CN112310978B - 一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法 - Google Patents

一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法，通过引入相位反馈设计频率控制器，对q轴电压进行控制，有效维持故障情况下交流频率的稳定，极大地消除了由于交流电压控制系统暂态波动导致的频率过高或过低的情况，使交流电压控制系统能够达到预期的控制效果，提高系统运行的稳定性。本发明所提供的方法当系统稳定时投入交流电压控制系统，当频率波动超出阈值后投入频率控制系统，当系统频率满足要求后再切换到交流电压控制系统中，可在系统发生故障后迅速维持频率的稳定，且在频率稳定后能精确地控制交流电压幅值，避免频率控制器中相位由于长时间频率积分而存在的直流偏置影响交流电压幅值。

Description

一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法
技术领域
本发明属于大功率电力电子变流技术领域，尤其是涉及一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法。
背景技术
风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具开发潜力的发电方式之一，海上风电经过若干年的发展已经成为可再生能源的重要组成部分。随着海上风电场装机容量增大，风电场离岸距离越来越远，采用传统高压交流输电将面临高损耗、高成本的挑战，并且受充电功率限制，输送距离难以超过80 km。应用柔性直流输电技术VSC-HVDC将海上风电并入电网中，具备不受距离限制、占地小、可潮流翻转、损耗小、成本低等优势，在现有的VSC-HVDC的拓扑中，模块化多电平换流器MMC凭借其控制灵活、谐波含量低、扩展性强等优势，在海上风电送出中有着极大的优势。
传统交流系统主要由同步发电机以及各类电动机组成，交流电压由同步机内电势决定，频率与电机转速密切相关，由系统有功功率的平衡决定。海上风电场往往是一个孤岛系统，其交流电压由海上换流站建立，通常交流电压的幅值由其dq轴双环控制器建立，交流电压的相位由晶振给出。当海上风电场发生故障后，海上交流系统的电压幅值和频率都会发生比较大的波动，而目前对海上交流系统频率的研究较少。
为此，亟需提供一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法，其特征在于：所述基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法包括如下步骤：
S1、实时监测并记录海上风电场交流系统频率f，执行S2；
S2、判断实测频率f与额定频率f 0 差值的绝对值是否超出裕度f t ；如果没有超出裕度，海上交流电压控制系统保持投入交流电压控制系统，返回S1；如果超出裕度f t ，则执行S3；
S3、将海上交流电压控制系统切换为频率控制系统，并运行时间T0后，执行S4；
S4、判断运行T0时间段后，该时刻实测频率f与额定频率f 0 差值的绝对值是否超出裕度f t ，如果超过了，则返回S3；如果没有超过，执行S5；
S5、对前一段T0时间段内实测频率f进行查表，找出最大值f max 与最小值f min ，并判断与额定频率f 0 差值的绝对值是否超出裕度f t ；如果同时超过了，则返回S3；如果没有同时超过，执行S6；
S6、将海上交流电压控制系统切换为交流电压控制系统，返回S1；
交流电压控制系统的控制结构为基于旋转坐标系下的d轴控制器与q轴控制器，d轴或者q轴控制器均采用电压外环、电流内环双环控制结构；外环控制交流电压d轴或者q轴的分量，其指令值大小为额定相电压幅值Usref，指令值与实际值的差值经过PI控制器，输出值为内环d轴或者q轴电流指令；内环控制d轴或者q轴电流的大小，电流指令与实际电流的差值经过PI控制器，输出值为输出电压d轴或者q轴分量指令；输出指令传递到阀侧经过调制、电容电压排序、子模块投切，控制交流电压的幅值与初始角度；交流电压控制系统的相位由晶振给出，晶振输出值为额定频率f 0 的积分结果；
频率控制系统包括交流电压控制系统和频率控制器，所述频率控制器设置在交流电压控制系统的q轴控制器的电压外环控制器前，以用于维持控制系统交流电压控制能力的前提下，实现对频率的反馈抑制，具体地，所述频率控制器通过以下步骤实现：
（1）采集并记录交流电压控制系统内PCC处的交流电压频率，积分得到交流电压的相位；
（2）所得相位减去系统晶振输出的交流电压参考相位，得到实际系统与参考电压之间的相位差，其中晶振输出相位在投入时应将初值置为0；
（3）相位差经过PI比例积分控制器为频率控制器的输出值，作为交流电压控制系统的输入值。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：步骤S2中所涉及的频率波动阈值f t 由海上交流风电场系统的稳定运行的频率范围要求确定，如风电场稳定运行的频率范围是f 0 ±f a ，则阈值f t = f a 。
