CN111106630A - 一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法，通过获取双馈风电场所连接的交流母线电压，同时判断所述交流母线电压的值和所述交流母线电压的变化率；若交流母线电压的值为预设的额定值，调相机不参与无功补偿，若否，调相机参与无功补偿输出第一无功补偿量；若交流母线电压的变化率超过预设的阈值，风机参与无功补偿输出第二无功补偿量，若否，风机不参与无功补偿；第一无功补偿量补偿到调相机所连接的交流母线，第二无功补偿量分配到双馈风机的转子侧变流器和电网侧变流器，二者的输出补偿到风机所连接的交流母线，增强双馈风机的高电压穿越能力。本发明能够弥补调相机暂态期间的慢速响应，减小故障期间的电压波动。

Description

一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法

技术领域

本发明属于电力系统技术，更具体地，涉及一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法。

背景技术

近年来，风电总装机容量逐年增加，但风电比例的增多会使得原本交流电网的稳定性受到较大的影响，系统总体稳定性及可控性也随之下降，风电场大规模脱网事故逐渐增多。因此根据风电并网导则，为保证风电机组在故障期间具有保持联网继续运行的能力，需要提高风电机组故障穿越能力。电压骤降故障下风电机组的低电压穿越技术已有较多分析和详细研究，而风电机组的高电压穿越技术近些年来才逐渐被相关学者所关注。

风电场动态无功调节能力不足是导致风电场大规模脱网的重要原因，因此双馈风机需具备一定的无功调节能力。很多文献通过控制风机自身系统来提高风机高电压穿越能力，然而当电网发生严重的电压骤升时，仅靠风机自身采用优化控制策略或算法并不能实现高电压穿越。此时，在风电场出口侧部署动态无功补偿设备是提高严重故障时期风电机组高电压穿越能力的有效措施。

目前比较常用的无功补偿设备主要有静止无功补偿器(SVC)，静止同步补偿器(STATCOM)和同步调相机。与SVC和STATCOM这类电力电子无功补偿装置相比，同步调相机因其可靠的大容量动态无功输出特性、提高系统短路容量以及抑制换相失败的能力，其在交直流系统中的应用受到了越来越多的关注。虽然同步调相机能够在一定程度上提升双馈风电场的高电压穿越能力，但其响应速度较慢，故障暂态期间系统电压存在较大波动。因此，为了实现不同故障严重程度下的高电压穿越，并减小故障期间的电压波动，建立一种改进的调相机参与提升送端双馈风机高电压穿越能力的协调控制方法是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法，旨在解决现有仅用调相机提升送端双馈风机高电压穿越能力时存在的故障暂态期间系统电压波动仍较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法，包括以下步骤：

(1)获取双馈风电场的交流母线电压，同时判断交流母线电压的值和所述交流母线电压的变化率；

若交流母线电压的值为预设的额定值，一般选取1pu，调相机不参与无功补偿，若否，调相机参与无功补偿输出第一无功补偿量；

若交流母线电压的变化率超过预设的阈值，风机参与无功补偿输出第二无功补偿量，若否，风机不参与无功补偿；

(2)第一无功补偿量补偿到调相机所连接的交流母线，第二无功补偿量分配到双馈风机的转子侧变流器和电网侧变流器，二者的输出补偿到风机所连接的交流母线，增强双馈风机的高电压穿越能力。

进一步地，调相机采取定端电压控制方式，根据交流母线电压的值确定第一无功补偿量。

进一步地，将双馈风电场的交流母线电压参考值与交流母线电压相减得到差值，将差值经PI环节得到拟输出无功参考值，根据无功补偿使能信号选择拟输出总无功参考值和0两者之一输出至第一限幅环节，经第一限幅环节后得到双馈风机的第二无功补偿量。

进一步地，无功补偿使能信号通过比较交流母线电压的变化率与预设的阈值δ的大小得到。双馈风电场的交流母线电压经延时环节Δt后的值与自身相减得到差值，取差值的绝对值为交流母线电压的变化率。若交流母线电压的变化率大于或等于δ，无功补偿使能信号为1；若交流母线电压的变化率小于δ，无功补偿使能信号为0。

