CN111884256B - 一种新能源机组高电压穿越方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源机组高电压穿越方法及系统，其包括：实时检测风电场并网点电压，根据该电压和风机变流器直流侧电容的运行电压值计算出过电压判据；由风电场并网点电压与过电压判据的关系确定风机运行模式，根据风机运行模式实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越。本发明能够根据过电压不同的深浅程度，自动切换控制模式，并自动选择是否投运集中式SVG，从而实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越，以满足日益严格的风电并网导则对机组高电压穿越能力的要求。

Description

一种新能源机组高电压穿越方法及系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术领域，特别是关于一种新能源机组高电压穿越方法及系统。

背景技术

风力发电、光伏等可再生能源发电作为最具备大规模开发及应用前景的发电方式被广泛应用。新能源机组的故障穿越能力对电网的安全稳定运行至关重要，当前针对新能源机组的低电压穿越技术(low voltage ride through，LVRT)研究日趋成熟，许多新能源场站已具备了低电压穿越能力，各国都已推出了较完备的新能源机组的低电压穿越规范。然而目前各国新能源机组的高电压穿越(high voltage ride through，HVRT)规范尚不完备，研究新能源发电机组的高电压穿越方法具有重要意义。

交流电网中，由于负荷切除、重合闸、无功过补偿等原因导致的电压骤升幅度较低，一般不超过1.3p.u.。目前各国风电机组高电压穿越技术标准的制定多针对这一类型的故障。近年来，随着我国高压直流输电技术在新能源电力输送中的大规模应用，由于直流系统发生单、双极闭锁或换相失败等故障，将导致换流站及其附近变电站暂态电压升高，此类暂态过电压故障幅度相对较高，甚至在1.3p.u.以上。现有的新能源机组设计并不能满足此类故障下的高电压穿越，若对此类过电压不加以控制约束，将会直接威胁新能源系统的安全稳定运行。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种新能源机组高电压穿越方法及系统，其能根据过电压不同的深浅程度，自动切换控制模式，并自动选择是否投运集中式静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)，从而实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越，以满足日益严格的风电并网导则对机组高电压穿越能力的要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种新能源机组高电压穿越方法，其包括：实时检测风电场并网点电压，根据该电压和风机变流器直流侧电容的运行电压值计算出过电压判据λ；由风电场并网点电压与过电压判据λ的关系确定风机运行模式，根据风机运行模式实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越。

进一步，所述过电压判据λ的计算方法包括以下步骤：

11)确定风机直流母线电压；

12)根据风机并网点额定相电压确定PMSG直流母线电压最小值：

13)确定PMSG直流母线电压理论最大值；

14)根据PMSG直流母线电压最小值U_dcmin以及PMSG直流母线电压理论最大值U_dcmax计算出风机过电压的判据λ：λ＝U_dcmax/U_dcmin。

进一步，所述PMSG直流母线电压最小值U_dcmin为:

U_dcmin＝U_sN×2.34，

U_d＝2.34U_sNcosα，

式中，U_sN为风机并网点额定相电压，U_d为整流后风机直流母线电压，α表示触发角。

进一步，所述PMSG直流母线电压理论最大值U_dcmax为：

U_dcmax＝U_dcN×1.1

式中，U_dcN为PMSG直流母线电压额定值。

进一步，所述风机运行模式确定方法为：

当1p.u.≤U_s≤1.1p.u.时，风机处于正常运行模式，U_s为风电场并网点电压；

当1.1p.u.≤U_s≤λ时，风机处于浅度高电压穿越运行模式；

当U_s＞λ时，风机处于深度高电压穿越运行模式。

进一步，所述正常运行模式时风机转子侧变流器按最大功率点跟踪控制设定其有功、无功电流指令，GSC按单位功率因数运行；同时在正常运行模式不投运集中式SVG。

进一步，所述浅度高电压穿越运行模式时，在过电压初始阶段和恢复阶段，利用直流撬棒对过电压初始和结束时瞬间产生的功率冲击进行能量泄放；在过电压持续阶段，控制风机有功功率降为0；同时根据并网导则控制风机GSC向故障电网注入感性无功电流，其无功电流注入的幅度按电网电压每骤升1％注入2％的比例设定，并在浅度高电压穿越运行模式不投运集中式SVG。

