CN114094640A - 一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置及方法 - Google Patents

一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置及方法，包括数据采集装置、控制系统、无功分配装置和电压及无功联合补偿装置，其中，所述数据采集装置用于采集变电站低压侧的电压信息，并将采集到的电压信息传输至控制系统；所述控制系统用于根据接收到的电压信息计算并网点电压跌落幅度；并根据计算得到的并点电压跌落幅度计算所需的无功补偿量，并将所需的无功补偿量传输至无功分配装置；所述无功分配装置用于根据并网点电压跌落幅度控制电压及无功联合补偿装置以计算所需的无功补偿量进行运行；本发明避免了风电机组Crowbar电路频繁启动造成器件疲劳累积，提高了风电并网点电压稳定性与风电机组低电压穿越能力。

Description

一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置及 方法
技术领域
本发明涉及风力发电系统技术领域，尤其涉及一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置及方法。
背景技术
随着风电大规模并入电网，并网点电压跌落期间的控制策略对电网安全稳定运行极为重要。各国电网对风电场并网均提出了具备低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)能力的要求。LVRT是指风电场并网点电压跌落时，风电机组不脱离电网继续为电网恢复正常运行状态提供无功支持，进而“穿越”这个低电压的时间区域，为此，风电机组多配有Crowbar保护电路，在发生并网点电压跌落时提供支持，避免电机故障。但Crowbar电路频繁动作，使得电路中的电力电子器件寿命损耗较快；同时，在并网点电压跌落时，要求风电系统有快速的动态响应，为此在并网点需要配备能够迅速响应的无功补偿装置，目前，风电场中常用的动态无功补偿装置有MSVC和SVG两种，其中，MSVC技术成熟，价格低廉，具有很好的经济性，SVG具有响应速度快、补偿范围广、谐波污染低等优势，但成本较高。如何保证风电机组低电压穿越能力的同时，保证风电场无功补偿能力，降低投入，减少Crowbar电路动作，是目前值得研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置及方法，解决了现有的风电机组低电压穿越时存在的上述不足。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置，包括数据采集装置、控制系统、无功分配装置和电压及无功联合补偿装置，其中，所述数据采集装置用于采集变电站低压侧的电压信息，并将采集到的电压信息传输至控制系统；
所述控制系统用于根据接收到的电压信息计算并网点电压跌落幅度；并根据计算得到的并网点电压跌落幅度计算所需的无功补偿量，并将所需的无功补偿量传输至无功分配装置；
所述无功分配装置用于根据并网点电压跌落幅度控制电压及无功联合补偿装置以计算所需的无功补偿量进行运行。
优选地，电压及无功联合补偿装置包括静止无功发生装置SVG、动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路，其中，风电机组Crowbar保护电路的动作位置设置在风机变压器前端；静止无功发生装置SVG和动态无功补偿装置MSVC的动作位置均设置在变电站主变压器低压侧。
优选地，静止无功发生装置SVG、动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路均通过开关调节与无功分配装置连接。
一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，包括以下步骤：
步骤1，获取风电场发电机组汇入风电场升压站之后的低压侧母线的电压；
步骤2，根据获取得到的低压侧母线的电压，计算并网点电压跌落幅度；
步骤3，根据步骤2中得到的并网点电压跌落幅度，计算并网点低压侧电压跌落时的无功需求总量；
步骤4，设置升压站侧无功补偿总容量；
步骤5，根据得到的无功需求总量和无功补偿总容量，向电压及无功联合补偿装置分配容量；
步骤6，根据步骤2中得到的并网点电压跌落幅度控制电压及无功联合补偿装置以步骤5计算得到的所需无功补偿量进行运行。
优选地，步骤2中，通过下式计算并网点电压跌落幅度：
Figure BDA0003355103970000031
其中，λ为并网点电压跌落幅度；Ud为采集得到的低压侧母线的电压；Us为低压侧母线额定电压数值。
优选地，步骤3中，通过下式计算并网点低压侧电压跌落时的无功需求总量：
SSup＝Us×IT
其中，SSup为所需无功补偿容量；Us为低压侧母线额定电压数值；IT表示需要注入电力系统的动态无功电流。
优选地，步骤4中，通过下式设置升压站侧无功补偿总容量：
S＝0.3×STrans＞SSup
其中，STrans为变压器容量；S为设置的升压站侧无功补偿总容量；SSup为所需无功补偿容量。
优选地，步骤5中，通过下式向静止无功发生装置SVG和动态无功补偿装置MSVC分配容量：
S＝SSVG+SMSVC
SSVG＝S0.8
其中，S为设置的升压站侧无功补偿总容量；SSVG为静止无功发生装置SVG补偿容量；SMSVC为动态无功补偿装置MSVC补偿容量；S0.8为并网点电压降低至标准电压0.8倍时所需的无功补偿容量。
优选地，步骤6中，根据步骤2中得到的并网点电压跌落幅度控制电压及无功联合补偿装置以步骤5计算得到的所需无功补偿量进行运行，具体方法是：
若计算得到的并网点电压跌落幅度λ≥0.9时，动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路停止运行，利用静止无功发生装置SVG以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿；
