CN115036948A - 一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法 - Google Patents

一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法 Download PDF

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CN115036948A CN202210766998.0A CN202210766998A CN115036948A CN 115036948 A CN115036948 A CN 115036948A CN 202210766998 A CN202210766998 A CN 202210766998A CN 115036948 A CN115036948 A CN 115036948A
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Abstract

本发明公开了一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，具体为：建立电网‑牵引供电系统‑双馈风电机组数学模型；以正常运行时定转子电压电流为约束，求解双馈风机的定子负序电流稳定补偿边界；以负序国标限值和双馈风机稳定补偿边界为约束，计算牵引供电系统补偿装置和双馈风机的补偿电流指令；设计牵引供电系统补偿装置和双馈风机机侧变流器的负序控制模块，实现对公共连接点电压不平衡的协同补偿。本发明既发挥了双馈风机的负序补偿能力，又降低了牵引供电系统的负序补偿容量，满足了公共连接点处的三相电压不平衡限值，改善了电网电能质量。

Description

一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法
技术领域
本发明属于电气化铁路电能质量治理技术领域，尤其涉及一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法。
背景技术
单相工频25kV交流制牵引供电系统作为我国电气化铁路的唯一动力来源，接入含高渗透率风电的弱电网后，其产生的负序不仅会增加线路损耗，还造成风机绕组发热、效率降低，严重影响三相电网的安全稳定运行。目前变电所的负序治理措施主要包括牵引变压器进线轮流换相、采用平衡变压器以及安装负序补偿装置。轮流换相和平衡变压器能有效缓解负序问题，但在完全治理方面难以取得满意的效果。现多采用补偿装置进行有源补偿或无源补偿来完全消除电气化铁路负序问题，存在容量大，成本高，运维复杂的难题。
随着分布式新能源装机容量的不断提高，风机与牵引供电系统共同接入同一变电站。然而大规模的风电接入改变了牵引供电系统与电网之间的负序电流分布，使得传统的牵引供电系统补偿指令不能实现精确补偿。但是由于双馈风机出力具有强不确定性，其单独的补偿效果难以满足电网负序限值要求，可将其与变电所补偿装置协同控制进行公共连接点的负序补偿：当风机无冗余容量，仅作为发电机工作时，由变电所补偿装置单独进行负序补偿；当风机含有冗余容量时，发挥其主动补偿能力与变电所补偿装置共同工作对电网进行负序补偿。这不仅可以提升电网电能质量，还使得变电所补偿装置不必一直处于满载状态，延长其工作寿命。
因此，计及双馈风机的负序主动补偿能力，研究牵引变电所补偿装置与双馈风机的负序协同控制策略，对于改善电网电能质量，提高能源利用率，节约变电所投资成本具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，以公共连接点负序限值为约束，通过变电所补偿装置和双馈风机对公共连接点进行协同补偿，优化牵引供电系统负序补偿容量。
本发明的一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：采集双馈风电机组和牵引供电系统中各节点电压电流并进行序分量分解。
步骤2：建立准确刻画负序电流在电网-牵引供电系统-双馈风电机组间分布的协同补偿模型。
步骤3：根据步骤2的电网-牵引供电系统-双馈风电机组数学模型，求解公共连接点电压不平衡度的补偿电流参考值。
步骤4：以正常运行时定转子电压电流为约束条件，求解双馈风机的定子负序电流稳定补偿边界。
步骤5：以满足电能质量标准要求和双馈风机的稳定补偿边界为目标，计算牵引供电系统补偿装置和双馈风机的补偿电流指令。
步骤6：设计牵引供电系统补偿装置和双馈风机机侧变流器的负序控制模块，实现对公共连接点电压不平衡的协同补偿。
进一步的，步骤2中的电网-牵引供电系统-双馈风电机组数学模型为：
CVUFPCC＝k1(CCUFTPSS-k2CCUFWF-k3CCUFCOM)