进一步，所述深度高电压穿越运行模式时，风机GSC不控整流，失去主动无功支撑能力；在整个故障过程中投入直流撬棒对能量进行持续泄放，控制整个过电压期间直流母线电压维持在安全范围内；闭锁RSC的PWM输出信号，对风机进行保护，同时，在风电场并网点投运集中式SVG吸收无功，通过风电机组-SVG协同控制，集中式SVG直流母线电压运行值跟随高电压故障深度自适应提高。

进一步，所述深度高电压穿越运行模式时，集中式SVG直流母线电压值跟随过电压程度自适应提高的方法为：

集中式SVG直流母线电压值U_{dc_SVG}与过电压深度β需满足以下函数关系：

针对过电压深度为β，且β＞λ的情况，为防止SVG变流器过调制或满调制，随过电压提升0.1p.u.，U_{dcN_SVG}对应提高0.1U_{dcmin_SVG}伏，但不超过SVG直流电容的最大耐压值U_dcf；如果SVG变流器采用PWM型逆变器，集中式SVG直流母线电压值最小值U_{dcmin_SVG}的计算与PMSG直流母线电压最小值的计算一致。

一种新能源机组高电压穿越系统，其包括过电压判据计算模块和高电压穿越模块；所述过电压判据计算模块实时检测风电场并网点电压，根据该电压和风机变流器直流侧电容的运行电压值计算出过电压判据；所述高电压穿越模块根据风电场并网点电压与过电压判据的关系确定风机运行模式，实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能根据风机变流器直流侧电容的运行电压值和风机并网电压值给出过电压判据。2、本发明能根据过电压深浅程度的不同，自动切换风机和集中式SVG的控制模式，实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越。3、本发明通过提升集中式SVG直流母线电压运行值提升了风电机组-SVG协同高电压穿越能力。4、本发明设计简单，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的接入LCC-HVDC的直驱风电场-SVG(静止无功补偿)协同高电压穿越方法示意图。

图2是本发明一个实施方式的过电压判据计算流程示意图。

图3是本发明一个实施方式的直驱风电机组结构示意图。

图4是本发明一个实施方式的直流撬棒保护结构及动作示意图。

图5是本发明一个实施方式的集中式SVG结构示意图。

图6是本发明一个实施方式的风电机组-SVG协同高电压穿越模型示意图。

图7是本发明一个实施方式的深度过电压下风电机组自身保护控制仿真示意图。

图8是本发明一个实施方式的集中式SVG作用下PCC点交流母线电压有效值变化示意图。

图9是本发明一个实施方式的深度过电压下风电机组-SVG协同高电压穿越仿真示意图。

具体实施方式

本发明提供一种新能源机组高电压穿越方法，该方法是接入基于电网换相换流器的高压直流输电系统(line commutated converter high voltage direct current，LCC-HVDC)的直驱风电场-SVG协同的高电压穿越方法，下面以直驱风机(permanent magnetsynchronous generator,PMSG)为例，结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)实时检测风电场并网点(Point of Common Coupling，PCC)电压U_s，根据该电压和风机变流器直流侧电容的运行电压值计算出高电压故障判据λ。

如图2所示，过电压判据λ的计算方法为：

11)确定风机直流母线电压：

由于当前风机网侧变流器(Grid Side Converter，GSC)一般为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)型逆变器，整流后直驱风机直流母线电压U_d为：

式中，U_sN为风机并网点额定相电压，U_d为整流后风机直流母线电压，α表示触发角；ω表示角频率；t表示时间。如果三相不控整流，则触发角α＝0。

12)根据风机并网点额定相电压确定PMSG直流母线电压最小值：

根据电压空间矢量调制理论，若PWM不产生过调制，PMSG直流母线电压理论最小值为风机并网额定电压三相不控整流直流电压值。

根据式(1)可知，PMSG直流母线电压最小值U_dcmin为:

U_dcmin＝U_sN×2.34； (2)

13)确定PMSG直流母线电压理论最大值：

根据工程经验，风机直流母线电容电压容许在额定值基础上有0.1p.u.的偏差，因此PMSG直流母线电压理论最大值U_dcmax为：

U_dcmax＝U_dcN×1.1 (3)

式中，U_dcN为PMSG直流母线电压额定值。

14)根据PMSG直流母线电压最小值U_dcmin以及PMSG直流母线电压理论最大值U_dcmax计算出风机过电压的判据λ：

λ＝U_dcmax ^/U_dcmin； (4)

