CN113872243A - 一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法。本发明采用的技术方案为：当工频交流系统发生接地故障后，观察交交变频器的子模块电容电压平均值是否高于k倍子模块电容电压额定值，若是，则首先将低频系统的频率从f1调整至f1+1，与此同时，启动变低频电压幅值控制模式；风机系统在检测到f1+1电压频率后，观察风机变流器内部的直流电压是否高于m1倍风机变流器直流侧电压的额定值，若是，则启动风机功率控制模式；若在风机功率控制模式下，低频风机的直流电压进一步增大，直至超过m2倍风机变流器直流侧电压的额定值，则低频风机立即投入直流卸能电路。本发明可实现海上风电低频送出系统的故障穿越能力，最大化提升了系统利用率和可靠性。

Description

一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法
技术领域
本发明属于低频输电系统领域，具体地说是一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法。
背景技术
低频输电通过降低输电频率，减小线路阻抗、减少电缆充电无功、提升电网的输送能力和调控能力，是工频交流输电与直流输电方式的有益补充。海上风电低频输电系统可利用风机直接输出低频电能，通过汇集系统将低频电能传输至海上平台，并通过低频变压器升压后经海缆线路送出，最后通过陆上交交变频站将低频电能变换为工频，汇入工频电网。交交变频器的工、低频相互独立，输电能力不受工频电压、功率因数影响。相较于海上风电直流输电系统，低频输电系统可不增加海上换流站，进而运行维护成本及难度大幅降低，系统可靠性明显加强。
对于海上风电低频输电系统而言，当陆上的工频交流系统出现单相接地等故障时，可能导致交交变频器输出能力下降，而海上风电一般为实现风能最大化利用，往往采用MPPT控制方式，当交交变频器输出能力下降时，由风能转化而来的电能却在源源不断地向交交变频器馈能，进而导致功率失衡，引发系统过电压保护等现象。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其实现工频交流系统发生单相接地等故障后，低频系统和海上风电不发生严重过电压而触发的闭锁、脱机等事件，以实现海上风电低频送出系统的故障穿越能力。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，所述的交流故障穿越方法面向工频交流系统故障，其步骤如下：
步骤1：当工频交流系统发生接地故障后，观察交交变频器的子模块电容电压平均值Ucav是否高于kUcref，其中，k为子模块电容过电压系数，Ucref为子模块电容电压额定值；
步骤2：若Ucav小于等于kUcref，则不做任何动作，退回至步骤1；若Ucav大于kUcref，则首先将低频系统的频率从f1调整至f1+1，与此同时，启动变低频电压幅值控制模式；
步骤3：风机系统在检测到f1+1电压频率后，观察风机变流器内部的直流电压Ucw是否高于m1Ucwref，其中，m1表示变低频电压幅值控制模式下风机变流器直流过电压系数，Ucwref为风机变流器直流侧电压的额定值；
步骤4：若Ucw小于等于m1Ucwref，则不做任何动作，退回至步骤3；若Ucw大于m1Ucwref，则启动风机功率控制模式；
步骤5：若在风机功率控制模式下，风机变流器内部的直流电压Ucw进一步增大，直至超过m2Ucwref，m2表示风机功率控制模式下风机变流器直流过电压系数，则低频风机立即投入直流卸能电路，利用直流卸能电路保障低频风机内直流电压的稳定。
以上控制步骤可由控制器自动完成，不需要人工干预，是一个控制反复迭代调整的过程。
本发明实现了海上风电低频送出系统的故障穿越能力，同时，在故障切除后，能够迅速恢复至正常运行状态。上述过程的实现，不需要通讯协同，交交变频器、海上风电等设备的控制系统具备分布式自适应能力。
进一步地，所述交交变频器的拓扑结构为模块化多电平矩阵变换器或柔直背靠背变换器，采用可关断器件(如IGBT、IGCT)构成的变换器，其工频侧和低频侧均有功无功独立解耦控制能力，所述的工频侧采用正序、负序控制策略，负序控制策略用于控制负序电流为零。
进一步地，所述工频的频率为f0，取50Hz或60Hz；低频系统的频率f1，取50/3Hz或20Hz等频率值。
进一步地，所述的低频风机采用永磁直驱式风机，在正常运行情况下，其处于MPPT运行模式。
进一步地，步骤2中所述的变低频电压幅值控制模式的具体控制内容为：将子模块电容电压额定值Ucref与子模块电容电压平均值Ucav作差，差值经PI控制器后，与低频电压额定幅值相加，相加值作为新的低频电压指令值对低频电压幅度进行跟踪调节。