式中：CCUFPCC为公共连接点的三相电压不平衡度，CCUFTPSS为牵引变压器高压侧电流不平衡度，CCUFWF为风电场出口处电流不平衡度，CCUFCOM为牵引供电系统补偿装置电流不平衡度。
其中：
Figure BDA0003726021760000021
Figure BDA0003726021760000022
式中：
Figure BDA0003726021760000023
为牵引变压器高压侧正负序电流，
Figure BDA0003726021760000024
为风电场出口处正负序电流，
Figure BDA0003726021760000025
为牵引供电系统补偿装置正负序电流，
Figure BDA0003726021760000026
为牵引变压器及牵引负荷的正序阻抗，
Figure BDA0003726021760000027
为公共连接点到牵引供电系统的输电线路正序阻抗，
Figure BDA0003726021760000028
为电网的负序阻抗。
进一步的，步骤3中的补偿电流参考值为：
Figure BDA0003726021760000029
式中：
Figure BDA00037260217600000210
为公共连接点所需的补偿电流。
Figure BDA00037260217600000211
式中：响应系数kp为常数，VUFpccref为公共连接点的负序补偿目标，CVUFPCC为实时测量得到的公共连接点电压不平衡度。
进一步的，步骤4中的约束条件为：
Figure BDA0003726021760000031
式中：isd和isq分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流，Isnom为定子额定电流，Usd为d轴定子电压，Ls为定子绕组的自阻抗，Lm为定转子绕组互阻抗，ωs为同步角频率，ωr为转子角频率，Irmax为转子侧变流器的电流最大值，Lr为转子绕组的自阻抗，Urnom是转子额定电压，s为转差率。
所述步骤4中的稳定补偿边界为：
Figure BDA0003726021760000032
式中，
Figure BDA0003726021760000033
为定子负序电流指令，
Figure BDA0003726021760000034
为三相坐标系下的定子负序电流限值，
Figure BDA0003726021760000035
和
Figure BDA0003726021760000036
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流正序分量。
进一步的，步骤5中牵引供电系统补偿装置和双馈风机的补偿电流指令计算公式为：
Figure BDA0003726021760000037
式中：
Figure BDA0003726021760000038
为牵引供电系统补偿装置的补偿电流指令。
进一步的，步骤6中，双馈风机机侧变流器使用直接功率控制，调制电压为：
Figure BDA0003726021760000039
式中：Ps0为由最大风能追踪所决定的定子输出有功功率，Ps、Qs分别为实时测量得到的定子有功功率和无功功率，Pscom、Qscom分别为补偿功率有功分量和无功分量，Erd、Erq为dq电压解耦项。
其补偿功率和电压解耦项计算公式为：
Figure BDA00037260217600000310
Figure BDA0003726021760000041
式中：
Figure BDA0003726021760000042
为正序同步旋转坐标系的d轴定子电压负序分量，
Figure BDA0003726021760000043
为正序同步旋转坐标系的q轴定子电压负序分量，
Figure BDA0003726021760000044
为负序同步旋转坐标系的d轴定子电压正序分量，
Figure BDA0003726021760000045
为负序同步旋转坐标系的q轴定子电压正序分量，
Figure BDA0003726021760000046
为正序同步旋转坐标系的d轴定子电流正序分量，
Figure BDA0003726021760000047
为正序同步旋转坐标系的q轴定子电流正序分量，
Figure BDA0003726021760000048
为负序同步旋转坐标系的d轴定子负序补偿电流，
Figure BDA0003726021760000049
为负序同步旋转坐标系的q轴定子负序补偿电流。
本发明是有益技术效果为：
本发明考虑了双馈风机的负序主动补偿能力，通过牵引供电系统补偿装置和双馈风机机侧变流器的协同控制实现了公共连接点的负序补偿，节省了牵引变电所补偿装置投资成本，提高了能源利用率。
本发明提出的负序协同补偿策略可用于任意接线形式的牵引供电系统与任意具备负序补偿功能的电力电子装置，具有普遍适用性。