进一步地，根据无功补偿使能信号选择拟输出总无功参考值和0两者之一输出至第一限幅环节的选择逻辑为：若无功补偿使能信号为1，输出拟输出总无功参考值；若无功补偿使能信号为0，输出0。

优选地，第一限幅环节的上、下极限分别为双馈风机无功补偿的上、下极限。

进一步地，根据第二无功补偿量、双馈风机转子侧变流器和电网侧变流器的无功输出极限得到双馈风机转子侧变流器和电网侧变流器的无功参考值。第二无功补偿量经第二限幅环节后得到双馈风机转子侧变流器的无功参考值，并传输至转子侧变流器；将第二无功补偿量与转子侧变流器的无功参考值相减得到电网侧变流器的拟无功参考值，根据无功分配使能信号选择电网侧变流器的拟无功参考值和0两者之一输出至第三限幅环节，经第三限幅环节后得到双馈风机电网侧变流器的无功参考值，并传输至电网侧变流器。

进一步地，无功分配使能信号通过比较双馈风机第二无功补偿量的绝对值和双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值得到。若双馈风机第二无功补偿量的绝对值大于或等于双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值，无功分配使能信号为1；若双馈风机第二无功补偿量的绝对值小于双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值，无功分配使能信号为0。

进一步地，根据无功分配使能信号选择电网侧变流器的拟无功参考值和0两者之一输出至第三限幅环节的选择逻辑为：若无功分配使能信号为1，两输入选择器输出电网侧变流器的拟无功参考值；若无功分配使能信号为0，两输入选择器输出0。

优选地，第二限幅环节的上、下极限分别为双馈风机转子侧变流器无功输出的上、下极限，第三限幅环节的上、下极限分别为双馈风机电网侧变流器无功输出的上、下极限。

优选地，双馈风机所连的交流母线上部署有同步调相机，同步调相机采用静止自并励励磁系统。

转子侧变流器的无功参考值用以实现双馈风机的转子侧变流器控制定子进行无功调节。电网侧变流器的无功参考值用以实现双馈风机的电网侧变流器参与无功调节。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于该方法在同步调相机参与双馈风电场高电压穿越的基础上，同时控制风机自身参与无功调节，同步调相机始终采取定端电压的控制方式。在风电场发生端电压骤升时，调相机在判断机端电压不为1pu时进行无功补偿，该方案同时根据电压变化率是否大于阈值判断故障情况并生成无功补偿使能信号和无功参考值，控制双馈风电场在严重故障暂态期间同时参与无功调节，能够弥补调相机暂态期间的慢速响应，减小故障期间的电压波动。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中的直流系统送端的结构示意图；

图3是本发明实施例中双馈风机转子侧变流器的控制框图；

图4是本发明实施例中双馈风机电网侧变流器的控制框图；

图5是本发明实施例中双馈风电场与调相机的协调控制框图；

图6(a)是本发明实施例直流闭锁前后的风电场端电压的示意图；

图6(b)是本发明实施例直流闭锁前后的风机状态检测信号示意图；

图6(c)是本发明实施例直流闭锁前后的风电场和调相机无功示意图；

图6(d)是本发明实施例直流闭锁前后的仅采用调相机和采用协调控制时的风电场端电压示意图；

图7(a)是本发明实施例直流送端无功小幅骤升前后的风电场端电压的示意图；

图7(b)是本发明实施例直流送端无功小幅骤升前后的风机状态检测信号的示意图；

图7(c)是本发明实施例直流送端无功小幅骤升前后的风电场和调相机无功示意图；

图7(d)是本发明实施例直流送端无功小幅骤升前后的仅采用调相机和采用协调控制时的风电场端电压示意图；

图8(a)是本发明实施例直流受端连续换相失败前后的风电场端电压示意图；

图8(b)是本发明实施例直流受端连续换相失败前后的风机状态检测信号示意图；

图8(c)是本发明实施例直流受端连续换相失败前后的风电场和调相机无功示意图；

图8(d)是本发明实施例直流受端连续换相失败前后的仅采用调相机和采用协调控制时的风电场端电压示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)获取双馈风电场的交流母线电压，同时判断交流母线电压的值和所述交流母线电压的变化率；

