CN114640141A - 海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法 - Google Patents

海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法，风电机组网侧换流器的控制系统分为3层：第1层为有功功率控制器和无功功率控制器，第2层为电压控制器，第3层为电流控制器；无功功率实际值用基于风电机组本身容量的标幺值来表示；所有风电机组采用相同的无功功率指令值，该指令值不随时间而变化，为一个恒定值；所有风电机组采用的无功功率控制器具有相同的结构和参数。本发明控制方法实施简单、可靠性高，对构网型风机的控制具有指导作用，通用性强，适用于多种海上风电经DRU并网系统，无需附加额外设备，能够降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。

Description

海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法。
背景技术
海上风电场具有更加丰富且稳定的风能资源，是未来风电发展的主要趋势；如何实现远距离大容量海上风电的可靠并网，是目前海上风电领域的关键技术。
近海小规模风电场绝大多数采用工频高压交流输电系统(HVAC)并网，该方案技术成熟度高、投资成本低，但是严重的电容效应制约了交流海缆的输电距离。截至目前，已投产的远海风电场基本采用基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统(MMC-HVDC)送出，但是需要建设大型海上换流站平台，建设难度和投资成本较高。
为了进一步提高海上风电并网系统的经济性，近年来二极管整流单元(DRU)越来越受到学术界和工业界的关注。与其他低成本换流器拓扑相比，DRU具有更小的功率损耗、更低的成本和更高的可靠性，在海上风电并网场景下表现出巨大的发展潜力。据估计，与MMC-HVDC方案相比，海上平台采用DRU时的投资成本将降低65%。
海上风电二极管整流单元送出系统是指将海上风电场经过基于DRU的整流站和基于MMC的逆变站连接至陆上电网的系统，海上风电场中包含多个风电机组，所有风电机组经过中压集电系统汇集到海上风电场交流母线，风电机组包含有风力发电机、机侧换流器、网侧换流器、升压变压器等设备。
基于DRU的海上风电并网方案能否有效实施的关键在于海上交流电网电压的幅值和频率能否得到有效控制；DRU并不具备主动控制能力，需要由外部电压源提供换相电压。有文献提出了加装额外设备作为海上电网的交流支撑电压源，例如配备联接陆上电网的并列交流海缆，加装并联的小容量STATCOM(静止同步补偿器)等，但是附加设备将削弱DRU带来的经济效益。
为了充分发挥海上风电经DRU送出系统的经济性优势，目前有文献提出了使风机运行于构网模式来控制海上交流系统电压，风机构网型控制器的设计至关重要，其中如何控制无功功率在所有风机之间无通信地均匀分配，以及如何控制风机频率是技术难点。已有文献对风机频率以及控制系统参考相位的控制方法主要分为两类：一类是由锁相环(PLL)提供，但是在弱电网中PLL可能锁相失败，导致系统不稳定；另一类是采用全局统一参考坐标系，该方法取消了PLL的设置，但是需要向所有风机发送GPS信号，实施复杂。
到目前为止，已公开的绝大多数文献基本集中于采用PLL或GPS信号控制风机频率，针对已有控制策略中存在的问题，为了进一步发挥海上风电经DRU并网的技术经济性优势，提高构网型风机的可靠性，很有必要对构网型风机控制策略进行研究。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法，该控制方法实施简单，可靠性高，通用性强，适用于多种海上风电经DRU送出场景，能够大大提高海上风电并网系统的经济性，在实际工程中有巨大的使用价值。
一种海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法，所述海上风电二极管整流单元送出系统包含有海上风电场，所述海上风电场包含有多个风电机组，所述构网型风机控制方法即用于对每个风电机组中的风机网侧换流器进行控制，包括如下步骤：
（1）利用有功功率控制器将P wt *-P wt的差值转换为电压幅值指令值U wt *，利用无功功率控制器将Q wt-Q wt *的差值转换为风电机组频率f，其中P wt *和Q wt *分别为风电机组的有功功率指令值和无功功率指令值，P wt和Q wt分别为风电机组的输出有功功率实际值和输出无功功率实际值；
（2）使U wt *作为d轴电压指令值u fd *，令q轴电压指令值u fq *=0，将u fd *和u fq *依次经过电压控制器和电流控制器的调控转换得到d轴调制电压指令值u vd *和q轴调制电压指令值u vq *；
