CN111934326A - 一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法及系统，属于风力发电控制技术领域。本发明方法，包括：对风力发电机组进行实时监测，获取监测信息；对风电机组的机端电压与预设的电压阈值，及风电机组机端电压的变化率与预设的变化率阈值进行对比，获取对比结果；根据对比结果对风电机组的变流器及低压电抗器进行控制，完成对风力发电机组高电压穿越的协调控制。本发明可应用于所有风力发电厂，覆盖范围广，相对于风力发电机组本体改造，实现方便、投资小、效果更加显著。

Description

一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电控制技术领域，并且更具体地，涉及一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法及系统。
背景技术
大规模远距离输电是解决大型清洁能源消纳和防治大气污染的重要举措，但是大规模清洁能源发电的自身特点也给电网的安全稳定运行带来了一系列的挑战，如清洁能源发电机组的高低压穿越问题，尤其是风电机组的高压穿越问题难以解决，严重制约了电网的安全以及新能源的送出。
近年来，随着风力发电机组单机容量的不断增大和总装机容量在电网中所占比例的快速提高，世界各国纷纷出台风电并网导则，对并网风电机组的稳定性、可靠性提出了日益严格的要求。其中难度较大、技术要求相对较高的当属电网电压跌落或骤升故障下的故障穿越运行。
与技术相对成熟的低电压穿越不同，目前针对电网电压骤升故障下风电机组运行与控制的研究及工程实践还比较少。近年来，发生的几次风电大规模脱网事故以及相关的研究表明，在电网故障消除后的电压恢复阶段，风电场并网接入的高压线路可能发生过电压，风场负载的突降、大容量电容补偿器的投入也会引起电网电压的骤升，并随即引起风电场脱网。
当新能源分布在距离负荷中心较远的地区时，大规模新能源一般采用常规高压或特高压直流集中送出。但是由于特高压直流存在换相失败问题，而且由于直流输电距离远、跨越地域比较广，换相失败时有发生。在换相失败期间，交流电网将产生大量的无功盈余，交流母线电压骤升，最高有可能达到1.3pu，送端交流电网风机会发生大面积脱网；当直流换相恢复后直流功率将恢复运行，送端电网功率不平衡，系统频率将大幅跌落，有可能会损失大量负荷，对电网安全运行造成很大影响。
目前还尚没有提出针对由于电网扰动故障(包括交流故障和直流故障)引起风电机组端口电压骤升进而造成大规模风电机组脱网的有效工程解决方案，导致新能源发电无法有效消纳，交直流输电通道能力受限。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法，包括：
对风力发电机组进行实时监测，获取监测信息；
监测信息，包括：风电机组的机端电压和风电机组机端电压的变化率；
对风电机组的机端电压与预设的电压阈值，及风电机组机端电压的变化率与预设的变化率阈值进行对比，获取对比结果；
根据对比结果对风电机组的变流器及低压电抗器进行控制，完成对风力发电机组高电压穿越的协调控制。
可选的，预设的电压阈值，包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，且第二阈值大于第一阈值和第三阈值。
可选的，根据对比结果对风电机组的变流器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第一阈值时，启动第一外部控制器，且风电机组的机端电压达到或超过预设的电压阈值的时间T大于或等于风电机组变流器无功控制确认时间的延时时间时，控制第一外部控制器确认控制指令，并向风电机组变流器发送无工启动控制指令，待风电机组变流器根据无功启动控制指令启动后，控制风电机组变流器在电网吸收感性无功功率。
可选的，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第二阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器投入确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，并控制低压电抗器在电网吸收感性无功功率；
第二外部控制器为基于晶闸管投切的控制器。
可选的，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，还包括：
当风电机组的机端电压小于第三阈值，且风电机组机端电压的变化率小于变化率阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器切除确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，切断晶闸管双向开关，控制低压电抗器退出运行。
本发明还提出了一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的系统，包括：
监测模块，对风力发电机组进行实时监测，获取监测信息；
所述监测信息，包括：风电机组的机端电压和风电机组机端电压的变化率；
对比模块，对风电机组的机端电压与预设的电压阈值，及风电机组机端电压的变化率与预设的变化率阈值进行对比，获取对比结果；
协调控制模块，根据对比结果对风电机组的变流器及低压电抗器进行控制，完成对风力发电机组高电压穿越的协调控制。
可选的，预设的电压阈值，包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，且第二阈值大于第一阈值和第三阈值。