进一步地，步骤4中所述的风机功率控制模式的具体控制内容为：将风机直流侧额定电压Ucwref与风机变流器内部的直流电压Ucw作差，差值经PI控制器后，与风机MPPT控制输出的功率参考值相加，相加值作为新的风机功率指令值对风机功率进行调节。
进一步地，当工频侧的交流故障切除后，工频电压恢复正常，交交变频器将低频系统的频率从f1+1切换为f1；交交变频器的低频电压控制策略恢复至初始状态，即额定低频电压控制策略；风机检测到低频频率恢复至f1后，退出可能启动的直流卸能电路和风机功率控制模式，控制策略恢复至正常状态。
进一步地，步骤1中的k1取1.1。
进一步地，步骤3中的m1取1.1。
进一步地，步骤5中的m2取1.3。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
本发明能够在不依赖通讯的情况下，利用交交变频器、海上风电等设备控制系统的分布式自适应能力，实现工频交流系统发生单相接地等故障后，低频系统和海上风电不发生严重过电压而触发的闭锁、脱机等事件，实现海上风电低频送出系统的故障穿越能力，最大化提升系统利用率和可靠性；同时，在故障切除后，能够迅速恢复至正常运行状态。
附图说明
图1为本发明风电低频送出系统主回路的示意图；
图2为图1中交交变频器的结构示意图；
图3为图2中全桥子模块(SM)的结构示意图；
图4为本发明控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
图1-3所示为风电低频送出系统主回路示意图，从图中可要看出，其主要包括低频风机、低频海缆和交交变频器等。低频风机采用永磁直驱式风机，主要针对传统型风机的弱点，全面进行了技术升级和改进，具有十分显著的技术优势，其最大的特点是风轮与发电机转子直联。交交变频器的拓扑结构可以为模块化多电平矩阵变换器(M3C)或柔直背靠背变换器(图中所示为M3C拓扑结构形式，由九个桥臂构成，每个桥臂内包含多个级联的全桥子模块(即图中的SM))。交交变频器采用可关断器件，如IGBT、IGCT，构成的电力电子变换器，其工频侧和低频侧双侧均有功无功独立解耦控制能力。交交变频器的工频侧具备正序、负序控制能力，一般负序控制都是用于控制负序电流为零，实现暂态等情况下的负序电流抑制，均为现有控制方法。假设工频频率为f0，一般为50Hz或60Hz；假设低频频率为f1，可取50/3Hz或20Hz等小于f0的频率值。正常运行情况下，风机处于最大功率点跟踪(MPPT)运行模式，实现风能的最大化利用。
本发明所述的交流故障穿越方法仅面向工频交流系统故障，低频交流系统故障后的穿越方法不作论述。当风电低频送出系统的工频侧出现单相接地等故障时，可能导致交交变频器输出能力下降，尤其是在故障后，交交变频器工频侧并网点(PCC)电压跌落深度较深时。此时，海上风电仍处于MPPT运行控制方式，风电能量通过低频海缆将不间断地对交交变频器馈能，进而导致交交变频器的输入功率大于输出功率。所引起的功率失衡将引发能量在交交变频器内的积聚，最终体现在全桥子模块电容电压抬升。若不加以控制，当子模块电压上升到一定程度时，将触发交交变频器电容过电压保护，引发交交变频器闭锁，进而使得整个风电低频送出系统停运。因此，需要采取相关手段进行控制，使得风电电频送出系统具备交流故障穿越和恢复能力，最大化提升系统利用率和可靠性。
图4给出了具体的控制步骤。
(1)当工频交流系统发生接地故障后，观察交交变频器的子模块电容电压平均值Ucav是否高于kUcref，其中，k可取1.1，Ucref为子模块电容电压额定值。
(2)若Ucav小于等于kUcref，则不做任何动作，退回至(1)；若Ucav大于kUcref，则首先将低频系统的频率从f1调整至f1+1，与此同时，启动变低频电压幅值控制模式。变低频电压幅值控制模式的具体控制方法为：将子模块电容电压额定值Ucref与子模块电容电压平均值Ucav作差，差值经PI控制器后，与低频电压额定幅值相加，相加值作为新的低频电压指令值对低频电压幅度进行跟踪调节。
(3)风机系统在检测到f1+1电压频率后，观察风机变流器内部的直流电压Ucw是否高于m1Ucwref，其中，m1可取1.1，Ucwref为风机变流器直流侧电压的额定值。
(4)若Ucw小于等于m1Ucwref，则不做任何动作，退回至步骤3；若Ucw大于m1Ucwref，则启动风机功率控制模式。风机功率控制模式的具体控制方法为：将风机直流侧额定电压Ucwref与风机变流器内部的直流电压Ucw作差，差值经PI控制器后，与风机MPPT控制输出的功率参考值相加，相加值作为新的风机功率指令值对风机功率进行调节。
