CN113517719A - 一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明针对高比例新能源电力系统频繁发生故障扰动导致风电机组脱网事故，暴露出风机故障穿越性能较差的问题，提出一种基于动态无功支撑的全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略。通过分析网侧逆变器矢量控制原理，在相关标准要求基础上，根据交流侧最大电压和最大电流等限制将并网点暂态过电压划分为四个等级，分别确定不同等级段内有功、无功电流参考值，利用滤波电感分压作用缓冲过电压冲击，并在直流侧加装储能以平抑母线有功不平衡波动。该策略在仅增加储能设备的基础上通过改进网侧逆变器控制，既满足了变流器电压矢量控制要求，又增加了风机向电网注入的无功支撑电流，提升了风电机组故障穿越的稳定性和经济性。

Description

一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略

技术领域

本发明涉及风电机组网侧逆变器控制领域，特别涉及一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略。

背景技术

风力发电近几十年在世界范围内得到了快速推广，随着风电装机比例的不断提高，源荷分布不均导致的“弱电网”特性越来越明显，当发生各类故障时，电网易引发频率和电压的大幅波动振荡。其中，由于电网出现暂态过电压而触发风机脱网的事件频发，严重的甚至导致连锁反应，引起大停电事故。

研究现状表明，电网过电压往往是间接诱因所导致。在特高压交流输电工程中，当系统出现交流短路故障时，引发送端电压跌落，触发风机低电压穿越，风电场无功补偿装置增发容性无功，随着故障消除电压瞬间恢复，而补偿装置响应延迟滞后不能及时切除，引发电网高电压，个别情景还会出现随着风机有功功率的恢复，无功消耗增多，电压再次跌落，引发反复高低振荡，触发脱网。

探究其更深层次的本质原因，可以概括为：集中式风电场经长距离输电线路“弱支撑”并网，若在风电高功率运行工况下发生轻微故障，由于缺乏大电网支撑和本地有效调节，在连锁反应下演化发展为严重故障，造成风机相继脱网甚至大停电事故，威胁主网安全稳定运行。

在对暂态过电压产生机理进行深入分析的基础上，研究人员设计制定了相应高电压故障穿越的策略，整体可划分为机组层面和场站层面两类。

对于风电机组，主要是利用其自身的调节能力提高故障穿越水平。有文献深入讨论了电网电压骤升后双馈风电机组网侧和转子侧变流器有功、无功功率分配原则，在此基础上提出了一种可实现动态无功支撑的高电压穿越控制方案，以此加快电压恢复；有文献通过“比例-谐振控制”、“虚拟阻抗”等基于控制策略优化的方法，利用线路电抗分压以降低机组所受的过电压冲击；有文献提出了一种利用网侧变流器消磁控制来抑制内部电压饱和；有文献提出一种有功减载方法扩大了直驱风机无功支撑能力，并对有功减载的方法进行了详细介绍。

对于风电场和变流站层面，通常涉及利用额外的无功功率调节设备。有文献提出利用换流站内常规滤波器和固定电容的投切改善无功平衡，并在此基础上增加静止无功补偿器，通过和常规无功补偿装置配合，优化容量配置方案；有文献利用静止同步补偿器、调相机等设备，依据电压变化进行定量设计补偿，并可利用调相机等手段提高短路容量；有文献则致力于充分利用风电机组、风电场与换流站内各类无功调节设备，通过统一协调控制来提高交流系统的无功响应能力。这些方案的整体控制性能较为优越，但是投资成本高，改造工期长，控制稳定性有待验证，且实际运行中动态无功补偿装置往往不具备故障穿越能力，故障期间可能先于风机脱网。

从系统场站角度提升故障穿越能力的方案虽然研究成果较为丰富，但是实际可操作性较差，而按照风机并网导则要求，机组应具备功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调。因此充分发挥、完善风机本身的无功支撑能力对于电力系统稳定性具有重要意义。

本专利针对永磁直驱风电机组，提出一种基于动态无功支撑的全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略。通过分析网侧逆变器矢量控制原理，利用滤波电感分压作用缓冲过电压冲击，必要时在直流侧加装储能以平抑母线有功不平衡波动。该策略在仅增加储能设备的基础上通过改进网侧逆变器控制，既满足了变流器电压矢量控制要求，又增加了风机向电网注入的无功支撑电流，提升了风电机组故障穿越的稳定性和经济性。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略。具体技术方案如下。