（3）对风电机组频率f进行积分变换得到风电机组的参考相位θ，利用参考相位θ对u vd *和u vq *进行坐标变换得到abc坐标系下的三相调制电压指令值u va、u vb、u vc，进而将u va、u vb、u vc通过PWM调制后即可对风机网侧换流器中的功率开关器件进行控制。
进一步地，所述风电机组的输出无功功率实际值Q wt采用基于风电机组本身容量的标幺值来表示。
进一步地，所有风电机组的无功功率指令值Q wt *均相同，该指令值不随时间而变化，为一个恒定值。
进一步地，对所有风电机组中风机网侧换流器进行控制所采用的无功功率控制器具有相同的结构和参数。
进一步地，所述有功功率控制器采用超前滞后环节串联积分环节，其传递函数为
Figure 604824DEST_PATH_IMAGE001
，其中K 1为比例系数，T P1和T P2为时间常数，s为拉普拉斯算子。
进一步地，所述无功功率控制器采用超前滞后环节，其传递函数为
Figure 521965DEST_PATH_IMAGE002
，输出为频率偏差Δf，将Δf与风电机组的额定频率f 0相加即得到风电机组频率f，其中K 2为比例系数，T Q1和T Q2为时间常数，s为拉普拉斯算子。
进一步地，所述参考相位θ为风电机组频率f关于时间的积分结果。
进一步地，所述海上风电二极管整流单元送出系统有三种：第一种是海上风电低频交流汇集送出系统，第二种是海上风电工频交流汇集直流送出系统，第三种是海上风电中频交流汇集直流送出系统；本构网型风机控制方法适用于以上三种系统。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1. 本发明提出的无功功率控制器能够实现所有风机之间无通信的无功功率均匀分配，并且实现无需PLL或GPS信号的风机交流频率控制，该控制实施简单、可靠性高，对构网型风机的控制具有指导作用。
2. 本发明通用性强，适用于多种海上风电经二极管整流单元送出系统，并且无需附加额外设备，能够降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。
附图说明
图1为实施例中海上风电二极管整流单元送出系统的结构示意图。
图2为本发明风机网侧换流器的控制系统原理示意图。
图3(a)为本发明有功功率控制器的结构示意图。
图3(b)为本发明无功功率控制器的结构示意图。
图4(a)为实施例中风机输出有功功率和无功功率的仿真波形示意图。
图4(b)为实施例中风机交流频率的仿真波形示意图。
图5(a)为实施例中DRU换流站交流电压有效值的仿真波形示意图。
图5(b)为实施例中DRU换流器吸收有功功率和无功功率的仿真波形示意图。
图6(a)为实施例中系统直流电压的仿真波形示意图。
图6(b)为实施例中系统直流电流的仿真波形示意图。
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进行详细说明。
本发明海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法中，风机网侧换流器的控制系统分为3层：第1层为有功功率控制器和无功功率控制器，第2层为电压控制器，第3层为电流控制器，第2、3层控制器采用常规MMC无源控制器(参考文献：徐政,等.柔性直流输电系统(第2版)[M].北京:机械工业出版社, 2017)。
本发明中的有功功率控制器为超前滞后环节串联积分环节，超前滞后环节的分子为K 1(T P1 s+1)，分母为(T P2 s+1)，控制器输入量为有功功率指令值P wt *减去风电机组的输出有功功率实际值P wt，输出量为电压幅值指令值U wt *。
本发明中的无功功率控制器为超前滞后环节，超前滞后环节的分子为K 2(T Q1 s+1)，分母为(T Q2 s+1)，控制器输入量为风电机组的输出无功功率实际值Q wt减去无功功率指令值Q wt *，输出量为风电机组频率f；其中输出无功功率实际值Q wt用基于风电机组本身容量的标幺值来表示，控制系统的参考相位θ即为风力发电机频率f关于时间的积分结果。
有功功率控制器输出的电压幅值指令值U wt *为电压控制器的d轴电压指令值u fd *，电压控制器的q轴电压指令值u fq *设为零。
所有接入系统的风电机组采用相同的无功功率指令值Q wt *，该指令值不随时间而变化，为一个恒定值；所有接入系统的风机采用的无功功率控制器具有相同的结构和参数。
如图1所示，本实施例中的海上风电二极管整流单元送出系统由海上风电场、中频交流海缆、整流站、高压直流海缆、逆变站、陆上电网依次连接组成；海上风电场包含有2个风电机组，每个风电机组由风力发电机、机侧换流器、风机网侧换流器、升压变压器依次连接组成，风机网侧换流器的控制系统如图2所示，具体实施过程如下：
（1）利用有功功率控制器将P wt *-P wt的差值转换为电压幅值指令值U wt *，利用无功功率控制器将Q wt-Q wt *的差值转换为风电机组频率f，其中P wt *和Q wt *分别为风电机组的有功功率指令值和无功功率指令值，P wt和Q wt分别为风电机组的输出有功功率实际值和输出无功功率实际值。