若计算得到的并网点电压跌落幅度0.8≤λ＜0.9时，动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路停止运行，利用静止无功发生装置SVG以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿；
若计算得到的并网点电压跌落幅度0.6≤λ＜0.8时，风电机组Crowbar保护电路停止运行，利用静止无功发生装置SVG和动态无功补偿装置MSVC以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿；
若计算得到的并网点电压跌落幅度λ＜0.6时，利用静止无功发生装置SVG、动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置及方法，采用静止无功发生装置SVG、动态无功补偿装置MSVC和Crowbar保护电路的协调控制的方式，能够维持并网点母线电压恒定并实现风机低电压穿越；通过合理配置SVG与MSVC的容量，保证响应速度的前提下降低了投入成本，同时，避免了风电机组Crowbar电路频繁启动造成器件疲劳累积，提高了风电并网点电压稳定性与风电机组低电压穿越能力。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2为本发明中电压监测装置对变电站低压侧电压进行实时监测的示意图；
图3为无功联合补偿装置接线示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
实施例具体流程如附图1所示，本发明提供的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，具体步骤如下：
步骤1，风电场各台风力发电机组通过机组箱式变压器升压后，汇入风电场升压站低压侧母线，通过变电站控制中心，利用电压监测装置对风电场升压站低压侧电压进行实时监测，并将监测信号实时传输至升压站控制中心，如图2所示，其中，变电站低压侧电压监测装置为电压互感器。
步骤2，在风电场升压站控制中心加装无功计算分配装置，用于实时获取步骤1中电压互感器监测到的变电站低压侧母线电压值，对比低压侧母线额定电压，计算并网点的电压跌落幅度λ；并网点电压跌落幅度λ(标幺值)的计算方法如下：
Figure BDA0003355103970000051
其中，Ud为采集得到的低压侧母线的电压，Us为低压侧母线额定电压数值。
步骤3，利用静止无功发生装置SVG7、动态无功补偿装置MSVC6和风电机组Crowbar保护电路2在风电场风机1、升压站之间组建电压及无功联合补偿装置，其补偿结构示意图如图3所示。其中，风电机组Crowbar保护电路2的动作位置在风机变压器3前端；静止无功发生装置SVG7和动态无功补偿装置MSVC6的动作位置在升压站主变压器4低压侧；各装置均配置有开关调节，由步骤2中升压站控制中心5的无功分配装置控制。
所述MSVC型动态无功补偿装置包括静态无功补偿器和磁控式可调电抗器，其中，所述磁控可调电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流，励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调。
步骤4，当步骤1中所示的电压监测装置监测到因阵风、渐变风造成并网点低压侧电压跌落，或者因电网波动造成并网点低压侧电压跌落时，根据计算获得的电压跌落幅度λ进行无功电流需求总量和无功需求总量计算，具体计算方式如下：
IT≥1.3×(1-λ)IN，当0.9＜λ≤1；
IT≥1.5×(0.9-λ)IN，当0.2≤λ≤0.9
SSup＝Us×IT
其中，IT表示需要注入电力系统的动态无功电流；IN表示系统额定电流；λ为风电场并网点低压侧电压标幺值，SSu为所需无功补偿容量，Us为低压侧母线额定电压数值，例如λ＝0.5表示此时并网点低压侧电压为额定电压的0.5倍。
步骤5，设置升压站侧无功补偿总容量，设升压站侧的无功补偿总容量记为S；无功补偿总容量包括SVG与MSVC的容量，按照变压器容量进行估算，常规设计为变压器容量的30％；即
S＝0.3×STran＞SSup
其中，STrans为变压器容量。
根据升压站主变压器容量与步骤4中计算的不同电压跌落无功需求结合SVG与MSVC的特性，分配SVG与MSVC的容量：
由于SVG响应速度远小于MSVC，但成本造价高于MSVC，因此在浅无功补偿时由SVG出力，容量记为SSVG，MSVC的容量记为SMSVC，则有：
S＝SSVG与SMSVC
定义一个无功需求容量S0.8，表示并网点电压降低至标准电压0.8倍时所需的无功补偿容量，令：
SSVG＝S0.8
步骤6，根据步骤4中计算得到的电压跌落幅度，利用变电站控制中心无功分配装置控制SVG，MSVC与风电机组Crowbar电路出力，分配容量，实现无功补偿与风机低电压穿越，具体分配方式如下：
若当并网点低压侧电压跌落很浅，高于0.9pu(即λ≥0.9)时，此时风电机组无须进行低电压穿越(LVRT)，机组Crowbar不投入运行，同时MSVC不投入工作进行补偿，仅依靠投入SVG进行无功补偿，维持母线电压稳定；
若当并网点低压侧电压跌落较浅，高于0.8pu且小于0.9pu(即0.8≤λ＜0.9)时，此时风电机组须进行低电压穿越(LVRT)，可保持机组Crowbar仍不投入运行，同时MSVC不投入工作进行补偿，仅依靠投入SVG进行无功补偿，维持母线电压稳定，并实现风电机组低电压穿越；
若当并网点低压侧电压跌落浅，高于0.6pu且小于0.8pu(即0.6≤λ＜0.8)时，此时风电机组须进行低电压穿越(LVRT)，仅依靠投入SVG进行无功补偿已经无法满足需求，此时MSVC一同投入工作进行补偿，保持机组Crowbar仍不投入运行，通过SVG与MSVC共同补偿维持母线电压稳定，并实现风电机组低电压穿越；
若当并网点低压侧电压跌落较深，小于0.6pu(即λ＜0.6)时，此时风电机组须进行低电压穿越(LVRT)，此时SVG与MSVC一同投入工作进行补偿，同时为保证机组发电机安全，机组Crowbar投入运行，通过SVG、MSVC与风机Crowbar电路共同进行补偿，维持母线电压稳定，并实现风电机组低电压穿越。