可选的，协调控制模块，根据对比结果对风电机组的变流器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第一阈值时，启动第一外部控制器，且T大于或等于风电机组变流器无功控制确认时间的延时时间时，控制第一外部控制器确认控制指令，并向风电机组变流器发送无工启动控制指令，待风电机组变流器根据无功启动控制指令启动后，控制风电机组变流器在电网吸收感性无功功率。
可选的，协调控制模块，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第二阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器投入确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，并控制低压电抗器在电网吸收感性无功功率；
第二外部控制器为基于晶闸管投切的控制器。
可选的，协调控制模块，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，还包括：
当风电机组的机端电压小于第三阈值，且风电机组机端电压的变化率小于变化率阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器切除确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，切断晶闸管双向开关，控制低压电抗器退出运行。
本发明在风电机组出口装设可通过晶闸管开关可快速投切的低压电抗器，实现变流器无功控制和低压电抗器投切控制策略的协调配合，解决了因大电网内发生的扰动故障引起系统母线电压骤升、进而导致同时风电场风电机组出口电压瞬时升高而脱网的问题，可应用于所有风力发电厂，覆盖范围广，相对于风力发电机组本体改造，实现方便、投资小、效果更加显著。
附图说明
图1为本发明一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法流程图；
图2为本发明一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法实施例低压电抗器结构示意图；
图3为本发明一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法实施例流程图；
图4为本发明一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法，如图1所示，包括：
对风力发电机组进行实时监测，获取监测信息；
监测信息，包括：风电机组的机端电压和风电机组机端电压的变化率；
对风电机组的机端电压与预设的电压阈值，及风电机组机端电压的变化率与预设的变化率阈值进行对比，获取对比结果；
根据对比结果对风电机组的变流器及低压电抗器进行控制，完成对风力发电机组高电压穿越的协调控制。
可选的，预设的电压阈值，包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，且第二阈值大于第一阈值和第三阈值。
根据对比结果对风电机组的变流器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第一阈值时，启动第一外部控制器，且T大于或等于风电机组变流器无功控制确认时间的延时时间时，控制第一外部控制器确认控制指令，并向风电机组变流器发送无工启动控制指令，待风电机组变流器根据无功启动控制指令启动后，控制风电机组变流器在电网吸收感性无功功率。
其中，T为风电机组的机端电压达到或超过预设的电压阈值时的开始计时的时间指令信号。
根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第二阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器投入确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，并控制低压电抗器在电网吸收感性无功功率；
第二外部控制器为基于晶闸管投切的控制器。
根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，还包括：
当风电机组的机端电压小于第三阈值，且风电机组机端电压的变化率小于变化率阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器切除确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，切断晶闸管双向开关，控制低压电抗器退出运行。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
如图2所示，为基于晶闸管开关投切的低压电抗器结构示意图，在风力发电机端装设基于晶闸管开关投切的低压电抗器；
基于晶闸管开关投切的低压电抗器包括：晶闸管双向开关、低压电抗器、控制回路，其中晶闸管双向开关一端(W)直接T接在风电机组出口线路或母线上，另一端(S)直接与低压电抗器串接，低压电抗器一端直接与晶闸管双向开关S端连接，另一端接地，控制回路与晶闸管双向开关S端和G端连接构成控制回路，实现低压电抗器的投入和退出，晶闸管双向开关的导通(低压电抗器投入)速度不大于10毫秒、晶闸管双向开关的关断(低压电抗器退出)时间不大于50毫秒。
如图3所示，充分利用风力发电机组本体变流器的无功功率快速控制能力，与低压电抗器协调配合实现对风电机组机端高电压的抑制，具体步骤包括：
针对因大电网内发生的扰动故障引起风电机组出口电压瞬时升高并超过其过压保护定值而脱网的问题，采用协调控制风力发电机组变流器与快速投切电抗器的方式抑制风电机组端口电压；
