CN111884245A - 风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法 - Google Patents

风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法 Download PDF

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Abstract

风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法，步骤一：将直流耗能电阻分为多个相同的子模块SM，即由SM1至SMn个子模块并联组成，每一个子模块能够独立地进行投切，首先计算每个子模块消耗的额定功率Pi，每个子模块的电阻Ri，以及故障时应投入的子模块的数量ns：步骤二：在基于自调控耗能保护电路的基础上，启动故障穿越协调控制策略，在故障穿越协调控制策略下，将过程分成三个不同阶段实现故障穿越控制；本发明在协调控制策略下，整个故障期间VSC‑HVDC直流母线电压没有超过阈值，且相较于传统方法电压波动更小，证明了该故障穿越协调控制策略的有效性。

Description

风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法
技术领域
本发明属于电力系统控制技术领域，特别涉及一种风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术不需要借助外部电源实施换相，非常适合风电场这种相对较弱的电源并网使用。但是迫切需要解决的是大规模风电场经VSC-HVDC并网的故障穿越问题。
目前解决该问题的方案主要有以下三种：增大HVDC变流器容量；增加HVDC耗能电路，消耗故障期间多余功率；通过控制策略，向风机发送指令使其迅速降低输出功率。
通过提高直流电容以及网侧变流器的容量，能够保证故障期间可以通过更大的电流。但器件容量的增加是有限的，且会显著地提高成本；利用动态泄荷电阻来实现VSC-HVDC系统故障穿越有灵活度不足，且容量大、成本高等问题。仅通过控制策略方案的缺点是直流侧过电压上升速度较快，在考虑通信延时的情况下，对响应时间要求非常苛刻。
发明内容
为了克服传统单一故障穿越方案的不足，本发明的目的在于提供一种风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法，提出了投入自调控耗能电阻与风电场的最大功率跟踪减载相结合的故障穿越控制策略，弥补了传统方案的不足，取得更好的故障穿越效果。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：自调控耗能电阻电路的保护控制
将直流耗能电阻分为多个相同的子模块SM，即由SM1至SMn个子模块并联组成，每一个子模块能够独立地进行投切，首先根据如下公式计算每个子模块消耗的额定功率Pi，每个子模块的电阻Ri，以及故障时应投入的子模块的数量ns：
Figure BDA0002609208240000021
Figure BDA0002609208240000022
ns＝n[(Pin-Pout)/Pdc] (3)
式中：n为子模块的个数；Udcmax为故障期间直流侧电压最大值；ΔPdc为平衡VSC-HVDC系统消耗的功率差额；Pin为系统直流对交流的输入功率；Pout为电网侧换流站的输出功率；Pdc为VSC-HVDC系统直流额定传输功率；
步骤二：在基于自调控耗能保护电路的基础上，启动故障穿越协调控制策略，在故障穿越协调控制策略下，实现故障穿越控制；
所述的故障穿越协调控制策略的过程分成如下三个不同阶段：
(1)第一阶段t<ts：仅耗能子模块投入工作消耗差额功率；
其中t为故障发生时刻，ts为风场收到减载指令时刻，故障初期盈余功率全部由耗能电阻子模块来耗散，计算投入的子模块数目ns1为:
Figure BDA0002609208240000023
式中，ΔP1为故障时没有触发减载控制消耗的功率差；ΔPs为在交流电网故障时每个子模块的过功率值:
ΔPs＝UsIsend-UsIrec
式中：UsIrec为从每个子模块电路出口测得的受端功率；UsIsend为从每个子模块电路入口测得的送端功率；
(2)第二阶段ts<t<tfin：最大功率追踪降载处于动态调节过程，能耗子模块消耗差额功率，此时对于双馈风电机部分的功率如下式所示；