一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略，其特征在于：所述策略在电网故障状态下且并网点电压升高时，风机运行在高电压故障穿越模式，根据高电压穿越控制的电压范围、受脉宽调制限制的交流电压幅值上限、受变流器容量限制的最大电流以及网侧有功输出电流限制等条件将并网点暂态过电压V_pcc划分为四个等级，分别确定不同等级段内有功、无功电流参考值；段A的电压范围为(1.1p.u.,V₁]，高电压穿越模式启动，网侧变流器控制的无功电流为标准要求；段B的电压范围为(V₁,V₂]，交流电压幅值达到上限，在标准的基础上额外增加无功电流；段C的电压范围为(V₂,1.3p.u.]，网侧变流器输出电流保持最大值，增加无功电流的同时减小有功电流分量；段D的电压范围为(1.3p.u.,V₃]，网侧有功输出功率明显减小，为进一步提高机组耐压范围，利用储能平抑功率不平衡波动。

段A的电压幅值增加较小，按照国家标准要求注入动态无功可以满足要求，为分析方便，近似认为有功电流保持在额定值I_N，动态无功电流为：

I_gq＝K₂(V_pcc-1.1)×I_N

随着电网电压的升高，网侧的无功电流随之增加，滤波电感上的压降增大，网侧变流器输出电压V_e增加，受脉宽调制限制，当并网点电压达到V₁时，出口电压达到上限V_emax，V₁的计算公式为：

段B的电压变化幅值较高，网侧变流器输出电压已达到上限V_emax，需要在V₁点无功电流的基础上额外增加无功以满足需求，计算公式为：

此时有功输出电流与段A相同，无功电流增加，当并网点电压达到V₂时，网侧变流器交流侧电流达到最大电流值，V₂的计算公式为：

段C范围内变流器交流侧电流达到最大值，通过减小有功电流来增加无功电流的幅值，当电网电压不大于1.3p.u.时，网侧有功输出依然能维持在额定值附近，不影响系统功率流动平衡，此时有功电流与段B相同，无功电流为：

段D范围内网侧变流器无功电流参考值与段C保持一致，但随着电网电压升高，网侧有功输出电流进一步减小，参考值为：

此时功率不平衡较为严重，接入储能装置以稳定母线电压，其控制方程为：

理论上，当网侧有功电流降为0时达到控制极限，此时暂态过电压的极限值V₃为：

本发明的有益效果是：在仅增加储能设备的基础上通过改进网侧逆变器电流控制，既满足了变流器电压矢量控制要求，又增加了风机向电网注入的无功电流，保证在设计电压范围内机组的无功支撑能力和有功平衡，以维持其不脱网运行，提升了风电机组故障穿越的稳定性和经济性。

附图说明

图1为网侧变流器控制矢量图。

图2为全功率变换变流器风机结构及高电压穿越控制示意图。

图3为电网电压升高至1.3p.u.时采用传统控制下的仿真波形图。

图4为电网电压升高至1.3p.u.时采用设计控制下的仿真波形图。

图5为电网电压升高至1.33p.u.时采用设计控制下的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

当电网发生高电压故障时，受到电压冲击以及做出故障穿越响应的主要是网侧变流器，本发明依据网侧变流器工作原理，以在高功率运行下的永磁直驱同步机组经L型滤波器并网模型为例介绍控制策略。

网侧逆变器多采用基于电网电压定向的矢量控制，即并网点电压d、q轴分量分别为 V_pccd＝V_pcc、V_pccq＝0，稳态下其在d/q坐标系下的方程为：

式中，V_pcc是并网点电压，V_e是变流器输出电压，I_g是注入电网电流，ω_g是电网角速度，R、L分别是滤波电阻和电感，d、q角标代表d、q轴分量。考虑ω_gL/R＞＞50，为简化分析，忽略电阻R的作用，得到：