由式(4)可知，只要电网过电压不超过λ，风机GSC处于可控状态，因此风机可以根据并网导则对电网进行相应的无功支撑，不需要投运集中式SVG。超过λ，风机GSC不控整流，失去主动无功支撑能力，因此需要风电机组-SVG协同控制实现高电压穿越。当前市场PMSG风机直流母线电压额定值一般为1050V～1100V，以直流母线电压额定值为1100V的风机为例，PMSG并网线电压额定值为690V，按照上述公式计算可知，λ约为1.3p.u.。

2)由风电场并网点电压U_s与高电压故障判据λ的关系确定风机运行模式，根据风机运行模式实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越。

风机运行模式确定方法为：

(1)当1p.u.≤U_s≤1.1p..u时，风机处于正常运行模式。此时风机转子侧变流器(Rotor Side Converter，RSC)按最大功率点跟踪控制设定其有功、无功电流指令，GSC按单位功率因数运行；同时在正常运行模式不投运集中式SVG。

(2)当1.1p.u.≤U_s≤λ时，风机处于浅度高电压穿越运行模式。此时在过电压初始阶段和恢复阶段，利用直流撬棒对过电压初始和结束时瞬间产生的功率冲击进行能量泄放，防止因过压过流损坏风机设备。在过电压持续阶段为保证风机拥有足够的无功容量，控制风机有功功率降为0；同时根据并网导则控制风机GSC向故障电网注入感性无功电流,其无功电流注入的幅度按电网电压每骤升1％注入2％的比例设定，并在浅度高电压穿越运行模式不投运集中式SVG。

(3)当U_s＞λ时，风机处于深度高电压穿越运行模式。此时风机GSC不控整流，失去主动无功支撑能力。在整个故障过程中投入直流撬棒对能量进行持续泄放，控制整个故障期间直流母线电压维持在安全范围内。闭锁RSC的PWM输出信号，对风机进行保护。同时，在风电场并网点投运集中式SVG吸收无功，降低过电压幅度，有助于风机GSC恢复可控，从而通过风电机组-SVG协同控制，有效提高深度过电压下风电场的高电压穿越能力。为防止深度过电压下集中式SVG出现过调制或不控整流，集中式SVG直流母线电压运行值则跟随过电压深度自适应提高。

优选的，当风机处于深度高电压穿越运行模式时，集中式SVG直流母线电压值跟随过电压深度自适应提高的方法为：

深度过电压情况下，集中式SVG直流母线电压值U_{dc_SVG}与过电压深度β需满足以下函数关系：

式中，U_{dcN_SVG}为SVG直流母线电压额定值，U_dcf为SVG直流电容的最大耐压值。

针对过电压深度为β(β＞λ)的情况，为防止SVG变流器过调制或满调制，随过电压提升0.1p.u.，U_{dcN_SVG}对应提高0.1U_{dcmin_SVG}伏，但不超过U_dcf。如果SVG变流器采用PWM型逆变器，集中式SVG直流母线电压值最小值U_{dcmin_SVG}的计算公式与公式(2)一致。

上述实施例中，采用的直驱风电机组如图3所示。PMSG风力发电系统主要包括桨距控制式风力机、永磁同步发电机、背靠背全功率变频器以及控制系统等四大部分。桨距控制式风力机和永磁同步发电机直接耦合，省去了增速齿轮箱，发电机的输出经发电机侧变频器整流后由电容支撑，再经电网侧变频器将能量馈送给电网。PMSG的控制核心为变流器，在目前商业化的风机应用中，常采用两电平电压源结构，两个完全相同的PWM电压型变流器通过直流母线连接。两个变流器都可以工作于整流和逆变状态，靠近转子侧的称为转子侧变流器，又可以称为机侧变流器，而与电网直接相连的称为网侧变流器。该结构变流器既可用于双馈型风电机组，置于发电机转子和电网之间；也可用于直驱型风电机组，置于发电机定子和电网之间。

上述实施例中，采用的直流撬棒保护结构及动作如图4所示。直流撬棒保护采用由IGBT控制通断的直流撬棒电阻并联在直流母线电容上，从而消耗多余的暂态冲击功率。其中直流撬棒动作的信号可以通过滞环比较进行bang-bang控制，也可以采用闭环PWM控制实现。在浅度过电压的初始和恢复阶段投入直流撬棒对能量进行泄放，保护风电机组。在深度过电压的整个阶段投入直流撬棒对能量进行持续泄放，控制在整个故障期间直流母线电压维持在安全范围内。