作为本发明的优选技术方案：步骤S3中所涉及的时间段T0由系统频率波动情况决定，海上风电场频率波动呈现衰减振荡的特性，T0最少为一个周期。
作为本发明的优选技术方案：T0=0.1s，以充分体现频率波动情况，准确检测出频率是否符合要求，又能较快地恢复到交流电压控制系统中维持系统的稳定运行。
与现有技术相比，本发明所提供的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法具有如下有益效果：
（1）本发明所提供的方法通过引入相位反馈设计频率控制器，对q轴电压进行控制，有效维持故障情况下交流频率的稳定，极大地消除了由于交流电压控制系统暂态波动导致的频率过高或过低的情况，使交流电压控制系统能够达到预期的控制效果，提高系统运行的稳定性。
（2）本发明提出了频率控制方法，当系统稳定时投入交流电压控制系统，当频率波动超出阈值后投入频率控制系统，当系统频率满足要求后再切换到交流电压控制系统中，可在系统发生故障后迅速维持频率的稳定，且在频率稳定后能精确地控制交流电压幅值，避免频率控制器中相位由于长时间频率积分而存在的直流偏置影响交流电压幅值。
（3）本发明仅仅改变了交流电压控制系统的q轴控制器的结构，不需要额外的硬件成本，不需要进行远程通信。
附图说明
图1本发明所提供的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法流程图。
图2为本发明提供的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制系统。
图3为海上风电场交流电压控制系统。
图4为海上输电线路发生三相短路故障时未采用本发明的频率控制方法时的系统频率特性图。
图5为海上输电线路发生三相短路故障时采用本发明的频率控制方法时的系统频率特性图。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明的海上风电场频率控制方法包含如下S1~S6六个步骤，具体内容如下所示：
S1、实时监测并记录海上风电场交流系统频率f，执行S2；
S2、判断实测频率f与额定频率f 0 差值的绝对值是否超出裕度f t ；如果没有超出裕度，海上交流电压控制系统保持投入交流电压控制系统，返回S1；如果超出裕度f t ，则执行S3；
S3、将海上交流电压控制系统切换为频率控制系统，并运行时间T0后，执行S4；
S4、判断运行T0时间段后，该时刻实测频率f与额定频率f 0 差值的绝对值是否超出裕度f t ，如果超过了，则返回S3；如果没有超过，执行S5；
S5、对前一段T0时间段内实测频率f进行查表，找出最大值f max 与最小值f min ，并判断与额定频率f 0 差值的绝对值是否超出裕度f t ；如果同时超过了，则返回S3；如果没有同时超过，执行S6；
S6、将海上交流电压控制系统切换为交流电压控制系统，返回S1。
本发明的应用逻辑包括判断、交流电压控制系统投切及频率控制系统投切。
判断的目的是确定是否需要切换控制系统，包括两种情况。第一种情况是运行于交流电压控制系统下的判断，主要目的是确定系统频率波动是否超出正常运行范围及是否需要立刻采取频率抑制措施，对应步骤S2；第二种情况是运行于频率控制系统下的判断，主要目的是确定频率波动是否得到抑制，系统频率是否在正常运行范围内及是否可以恢复到交流电压控制系统中，对应步骤S4与S5。
方法是检测和判断。利用交流系统中自带的频率检测装置，如DFT频率数字测量装置、锁相环装置等对电压控制点的频率进行检测，如图2中的频率检测单元所示，分析并判断是否需要切换控制器。此部分检测方法是现有技术。
交流电压控制系统的目的是控制公共连接点（Point of Common Couple, PCC）处的交流电压幅值与频率，方法是采用dq双环控制器，如图3中所示，在系统较为稳定的情况下采用交流电压控制系统可以更精确地控制交流电压幅值。此部分对应步骤S1与S6。此部分控制系统为现有技术。
频率控制系统是本发明的主要内容之一。目的是针对交流电压控制系统不能解决的频率波动问题进行抑制。方法是改变交流电压控制系统q轴控制器的部分结构，在q轴外环控制器前增加频率控制器，实现频率环、电压环、电流环三环控制。功能是在维持控制系统交流电压控制能力的前提下，实现对频率的反馈抑制。此部分对应步骤S3。
本发明的频率控制系统是改变交流电压控制系统的控制结构，如图2所示，频率控制系统包括两部分组成：频率控制器与交流电压控制系统。其结构、连接关系、工作原理如下：
1）MMC交流电压控制系统，如图3。其控制结构为基于旋转坐标系下的d轴控制器与q轴控制器，dq轴控制器均采用电压外环、电流内环双环控制结构。外环控制交流电压d轴（q轴）分量，其指令值大小为额定相电压幅值Usref（0），指令值与实际值的差值经过PI控制器，输出值为内环d轴（q轴）电流指令；内环控制d轴（q轴）电流的大小，电流指令与实际电流的差值经过PI控制器，输出值为MMC输出电压d轴（q轴）分量指令；输出指令传递到MMC阀侧经过调制、电容电压排序、子模块投切，控制交流电压的幅值与初始角度。系统的相位由晶振给出，晶振输出值为额定频率f 0 的积分结果。
