压的波动情况。
更进一步地，采用PWM控制器产生的PWM信号来控制制动单元，能够大幅度降低系统的成本和功耗。
附图说明
图1为本发明的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法的流程图；
图2为本发明的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出装置的模块连接原理图；
图3为本发明的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出装置在风力发电机组并网结构中的具体结构示意图。
图中：101为风力发电机组，102为变流器，1021为机侧逆变器，1022为网侧逆变器，1023为滤波器，1024为制动单元，1025为制动电阻，103为低压/中压变压器，104为中压/高压变压器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图3所示，风力发电机组101和电网之间设置有变流器102、低压/中压变压器103和中压/高压变压器104。低压/中压变压器103的变压工作区间为0.69kV/35kV，中压/高压变压器104的变压工作区间为035kV/220kV。变流器102从机侧到网侧依次包括机侧逆变器1021、网侧逆变器1022和滤波器1023。其中，机侧逆变器1021用于对风力发电机组101发电产生的三相交流电进行整流，网侧逆变器1022用于将整流后的直流电重新转换为三相交流电并入电网。滤波器1023用于产生无功功率。
此外，在机侧逆变器1021和网侧逆变器1022之间的线路上还设置有制动单元1024和制动电阻1025。其中，制动单元1024包括多个开关器件，制动单元1024通过PWM信号驱动开关器件的通断，来控制制动电阻1025消耗的有功功率。图中还示出了位于滤波器1023网侧的电压互感器，用于采集三相电压信号(Ua，Ub，Uc)，根据该三相电压信号(Ua，Ub，Uc)可以计算得出电网的电压幅值。
图2为具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出装置，包括检测模块、判断模块、调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块，检测模块与判断模块连接，判断模块分别与调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块连接；检测模块，用于检测测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值；判断模块，用于判断检测到的测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值是否大于第一高电压穿越阈值；调整模块，用于调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出；孤岛切出模块，用于对测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组进行切出操作；高电压穿越控制模块，用于控制测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组执行预定高电压穿越策略。
检测模块设在测点风力发电机组的变流器电网侧，判断模块设在测点风力发电机组的主控制器中，调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块设在测点风力发电机组的变流器中。
图1为本发明的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法的流程图，首先判断检测到的测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值是否大于第一高电压穿越阈值，若否，则继续对测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值进行检测，若是，则调整样板机变流器的无功电流输出，以在降低目标电网的电压幅值的同时对目标电网进行扰动。
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的频率均超出预设的安全频率，则对测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组进行切出操作；
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的频率未全部超出预设的安全频率，则控制测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组执行预定高电压穿越策略；
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值全部低于第一高电压穿越阈值，则停止调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出。
其中，调整样板机变流器的无功电流输出可以理解为样板机向电网发出感性无功功率，可以降低目标电网的电压幅值，改善电网的高电压情况；也等效为对目标电网进行扰动，即对电网形成一定的扰动力度。
考虑到孤岛工况下的电网频率和电网电压变化不具有规律性，仅靠电网本身出现高电压扰动很难区分高电压穿越工况和孤岛工况，因此主动向电网引入扰动来提高孤岛工况的检测效率。
此外，由于孤岛系统中包括多台变流器，多台变流器同时发出扰动会影响孤岛工况的检测效果，因此，本发明实施例提出仅在一条集电线路上选取任意一台风力发电机组作为样板机，来监视发现高电压工况并通过该样板机变流器来发出扰动。
参考高电压穿越标准要求，可以将1.1p.u.作为第一高电压穿越阈值，即电网电压额定值的110％，若目标电网的三个相位的电压幅值全部大于1.1p.u.，则可以触发系统对当前工况进行判定。具体地，可以获取样板机变流器网侧的三相电压信号(Ua，Ub，Uc)，并将根据三相电压信号(Ua，Ub，Uc)计算出的电压幅值作为检测到的目标电网的电压幅值。需要说明的是，可以对三相电压信号(Ua，Ub，Uc)计算得到三个相位的电网电压幅值和电网频率。
安全频率范围指的是风机正常运行时的频率范围，可以为49.5Hz～50.5Hz。孤岛工况下，如果集电线路上的所有风力发电机组监测到的电网频率均超出49.5Hz～50.5Hz，此时应当将风力发电机组迅速从孤岛状态中切出，避免造成风机大面积脱网以及用户负荷过电压损坏的情况。该操作能够在目标电网的电压幅值大于第一高电压穿越阈值时，对测点机变流器的无功电流输出进行调整。一方面能够降低目标电网的电压幅值，改善电网的高电压情况；另一方面能够对电网产生了一定的扰动力度，从而对电网无功功率平衡造成冲击。由于该冲击会使孤岛电网频率发生变化，直接超出风机正常运行范围，从而能够准确检测出孤岛工况。
另外，由于本发明实施例仅孤岛系统中的单条集电线路上的一台样板机发出测试扰动，从而能够避免多台逆变器同时扰动形成互相干扰，影响测试结果的情况发生。
调整样板机变流器的无功电流输出的操作中：