Claims (9)

1.一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置，其特征在于，包括数据采集装置、控制系统、无功分配装置和电压及无功联合补偿装置，其中，所述数据采集装置用于采集变电站低压侧的电压信息，并将采集到的电压信息传输至控制系统；
所述控制系统用于根据接收到的电压信息计算并网点电压跌落幅度；并根据计算得到的并网点电压跌落幅度计算所需的无功补偿量，并将所需的无功补偿量传输至无功分配装置；
所述无功分配装置用于根据并网点电压跌落幅度控制电压及无功联合补偿装置以计算所需的无功补偿量进行运行。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置，其特征在于，电压及无功联合补偿装置包括静止无功发生装置SVG、动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路，其中，风电机组Crowbar保护电路的动作位置设置在风机变压器前端；静止无功发生装置SVG和动态无功补偿装置MSVC的动作位置均设置在变电站主变压器低压侧。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越装置，其特征在于，静止无功发生装置SVG、动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路均通过开关调节与无功分配装置连接。
4.一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取风电场发电机组汇入风电场升压站之后的低压侧母线的电压；
步骤2，根据获取得到的低压侧母线的电压，计算并网点电压跌落幅度；
步骤3，根据步骤2中得到的并网点电压跌落幅度，计算并网点低压侧电压跌落时的无功需求总量；
步骤4，设置升压站侧无功补偿总容量；
步骤5，根据得到的无功需求总量和无功补偿总容量，向电压及无功联合补偿装置分配容量；
步骤6，根据步骤2中得到的并网点电压跌落幅度控制电压及无功联合补偿装置以步骤5计算得到的所需无功补偿量进行运行。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，其特征在于，步骤2中，通过下式计算并网点电压跌落幅度：
Figure FDA0003355103960000021
其中，λ为并网点电压跌落幅度；Ud为采集得到的低压侧母线的电压；Us为低压侧母线额定电压数值。
6.根据权利要求4所述的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，其特征在于，步骤3中，通过下式计算并网点低压侧电压跌落时的无功需求总量：
SSup＝Us×IT
其中，SSu为所需无功补偿容量；Us为低压侧母线额定电压数值；IT表示需要注入电力系统的动态无功电流。
7.根据权利要求4所述的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，其特征在于，步骤4中，通过下式设置升压站侧无功补偿总容量：
S＝0.3×STra>SSup
其中，STrans为变压器容量；S为设置的升压站侧无功补偿总容量；SSup为所需无功补偿容量。
8.根据权利要求4所述的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，其特征在于，步骤5中，通过下式向静止无功发生装置SVG和动态无功补偿装置MSVC分配容量：
S＝SSVG+SMSVC
SSVG＝S0.8
其中，S为设置的升压站侧无功补偿总容量；SSVG为静止无功发生装置SVG补偿容量；SMSVC为动态无功补偿装置MSVC补偿容量；S0.8为并网点电压降低至标准电压0.8倍时所需的无功补偿容量。
9.根据权利要求4所述的一种风力发电接入电网的无功电压控制与低电压穿越方法，其特征在于，步骤6中，根据步骤2中得到的并网点电压跌落幅度控制电压及无功联合补偿装置以步骤5计算得到的所需无功补偿量进行运行，具体方法是：
若计算得到的并网点电压跌落幅度λ≥0.9时，动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路停止运行，利用静止无功发生装置SVG以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿；
若计算得到的并网点电压跌落幅度0.8≤λ＜0.9时，动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路停止运行，利用静止无功发生装置SVG以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿；
若计算得到的并网点电压跌落幅度0.6≤λ＜0.8时，风电机组Crowbar保护电路停止运行，利用静止无功发生装置SVG和动态无功补偿装置MSVC以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿；
若计算得到的并网点电压跌落幅度λ＜0.6时，利用静止无功发生装置SVG、动态无功补偿装置MSVC和风电机组Crowbar保护电路以计算得到的所需无功补偿量进行无功补偿。
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