如图3(a)所示，有功功率控制器采用超前滞后环节串联积分环节，其传递函数为
Figure 488653DEST_PATH_IMAGE001
，其中K 1为比例系数，T P1和T P2为时间常数，s为拉普拉斯算子。
如图3(b)所示，无功功率控制器采用超前滞后环节，其传递函数为
Figure 883862DEST_PATH_IMAGE002
，输出为频率偏差Δf，将Δf与风电机组的额定频率f 0相加即得到风电机组频率f，其中K 2为比例系数，T Q1和T Q2为时间常数。
（2）使U wt *作为d轴电压指令值u fd *，令q轴电压指令值u fq *=0，将u fd *和u fq *依次经过电压控制器和电流控制器的调控转换得到d轴调制电压指令值u vd *和q轴调制电压指令值u vq *。
（3）对风电机组频率f进行积分变换得到风电机组的参考相位θ，利用参考相位θ对u vd *和u vq *进行坐标变换得到abc坐标系下的三相调制电压指令值u va、u vb、u vc，进而利用u va、u vb、u vc通过PWM调制后即可对风机网侧换流器中的功率开关器件进行控制。
本实施例中的系统参数如表1所示：
表1
Figure 69206DEST_PATH_IMAGE003
在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应的仿真平台，对风机WT1风速波动进行仿真。在t=2.0 s之前，两台风机已经在额定风速12 m/s下稳定运行；假设在t=2.0 s时，风机WT1的风速由12 m/s阶跃下降至11 m/s。图4(a)和图4(b)给出了构网型风机关键电气量的仿真结果，图5(a)和图5(b)给出了DRU整流站关键电气量的仿真结果，图6(a)和图6(b)给出直流电压和直流电流的仿真结果，由图可见，仿真结果证明了本发明的有效性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海上风电二极管整流单元送出系统的构网型风机控制方法，所述海上风电二极管整流单元送出系统包含有海上风电场，所述海上风电场包含有多个风电机组，所述构网型风机控制方法即用于对每个风电机组中的风机网侧换流器进行控制，其特征在于：
（1）利用有功功率控制器将P wt *-P wt的差值转换为电压幅值指令值U wt *，利用无功功率控制器将Q wt-Q wt *的差值转换为风电机组频率f，其中P wt *和Q wt *分别为风电机组的有功功率指令值和无功功率指令值，P wt和Q wt分别为风电机组的输出有功功率实际值和输出无功功率实际值；
（2）使U wt *作为d轴电压指令值u fd *，令q轴电压指令值u fq *=0，将u fd *和u fq *依次经过电压控制器和电流控制器的调控转换得到d轴调制电压指令值u vd *和q轴调制电压指令值u vq *；
（3）对风电机组频率f进行积分变换得到风电机组的参考相位θ，利用参考相位θ对u vd *和u vq *进行坐标变换得到abc坐标系下的三相调制电压指令值u va、u vb、u vc，进而将u va、u vb、u vc通过PWM调制后即可对风机网侧换流器中的功率开关器件进行控制。
2.根据权利要求1所述的构网型风机控制方法，其特征在于：所述风电机组的输出无功功率实际值Q wt采用基于风电机组本身容量的标幺值来表示。
3.根据权利要求1所述的构网型风机控制方法，其特征在于：所有风电机组的无功功率指令值Q wt *均相同，该指令值不随时间而变化，为一个恒定值。
4.根据权利要求1所述的构网型风机控制方法，其特征在于：对所有风电机组中风机网侧换流器进行控制所采用的无功功率控制器具有相同的结构和参数。
5.根据权利要求1所述的构网型风机控制方法，其特征在于：所述有功功率控制器采用超前滞后环节串联积分环节，其传递函数为
Figure 977581DEST_PATH_IMAGE001
，其中K 1为比例系数，T P1和T P2为时间常数，s为拉普拉斯算子。
6.根据权利要求1所述的构网型风机控制方法，其特征在于：所述无功功率控制器采用超前滞后环节，其传递函数为
Figure 209236DEST_PATH_IMAGE002
，输出为频率偏差Δf，将Δf与风电机组的额定频率f 0相加即得到风电机组频率f，其中K 2为比例系数，T Q1和T Q2为时间常数，s为拉普拉斯算子。
7.根据权利要求1所述的构网型风机控制方法，其特征在于：所述参考相位θ为风电机组频率f关于时间的积分结果。
8.根据权利要求1所述的构网型风机控制方法，其特征在于：所述海上风电二极管整流单元送出系统有三种：第一种是海上风电低频交流汇集送出系统，第二种是海上风电工频交流汇集直流送出系统，第三种是海上风电中频交流汇集直流送出系统；本构网型风机控制方法适用于以上三种系统。
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