CN111509765A - 一种单极闭锁故障场景下真双极柔直孤岛系统故障穿越控制策略 - Google Patents

一种单极闭锁故障场景下真双极柔直孤岛系统故障穿越控制策略 Download PDF

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康忠健
赵兵
张梓霖
王姗姗
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State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种单极闭锁故障场景下真双极柔直孤岛系统故障穿越控制策略，当真双极柔直系统送端换流站发生单极闭锁故障后，风电机组中的测量模块检测送端交流侧PCC点电压的幅值和相角，并触发故障穿越控制信号。通过闭锁风电机组转子侧控制中外环控制器，直接给定内环电流指令，并在故障穿越控制启动过程中检测风电机组转子转速的变化，启动桨距角控制以防止转子转速过高。本方法能在送端单极闭锁故障期间实现风电场功率速降，有效抑制真双极柔直孤岛系统故障极桥臂电流的上升程度。

Description

一种单极闭锁故障场景下真双极柔直孤岛系统故障穿越控制 策略
技术领域
本发明属于电力系统领域，更具体地说，是提供了一种单极闭锁故障下真双极柔直孤岛系统故障穿越的控制策略。
背景技术
柔性直流输电可实现新能源发电孤岛并网，不需要同步电源的支撑，不存在换相失败，相对于传统输电模式，在实现大规模新能源多点汇集和送出方面具有明显优势，也是海上风电并网应用最广泛的拓扑。但同时也存在一定的问题，由于送端换流站采用孤岛控制模式，对新能源功率存在不可控性，当送端换流站出现单极闭锁后，新能源输出电流将完全馈入非故障极，正常极故障电流、电压的发展速度是毫秒到十毫秒级的，但新能源发电安控装置保护的速度是百毫秒级的，二者的速度无法匹配，导致了故障的不可控。现场录波显示，故障发生3-7毫秒后桥臂已过流。
目前所采用的故障穿越技术大多分为三种：1)升频法；2)降压法；3)耗能电阻投入。升频法是通过提升风机机端电压，利用风机对频率的自然响应或附加虚拟惯量控制降低有功功率，但由于风机通过锁相环感知频率的变化，存在速度较慢的问题。降压法能通过降低风机机端电压的方法降低有功功率，但在降压的瞬间会是输出电流的增大，加剧了桥臂电流的过流速度。以上两种方法均会导致风机转子转速的增大以及风机直流母线电压增大，因此在故障穿越的同时，需要采取辅助控制抑制风机转子转速以及直流母线电压过大。耗能电阻在现场占地较大，且不符合经济性。综上所述，目前现有的故障穿越方法，并不适用于解决本场景下桥臂电流快速过流的问题，需要对故障穿越的快速性，安全性提出新要求。
本发明的目的是提出一种控制策略，在换流站发生单极闭锁故障后，通过分析故障行为特征并利用故障特性给风电机组故障穿越控制启动信号，实现快速减载，以缓解送端换流站健全极过电流的程度，最终实现新能源机组的故障穿越。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，通过检测故障特性，给风电机组故障穿越控制启动信号，实现快速减载，抑制送端换流站的桥臂过电流。
其包括以下步骤：
(1)正常情况下，真双极柔直系统送端换流站采用含电流内环的孤岛控制，控制目标为维持风电场公共耦合点PCC点电压的稳定。风电机组采用双馈风电机组，在风电机组中设置PCC点电压幅值和相角测量模块。
(2)当送端换流站发生单极闭锁故障后，送端换流站的孤岛控制失效，造成PCC点电压的幅值和相角大幅度波动。风电机组中的测量模块测量到此现象后，发出启动故障穿越控制的信号进入步骤(3)。若未发生故障，则不启动故障穿越信号，返回步骤(1)。
(3)立即闭锁风电机组的转子侧控制中外环控制器，直接给定内环电流指令。首先计算风电机组需要降低的有功功率ΔP和计算第i风机降低功率为ΔPi。而后计算每台风机需要降低内环电流ΔIrd；因此每台风机新的内环电流指令为：
Figure BDA0002359136310000021
其中I′rdref为风电机组正常运行时的转子侧内环电流给定值；
Figure BDA0002359136310000022
为故障穿越控制时转子侧内环电流给定值。
(4)在故障穿越控制启动过程中检测风电机组转子转速的变化情况，若转子转速上升至ωref，则启动桨距角控制，防止转子转速超过1.2p.u。
(5)当故障消除后，风电机组重新闭合转子侧控制中的外环控制器，恢复原来的控制，返回步骤(1)。
优选的，所述步骤(3)中风电机组需要降低的有功功率为：
Figure BDA0002359136310000023