对风电机组变流器进行快速控制，当电压升高到指定阈值时快速启动变流器无功控制，使其从电网吸收感性无功功率；
在风电机组出口装设一定容量的电抗器，当电压升高到指定阈值时快速投入电抗器，使其从电网吸收感性无功功率；
当风电机组机端电压骤升时，第一外部控制器优先对变流器进行控制，当机组电压继续上升时再进一步控制低压电抗器，当端口电压降低时需要退出低压电抗器，进而保证风电机组端口电压保持在不会触发保护动作的合理范围内。
采用外部控制器对风电机组的变流器和装设在风电机端的低压电抗器进行联合控制，以风电机组保护PT(电压互感器)的实时测量电压为控制器的输入量；
针对风电机组的变流器设置第一外部控制器，控制器的输入量是保护PT的测量电压，控制器的输出是给变频器直接发送无功控制指令，控制器内设置启动判别逻辑，实现对机端端口电压的平滑控制，当U≥Uth1时启动风电机组变流器无功功率控制系统，当T≥T1控制器确认控制指令，向变流器发送无功启动控制指令，实现对风电机端电压的平滑控制，整个控制过程不超过20毫秒，Uth1表示风电机组机端电压的第一阈值，T1表示风电机组变流器无功控制确认时间延时。
在风电机组变流器第一外部控制器进行无功功率控制的基础上，针对装设在风电机组端口装设的一次设备—低压电抗器进行补充控制，即快速头切低压电抗器，针对低压电抗器同样设置第二外部控制器，其输入量为PT测量电压(可与风电机组变流器外部控制器输入信号共享)，当变流器无功控制后机端测量电压仍持续快速升高时，并达到门槛值则投入低压电抗器，当U≥Uth2时启动基于晶闸管投切的第二外部控制器，当T≥T2控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，Uth2表示风电机组机端电压的第二阈值，T2表示低压电抗器投入的确认时间延时，其中Uth2＞Uth1。
当系统扰动消失后系统电压会恢复正常，此时低压电抗器的投入会导致系统电压跌落，因此针对低压电抗器需要设置退出控制环节。
当U＜Uth3、电压变化率KU＜Kth、且确认时延时T＞T3时，启动基于晶闸管投切的第二外部控制器，关断晶闸管双向开关，快速将低压电抗器退出运行，以保证扰动后不会出现低电压。
低压电抗器的投切不会对风电机组和交流电网造成谐波干扰，在低压电抗器投入运行阶段不会引起风电机组端口暂态电压超过机组低电压保护动作定值、不会使端口电压稳态值低于0.95pu。
对风电机组的变流器外部无功控制器与PT测量端、机组变流器之间的通信需要实现专用直联光纤通道，从PT测量出口到变流器接收到控制指令所需要的时间延迟不超过10毫秒，整个控制过程不超过20毫秒；
针对低压电抗器的控制系统，采用晶闸管双向投切开关与电抗器串联的结构形式，并联在风力发电机组的出口处，晶闸管开关对串联的低压电抗器进行快速的投入和切除，投切速度不大于10毫秒；
低压电抗器的投切不会对风电机组和交流电网造成谐波干扰，在低压电抗器投入运行阶段不会引起风电机组端口暂态电压超过机组低电压保护动作定值、不会使端口电压稳态值低于0.95pu。
本发明还提出了一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的系统200，如图4所示，包括：
监测模块201，对风力发电机组进行实时监测，获取监测信息；
监测信息，包括：风电机组的机端电压和风电机组机端电压的变化率；
对比模块202，对风电机组的机端电压与预设的电压阈值，及风电机组机端电压的变化率与预设的变化率阈值进行对比，获取对比结果；
协调控制模块203，根据对比结果对风电机组的变流器及低压电抗器进行控制，完成对风力发电机组高电压穿越的协调控制。
预设的电压阈值，包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，且第二阈值大于第一阈值和第三阈值。
协调控制模块203，根据对比结果对风电机组的变流器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第一阈值时，启动第一外部控制器，且T大于或等于风电机组变流器无功控制确认时间的延时时间时，控制第一外部控制器确认控制指令，并向风电机组变流器发送无工启动控制指令，待风电机组变流器根据无功启动控制指令启动后，控制风电机组变流器在电网吸收感性无功功率。
协调控制模块203，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第二阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器投入确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，并控制低压电抗器在电网吸收感性无功功率；
第二外部控制器为基于晶闸管投切的控制器。
协调控制模块203，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，还包括：
当风电机组的机端电压小于第三阈值，且风电机组机端电压的变化率小于变化率阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器切除确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，切断晶闸管双向开关，控制低压电抗器退出运行。
本发明针对目前由特高压直流换流站集中送出的千万千瓦级风力发电机集群由于特高压直流换相失败引起风力发电机端电压骤升而导致其大面积脱网的问题，通过优化风力发电机组变流器的无功控制策略、在风电机组出口装设可通过晶闸管开关可快速投切的低压电抗器，实现变流器无功控制和低压电抗器投切控制策略的协调配合，解决了因大电网内发生的扰动故障引起系统母线电压骤升、进而导致同时风电场风电机组出口电压瞬时升高而脱网的问题，可应用于所有风力发电厂，覆盖范围广，相对于风力发电机组本体改造，实现方便、投资小、效果更加显著。