2）频率控制器，如图2。其控制原理为：
①采集并记录PCC处的交流电压频率，积分得到交流电压的相位；
②所得相位减去系统晶振输出的交流电压参考相位，得到实际系统与参考电压之间的相位差，其中晶振输出相位在投入时应将初值置为0；
③相位差经过PI比例积分控制器为频率控制器的输出值，即图2中的U f_control 。
3）频率控制系统。将交流电压控制系统中q轴电压指令改为频率控制器的输出值，将频率进行反馈控制有效抑制频率波动。
步骤S2中频率波动阈值f t 由海上交流风电场系统的稳定运行的频率范围要求确定，如风电场稳定运行的频率范围是f 0 ±f a ，则阈值f t = f a 。
步骤S3中T0由频率波动情况决定，通常海上风电场频率波动呈现衰减振荡的特性，振荡带宽为10Hz级别，因此，取T0=0.1s。
需要说明的是，实际基于柔性直流输电的海上风电系统较为复杂，有多种可能出现的工况，本发明的仿真验证仅调试一种可能出现的情况进行研究，并不限于该工况。图4是未采用本发明提出的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制器及控制方法时，1s时输电线路在发生三相短路后系统频率的暂态特性，频率波动的最大幅值达到了0.43Hz，且频率在0.4 s后才能够恢复正常；图5是采用本发明提出的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制器及控制方法时，1 s时输电线路在发生三相短路后系统频率的暂态特性，频率波动的最大幅值仅为0.057 Hz，且频率在0.3 s后就够恢复正常，极大地提高了系统频率稳定性。
有必要说明的是：本发明所提出的基于柔性直流输电的海上风电场频率控制方法不仅适用于MMC，也适用于其他的电压源性换流器；此外，本发明中并不包含交流电压控制系统和频率控制系统两个控制系统，而是仅包含一个频率控制系统，且频率控制系统由交流电压控制系统和频率控制器组成。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法，其特征在于：所述基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法包括如下步骤：
S1、实时监测并记录海上风电场交流系统频率f，执行S2；
S2、判断实测频率f与额定频率f0差值的绝对值是否超出裕度ft；如果没有超出裕度，海上交流电压控制系统保持投入交流电压控制系统，返回S1；如果超出裕度ft，则执行S3；
S3、将海上交流电压控制系统切换为频率控制系统，并运行时间T0后，执行S4；
S4、判断运行T0时间段后，T0时刻实测频率f与额定频率f0差值的绝对值是否超出裕度ft，如果超过了，则返回S3；如果没有超过，执行S5；
S5、对前一段T0时间段内实测频率f进行查表，找出最大值fmax与最小值fmin，并判断与额定频率f0差值的绝对值是否超出裕度ft；如果同时超过了，则返回S3；如果没有同时超过，执行S6；
S6、将海上交流电压控制系统切换为交流电压控制系统，返回S1；
交流电压控制系统的控制结构为基于旋转坐标系下的d轴控制器与q轴控制器，d轴或者q轴控制器均采用电压外环、电流内环双环控制结构；外环控制交流电压d轴或者q轴的分量，其指令值大小为额定相电压幅值Usref，指令值与实际值的差值经过PI控制器，输出值为内环d轴或者q轴电流指令；内环控制d轴或者q轴电流的大小，电流指令与实际电流的差值经过PI控制器，输出值为输出电压d轴或者q轴分量指令；输出指令传递到阀侧经过调制、电容电压排序、子模块投切，控制交流电压的幅值与初始角度；交流电压控制系统的相位由晶振给出，晶振输出值为额定频率f0的积分结果；
频率控制系统包括交流电压控制系统和频率控制器，所述频率控制器设置在交流电压控制系统的q轴控制器的电压外环控制器前，以用于维持控制系统交流电压控制能力的前提下，实现对频率的反馈抑制，具体地，所述频率控制器通过以下步骤实现：
(1)采集并记录交流电压控制系统内PCC处的交流电压频率，积分得到交流电压的相位；
(2)所得相位减去系统晶振输出的交流电压参考相位，得到实际系统与参考电压之间的相位差，其中晶振输出相位在投入时应将初值置为0；
(3)相位差经过PI比例积分控制器为频率控制器的输出值，作为交流电压控制系统的输入值。
2.根据权利要求1所述的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法，其特征在于：步骤S2中所涉及的频率波动阈值ft由海上交流风电场系统的稳定运行的频率范围要求确定。
3.根据权利要求1所述的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法，其特征在于：步骤S3中所涉及的时间段T0由系统频率波动情况决定，海上风电场频率波动呈现衰减振荡的特性，T0最少为一个周期。
4.根据权利要求3所述的基于柔性直流输电并网的海上风电场频率控制方法，其特征在于：T0＝0.1s。
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