附图说明
图1为本发明的一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法流程示意图；
图2为适用于本发明提出的负序协同控制策略的牵引供电系统结构示意图；
图3为本发明实施例中牵引供电系统结构示意图；
图4为本发明实施例的负序协同控制策略的仿真结果；
图5为本发明实施例的SVG输出负序电流波形图；
图6为本发明实施例的双馈风机输出负序电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
在本发明实施例中，电气化铁路牵引供电系统结构如图2和图3所示，牵引变压器采用V/v接线变压器，牵引变电所补偿装置为SVG，本发明的双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：采集系统各节点电压电流并进行序分量分解：
Figure BDA00037260217600000410
Figure BDA00037260217600000411
式中：X代表电压或电流分量，
Figure BDA0003726021760000051
分别为正序分量和负序分量。
在正序旋转dq坐标系下正负序分量为：
Figure BDA0003726021760000052
在负序旋转dq坐标系下正负序分量为：
Figure BDA0003726021760000053
其中，
Figure BDA0003726021760000054
分别为正序同步旋转坐标系下的dq正序分量和负序同步旋转坐标系下的dq负序分量，可由二阶滤波器获得，滤波器闭环传递函数具体为：
Figure BDA0003726021760000055
式中：ωc为截止角频率，σ为滤波系数。
步骤2：建立准确刻画负序电流在电网-牵引供电系统-双馈风电机组间分布的协同补偿模型：
CVUFPCC＝k1(CCUFTPSS-k2CCUFWF-k3CCUFCOM)
式中：CVUFPCC为公共连接点的三相电压不平衡度，CCUFTPSS为牵引变压器高压侧电流不平衡度，CCUFWF为风电场出口处电流不平衡度，CCUFCOM为牵引供电系统补偿装置电流不平衡度。
其中：
Figure BDA0003726021760000056
Figure BDA0003726021760000057
式中：
Figure BDA0003726021760000058
为牵引变压器高压侧正负序电流，
Figure BDA0003726021760000059
为风电场出口处正负序电流，
Figure BDA00037260217600000510
为牵引供电系统补偿装置正负序电流，
Figure BDA00037260217600000511
为牵引变压器及牵引负荷的正序阻抗，
Figure BDA00037260217600000512
为公共连接点到牵引供电系统的输电线路正序阻抗，
Figure BDA00037260217600000513
为电网的负序阻抗。
步骤3：根据步骤2的数学模型求解公共连接点所需的补偿电流参考值：
Figure BDA0003726021760000061
式中：
Figure BDA0003726021760000062
为公共连接点所需的补偿电流，
Figure BDA0003726021760000063
为公共连接点电压不平衡度补偿目标。
其中：
Figure BDA0003726021760000064
式中：响应系数kp为常数，VUFpccref为设定的公共连接点电压不平衡度，CVUFPCC为实时测量得到的公共连接点电压不平衡度。
步骤4：基于双馈电机的电磁耦合关系，以正常运行时定转子电压电流为约束，得到双馈风机的定子负序电流稳定补偿边界，约束条件为：
Figure BDA0003726021760000065
式中：isd和isq分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流，Isnom为定子额定电流，Usd为d轴定子电压，Ls为定子绕组的自阻抗，Lm为定转子绕组互阻抗，ωs为同步角频率，ωr为转子角频率，Irmax为转子侧变流器的电流最大值，Lr为转子绕组的自阻抗，Urnom是转子额定电压，s为转差率。
得到稳定补偿边界为：
Figure BDA0003726021760000066
式中，
Figure BDA0003726021760000067
为定子负序电流指令，
Figure BDA0003726021760000068
为三相坐标系下的定子负序电流限值，
Figure BDA0003726021760000069
和
Figure BDA00037260217600000610