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。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。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/或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/或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/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的方法，所述方法包括：
对风力发电机组进行实时监测，获取监测信息；
其中所述监测信息，包括：风电机组的机端电压和风电机组机端电压的变化率；
对风电机组的机端电压与预设的电压阈值，及风电机组机端电压的变化率与预设的变化率阈值进行对比，获取对比结果；
根据对比结果对风电机组的变流器及低压电抗器进行控制，完成对风力发电机组高电压穿越的协调控制。
2.根据权利要求1所述的方法，所述预设的电压阈值，包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，且第二阈值大于第一阈值和第三阈值。
3.根据权利要求1所述的方法，所述根据对比结果对风电机组的变流器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第一阈值时，启动第一外部控制器，且启动第一外部控制器后，风电机组的机端电压达到或超过预设的电压阈值时的开始计时的时间指令信号T大于或等于风电机组变流器无功控制确认时间的延时时间时，控制第一外部控制器确认控制指令，并向风电机组变流器发送无工启动控制指令，待风电机组变流器根据无功启动控制指令启动后，控制风电机组变流器在电网吸收感性无功功率。
4.根据权利要求1所述的方法，所述根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第二阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器投入确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，并控制低压电抗器在电网吸收感性无功功率；
所述第二外部控制器为基于晶闸管投切的控制器。
5.根据权利要求1所述的方法，所述根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，还包括：
当风电机组的机端电压小于第三阈值，且风电机组机端电压的变化率小于变化率阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器切除确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，切断晶闸管双向开关，控制低压电抗器退出运行。
6.一种用于协调控制风力发电机组高电压穿越的系统，所述系统包括：
监测模块，对风力发电机组进行实时监测，获取监测信息；
所述监测信息，包括：风电机组的机端电压和风电机组机端电压的变化率；
对比模块，对风电机组的机端电压与预设的电压阈值，及风电机组机端电压的变化率与预设的变化率阈值进行对比，获取对比结果；
协调控制模块，根据对比结果对风电机组的变流器及低压电抗器进行控制，完成对风力发电机组高电压穿越的协调控制。
7.根据权利要求6所述的系统，所述预设的电压阈值，包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，且第二阈值大于第一阈值和第三阈值。
8.根据权利要求6所述的系统，所述协调控制模块，根据对比结果对风电机组的变流器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第一阈值时，启动第一外部控制器，且T大于或等于风电机组变流器无功控制确认时间的延时时间时，控制第一外部控制器确认控制指令，并向风电机组变流器发送无工启动控制指令，待风电机组变流器根据无功启动控制指令启动后，控制风电机组变流器在电网吸收感性无功功率。
9.根据权利要求6所述的系统，所述协调控制模块，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，包括：
当风电机组的机端电压大于或等于第二阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器投入确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，导通晶闸管双向开关，投入低压电抗器，并控制低压电抗器在电网吸收感性无功功率；
所述第二外部控制器为基于晶闸管投切的控制器。
10.根据权利要求6所述的系统，所述协调控制模块，根据对比结果对风电机组的低压电抗器进行控制，还包括：
当风电机组的机端电压小于第三阈值，且风电机组机端电压的变化率小于变化率阈值时，启动第二外部控制器，且T大于或等于低压电抗器切除确认时间的延时时间时，控制第二外部控制器确认控制指令，切断晶闸管双向开关，控制低压电抗器退出运行。
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