其中Iarmmax位桥臂电流保护值，Iarmp为上桥臂电流，Udc为直流电压，Uac为PCC点交流电压。若有n台风机，计算第i风机降低功率为
Figure BDA0002359136310000024
优选的，所述步骤(3)中每台风机需要降低内环电流为：
Figure BDA0002359136310000025
每台风机新的内环电流指令为：
Figure BDA0002359136310000026
其中I′rdref为风电机组正常运行时的转子侧内环电流给定值；
Figure BDA0002359136310000027
为故障穿越控制时转子侧内环电流给定值。
本发明的有益效果是：
1、目前针对这一问题的解决方案是投放耗能电阻，本发明能减少发生故障时耗能电阻的安装和投放，降低了经济损耗。
2、本发明避免了传统故障穿越控制的缺点，如升频法对风电机组的机械压力；降压法对风电机组控制的扰动等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是真双极柔直孤岛系统送端换流站孤岛控制。
图2是一种单极闭锁故障场景下真双极柔直孤岛系统故障穿越的协调策略流程图。
图3是真双极柔直孤岛系统结构示意图。
图4是真双极柔直孤岛系统送端换流站单极闭锁故障示意图。
具体实施方式
下面结合附图3所示的含双馈风电机组的四端柔直电网系统为例，对本发明进行详细说明。当单极闭锁故障发生后，换流站健全极输入电流将会突然增大，故障极换流站控制不再起作用，此时仅依靠健全极换流站的孤岛控制维持PCC点电压的幅值与频率，然而当故障极电流涌入健全极换流站时，会影响孤岛控制的有效性，造成PCC电压失稳，本发明即利用这一故障特征判断已发生单极闭锁故障，启动故障穿越控制。
孤岛控制无电流内环和有电流内环环两种，都以交流侧电压为控制目标。为了保证换流站在故障等暂态过程不过流、过压，孤岛控制采用有电流内环的孤岛控制策略，又称间接电压控制。如图1所示为送端换流站孤岛控制框图。孤岛控制为具有两个PI控制器的双闭环形式。孤岛控制的外环为：
Figure BDA0002359136310000031
其中usdref、usqref为孤岛控制电压给定值；usd、usq为PCC点电压测量值的dq分量；GPId(s)、GPIq(s)为外环控制中的PI控制器；
Figure BDA0002359136310000032
为外环控制器输出的内环电流控制给定值。
内环控制为：
Figure BDA0002359136310000033
其中isd、isq为电流测量值的dq分量；usd、usq为PCC点电压测量值的dq分量；GPIid(s)、GPIiq(s)为内环控制中的PI控制器。
故障发生后时，故障极的电流涌入非故障极，主电路中的d轴电流首先增加，然后会引起PCC点电压升高，电压外环中的PI调节器会对PCC点电压与参考值的偏差作出响应，调节输出参考电流增加。由式可知
Figure BDA0002359136310000034
的绝对值会一直增加，但是由于限幅器的存在，最终
Figure BDA0002359136310000035
其中
Figure BDA0002359136310000036
为限幅器上限。上限值一般取1.1pu。由于涌入非故障极的电流较大，isd远远大于限幅值
Figure BDA0002359136310000037
电流内环指令无法跟定实际电流。此时孤岛控制器失控，无法有效控制PCC点处的电压。
在整个故障期间，限幅器一直起作用，因此isd为了跟定
Figure BDA0002359136310000041
一直呈现振荡衰减的形式，因此由上式可以得知，孤岛控制调制波的dq分量ucd、ucq增大并振荡，导致换流站出口侧电压的幅值升高，频率振荡，从而导致PCC点电压失稳，通过检测到这一特征，判断是否发生单极闭锁故障。
在风电机组上设置机端电压相角测量模块，检测机端电压相角的突变，若检测到PCC电压失稳，即发送启动信号以启动故障穿越控制。
若接收到启动信号，则开始计算风电机组需要降低的有功功率，以上桥臂电流为例：
Figure BDA0002359136310000042
其中Iarmmax位桥臂电流保护值，Iarmp为上桥臂电流，Udc为直流电压，Uac为PCC点交流电压。若有n台风机，则第i风机降低功率为
Figure BDA0002359136310000043
根据上一步计算得出的风机需要降低的功率，计算内环控制的电流给定值。若双馈风电机组机侧换流器采用定子d轴电压定向控制策略时,双馈风机输出电磁功率为：
Figure BDA0002359136310000044
其中Lm为双馈风电机组激磁电感；Ls为双馈风电机组定子电感；Us为双馈风电机组定子电压幅值；Ird为双馈风电机组转子侧d轴电流。则每台风机需要降低内环电流为