若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第一高电压穿越阈值，且小于第二高电压穿越阈值，则将样板机输出电流的第一百分比转化为无功电流。若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第二高电压穿越阈值，且小于第三高电压穿越阈值，则将样板机输出电流的第二百分比转化为无功电流。若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值的电压幅值大于第三高电压穿越阈值，则将样板机输出电流的第三百分比转化为无功电流。
参考高电压穿越标准要求，可以将1.2p.u.作为第二高电压穿越阈值，即电网电压额定值的120％，将1.3p.u.作为第三高电压穿越阈值，即电网电压额定值的130％。第一百分比为10％，第二百分比为50％，第三百分比为70％。
如：若电网电压幅值大于1.1p.u.且小于1.2p.u.时，则将风电机组输出电流的10％转化为无功电流发出。
若电网电压幅值大于1.2p.u.且小于1.3p.u.时，则将风电机组输出电流的50％转化为无功电流发出。
若电网电压幅值大于1.3p.u.时，则将风电机组输出电流的70％转化为无功电流发出。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)检测测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值；
步骤2)判断测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值是否大于第一高电压穿越阈值；若是，则调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出，接步骤3)；若否，则转步骤1)；
步骤3)调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出后：
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的频率均超出预设的安全频率，则对测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组进行切出操作；
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的频率未全部超出预设的安全频率，则控制测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组执行预定高电压穿越策略；
若测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值全部低于第一高电压穿越阈值，则停止调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出。
2.根据权利要求1所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法，其特征在于，测点风力发电机组为一条集电线路上的任意一台风力发电机组。
3.根据权利要求1所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法，其特征在于，步骤2)中，调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出包括：
若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第一高电压穿越阈值，且小于第二高电压穿越阈值，则将测点风力发电机组输出电流的第一百分比转化为无功电流；
若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第二高电压穿越阈值，且小于第三高电压穿越阈值，则将测点风力发电机组输出电流的第二百分比转化为无功电流，第二百分比大于第一百分比；
若测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值大于第三高电压穿越阈值，则将测点风力发电机组输出电流的第三百分比转化为无功电流，第三百分比大于第二百分比。
4.根据权利要求3所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法，其特征在于，第一高电压穿越阈值为电网电压额定值的1.1倍，第二高电压穿越阈值为电网电压额定值的1.2倍，第三高电压穿越阈值为电网电压额定值的1.3倍。
5.根据权利要求3所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法，其特征在于，第一百分比为10％，第二百分比为50％，第三百分比为70％。
6.一种实现权利要求1～5任意一项所述具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出方法的装置，其特征在于，包括检测模块、判断模块、调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块，检测模块与判断模块连接，判断模块分别与调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块连接；
检测模块，用于检测测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值；
判断模块，用于判断检测到的测点风力发电机组的变流器电网侧的电压幅值是否大于第一高电压穿越阈值；
调整模块，用于调整测点风力发电机组变流器的无功电流输出；
孤岛切出模块，用于对测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组进行切出操作；
高电压穿越控制模块，用于控制测点风力发电机组所属集电线路上的所有风力发电机组执行预定高电压穿越策略。
7.根据权利要求6所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出装置，其特征在于，检测模块设在测点风力发电机组的变流器电网侧，判断模块设在测点风力发电机组的主控制器中，调整模块、孤岛切出模块和高电压穿越控制模块设在测点风力发电机组的变流器中。
8.根据权利要求6所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出装置，其特征在于，检测模块为电压互感器。
9.根据权利要求6所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出装置，其特征在于，调整模块包括制动单元(1024)和制动电阻(1025)，制动单元(1024)包括若干个开关器件，制动单元(1024)与制动电阻(1025)连接，制动单元(1024)和制动电阻(1025)设在测点风力发电机组的机侧变流器(1021)和网侧变流器(1022)之间。
10.根据权利要求9所述的具备高电压穿越功能的风电机组孤岛切出装置，其特征在于，判断模块包括PWM控制器，PWM控制器与制动单元(1024)连接。
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