CN115833276B - 一种双馈风机故障穿越控制方法及设备 - Google Patents

一种双馈风机故障穿越控制方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双馈风机故障穿越控制方法及设备，属于风机故障穿越控制领域。首先，在无功电流指令计算中分区引入电流系数以优化动态无功控制区间，其次，当检测到故障发生时，风机变流器将指令端子切换至故障穿越控制模式，以采用优化后的无功电流指令，有针对性地解决了风机机端电压连续变化带来的动态无功控制不佳的问题，抑制了机端暂态过电压，使风机平稳地度过故障穿越过程。

Description

一种双馈风机故障穿越控制方法及设备
技术领域
本发明涉及风机故障穿越控制领域，特别是涉及一种双馈风机故障穿越控制方法及设备。
背景技术
随着可再生能源的大规模接入，风电跨区域直流外送发展已较为成熟。其中，基于电网换相换流器的高压直流（line commutated converter-high voltage directcurrent，LCC-HVDC）技术作为大规模风电输送的主要方式，当受端电网发生故障时，LCC-HVDC逆变站容易发生换相失败，使机端电压呈现“先低后高”的暂态特性，不具有故障穿越能力的风机会大面积脱网，严重威胁电力系统的安全运行。而现有故障穿越方案多立足于单一低/高电压故障，并网点电压处于0.9~1.1pu范围内时会出现无功支撑的真空区，未考虑电压连续变化带来的动态无功控制不佳问题，不适用于换相失败场景下“先低后高”连续变化的暂态过电压抑制。
发明内容
本发明的目的是提供一种双馈风机故障穿越控制方法及设备，可解决风机机端电压连续变化带来的动态无功控制不佳的问题，抑制机端暂态过电压，使风机平稳地度过故障穿越过程。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双馈风机故障穿越控制方法，包括：
对风机机端电压分区引入电流系数，并结合风机机端电压幅值，确定换相失败故障下风机运行期间的无功电流指令；
根据所述无功电流指令，建立控制风机的故障穿越控制模式；
在发生换相失败故障后，判断风机机端电压是否呈现先低后高连续变化的暂态特性，获得判断结果；
若判断结果表示否，则风机维持稳态运行模式；
若判断结果表示是，则切换风机的电流指令端子，使风机进入故障穿越控制模式，抑制故障穿越过程中的暂态过电压。
一种双馈风机故障穿越控制设备，包括：
存储器，用于存储计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如前述的双馈风机故障穿越控制方法；
处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机软件程序。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种双馈风机故障穿越控制方法及设备，首先，在无功电流指令计算中分区引入电流系数以优化动态无功控制区间，其次，当检测到故障发生时，风机变流器将指令端子切换至故障穿越控制模式，以采用优化后的无功电流指令，有针对性地解决了风机机端电压连续变化带来的动态无功控制不佳的问题，抑制了机端暂态过电压，使风机平稳地度过故障穿越过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的两端交直流风电外送系统示意图；
图2为现有的换相失败过程中直流电流波形示意图；
图3为现有的换相失败过程中整流站消耗的无功功率波形示意图；
图4为现有的换相失败过程中整流侧母线电压波形示意图；
图5为现有的换相失败过程中风机机端电压波形示意图；
图6为本发明实施例提供的双馈风机故障穿越控制方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的双馈风机故障穿越控制方法的原理图；
图8为本发明实施例提供的双馈风机故障穿越控制方法的控制框图；
图9为本发明实施例提供的仿真模型示意图；
图10为本发明实施例提供的优化前后前后风机侧电压波形对比图；
图11为本发明实施例提供的三相接地故障下优化前后风机侧电压波形对比图；
图12为本发明实施例提供的两相接地故障下优化前后风机侧电压波形对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种双馈风机故障穿越控制方法及设备，可解决风机机端电压连续变化带来的动态无功控制不佳的问题，抑制机端暂态过电压，使风机平稳地度过故障穿越过程。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种典型的两端交直流风电外送系统如图1所示。稳态情况下，整流器功率有如下关系式：
           (1)
式中，Pac、Qac分别为送端系统（送端系统为交流系统）输送至直流系统的有功、无功功率；Qcr为交流滤波器产生的无功功率；Pdr为直流系统传输的有功功率；Qdr为整流器消耗的无功功率。