Figure BDA0002609208240000031
式中：Ps为双馈风电机定子有功功率；Pe、Pcus、Pfes分别为双馈风电机的电磁功率、定子铜耗和定子铁耗；Pm为双馈电机的输入机械功率；Pm’为双馈电机的机械损耗功率；Pmec为双馈电机吸收的净机械功率；tfin为风场达到新的功率平衡时刻；
为了实现风力机的最大功率跟踪，发电机的输出有功功率指令Psref由风力机的最佳功率曲线和风力机转速ωr实时获得：
Figure BDA0002609208240000034
在风场得到故障信号指令时，此时风场开始进行有功减载运行，若此时功率减载量为ΔPsref，ΔP2为在触发最大功率减载运行未达到功率平衡时故障消耗的功率差额，此时投入运行的子模块个数ns2为
Figure BDA0002609208240000032
Figure BDA0002609208240000033
式中：ρ为故障期间风电机组有功减载曲线的斜率；T为风场达到新的功率平衡所需的时间；
(3)第三阶段t>tfin：最大功率追踪降载达到新的平衡状态，仅投入少量耗能子模块来消耗差额功率；
当风场达到新的功率平衡时，风电场有功出力固定，此时换流站输入功率与输出功率的差额较小，由子模块耗能电阻消耗实现，并配合风电场减载控制策略完全实现故障穿越，而且穿越效果更加平稳，ΔP3为风场达到新的功率平衡后故障消耗的功率差额；
ΔP3＝Psref-Psr′ef
此时投入运行的子模块个数ns3为
Figure BDA0002609208240000041
式中，P’sref为风场达到新的功率平衡后的有功出力。
本发明的特点及效果：
本发明方法在故障初期通过投入自调控耗能电阻来解决MPPT降载法因通信延迟引起的电压抬升过高问题；MPPT降载法投入运行后，可减少耗能子模块运行数量，整个故障期间具有非常平稳的故障穿越效果，且相较于传统耗能电路，系统成本较低，仿真结果证明，在协调控制策略下，整个故障期间VSC-HVDC直流母线电压没有超过阈值，且相较于传统方法电压波动更小，证明了该故障穿越协调控制策略的有效性。
附图说明
图1为传统耗能电阻与自调控耗能电阻对比图，图1(a)为方案一直流母线电压，图1(b)为方案二直流母线电压，图1(c)为方案一耗能电路消耗功率，图1(d)为方案二耗能电路消耗功率，图中，方案一为传统耗能电阻，方案二为本发明自调控耗能电阻。
图2为故障穿越协调控制策略下仿真图，图2(a)为风电场输出功率，图2(b)为GSVSC有效功率，图2(c)为直流母线电压，图2(d)为减载控制下每个子模块电路消耗功率。
图3为自调控耗能电阻控制图。
具体实施方式
本发明提出的风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法，结合附图及实例详细说明如下。
步骤一：自调控耗能电阻电路的保护控制
如图3所示，自调控耗能电阻电路的控制，其拓扑结构及控制原理为：将传统的直流耗能电阻分为多个相同的子模块SM(sub-module,SM)，即由SM1至SMn个子模块并联组成，因此传统卸荷电阻被平分为n小份，每一个子模块能够独立地进行投切，通过在故障期间控制子模块投入的数目，易于调节故障时不同程度的故障电压，从而与最大功率跟踪减载控制相配合。
具体为：确定自调控耗能保护电路中的特征量，包括：每个子模块消耗的额定功率Pi，每个子模块的电阻Ri，以及故障时应投入的子模块的数量ns：
投入的每个子模块消耗的额定功率Pi为
Figure BDA0002609208240000051
计算得每个子模块的电阻Ri取值为
Figure BDA0002609208240000052
式中：n为子模块的个数；Udcmax为故障期间直流侧电压最大值；ΔPdc为平衡VSC-HVDC系统消耗的功率差额。
根据故障程度的不同以及每时刻故障电压大小的不同，会有不同的功率差额，会相应投入ns(1≤ns≤n)个子模块。计算故障时应投入的子模块数量ns为
ns＝n[(Pin-Pout)/Pdc]
式中：Pin为系统直流对交流的输入功率；Pout为电网侧换流站的输出功率；Pdc为VSC-HVDC系统直流额定传输功率。
参照图1，图中方案一为传统耗能电阻，方案二为自调控耗能电阻，自调控电阻电路的优点在于它可以根据产生的功率差计算当前应当运行的子模块的数量，所以相比于传统卸荷电路，对于只需消耗小功率差额的故障情况，无需安装与风场输出功率相匹配的容量，而且没有投入运行的子模块，也不需要进行冷却，大大降低了成本。