网侧变流器交流侧输出电压与直流侧电压存在如下关系：

式中，m_d、m_q分别为变流器在d/q坐标系下的幅值调制比，取值范围为(-1,1)；λ为与调制方式有关的定值，对于SPWM调制，λ＝1，对于SVPWM调制，

由该式可知，受脉宽调制限制，交流侧电压幅值存在上限V_emax，本设计以SPWM为例，有：

风电机组故障穿越标准《GB/T 36995-2018》要求：当并网点电压正序分量在标称电压的110％～130％之间时，风电场应能够从电力系统吸收动态无功电流支撑电压恢复，风电场吸收的动态无功电流增量应响应并网点电压变化，满足下式：

I_gq＝K₂(V_pcc-1.1)×I_N

式中，K₂是风电场动态无功电流比例系数，其取值范围应大于1.5。

按上述标准要求，当电网电压升高时，网侧变流器需要提供无功支撑。电网电压升高后，网侧吸收无功电流，有功电流保持在I_N(实际中因为电压升高，电流会随之相应降低，但当超过变流器的有效控制范围后，电流则保持原值不变，为了分析方便，近似认为I_gd＝I_N)， I_g增大，电感压降V_L随之增大，电感的分压作用增强，其电压矢量末端由电网电压V_pcc的正上方向左平移。当电网电压达到V₁时，变流器输出电压V_e到达最大调节能力V_emax，参阅图1 网侧变流器控制矢量图。若电网电压继续升高，变流器输出电压V_e超过最大调节能力V_emax，变流器控制不足以维持稳定。

因此，控制段A的电压范围为(1.1p.u.,V₁]，在ΔOA₁V₁中有：

根据上式求得：

到达最大调节能力V_emax后，可以通过调节功率因数角

使变流器输出电压稳定在极限值，此时需要在标准要求注入无功的基础上，继续增加无功电流，公式为：

随着V_pcc增加，I_gq增加，I_gd不变，但受变流器容量限制，I_g存在最大电流I_max，当V_pcc增加到V₂时，I_g达到最大值I_max，令I_max＝k_maxI_N。矢量平衡点对应图1中以V₂为圆心，最大电感电压V_Lmax＝I_maxX_L为半径的圆1与圆弧V_emax的交点A₁，在三角形ΔOA₁V₂中有：

求得满足该控制段B要求的上边界电压V₂：

若V_pcc继续增大，以V_Lmax为半径，以(V₂,1.3p.u.]区间电压为圆心的圆不断右移，其与圆弧V_emax相交的矢量平衡点沿圆弧不断下移。这期间，I_gq增加I_gd减少，功率因数角

不断增大，直到V_pcc＝1.3p.u.，此时矢量平衡点对应图1中圆2与圆弧V_emax的交点A₂。在该控制段C内，利用余弦定理求取功率因数角：

继而确立无功电流参考值：

虽然I_gd幅值受变流器容量限制有所减少，但在段C范围内减少量极小，且但得益于V_pcc的增加，网侧有功输出依然能维持在额定值附近，不影响系统功率流动平衡。

当V_pcc超过1.3p.u.继续增加时，两段圆弧相交的矢量平衡点继续下移，此时受功率因数角

增加的影响，I_gq增加缓慢但I_gd显著减少，导致网侧有功输出减少，需要在直流侧增加储能装置，通过储能充放电平抑母线有功不平衡波动。

该控制段D内变流器无功电流参考值和段C保持一致，有功电流参考值为：

当母线电压波动幅度超过设定的阈值(常规设置为1.1)后，启动储能稳定母线电压，储能的控制方程为：

理论上，通过这种策略网侧变流器可应对的暂态过电压极限V₃为：

此时矢量平衡点对应图1中A₃点，网侧有功输出为零，容量全部为无功输入，通过电感缓冲作用降低并网点高电压对变流器交流侧的冲击。此时变流器只起无功调压作用，运行在纯电感模式。