由换相失败的过程可知，整流器消耗的无功功率Qdr可计算如下：
     (2)
式中，Udr为整流侧直流电压；Udr0为整流器空载直流电压；Idr为直流电流；φr为整流器的功率因数角。
由式(2)可以看出，Qdr与直流电流Idr、直流电压Udr有关。直流系统逆变侧换相失败期间，直流电流增大，整流器无功消耗激增，造成送端无功功率波动，变化量为：
             (3)
稳态下整流侧母线电压ULr为1pu，s换相失败期间，其与无功功率的变化量ΔQ有如下关系：
            (4)
式中，Sac为送端系统的短路容量。
由式(2)至式(4)可以看出，整流侧母线电压在换相失败期间受整流器消耗无功功率Qdr的变化而变化。换相失败初期，直流电流Idr激增，整流器消耗无功功率Qdr增多，造成整流站及近区风电场暂态低电压；随着整流侧控制策略的加入，直流电流迅速减小为0，换流器消耗无功功率也随之降为0，又造成整流站及近区风电场暂态过电压，换相失败过程中各电气量波形如图2-图5所示。图1中ULi为逆变站母线电压。
实施例一
本发明提出一种双馈风机故障穿越控制方法，首先，在无功电流指令计算时分区引入电流系数以优化功率控制区间，其次，当检测到故障发生时，风机变流器将电流指令端子切换至故障穿越模式以采用优化后的无功电流指令，所提控制方法能在换相失败场景下，有针对性地解决风机动态无功控制不佳的问题，抑制了机端暂态过电压，使风机平稳地度过故障穿越过程。
如图6所示，本发明实施例提供的一种双馈风机故障穿越控制方法，包括以下过程：
步骤S1，对风机机端电压分区引入电流系数，并结合风机机端电压幅值，确定换相失败故障下风机运行期间的无功电流指令。
实时检测风机机端电压Us，并根据该风机机端电压区间，引入相应系数，并根据该系数来得到各个电压阶段的无功电流指令Is。
针对换相失败场景下风机机端电压“先低后高”连续变化的暂态特征，在风机机端电压、、这三个风机机端电压区间内分别引入低穿系数kLVRT、中间系数kmid-FRT、高穿系数kHVRT，并且在风机运行期间，通过实时检测风机机端电压幅值，计算无功电流指令Is，得到下述Is：
      (5)
式中，[0.2,0.9）、[0.9,1.1]和（1.1,1.3]为风机机端电压的3个分区。
步骤S2，根据所述无功电流指令，建立控制风机的故障穿越控制模式。
对风机变流器进行电流指令参考值的设计，具体的包括机侧变流器（Rotor SideCinventer，RSC）、网侧变流器（Grid Side Converter，GCS）两项控制过程，其中RSC包括RSC无功电流irq、RSC有功电流ird，GSC包括GSC无功电流igq、GSC有功电流igd。
换相失败故障期间，RSC取消功率外环，无功电流指令端子切换至故障穿越控制模式，采用Is以进行无功功率的控制，故障穿越控制模式下机侧变流器的无功电流参考值为：
           (6)
式中，ψqs表示定子磁链的q轴分量，Lm表示定转子之间的互感值，Ls表示定子侧电感值。
换相失败故障期间，RSC有功电流ird切换为无功优先的定电流控制策略，故障穿越控制模式下机侧变流器的有功电流参考值为：
           (7)
式中，Irmax为机侧变流器所能承受的最大电流值。
故障期间，GSC无功电流指令端子切换至故障穿越控制模式，采用Is进行无功功率的控制，故障穿越控制模式下网侧变流器的无功电流参考值为：
                  (8)
GSC有功电流igd用于维持直流母线电压恒定，故障穿越控制模式下网侧变流器的有功电流参考值为：
   (9)
式中，kp表示比例控制参数；ki表示积分控制参数，、Vdc分别表示直流母线电压的参考值、实际值。
步骤S3，在发生换相失败故障后，判断风机机端电压是否呈现先低后高连续变化的暂态特性，获得判断结果。
系统换相失败故障的判断过程如下：
步骤1）利用关断角检测模块检测到关断角γ小于最小关断角γmin时，且三相对称电压检测模块检测到电压三相对称时，证明系统发生换相失败故障，进入步骤2）条件判断，否则，表明系统并未发生换相失败故障，结束流程判断。
步骤2）利用电压变化率检测模块来判断风机机端电压是否呈现“先低后高”连续变化的特征。检测模块最低阈值设为1pu/s且最高阈值为20pu/s，当检测到1<|dUs /dt|<20时，代表系统发生换相失败故障且风机机端电压出现“先低后高”连续变化的特征，此时标志位Flag=2，风机进入故障穿越控制模式；否则，代表系统发生换相失败故障但未出现风机机端电压“先低后高”特征连续变化，此时标志位Flag=1，风机维持稳态运行模式。
步骤S4，若判断结果表示否，则风机维持稳态运行模式。
如图8所示，稳态运行时，RSC无功电流irq运行于定无功功率状态，稳态运行模式下机侧变流器的无功电流参考值为：
       (10)