若交流母线电压的值为预设的额定值，一般选取1pu，调相机不参与无功补偿，若否，调相机参与无功补偿输出第一无功补偿量；

若交流母线电压的变化率超过预设的阈值，风机参与无功补偿输出第二无功补偿量，若否，风机不参与无功补偿；

(2)第一无功补偿量补偿到调相机所连接的交流母线，第二无功补偿量分配到双馈风机的转子侧变流器和电网侧变流器，二者的输出补偿到风机所连接的交流母线，增强双馈风机的高电压穿越能力。

具体地，双馈风机的第二无功补偿量的获取包括：

将双馈风电场的交流母线电压参考值与交流母线电压相减得到差值，将差值经PI环节得到拟输出无功参考值，根据无功补偿使能信号选择拟输出总无功参考值和0两者之一输出至第一限幅环节，经第一限幅环节后得到双馈风机的第二无功补偿量。

具体地，无功补偿使能信号通过比较交流母线电压变化量与预设的阈值δ的大小关系得到。双馈风电场的交流母线电压经延时环节Δt后的值与自身相减得到差值，取差值的绝对值为Δt时间段内的交流母线电压变化率。若交流母线电压变化率大于或等于δ，无功补偿使能信号为1；若交流母线电压变化率小于δ，无功补偿使能信号为0。在本实施例中，Δt取值为10ms，δ为0.015。

具体地，根据无功补偿使能信号选择拟输出总无功参考值和0两者之一输出至第一限幅环节的选择逻辑为：若无功补偿使能信号为1，输出拟输出总无功参考值；若无功补偿使能信号为0，输出0。

具体地，第一限幅环节的上、下极限分别为双馈风机无功补偿的上、下极限。

具体地，第二无功补偿量的分配包括：

第二无功补偿量经第二限幅环节后得到双馈风机转子侧变流器的无功参考值，并传输至转子侧变流器；将第二无功补偿量与转子侧变流器的无功参考值相减得到电网侧变流器的拟无功参考值，根据无功分配使能信号选择电网侧变流器的拟无功参考值和0两者之一输出至第三限幅环节，经第三限幅环节后得到双馈风机电网侧变流器的无功参考值，并传输至电网侧变流器。

具体地，无功分配使能信号通过比较双馈风机第二无功补偿量的绝对值和双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值得到。若双馈风机第二无功补偿量的绝对值大于或等于双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值，无功分配使能信号为1；若双馈风机第二无功补偿量的绝对值小于双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值，无功分配使能信号为0。

具体地，根据无功分配使能信号选择电网侧变流器的拟无功参考值和0两者之一输出至第三限幅环节的选择逻辑为：若无功分配使能信号为1，两输入选择器输出电网侧变流器的拟无功参考值；若无功分配使能信号为0，两输入选择器输出0。

具体地，第二限幅环节的上、下极限分别为双馈风机转子侧变流器无功输出的上、下极限，第三限幅环节的上、下极限分别为双馈风机电网侧变流器无功输出的上、下极限。

具体地，双馈风机所连的交流母线上部署有同步调相机，同步调相机采用静止自并励励磁系统。

转子侧变流器的无功参考值用以实现双馈风机的转子侧变流器控制定子进行无功调节。电网侧变流器的无功参考值用以实现双馈风机的电网侧变流器参与无功调节。

本发明实施例采用协调控制，当双馈风电场端电压上升时，在调相机进行无功调节的同时，协调控制方法通过检测机端电压变化率来判断双馈风电场是否投入参与无功调节，在一般故障和严重故障情况下均可以有效降低双馈风电场端电压骤升。