步骤二：在基于自调控耗能保护电路的基础上，加入风电场MPPT降载法，使两种控制策略相结合，在电网正常运行时，直流电压不会超出阈值Udc_h，逻辑运行输出值为S＝0，此时无需对风电场最大风能跟踪的控制方式进行减载功率运行；若系统交流侧出现故障，直流母线电压超出阈值，逻辑判断模块的输出值S＝1，从而启动故障协调控制策略，在故障协调控制策略下，将过程分成如下三个不同阶段实现故障穿越控制。
故障穿越协调控制策略的过程分成如下三个不同阶段：
(1)第一阶段(t＜ts)：仅耗能子模块投入工作消耗差额功率
其中t为故障发生时刻，ts为风场收到减载指令时刻。故障初期考虑到通过最大功率跟踪实施减载存在通信延迟的问题，仅由卸荷电路控制功率消耗。此时盈余功率全部由耗能电阻子模块来耗散，计算出投入的子模块数目ns1，就能保证在该阶段期间实现对盈余功率的消耗。
计算投入的子模块数目ns1为
Figure BDA0002609208240000061
式中，ΔP1为故障时没有触发减载控制消耗的功率差；ΔPs为在交流电网故障时每个子模块的过功率值:
ΔPs＝UsIsend-UsIrec
式中：UsIrec为从每个子模块电路出口测得的受端功率；UsIsend为从每个子模块电路入口测得的送端功率。
(2)第二阶段ts<t<tfin：最大功率追踪降载处于动态调节过程，能耗子模块继续消耗差额功率。
当通讯系统将信息传输到风电场内时，此时触发MPPT降载法进行功率减载，进入故障穿越第二阶段，在风场得到故障信号指令后，风电场开始进行有功减载运行，该阶段利用风电场内发电机的有功功率指令Psref控制DFIG的有功输出，同时也保证最大风能跟踪同样可以实现。此时由MPPT降载法的功率减载量为ΔPsref，ΔP2为在触发最大功率减载运行未达到功率平衡时故障消耗的功率差额，因此通过前两者即可计算出投入运行的子模块个数ns2，以保证实现经济运行。
此时对于双馈风电机部分的功率如下式所示。
Figure BDA0002609208240000071
式中：Ps为双馈风电机定子有功功率；Pe、Pcus、Pfes分别为双馈风电机的电磁功率、定子铜耗和定子铁耗；Pm为双馈电机的输入机械功率；Pm’为双馈电机的机械损耗功率；Pmec为双馈电机吸收的净机械功率；tfin为风场达到新的功率平衡时刻。
为了实现风力机的最大功率跟踪，发电机的输出有功功率指令Psref由风力机的最佳功率曲线和风力机转速ωr实时获得：
Figure BDA0002609208240000072
利用发电机的有功功率指令Psref控制DFIG的有功输出，最大风能跟踪同样可以实现。
在风场得到故障信号指令时，此时风场开始进行有功减载运行，若此时功率减载量为ΔPsref，ΔP2为在触发最大功率减载运行未达到功率平衡时故障消耗的功率差额，此时投入运行的子模块个数ns2为
Figure BDA0002609208240000073
Figure BDA0002609208240000074
式中：ρ为故障期间风电机组有功减载曲线的斜率；T为风场达到新的功率平衡所需的时间。
(3)第三阶段t>tfin：最大功率追踪降载达到新的平衡状态，仅投入少量耗能子模块来消耗差额功率。
当风场达到新的功率平衡时，风电场有功出力固定，此时换流站输入功率与输出功率的差额较小，由子模块耗能电阻消耗实现，并配合风电场减载控制策略完全实现故障穿越，而且穿越效果更加平稳，具体请参见图2。ΔP3为风场达到新的功率平衡后故障消耗的功率差额。
ΔP3＝Psref-Psr′ef
此时投入运行的子模块个数ns3为
Figure BDA0002609208240000081
式中，Psr′ef为风场达到新的功率平衡后的有功出力。
综上，在故障穿越协调期间可以分成三个阶段，其每部分消耗的总功率Pcom为
Figure BDA0002609208240000082
参照图2，在电网故障情况下，首先投入自调控耗能电阻，以热能的形式耗散盈余功率，实现系统的功率平衡，防止直流电压出现过高的抬升。在躲过通信延时、通信系统接收信号后，风电场MPPT有功减载投入运行，通过风机转子侧功率外环的控制策略，改变风场原有的最大风能跟踪曲线，降低DFIG的电磁转矩，从而使风电场的有功出力迅速下降，相应投入的耗能子模块数量可以减少。表1给对出了所提故障穿越协调控制的优势对比。
表1本发明与传统方法的对比
Figure BDA0002609208240000091