式中，和Qs分别表示定子侧无功功率参考值和定子侧无功功率实际值。公式(10)对应图8中的Flag=1的运算部分。
稳态运行时，RSC有功电流主要负责最大风能追踪，稳态运行模式下机侧变流器的有功电流参考值为：
         (11)
式中，和Ps分别表示定子侧有功功率参考值和定子侧有功功率实际值。公式(11)对应图8中的Flag=1的运算部分。
稳态运行时，GSC一般运行于单位功率因数状态，稳态运行模式下网侧变流器的无功电流参考值为：
        (12)
公式(12)对应图8中的Flag=1的运算部分。
GSC有功电流igd用于维持直流母线电压恒定，稳态运行模式下网侧变流器的有功电流参考值为：
         (13)
公式(13)对应图8中的运算部分。
如图7所示，由此可总结得到RSC无功电流参考值、RSC有功电流参考值、GSC无功电流参考值、GSC有功电流参考值在两种运行模式的表达式为：
RSC无功电流参考值：      (14)
RSC有功电流参考值：      (15)
GSC无功电流参考值：             (16)
GSC有功电流参考值： (17)
步骤S5，若判断结果表示是，则切换风机的电流指令端子，使风机进入故障穿越控制模式，抑制故障穿越过程中的暂态过电压。
根据上述得到的RSC无功电流irq、RSC有功电流ird、GSC无功电流igq和GSC有功电流igd，风机变流器按照电流指令值与Flag标志位情况，进行电流指令端子的切换以进入故障穿越控制模式。
采用本发明的双馈风机故障穿越控制方法确定RSC无功电流参考值、RSC有功电流参考值、GSC无功电流参考值和GSC有功电流参考值后，下面将结合图8介绍使用这四个参考值对RSC和GSC进行控制的过程。
RSC的控制过程：首先根据公式计算转子侧输出电压d轴分量，以及根据公式计算转子侧输出电压q轴分量；然后对转子侧输出电压d轴分量和转子侧输出电压q轴分量进行坐标变换，坐标变换后的转子侧输出电压进行脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），输出脉冲调制波，进而利用脉冲调制波控制RSC。其中，Urd为转子侧输出电压d轴分量；kprd、kird为转子d轴电流PI控制参数；s为转差率；ω1为电网同步转速；σ为漏磁系数；Lr为转子侧电感值。Urq为转子侧输出电压q轴分量；kprq、kirq为转子q轴电流PI控制参数。
GSC的控制过程：首先根据公式计算网侧输出电压d轴分量，以及根据公式计算网侧输出电压q轴分量；然后对网侧输出电压d轴分量和网侧输出电压q轴分量进行坐标变换，坐标变换后的网侧输出电压进行脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），输出脉冲调制波，进而利用脉冲调制波控制GSC。其中，Ugd为网侧输出电压d轴分量；kprgd、kigd为网侧d轴电流PI控制参数；Lg为网侧电感值。Ugq为网侧输出电压q轴分量；kpgq、kigq为网侧q轴电流PI控制参数。Vd为机端电压d轴分量，Vq为机端电压q轴分量。
图8中DC-Line表示直流传输线，L表示电感。
为验证本发明对风机暂态过电压的抑制效果，在Matlab/Simulink仿真平台中搭建如图9所示的仿真模型示意图，风电场采用50台1.5MW的风机进行等值，经LCC-HVDC系统外送至受端电网。风机与LCC-HVDC系统参数分别见表1、表2与表3。
仿真中采用标幺值系统，工况设置1s时受端电网发生单相金属性短路故障，引发逆变侧换相失败，导致送端电压呈现“先低后高”的暂态电压。风速设置为15m/s，DFIG（double fed induction generator，双馈感应电机）运行于最大功率跟踪区，工作于大发状态。
表1 风机参数表
表2 LCC-HVDC系统外部参数
表3 LCC-HVDC系统控制参数
风机机侧电压波形如图10所示。由图10可以看出，风机未配备本发明的双馈风机故障穿越控制方法时，直流换相失败使近区风电场最高电压达1.28pu，本发明所提双馈风机故障穿越控制方法能够将风机过电压峰值降为1.15pu，说明对风机具有主动抑制暂态过电压的效果，有利于故障过程的平稳穿越。
为验证本发明所提双馈风机故障穿越控制方法对不同故障场景均具有适用性，在前述仿真工况的基础上，分别设置1s时受端发生三相接地故障与两相接地故障，优化前后的风机电压波形如图11和图12所示。
由图11可以看出，受端发生三相接地故障时，风机在未配备本发明的双馈风机故障穿越控制方法时会出现高达1.25pu的暂态过电压，优化后的风机过电压抑制为1.18pu；由图12可以看出，两相接地故障下，风机暂态过电压可由1.22pu降为优化后的1.12pu，说明本发明提出的双馈风机故障穿越控制方法对风机故障穿越过程在不同故障类型下均具有良好的适用性。
本发明提出的双馈风机故障穿越控制方法，基于无功电流指令优化，能够优化电压连续变化场景下的动态无功控制，有效地抑制风机暂态过电压，实现故障过程的平稳过渡。