如图2所示为本发明针对的高压直流输电系统送端结构，即直流送端交流母线接有交流系统、双馈风电场、同步调相机和交流滤波器。这实际上是风电经直流大规模外送的一种形式。

如图3和图4所示分别为双馈风机转子侧变流器和电网侧变流器的功率控制环节。

如图5所示为本发明中所针对的改进的调相机参与提升送端双馈风机高电压穿越能力的协调控制框图。图中双馈风机的额外控制主要分为三个部分，分别为状态检测、无功参考和无功分配。U_t为交流母线处的电压有效值，U_tref为交流母线电压参考值，δ为设定的母线电压前后变化阈值，switch为状态检测模块的输出信号。Q_ref为生成的双馈风机无功参考值，Q_sref和Q_gref分别为双馈风机转子侧变流器和电网侧变流器的无功参考值。Q_{in_max}、Q_{s_in_max}和Q_{gsc_in_max}分别为双馈风机、定子侧和电网侧变流器的无功吸收极限，Q_{out_max}、Q_{s_out_max}和Q_{gsc_out_max}分别为双馈风机、定子侧和电网侧变流器的无功输出极限。

本发明实施例的一个应用场景可以是：

直流系统采用CIGRE单极直流标准测试模型，直流线路电压等级为±500kV，额定传输功率为1000MW。系统稳定运行时，直流系统整流侧滤波器提供无功大约为670Mvar，但故障时期滤波器提供的无功会随端电压变化而变化。双馈风电场采用等效风电场模型，总容量为500MW。同步调相机采用静止自并励励磁方式，其控制目标为保持机端电压的相对稳定。直流送端投入4台调相机，单台额定容量为300Mvar，额定电压为20kV。

为验证协调控制方法在该系统直流闭锁下双馈风电场的高电压穿越效果，分别设置直流闭锁、整流侧骤增200Mvar无功、逆变侧经0.5H电感单相接地三种故障。

设置t＝5s时直流线路发生闭锁故障，直流送端电压迅速上升至1.35pu，远高于允许运行的范围。直流线路闭锁后，直流线路电流和送端向交流母线传输的有功功率均降为零，原有交流滤波器所提供的无功功率在送端交流母线处出现了大量盈余。无功在交流母线处的积累，也使得交流母线电压被抬高。

采用调相机与风机的协调控制方法，在直流闭锁故障发生时，协调控制环节能够检测到风电场端电压发生突变并产生如图6(b)所示的启动信号，控制风机紧急提供部分无功支撑，能进一步降低端电压超调并且稳态电压值大约为1.05pu，如图6(a)所示。图6(c)为故障时风电场及调相机的输出无功。图6(d)为采用不同方法时的风电场端电压。仿真结果表明，采用协调控制策略后，直流闭锁发生时调相机检测到端电压升高而开始吸收无功，同时故障暂态期间风机转子侧变流器的改进无功控制环节启动使得双馈风机也参与无功吸收，从而大幅降低端电压上升程度。故障后稳态时，风机不再参与无功调节。

设置t＝5s时整流侧骤增200Mvar无功，导致整流侧电压升高，风电场的端电压将在短时间内小幅升高。

采用调相机与风机的协调控制方法，如图7(b)所示在发生送端无功骤增时，风电场端电压上升较小，并不足以使得风机改进无功控制环节产生启动信号。因而此时仅有调相机吸收部分无功，端电压维持在1.02pu附近，如图7(a)所示。图7(c)为故障时风电场及调相机的输出无功。图7(d)表示了风机改进无功控制环节在无功骤增幅度不大时风机附加控制环节并未投入运行，因而波形并无区别。

设置t＝5s时距逆变侧交流母线电气距离0.5H处发生单相短路接地故障，系统发生连续换相失败，导致直流线路出现较长时间的功率周期性受阻和恢复，因而直流送端将会出现多次周期性低电压和过电压，送端的风电机组反复进入低电压穿越和高电压穿越阶段，且故障持续时间较长。