上述实施例中，采用的集中式SVG结构如图5所示。其中，ABC三相分别级联多个H桥功率模块，每个H桥模块拥有自己独立的直流侧电容，将各H桥输出端首位连接构成单相级联拓扑结构，三相可采用星形连接或三角型连接，图5为星型连接。在高压大容量场合，根据实际电压等级需要选择级联H桥数目，高压级联H桥集中式SVG通过La、Lb、Lc并网电感与电网连接。

上述实施例中，本发明的风电机组-SVG协同高电压穿越模型如图6所示，直驱风电场通过变压器接入电网PCC点，PCC点电压通常为35KV。在PCC点接入集中式SVG，当电网发生深度过电压时对PCC点电压进行相应的无功调节。由本发明技术方案可知，将风电机组并网点投运集中式SVG吸收无功，降低过电压幅度，有助于风电机组GSC恢复可控，从而通过风电机组-SVG协同控制，有效提高深度过电压情况下风电场的高电压穿越能力。

综上，本发明在使用时，如图7所示，为深度过电压下风电机组自身保护控制仿真示意图。图中各量分别表示：(a)电网电压、定子电流、直流撬棒动作。(b)直流母线电压、有功功率、无功功率。由图5可知，电网在1.5s～1.8s发生约1.36p.u.的过电压，直流撬棒保护电路在整个过电压阶段持续动作进行能量泄放，保护直流母线电压稳定在安全裕度内，防止直流母线过电压损坏器件；为保护设备，故障期间PMSG机侧变流器闭锁，有功送出为0；此时PMSG网侧变流器已达不控整流状态，PMSG失去主动无功支撑能力。

如图8所示，为集中式SVG作用下PCC点交流母线电压有效值变化示意图。图中各量分别表示：(a)集中式SVG接入前PCC点交流母线电压有效值(b)集中式SVG无功响应(c)集中式SVG接入后PCC点交流母线电压有效值。集中式SVG的容量设定为200Mvar，由图8可知，集中式SVG在故障期间满额吸收无功，在集中式SVG的作用下，过电压幅度由原来的1.36p.u.下降到1.2p.u.，使之对于PMSG来说由原来的深度过电压下降为浅度过电压。

如图9所示，为深度过电压下风电机组-SVG协同高电压穿越仿真示意图。图中各量分别表示：(a)电网电压、定子电流、直流撬棒动作。(b)直流母线电压、有功功率、无功功率。由图9可知，在集中式SVG的共同作用下，PMSG风电机组GSC恢复可控，可对电网进行主动的无功补偿。其高电压故障穿越按照浅度高电压穿越模式进行控制，直流撬棒保护电路在过电压初始阶段和恢复阶段动作，防止直流母线过电压损坏器件。过电压持续期间，为保护设备同时保证风机拥有足够的无功容量，PMSG机侧变流器减小有功送出为0；网侧变流器闭环解耦控制实现直流母线电压稳定，同时按照并网导则控制风机向电网发送相应的感性无功功率。

本发明能够根据过电压不同的深浅程度，自动切换控制模式，并自动选择是否投运集中式SVG，从而实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越，以满足日益严格的风电并网导则对机组高电压穿越能力的要求。

本发明还提供一种新能源机组高电压穿越系统，其包括过电压判据计算模块和高电压穿越模块；

过电压判据计算模块实时检测风电场并网点电压，根据该电压和风机变流器直流侧电容的运行电压值计算出过电压判据；

高电压穿越模块根据风电场并网点电压与过电压判据的关系确定风机运行模式，实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置、和计算机程序产品的流程图和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和方框图中的每一流程和方框、以及流程图和方框图中的流程和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种新能源机组高电压穿越方法，其特征在于包括：

实时检测风电场并网点电压，根据该电压和风机变流器直流侧电容的运行电压值计算出过电压判据λ；

由风电场并网点电压与过电压判据λ的关系确定风机运行模式，根据风机运行模式实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越；