Claims (2)

1.风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：自调控耗能电阻电路的保护控制
将直流耗能电阻分为多个相同的子模块SM，即由SM1至SMn个子模块并联组成，每一个子模块能够独立地进行投切，首先根据如下公式计算每个子模块消耗的额定功率Pi，每个子模块的电阻Ri，以及故障时应投入的子模块的数量ns：
Figure FDA0002609208230000011
Figure FDA0002609208230000012
ns＝n[(Pin-Pout)/Pdc] (3)
式中：n为子模块的个数；Udcmax为故障期间直流侧电压最大值；ΔPdc为平衡VSC-HVDC系统消耗的功率差额；Pin为系统直流对交流的输入功率；Pout为电网侧换流站的输出功率；Pdc为VSC-HVDC系统直流额定传输功率；
步骤二：在基于自调控耗能保护电路的基础上，启动故障穿越协调控制策略，在故障穿越协调控制策略下，实现故障穿越控制。
2.根据权利要求1所述的风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法，其特征在于，所述的故障穿越协调控制策略的过程分成如下三个不同阶段：
(1)第一阶段t<ts：仅耗能子模块投入工作消耗差额功率；
其中t为故障发生时刻，ts为风场收到减载指令时刻，故障初期盈余功率全部由耗能电阻子模块来耗散，计算投入的子模块数目ns1为:
Figure FDA0002609208230000021
式中，ΔP1为故障时没有触发减载控制消耗的功率差；ΔPs为在交流电网故障时每个子模块的过功率值：
ΔPs＝UsIsend-UsIrec
式中：UsIrec为从每个子模块电路出口测得的受端功率；UsIsend为从每个子模块电路入口测得的送端功率；
(2)第二阶段ts<t<tfin：最大功率追踪降载处于动态调节过程，能耗子模块消耗差额功率，此时对于双馈风电机部分的功率如下式所示；
Figure FDA0002609208230000022
式中：Ps为双馈风电机定子有功功率；Pe、Pcus、Pfes分别为双馈风电机的电磁功率、定子铜耗和定子铁耗；Pm为双馈电机的输入机械功率；Pm’为双馈电机的机械损耗功率；Pmec为双馈电机吸收的净机械功率；tfin为风场达到新的功率平衡时刻；
为了实现风力机的最大功率跟踪，发电机的输出有功功率指令Psref由风力机的最佳功率曲线和风力机转速ωr实时获得：
Figure FDA0002609208230000023
在风场得到故障信号指令时，此时风场开始进行有功减载运行，若此时功率减载量为ΔPsref，ΔP2为在触发最大功率减载运行未达到功率平衡时故障消耗的功率差额，此时投入运行的子模块个数ns2为
Figure FDA0002609208230000024
Figure FDA0002609208230000025
式中：ρ为故障期间风电机组有功减载曲线的斜率；T为风场达到新的功率平衡所需的时间；
(3)第三阶段t>tfin：最大功率追踪降载达到新的平衡状态，仅投入少量耗能子模块来消耗差额功率；
当风场达到新的功率平衡时，风电场有功出力固定，此时换流站输入功率与输出功率的差额较小，由子模块耗能电阻消耗实现，并配合风电场减载控制策略完全实现故障穿越，而且穿越效果更加平稳，ΔP3为风场达到新的功率平衡后故障消耗的功率差额；
ΔP3＝Psref-P’sref
此时投入运行的子模块个数ns3为
Figure FDA0002609208230000031
式中，P’sref为风场达到新的功率平衡后的有功出力。
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