采用调相机与风机的协调控制方法，在直流受端连续换相失败故障发生时，协调控制策略能够检测到风电场端电压发生突变并产生如图8(b)所示的启动信号，控制风机紧急提供部分无功支撑，能够削减端电压峰值至大约1.02pu，如图8(a)所示。图8(c)为故障时风电场及调相机的输出无功，图8(d)为采用不同方法时的风电场端电压。可以看到由于调相机无功响应时间较长，调相机的无功输出并不能很好地跟随端电压的快速变化，此时风机参与无功调节有利于抑制电压骤升。仿真结果表明，系统发生连续换相失败时本文所提出的协调控制策略能够较好地弥补调相机的无功响应速度较慢的问题。

本发明实施例采用协调控制，若系统发生严重故障，在部署同步调相机的同时通过在故障暂态期间控制双馈风电场参与无功调节，可以优化电网电压骤升期间的无功补偿，并在故障后稳态期间控制双馈风电场退出无功调节，使得故障恢复后双馈风电场能更快进入正常运行。双馈风机的无功根据其电网侧变流器和转子侧变流器的无功出力极限进行分配，优先采用转子侧变流器控制定子进行无功调节；当定子无功输出达到调节极限时，电网侧变流器再参与进行无功调节；若两者均达到无功出力极限，则均按最大出力极限发无功。本发明在直流闭锁、小无功扰动和连续换相失败故障下均可以有效提升双馈风电场的高电压穿越能力。

本发明从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，己符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本发明以上的说明及附图，仅为本发明的较佳实施例而己，并非以此局限本发明，因此，凡一切与本发明构造，装置，待征等近似、雷同的，即凡依本发明专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本发明的专利申请保护的范围之内。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种调相机参与提升双馈风机高电压穿越能力的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取双馈风电场的交流母线电压，同时判断所述交流母线电压的值和所述交流母线电压的变化率；

若交流母线电压的值为预设的额定值，调相机不参与无功补偿，若否，调相机参与无功补偿输出第一无功补偿量；

若交流母线电压的变化率超过预设的阈值，风机参与无功补偿输出第二无功补偿量，若否，风机不参与无功补偿；

(2)所述第一无功补偿量补偿到调相机所连接的交流母线，所述第二无功补偿量分配到双馈风机的转子侧变流器和电网侧变流器，二者的输出补偿到风机所连接的交流母线，增强双馈风机的高电压穿越能力。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述调相机采取定端电压控制方式，根据所述交流母线电压的值确定第一无功补偿量。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，将双馈风电场的交流母线电压参考值与交流母线电压相减得到差值，将差值经PI环节得到拟输出无功参考值，根据无功补偿使能信号选择拟输出总无功参考值和0两者之一输出至第一限幅环节，经第一限幅环节后得到双馈风机的第二无功补偿量。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，双馈风电场的交流母线电压经延时环节Δt后的值与自身相减得到差值，取差值的绝对值为交流母线电压的变化率；无功补偿使能信号通过比较交流母线电压的变化率与预设的阈值δ的大小得到。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，若交流母线电压的变化率大于或等于δ，无功补偿使能信号为1；若交流母线电压的变化率小于δ，无功补偿使能信号为0。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述根据无功补偿使能信号选择拟输出总无功参考值和0两者之一输出至第一限幅环节的选择逻辑为：若无功补偿使能信号为1，输出拟输出总无功参考值；若无功补偿使能信号为0，输出0。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，第二无功补偿量经第二限幅环节后得到双馈风机转子侧变流器的无功参考值，并传输至转子侧变流器；将第二无功补偿量与转子侧变流器的无功参考值相减得到电网侧变流器的拟无功参考值，根据无功分配使能信号选择电网侧变流器的拟无功参考值和0两者之一输出至第三限幅环节，经第三限幅环节后得到双馈风机电网侧变流器的无功参考值，并传输至电网侧变流器。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，若双馈风机第二无功补偿量的绝对值大于或等于双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值，无功分配使能信号为1；若双馈风机第二无功补偿量的绝对值小于双馈风机转子侧变流器无功参考值的绝对值，无功分配使能信号为0。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据无功分配使能信号选择电网侧变流器的拟无功参考值和0两者之一输出至第三限幅环节的选择逻辑为：若无功分配使能信号为1，两输入选择器输出电网侧变流器的拟无功参考值；若无功分配使能信号为0，两输入选择器输出0。

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