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流正序分量。
步骤5：根据步骤3的补偿边界限制，计算SVG和双馈风机的补偿电流指令：
Figure BDA00037260217600000611
式中：
Figure BDA00037260217600000612
为SVG的补偿电流指令。
步骤6：输入补偿电流指令给SVG和双馈风机机侧变流器的负序控制模块，实现对公共连接点电压不平衡的协同补偿。
SVG采用正负序双环控制：
Figure BDA0003726021760000071
式中：
Figure BDA0003726021760000072
分别为dq坐标系下的调制电压正序分量、负序分量，
Figure BDA0003726021760000073
为负序指令电流，kPI为PI控制参数，udc为直流电容电压，ω为电网频率，L为输入电感。
双馈风机机侧变流器使用直接功率控制，调制电压为：
Figure BDA0003726021760000074
式中：Ps0为由最大风能追踪所决定的定子输出有功功率，Ps、Qs分别为实时测量得到的定子有功功率和无功功率，Pscom、Qscom分别为补偿功率有功分量和无功分量，Erd、Erq为dq电压解耦项。
其补偿功率和电压解耦项可计算得到：
Figure BDA0003726021760000075
Figure BDA0003726021760000076
式中：
Figure BDA0003726021760000077
为正序同步旋转坐标系的d轴定子电压负序分量，
Figure BDA0003726021760000078
为正序同步旋转坐标系的q轴定子电压负序分量，
Figure BDA0003726021760000079
为负序同步旋转坐标系的d轴定子电压正序分量，
Figure BDA00037260217600000710
为负序同步旋转坐标系的q轴定子电压正序分量，
Figure BDA00037260217600000711
为正序同步旋转坐标系的d轴定子电流正序分量，
Figure BDA00037260217600000712
为正序同步旋转坐标系的q轴定子电流正序分量，
Figure BDA00037260217600000713
为负序同步旋转坐标系的d轴定子负序补偿电流，
Figure BDA00037260217600000714
为负序同步旋转坐标系的q轴定子负序补偿电流。
本发明中双馈风机参数如表1所示：
表1双馈风机参数
Figure BDA00037260217600000715
为验证所提协同补偿方法的有效性，设置三种仿真工况，α臂为牵引工况，负载功率10MVA，功率因数为1，β臂为制动工况。0～2s时补偿装置未投入，公共连接点产生了3.5％的三相电压不平衡度；2s～4s在变电所投入SVG进行补偿，采用传统控制策略，补偿目标设为2％；4s～6s采用本文所提出的协同控制策略。
图4表明在补偿装置投入后，公共连接点的三相电压不平衡度满足2％的电能质量国标限值，同时，相比工况2，SVG的补偿容量在工况3减少了18％，证明了本文提出的补偿策略既能实现公共连接点的负序治理，又能显著减少变电所补偿装置容量。图5和图6表明4s后风机参与负序补偿，并且补偿值超出了风机的稳定补偿边界，SVG必须和风机协同工作。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集双馈风电机组和牵引供电系统中各节点电压电流并进行序分量分解；
步骤2：建立准确刻画负序电流在电网-牵引供电系统-双馈风电机组间分布的协同补偿模型；
步骤3：根据步骤2的电网-牵引供电系统-双馈风电机组数学模型，求解公共连接点电压不平衡度的补偿电流参考值；
步骤4：以正常运行时定转子电压电流为约束条件，求解双馈风机的定子负序电流稳定补偿边界；
步骤5：以满足电能质量标准要求和双馈风机的稳定补偿边界为目标，计算牵引供电系统补偿装置和双馈风机的补偿电流指令；
步骤6：设计牵引供电系统补偿装置和双馈风机机侧变流器的负序控制模块，实现对公共连接点电压不平衡的协同补偿。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，其特征在于，所述步骤2中的电网-牵引供电系统-双馈风电机组数学模型为：
CVUFPCC＝k1(CCUFTPSS-k2CCUFWF-k3CCUFCOM)
式中：CVUFPCC为公共连接点的三相电压不平衡度，CCUFTPSS为牵引变压器高压侧电流不平衡度，CCUFWF为风电场出口处电流不平衡度，CCUFCOM为牵引供电系统补偿装置电流不平衡度；
其中：
Figure FDA0003726021750000011
Figure FDA0003726021750000012
式中：