(5)若在风机功率控制模式下，风机变流器内部的直流电压Ucw进一步增大，直至超过m2Ucwref，m2可取1.3，则风机立即投入直流卸能电路，利用直流卸能电路保障风机内直流电压的稳定。
(6)工频侧的交流故障切除后，工频电压恢复正常，交交变频器将低频系统的频率从f1+1切换为f1；交交变频器的低频电压控制策略恢复至初始状态，即额定低频电压控制策略；风机检测到低频频率恢复至f1后，退出可能启动的直流卸能电路和风机功率控制模式，控制策略恢复至正常状态。
以上控制步骤由控制器自动完成，不需要人工干预，是一个控制反复迭代调整的过程。

Claims (10)

1.一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，所述的交流故障穿越方法面向工频交流系统故障，其步骤如下：
步骤1：当工频交流系统发生接地故障后，观察交交变频器的子模块电容电压平均值Ucav是否高于kUcref，其中，k为子模块电容过电压系数，Ucref为子模块电容电压额定值；
步骤2：若Ucav小于等于kUcref，则不做任何动作，退回至步骤1；若Ucav大于kUcref，则首先将低频系统的频率从f1调整至f1+1，与此同时，启动变低频电压幅值控制模式；
步骤3：风机系统在检测到f1+1电压频率后，观察风机变流器内部的直流电压Ucw是否高于m1Ucwref，其中，m1表示变低频电压幅值控制模式下风机变流器直流过电压系数，Ucwref为风机变流器直流侧电压的额定值；
步骤4：若Ucw小于等于m1Ucwref，则不做任何动作，退回至步骤3；若Ucw大于m1Ucwref，则启动风机功率控制模式；
步骤5：若在风机功率控制模式下，风机变流器内部的直流电压Ucw进一步增大，直至超过m2Ucwref，m2表示风机功率控制模式下风机变流器直流过电压系数，则低频风机立即投入直流卸能电路，利用直流卸能电路保障低频风机内直流电压的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，所述交交变频器的拓扑结构为模块化多电平矩阵变换器或柔直背靠背变换器，具有工频侧和低频侧均有功无功独立解耦控制能力，所述的工频侧采用正序、负序控制策略，负序控制策略用于控制负序电流为零。
3.根据权利要求1所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，所述工频的频率为f0，取50Hz或60Hz；低频系统的频率f1，取50/3Hz或20Hz等频率值。
4.根据权利要求1所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，所述的低频风机采用永磁直驱式风机，在正常运行情况下，其处于MPPT运行模式。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤2中所述的变低频电压幅值控制模式的具体控制内容为：将子模块电容电压额定值Ucref与子模块电容电压平均值Ucav作差，差值经PI控制器后，与低频电压额定幅值相加，相加值作为新的低频电压指令值对低频电压幅度进行跟踪调节。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤4中所述的风机功率控制模式的具体控制内容为：将风机直流侧额定电压Ucwref与风机变流器内部的直流电压Ucw作差，差值经PI控制器后，与风机MPPT控制输出的功率参考值相加，相加值作为新的风机功率指令值对风机功率进行调节。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，当工频侧的交流故障切除后，工频电压恢复正常，交交变频器将低频系统的频率从f1+1切换为f1；交交变频器的低频电压控制策略恢复至初始状态，即额定低频电压控制策略；风机检测到低频频率恢复至f1后，退出可能启动的直流卸能电路和风机功率控制模式，控制策略恢复至正常状态。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤1中的k1取1.1。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤3中的m1取1.1。
10.根据权利要求1-4任一项所述的一种风电低频送出系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤5中的m2取1.3。
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