Figure BDA0002359136310000045
因此每台风机新的内环电流指令为：
Figure BDA0002359136310000046
其中I′rdref为风电机组正常运行时的转子侧内环电流给定值；
Figure BDA0002359136310000047
为故障穿越控制时转子侧内环电流给定值。将电流内环设计为典型I型，即另内环PI调节器的比例系数kp＝ωcRr，积分系数ki＝ωcσLr，则转子电流可在毫秒内跟随给定，时间为1/ωc。其中：Rr为双馈风电机组转子电阻；Lr为双馈风电机组转子电感；σ为双馈风电机组漏电系数；ωc为截至频率。若在控制执行过程中，双馈风电机组转子转速超过1.2p.u.，则启动桨距角控制，防止转子速度过快引起风机损坏。
以上由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种单极闭锁故障场景下真双极柔直孤岛系统故障穿越的协调控制策略，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)正常情况下，真双极柔直系统送端换流站采用含电流内环的孤岛控制，控制目标为维持风电场公共耦合点PCC点电压的稳定。风电机组采用双馈风电机组，在风电机组中设置PCC点电压幅值和相角测量模块；
(2)当送端换流站发生单极闭锁故障后，送端换流站的孤岛控制失效，造成PCC点电压的幅值和相角大幅度波动。风电机组中的测量模块测量到此现象后，发出启动故障穿越控制的信号进入步骤(3)。若未发生故障，则不启动故障穿越信号，返回步骤(1)；
(3)立即闭锁风电机组的转子侧控制中外环控制器，直接给定内环电流指令。首先计算风电机组需要降低的有功功率ΔP和计算第i风机降低功率为ΔPi。而后计算每台风机需要降低内环电流ΔIrd；因此每台风机新的内环电流指令为：
Figure FDA0002359136300000011
其中I′rdref为风电机组正常运行时的转子侧内环电流给定值；
Figure FDA0002359136300000012
为故障穿越控制时转子侧内环电流给定值；
(4)在故障穿越控制启动过程中检测风电机组转子转速的变化情况，若转子转速上升至ωref，则启动桨距角控制，防止转子转速超过1.2p.u.；
(5)当故障消除后，风电机组重新闭合转子侧控制中的外环控制器，恢复原来的控制，返回步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的故障检测判据，其特征在于：所述步骤(1)中，当单极闭锁故障发生后，换流站健全极输入电流将会突然增大，故障极换流站控制不再起作用，此时仅依靠健全极换流站的孤岛控制维持PCC点电压的幅值与频率，然而当故障极电流涌入健全极换流站时，会影响孤岛控制的有效性，造成PCC电压失稳，本发明即利用这一故障特征判断已发生单极闭锁故障，启动故障穿越控制。
3.根据权利要求1所述的故障穿越控制，其特征在于：所述步骤(3)中，若接收到启动信号，则开始计算风电机组需要降低的有功功率，以上桥臂电流为例：
Figure FDA0002359136300000013
其中Iarmmax位桥臂电流保护值，Iarmp为上桥臂电流，Udc为直流电压，Uac为PCC点交流电压。若有n台风机，则第i风机降低功率为
Figure FDA0002359136300000021
根据上一步计算得出的风机需要降低的功率，计算内环控制的电流给定值。若双馈风电机组机侧换流器采用定子d轴电压定向控制策略时,双馈风机输出电磁功率为：
Figure FDA0002359136300000022
其中Lm为双馈风电机组激磁电感；Ls为双馈风电机组定子电感；Us为双馈风电机组定子电压幅值；Ird为双馈风电机组转子侧d轴电流。则每台风机需要降低内环电流为
Figure FDA0002359136300000023
因此每台风机新的内环电流指令为：
Figure FDA0002359136300000024
其中I′rdref为风电机组正常运行时的转子侧内环电流给定值；
Figure FDA0002359136300000025
为故障穿越控制时转子侧内环电流给定值。将电流内环设计为典型I型，即另内环PI调节器的比例系数kp＝ωcRr，积分系数ki＝ωcσLr，则转子电流可在毫秒内跟随给定，时间为1/ωc。其中：Rr为双馈风电机组转子电阻；Lr为双馈风电机组转子电感；σ为双馈风电机组漏电系数；ωc为截至频率。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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