CN115663881A - 一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法，其包括：当交流电网在公共输电线路发生对称短路故障时，获取故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置；根据所述故障点电压幅值标幺值，得到所述电力系统的无功电流设置指令矩阵；根据所述无功电流设置指令矩阵、所述故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置，得到所述电力系统的有功电流指令矩阵，即可得到多个并联连接的风电场的有功电流指令值的设置值；所述电力系统包括多个所述并联连接的风电场。本发明可显著提高交流电网对称短路故障期间含多并联风电场电力系统的暂态稳定裕度，减小系统失稳风险。

Description

一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法

技术领域

本发明涉及多风电场并网系统技术领域，特别是一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法。

背景技术

随着可再生能源的快速发展，风电装机容量也在不断增加，但风能往往与负荷呈逆向分布的特点，大型风电场通常分布于偏远地区，并网强度较弱。当弱电网发生对称故障时，受风电场输出潮流与线路阻抗的相互作用，以及风电场间的相互影响，在典型的低电压穿越矢量控制策略下，多风电并网系统可能出现暂态失稳问题，严重威胁电力系统的安全稳定运行能力。因此，提高电网对称故障期间多并联风电场并网系统的暂态稳定性是目前风电发展的关键问题。

目前国内外学者已开展了相关研究，例如，非专利文献1利用等面积法分析了锁相环带宽，故障点端口特性及电网短路比等因素对风电机组暂态稳定裕度的影响，提出降低锁相环带宽有利于提高暂态稳定裕度，但在严重短路故障下，仅降低锁相环带宽不能解决系统因平衡点不存在而出现的暂态失稳问题。现有文献没有涉及到对称故障期间由于多风电场间的相互作用而产生的暂态稳定问题，实际上，在严重电网对称短路故障下，多并联风电并网系统中风电场间的潮流耦合作用可能导致风电场出现暂态失稳现象，恶化含多风电场电力系统的暂态稳定性。

引用列表

非专利文献

非专利文献1：张琛,蔡旭,李征,等.全功率变换风电机组的暂态稳定性分析[J].中国电机工程学报,2017,37(14):4018-4026.

发明内容

鉴于此，本发明提供一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法，在不增加设备硬件，不改变内部控制器参数的基础上，仅通过改变电网对称短路期间系统中每个风电场的有功、无功电流指令，能够保证各风电场均存在平衡点，且暂态失稳风险最小，显著提高多并联风电场在电网对称短路期间的暂态稳定运行能力。

本发明公开了一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法，包括：

步骤1：当交流电网在公共输电线路发生对称短路故障时，获取故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置；

步骤2：根据所述故障点电压幅值标幺值，得到所述电力系统的无功电流设置指令矩阵；

步骤3：根据所述无功电流设置指令矩阵、所述故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置，得到所述电力系统的有功电流指令矩阵，即可得到多个并联连接的风电场的有功电流指令值的设置值；所述电力系统包括多个所述并联连接的风电场。

进一步地，所述步骤1之后，所述步骤2之前，所述方法还包括：

按照以下公式判断风电场是否进行低电压穿越，

式中，U_f为故障点电压幅值标幺值，U_T为并网风电场低电压穿越控制的电压阈值；

若风电场进入低电压穿越模式，则进入步骤2，否则，重复进入步骤1。

进一步地，所述步骤2包括：

步骤21：根据故障点电压幅值标幺值，得到一个风电场发出的无功电流指令；

步骤22：按照步骤21类推，得到所述电力系统中所有风电场发出的无功电流指令并共同构成所述无功电流设置指令矩阵。

进一步地，所述步骤21所采用的计算公式为：

式中，

是电力系统中第m个风电场输出的无功电流；m为正整数，其取值范围为1至N，N为电力系统中并联连接的风电场数量，I_nm为第m个风电场的额定电流。

进一步地，所述步骤22包括：

根据步骤21的计算方法，依次计算其余风电场的无功电流指令，最终获得含N个并联风电场的电力系统的无功电流设置指令矩阵，

式中，

为无功电流设置指令矩阵，

分别为第1，2，…N个风电场无功电流指令设置值。

进一步地，所述步骤3包括：

步骤31：根据所述故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置，得到公共连接点PCC至故障点处的线路等效电阻和等效电抗；

步骤32：根据所述线路等效电阻和所述等效电抗，得到输电线路电抗矩阵和输电线路电阻矩阵；

步骤33：根据所述输电线路电抗矩阵、所述输电线路电阻矩阵和所述无功电流设置指令矩阵，得到有功电流计算矩阵；

步骤34：基于所述无功电流设置指令矩阵和所述有功电流计算矩阵，得到所述电力系统的有功电流指令矩阵。

进一步地，所述步骤32采用的计算公式为：

式中，X_N×N为输电线路电抗矩阵，R_N×N为输电线路电阻矩阵，X_l1，X_l2，...，X_lN分别为第1，2，…，N个风电场并网点至PCC点处支路线路的等效电抗值；R_l1，R_l2，...，R_lN分别为第1，2，…，N个风电场并网点至PCC点处支路线路等效电阻值，R_C为线路等效电阻，X_C为等效电抗。