实施例二
该实施例提供了一种双馈风机故障穿越控制设备，包括：
存储器，用于存储计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如实施例一所述的双馈风机故障穿越控制方法；其中，存储器可以采用计算机可读存储介质。
处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机软件程序。
进一步地，所述处理器包括：
无功电流指令优化模块，用于对风机机端电压分区引入电流系数，并结合风机机端电压幅值，确定换相失败故障下风机运行期间的无功电流指令；
故障穿越控制模式建立模块，用于根据所述无功电流指令，建立风机的故障穿越控制模式；
判断模块，用于在发生换相失败故障后，判断风机机端电压是否呈现先低后高连续变化的暂态特性，获得判断结果；
稳态运行模块，用于若判断结果表示否，则控制风机维持稳态运行模式；
切换模块，用于若判断结果表示是，则切换风机的电流指令端子，使风机进入故障穿越控制模式，抑制故障穿越过程中的暂态过电压。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种双馈风机故障穿越控制方法，其特征在于，包括：
对风机机端电压分区引入电流系数，并结合风机机端电压幅值，确定直流换相失败故障下风机运行期间的无功电流指令；所述换相失败故障下风机运行期间的无功电流指令的表达式为；式中，[0.2,0.9）、[0.9,1.1]和（1.1,1.3]为风机机端电压的3个分区，U s 为风机机端电压，I s 为无功电流指令，k LVRT 为低穿系数，k mid-FRT 为中间系数，k HVRT 为高穿系数；所述风机机端电压在换相失败场景下呈先低后高连续变化的暂态特征；
根据所述无功电流指令，建立控制风机的故障穿越控制模式；所述风机的故障穿越控制模式的控制对象包括：机侧变流器和网侧变流器；故障穿越控制模式下机侧变流器的无功电流参考值为：；式中，ψ qs 表示定子磁链的q轴分量，L m 表示定转子之间的互感值，L s 表示定子侧电感值；故障穿越控制模式下机侧变流器的有功电流参考值为：；式中，I rmax为机侧变流器所能承受的最大电流值；故障穿越控制模式下网侧变流器的无功电流参考值为：；故障穿越控制模式下网侧变流器的有功电流参考值为：；式中，k p 表示比例控制参数；k i 表示积分控制参数，、V dc 分别表示直流母线电压的参考值、实际值，t表示时间；
在发生换相失败故障后，判断风机机端电压是否呈现先低后高连续变化的暂态特性，获得判断结果；
若判断结果表示否，则风机维持稳态运行模式；
若判断结果表示是，则切换风机的电流指令端子，使风机进入故障穿越控制模式，抑制故障穿越过程中的暂态过电压。
2.根据权利要求1所述的双馈风机故障穿越控制方法，其特征在于，所述稳态运行模式的控制对象包括：机侧变流器和网侧变流器；
稳态运行模式下机侧变流器的无功电流参考值为：；式中，和Q s 分别表示定子侧无功功率参考值和定子侧无功功率实际值；
稳态运行模式下机侧变流器的有功电流参考值为：；式中，和P s 分别表示定子侧有功功率参考值和定子侧有功功率实际值；
稳态运行模式下网侧变流器的无功电流参考值为：；
稳态运行模式下网侧变流器的有功电流参考值为：。
3.根据权利要求1所述的双馈风机故障穿越控制方法，其特征在于，发生换相失败故障的判定条件为：
关断角小于或等于最小关断角，且风机机端电压三相对称。
4.根据权利要求1所述的双馈风机故障穿越控制方法，其特征在于，风机机端电压呈现先低后高连续变化的暂态特性的判定条件为：
风机机端电压满足；其中，U s 为风机机端电压，t表示时间。
5.一种双馈风机故障穿越控制设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如权利要求1-4任意一项所述的双馈风机故障穿越控制方法；
处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机软件程序。
6.根据权利要求5所述的双馈风机故障穿越控制设备，其特征在于，所述处理器包括：
无功电流指令优化模块，用于对风机机端电压分区引入电流系数，并结合风机机端电压幅值，确定换相失败故障下风机运行期间的无功电流指令；
故障穿越控制模式建立模块，用于根据所述无功电流指令，建立风机的故障穿越控制模式；
判断模块，用于在发生换相失败故障后，判断风机机端电压是否呈现先低后高连续变化的暂态特性，获得判断结果；
稳态运行模块，用于若判断结果表示否，则控制风机维持稳态运行模式；
切换模块，用于若判断结果表示是，则切换风机的电流指令端子，使风机进入故障穿越控制模式，抑制故障穿越过程中的暂态过电压。
7.根据权利要求5所述的双馈风机故障穿越控制设备，其特征在于，所述存储器为计算机可读存储介质。
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