全功率变流器风机结构及高电压穿越控制示意图参阅图2。

表1高电压穿越控制的判别条件和控制指令

为验证所设计方案的正确性，以表2中风电机组经典设计参数为依据做分析证明。

表2风电机组经典设计参数

根据表2中的数据计算得到各极限值：V_emax＝600V、V₁＝1.2p.u.、V₂＝1.245p.u.、V₃＝1.35p.u.。在各控制段选取电压值进行验证，从理论上检验方案正确性。当V_pcc＝1.15p.u.时，其所属控制段A，此时V_e＝581.18V，满足V_e＜V_emax条件；当V_pcc＝1.23p.u.时，其所属控制段 B，此时V_e＝615.66V≈V_emax，在误差允许范围内，满足矢量三角形关系，为增强可靠性可适当加大稳定调节裕量；当V_pcc＝1.3p.u.时，其所属控制段C，此时P_G＝V_pccI_gd＝0.99P_N，有功输出依然维持在额定值附近，且符合标准对动态无功的要求；当V_pcc＝1.33p.u.时，其所属控制段D，此时P_G＝0.61P_N，有功输出大幅减少，减少的有功由储能承担。

基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建直驱风机的单机—可调电压源系统，风机参数与表2相同，通过仿真验证本专利提出控制策略的有效性。风机初始以额定工况运行，电网电压在1～1.5s期间升高至额定值的1.3倍，网侧变流器仅采用标准要求控制下的波形图参阅图3；同样电压波动下，网侧变流器采用设计的控制策略的波形图参阅图4；风机初始以额定工况运行，电网电压在1～1.5s期间升高至额定值的1.33倍，网侧变流器采用设计的控制策略的波形图参阅图5。根据对比结果可知，采用设计的控制策略时变流器对功率、电流的控制能力明显得到改善。仿真结果和基于典型参数的理论分析结论保持一致，互为验证，总体上说明了提出的高电压穿越控制策略的可行性与正确性。

Claims (5)

1.一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略，其特征在于：所述策略在电网故障状态下且并网点电压升高时，风机运行在高电压故障穿越模式，根据高电压穿越控制的电压范围、受脉宽调制限制的交流电压幅值上限、受变流器容量限制的最大电流以及网侧有功输出电流限制等条件将并网点暂态过电压V_pcc划分为四个等级，分别确定不同等级段内有功、无功电流参考值；段A的电压范围为(1.1p.u.,V₁]，高电压穿越模式启动，网侧变流器控制的无功电流为标准要求；段B的电压范围为(V₁,V₂]，交流电压幅值达到上限，在标准的基础上额外增加无功电流；段C的电压范围为(V₂,1.3p.u.]，网侧变流器输出电流保持最大值，增加无功电流的同时减小有功电流分量；段D的电压范围为(1.3p.u.,V₃]，网侧有功输出功率明显减小，为进一步提高机组耐压范围，利用储能平抑功率不平衡波动。

2.根据权利要求1所述一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略，其特征是：段A的电压幅值增加较小，按照国家标准要求注入动态无功可以满足要求，直流侧电容电压在可控范围内，随着电压升高，有功电流随之相应降低，但当超过变流器的有效控制范围时，电流保持原值不变，为分析方便，近似认为有功电流保持在额定值I_N，动态无功电流为：

I_gq＝K₂(V_pcc-1.1)×I_N

随着电网电压的升高，网侧的无功电流随之增加，滤波电感上的压降增大，网侧变流器输出电压V_e增加，但受脉宽调制限制，该输出电压存在上限值V_emax，当并网点电压达到V₁时，出口电压达到上限V_emax，V₁的计算公式为：

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3.根据权利要求1所述一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略，其特征是：段B的电压变化幅值较高，网侧变流器输出电压已达到上限V_emax，不能继续按标准要求注入无功，需要在V₁点无功电流的基础上额外增加无功以满足需求，计算公式为：

此时有功输出电流与段A相同，无功电流增加，当并网点电压达到V₂时，网侧变流器交流侧电流达到最大电流值，V₂的计算公式为：

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4.根据权利要求1所述一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略，其特征是：段C 范围内变流器交流侧电流达到最大值，通过减小有功电流来增加无功电流的幅值，当电网电压不大于1.3p.u.时，网侧有功输出依然能维持在额定值附近，不影响系统功率流动平衡，此时有功电流与段B相同，无功电流为：

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5.根据权利要求1所述一种全功率变流的风电机组高电压穿越控制策略，其特征是：段D范围内网侧变流器无功电流参考值与段C保持一致，但随着电网电压升高，网侧有功输出电流进一步减小，参考值为：

此时功率不平衡较为严重，接入储能装置以稳定母线电压，其控制方程为：

理论上，当网侧有功电流降为0时达到控制极限，此时暂态过电压的极限值V₃为：

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