所述风机运行模式确定方法为：

当1p.u.≤U_s≤1.1p.u.时，风机处于正常运行模式，U_s为风电场并网点电压；

当1.1p.u.≤U_s≤λ时，风机处于浅度高电压穿越运行模式；

当U_s＞λ时，风机处于深度高电压穿越运行模式；

所述深度高电压穿越运行模式时，风机GSC不控整流，失去主动无功支撑能力；在整个故障过程中投入直流撬棒对能量进行持续泄放，控制整个过电压期间直流母线电压维持在安全范围内；闭锁RSC的PWM输出信号，对风机进行保护，同时，在风电场并网点投运集中式SVG吸收无功，通过风电机组-SVG协同控制，集中式SVG直流母线电压运行值跟随高电压故障深度自适应提高。

2.如权利要求1所述穿越方法，其特征在于，所述过电压判据λ的计算方法包括以下步骤：

11)确定风机直流母线电压；

12)根据风机并网点额定相电压确定PMSG直流母线电压最小值：

13)确定PMSG直流母线电压理论最大值；

14)根据PMSG直流母线电压最小值U_dcmin以及PMSG直流母线电压理论最大值U_dcmax计算出风机过电压的判据λ：λ＝U_dcmax/U_dcmin。

3.如权利要求2所述穿越方法，其特征在于，所述PMSG直流母线电压最小值U_dcmin为:

U_dcmin＝U_sN×2.34，

U_d＝2.34U_sNcosα，

式中，U_sN为风机并网点额定相电压，U_d为整流后风机直流母线电压，α表示触发角。

4.如权利要求2所述穿越方法，其特征在于，所述PMSG直流母线电压理论最大值U_dcmax为：

U_dcmax＝U_dcN×1.1

式中，U_dcN为PMSG直流母线电压额定值。

5.如权利要求1所述穿越方法，其特征在于，所述正常运行模式时风机转子侧变流器按最大功率点跟踪控制设定其有功、无功电流指令，GSC按单位功率因数运行；同时在正常运行模式不投运集中式SVG。

6.如权利要求1所述穿越方法，其特征在于：所述浅度高电压穿越运行模式时，在过电压初始阶段和恢复阶段，利用直流撬棒对过电压初始和结束时瞬间产生的功率冲击进行能量泄放；在过电压持续阶段，控制风机有功功率降为0；同时根据并网导则控制风机GSC向故障电网注入感性无功电流，其无功电流注入的幅度按电网电压每骤升1％注入2％的比例设定，并在浅度高电压穿越运行模式不投运集中式SVG。

7.如权利要求1所述穿越方法，其特征在于，所述深度高电压穿越运行模式时，集中式SVG直流母线电压值跟随过电压程度自适应提高的方法为：

集中式SVG直流母线电压值U_{dc_SVG}与过电压深度β需满足以下函数关系：

针对过电压深度为β，且β＞λ的情况，为防止SVG变流器过调制或满调制，随过电压提升0.1p.u.，U_{dcN_SVG}对应提高0.1U_{dcmin_SVG}伏，但不超过SVG直流电容的最大耐压值U_dcf；如果SVG变流器采用PWM型逆变器，集中式SVG直流母线电压值最小值U_{dcmin_SVG}的计算与PMSG直流母线电压最小值的计算一致。

8.一种新能源机组高电压穿越系统，其特征在于包括：过电压判据计算模块和高电压穿越模块；

所述过电压判据计算模块实时检测风电场并网点电压，根据该电压和风机变流器直流侧电容的运行电压值计算出过电压判据；

所述高电压穿越模块根据风电场并网点电压与过电压判据的关系确定风机运行模式，实现电网宽范围过电压期间风电机组的高电压穿越；

所述风机运行模式确定方法为：

当1p.u.≤U_s≤1.1p.u.时，风机处于正常运行模式，U_s为风电场并网点电压；

当1.1p.u.≤U_s≤λ时，风机处于浅度高电压穿越运行模式；

当U_s＞λ时，风机处于深度高电压穿越运行模式；

所述深度高电压穿越运行模式时，风机GSC不控整流，失去主动无功支撑能力；在整个故障过程中投入直流撬棒对能量进行持续泄放，控制整个过电压期间直流母线电压维持在安全范围内；闭锁RSC的PWM输出信号，对风机进行保护，同时，在风电场并网点投运集中式SVG吸收无功，通过风电机组-SVG协同控制，集中式SVG直流母线电压运行值跟随高电压故障深度自适应提高。

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