进一步地，所述步骤33中有功电流计算矩阵的计算公式为：

式中，

为有功电流计算矩阵，

分别为第1，2，…，N个风电场的有功电流计算参考值；

为输电线路电抗矩阵X_N×N的逆矩阵。

进一步地，所述步骤34包括：

分别按照以下公式设置所有风电场在短路故障期间的有功电流指令：

式中，

为第m个风电场在故障期间的有功电流指令设置值，I_Mm为第m个风电场的变流器运行允许输出的最大电流幅值；

获得所有有功电流指令对应的有功电流指令矩阵

即可实现含N个并联并网风电场的电力系统在故障期间的暂态失稳风险最小化控制；其中，

分别为第1，2，…N个风电场有功电流指令值设置值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明能够根据故障位置和故障程度，计算得到含多并联风电场电力系统在电网故障期间的最优有功电流指令，在满足并网导则低电压穿越无功要求的同时，最大程度上减小系统的暂态失稳风险，显著增强了电力系统安全稳定运行的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的N个并联风电场并网结构示意图；

图2为本发明实施例的所提出暂态失稳风险最小化有功电流控制策略示意图；

图3为本发明实施例的电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.2pu，三机并联风电场采用传统低电压控制策略的仿真波形图；

图4为本发明实施例的电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.2pu，三机并联风电场采用本发明提出的多风电场暂态失稳风险最小化电流分配策略仿真波形图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

本发明用于提高含多并联风电场电力系统在电网对称短路故障下的暂态稳定性。图1为本发明实施例的N个并联风电场并网结构示意图。图2为本发明实施例的所提出暂态失稳风险最小化有功电流控制策略示意图。在电网公共线路发生对称短路故障期间，通过重新计算多并联风电场电力系统中各风电场有功、无功电流指令值，保证系统中各风电场都具有稳定平衡点，最大程度上减小系统的暂态失稳风险。

本发明提供了一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法的实施例，其适用于交流电网对称短路故障下的基于锁相同步控制的多风电场并网系统，其具体实施步骤如下：

步骤1：当交流电网在公共输电线路发生对称短路故障时，获取故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置；

步骤2：根据故障点电压幅值标幺值，得到电力系统的无功电流设置指令矩阵；

步骤3：根据无功电流设置指令矩阵、故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置，得到电力系统的有功电流指令矩阵，即可得到多个并联连接的风电场的有功电流指令值的设置值；电力系统包括多个并联连接的风电场。

具体地，步骤1之后，步骤2之前，方法还包括：

按照以下公式判断风电场是否进行低电压穿越，

式中，U_f为故障点电压幅值标幺值，U_T为并网风电场低电压穿越控制的电压阈值；

若风电场进入低电压穿越模式，则进入步骤2，否则，重复进入步骤1。

具体地，步骤2包括：

步骤21：根据故障点电压幅值标幺值，得到一个风电场发出的无功电流指令；

步骤22：按照步骤21类推，得到电力系统中所有风电场发出的无功电流指令并共同构成无功电流设置指令矩阵。

具体地，步骤21所采用的计算公式为：

式中，

是电力系统中第m个风电场输出的无功电流；m为正整数，其取值范围为1至N，N为电力系统中并联连接的风电场数量，I_nm为第m个风电场的额定电流。

具体地，步骤22包括：

根据步骤21的计算方法，依次计算其余风电场的无功电流指令，最终获得含N个并联风电场的电力系统的无功电流设置指令矩阵，

式中，

为无功电流设置指令矩阵，

分别为第1，2，…N个风电场无功电流指令设置值。

具体地，步骤3包括：

步骤31：根据故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置，得到公共连接点PCC至故障点处的线路等效电阻和等效电抗；

步骤32：根据线路等效电阻和等效电抗，得到输电线路电抗矩阵和输电线路电阻矩阵；

步骤33：根据输电线路电抗矩阵、输电线路电阻矩阵和无功电流设置指令矩阵，得到有功电流计算矩阵；

步骤34：基于无功电流设置指令矩阵和有功电流计算矩阵，得到电力系统的有功电流指令矩阵。

具体地，步骤32采用的计算公式为：

式中，X_N×N为输电线路电抗矩阵，R_N×N为输电线路电阻矩阵，X_l1，X_l2，...，X_lN分别为第1，2，…，N个风电场并网点至PCC点处支路线路的等效电抗值；R_l1，R_l2，...，R_lN分别为第1，2，…，N个风电场并网点至PCC点处支路线路等效电阻值，R_C为线路等效电阻，X_C为等效电抗。