Figure FDA0003726021750000013
为牵引变压器高压侧正负序电流，
Figure FDA0003726021750000014
为风电场出口处正负序电流，
Figure FDA0003726021750000015
为牵引供电系统补偿装置正负序电流，
Figure FDA0003726021750000016
为牵引变压器及牵引负荷的正序阻抗，
Figure FDA0003726021750000017
为公共连接点到牵引供电系统的输电线路正序阻抗，
Figure FDA0003726021750000018
为电网的负序阻抗。
3.根据权利要求2所述的一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，其特征在于，所述步骤3中的补偿电流参考值为：
Figure FDA0003726021750000019
式中：
Figure FDA00037260217500000110
为公共连接点所需的补偿电流；
Figure FDA0003726021750000021
式中：响应系数kp为常数，VUFpccref为公共连接点的负序补偿目标，CVUFPCC为实时测量得到的公共连接点电压不平衡度。
4.根据权利要求3所述的一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，其特征在于，所述步骤4中的约束条件为：
Figure FDA0003726021750000022
式中：isd和isq分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流，Isnom为定子额定电流，Usd为d轴定子电压，Ls为定子绕组的自阻抗，Lm为定转子绕组互阻抗，ωs为同步角频率，ωr为转子角频率，Irmax为转子侧变流器的电流最大值，Lr为转子绕组的自阻抗，Urnom是转子额定电压，s为转差率；
所述步骤4中的稳定补偿边界为：
Figure FDA0003726021750000023
式中，
Figure FDA0003726021750000024
为定子负序电流指令，
Figure FDA0003726021750000025
为三相坐标系下的定子负序电流限值，
Figure FDA0003726021750000026
和
Figure FDA0003726021750000027
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流正序分量。
5.根据权利要求4所述的一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，其特征在于，所述步骤5中牵引供电系统补偿装置和双馈风机的补偿电流指令计算公式为：
Figure FDA0003726021750000028
式中：
Figure FDA0003726021750000029
为牵引供电系统补偿装置的补偿电流指令。
6.根据权利要求5所述的一种双馈风机和牵引供电系统的负序协同补偿方法，其特征在于，所述步骤6中，双馈风机机侧变流器使用直接功率控制，调制电压为：
Figure FDA00037260217500000210
式中：Ps0为由最大风能追踪所决定的定子输出有功功率，Ps、Qs分别为实时测量得到的定子有功功率和无功功率，Pscom、Qscom分别为补偿功率有功分量和无功分量，Erd、Erq为d q电压解耦项；
其补偿功率和电压解耦项计算公式为：
Figure FDA0003726021750000031
Figure FDA0003726021750000032
式中：
Figure FDA0003726021750000033
为正序同步旋转坐标系的d轴定子电压负序分量，
Figure FDA0003726021750000034
为正序同步旋转坐标系的q轴定子电压负序分量，
Figure FDA0003726021750000035
为负序同步旋转坐标系的d轴定子电压正序分量，
Figure FDA0003726021750000036
为负序同步旋转坐标系的q轴定子电压正序分量，
Figure FDA0003726021750000037
为正序同步旋转坐标系的d轴定子电流正序分量，
Figure FDA0003726021750000038
为正序同步旋转坐标系的q轴定子电流正序分量，
Figure FDA0003726021750000039
为负序同步旋转坐标系的d轴定子负序补偿电流，
Figure FDA00037260217500000310
为负序同步旋转坐标系的q轴定子负序补偿电流。
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