具体地，步骤33中有功电流计算矩阵的计算公式为：

式中，

为有功电流计算矩阵，

分别为第1，2，…，N个风电场的有功电流计算参考值；

为输电线路电抗矩阵X_N×N的逆矩阵。

具体地，步骤34包括：

分别按照以下公式设置所有风电场在短路故障期间的有功电流指令：

式中，

为第m个风电场在故障期间的有功电流指令设置值，I_Mm为第m个风电场的变流器运行允许输出的最大电流幅值；

获得所有有功电流指令对应的有功电流指令矩阵

即可实现含N个并联并网风电场的电力系统在故障期间的暂态失稳风险最小化控制；其中，

分别为第1，2，…N个风电场有功电流指令值设置值。

以三并联风电系统为例，图3给出了电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.2pu，三机并联风电场采用传统低电压控制策略的仿真波形图。0.2s时电网公共线路发生三相短路故障。根据电网导则要求，在采用传统低电压穿越控制策略时，风电场1，2，3均向电网输出-1.0p.u.的纯无功电流。此时从图3可知风电场1，2，3发生暂态失稳现象，无法与电网保持稳定。

图4为电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.2pu，三机并联风电场采用本发明提出的多风电场暂态失稳风险最小化电流分配策略仿真波形图。当采用本发明所提策略时，根据电网导则要求，低电压穿越期间风电场1，2，3的无功电流指令

均设置为-1.0p.u.，有功电流指令

分别设置为0.34p.u.，0.343p.u.以及0.342p.u.。图4(b)，(f)和(j)中，三个风电场并网点电压稳定，三机系统可以与电网保持同步稳定，避免了系统发生暂态失稳现象。此外，图4(c)，(g)和(k)表明采用本发明所提有功电流控制策略时，三个风电场的有功电流均非常接近于0°，此时系统的暂态稳定裕度最大。

由此可见，本发明提出的含多风电场电力系统暂态失稳风险最小化有功电流控制方法可以有效提高多并联风电电力系统在电网对称故障期间的暂态稳定性，增强电网暂态安全稳定运行的可靠性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：当交流电网在公共输电线路发生对称短路故障时，获取故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置；

步骤2：根据所述故障点电压幅值标幺值，得到所述电力系统的无功电流设置指令矩阵；

步骤3：根据所述无功电流设置指令矩阵、所述故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置，得到所述电力系统的有功电流指令矩阵，即可得到多个并联连接的风电场的有功电流指令值的设置值；所述电力系统包括多个所述并联连接的风电场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1之后，所述步骤2之前，所述方法还包括：

按照以下公式判断风电场是否进行低电压穿越，

式中，U_f为故障点电压幅值标幺值，U_T为并网风电场低电压穿越控制的电压阈值；

若风电场进入低电压穿越模式，则进入步骤2，否则，重复进入步骤1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21：根据故障点电压幅值标幺值，得到一个风电场发出的无功电流指令；

步骤22：按照步骤21类推，得到所述电力系统中所有风电场发出的无功电流指令并共同构成所述无功电流设置指令矩阵。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤21所采用的计算公式为：

式中，

是电力系统中第m个风电场输出的无功电流；m为正整数，其取值范围为1至N，N为电力系统中并联连接的风电场数量，I_nm为第m个风电场的额定电流。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤22包括：

根据步骤21的计算方法，依次计算其余风电场的无功电流指令，最终获得含N个并联风电场的电力系统的无功电流设置指令矩阵，

式中，

为无功电流设置指令矩阵，

分别为第1，2，…N个风电场无功电流指令设置值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31：根据所述故障点电压幅值标幺值以及故障发生位置，得到公共连接点PCC至故障点处的线路等效电阻和等效电抗；

步骤32：根据所述线路等效电阻和所述等效电抗，得到输电线路电抗矩阵和输电线路电阻矩阵；

步骤33：根据所述输电线路电抗矩阵、所述输电线路电阻矩阵和所述无功电流设置指令矩阵，得到有功电流计算矩阵；

步骤34：基于所述无功电流设置指令矩阵和所述有功电流计算矩阵，得到所述电力系统的有功电流指令矩阵。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤32采用的计算公式为：

式中，X_N×N为输电线路电抗矩阵，R_N×N为输电线路电阻矩阵，X_l1，X_l2，...，X_lN分别为第1，2，…，N个风电场并网点至PCC点处支路线路的等效电抗值；R_l1，R_l2，...，R_lN分别为第1，2，…，N个风电场并网点至PCC点处支路线路等效电阻值，R_C为线路等效电阻，X_C为等效电抗。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤33中有功电流计算矩阵的计算公式为：

式中，

为有功电流计算矩阵，

分别为第1，2，…，N个风电场的有功电流计算参考值；

为输电线路电抗矩阵X_N×N的逆矩阵。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤34包括：

分别按照以下公式设置所有风电场在短路故障期间的有功电流指令：

式中，

为第m个风电场在故障期间的有功电流指令设置值，I_Mm为第m个风电场的变流器运行允许输出的最大电流幅值；

获得所有有功电流指令对应的有功电流指令矩阵

即可实现含N个并联并网风电场的电力系统在故障期间的暂态失稳风险最小化控制；其中，

分别为第1，2，…N个风电场有功电流指令值设置值。

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