CN116054169A - 一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法和设备 - Google Patents

一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法和设备 Download PDF

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杜炤鑫
熊雪君
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Abstract

本发明涉及一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法和设备，所述方法应用于低频输电交交换流站风场，包括如下步骤：在变电压运行控制模式下，根据当前至少一个永磁全功率变换风电机组中的最大风速，获取对应的机组转速，根据机组转速，获取交交换流站风场侧端口的最低需求电压，根据最低需求电压，获取换流站风场侧端口的电压有效值；根据电压有效值，获取换流站风场侧交流端口的三相参考电压，通过脉宽调制对交流端口的三相电压进行调节，并对永磁全功率变换风电机组的背靠背电压源型变换器实现动态贴下限直流母线电压调节。与现有技术相比，本发明可增强永磁全功率变换风电机组极低速运行能力，降低机组变流器损耗，增强故障穿越能力。

Description

一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法和设备
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法和设备。
背景技术
现有的变速恒压恒频风电技术具有如下缺点：
1)永磁全功率变换风电机组恒定的机端电压下，永磁全功率变换风电机组背靠背电压源型变流器的直流母线电压必须保持较高水平，而发电机端电压随转速降低，当风速较低时机组转速低，变流器开关损耗占比增加；
2)风电场汇集点一直维持较高电压水平，故障暂态下动态元件暂态过程剧烈，故障穿越难；
3)风速极低时，风力机能够捕获的气动功率十分有限，此时也需要降低背靠背电压源型变换器损耗，实现机组极低速运行。
经恒压恒频低频交流送出的变速恒频风电场，该技术中交交换流站风场侧端口，控制风电场侧交流端口电压的幅值和频率恒定，风电场中的永磁全功率变换风电机组带有背靠背电压源型变换器实现机组独立变速和并网，永磁全功率变换风电机组端电压的频率和幅值基本维持不变。
综上，现有技术存在如下缺点：
(1)永磁全功率变换风电机组极低速运行能力较弱，变流器开关损耗较大。
(2)永磁全功率变换风电机组故障穿越技术要求较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法和设备，能够降低永磁全功率变换风电机组故障穿越技术要求的同时，增强永磁全功率变换风电机组极低速运行能力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的一个方面，提供了一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，应用于低频输电交交换流站风场，包括如下步骤：
在变电压运行控制模式下，根据当前至少一个永磁全功率变换风电机组中的最大风速，获取对应的机组转速，根据所述机组转速，获取交交换流站风场侧端口的最低需求电压，根据所述最低需求电压，获取换流站风场侧端口的电压有效值；
根据所述电压有效值，获取换流站风场侧交流端口的三相参考电压，通过脉宽调制对交流端口的三相电压进行调节，并对所述永磁全功率变换风电机组的背靠背电压源型变换器实现动态贴下限直流母线电压调节。
作为优选的技术方案，所述的最低需求电压采用下式获取：
Figure BDA0003983027110000021
式中，Ulim为所述最低需求电压，
Figure BDA0003983027110000022
为所述机组转速，ωn为永磁全功率变换风电机组的额定转速，nFC为永磁全功率变换风电机组箱式变压器的变比，nT-WF为风电场升压变的变比，Ung为永磁全功率变换风电机组发电机定子的额定电压。
作为优选的技术方案，所述的电压有效值的获取过程包括如下步骤：
针对所述最低需求电压，在与裕度系数相乘后，通过对电压信号滤波、限幅后，获取所述电压有效值。
作为优选的技术方案，所述的滤波通过一阶低通滤波器实现。
作为优选的技术方案，所述的一阶低通滤波器的时间常数τ的取值为
Figure BDA0003983027110000023
其中，
Figure BDA0003983027110000024
ρ为空气密度，R为桨叶半径，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比，
Figure BDA0003983027110000025
为查表得到的转速。
作为优选的技术方案，所述的限幅通过限幅单元实现，限幅的上限为系统额定电压Un，下限为
Figure BDA0003983027110000026
作为优选的技术方案，所述的三相参考电压采用下式获取：
Figure BDA0003983027110000027
式中，Uref为所述电压有效值，θref由本系统的额定频率经过积分得到。
作为优选的技术方案，还包括：
电网启动时，获取至少一个永磁全功率变换风电机组的风速信息，根据所述风速信息，获取当前平均风速，根据所述平均风速判断是否符合风电场启动条件，若否，重复执行本步骤，若是，进入常规运行控制模式，将所述电压有效值设置为预设的系统额定电压；
获取模式选取信号，根据所述模式选取信号，选择进入所述变电压运行控制模式或所述常规运行控制模式。
本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法的指令。
本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法的指令。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)提供了低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，保证永磁全功率变换风电机组发电机、机组变压器及交交换流站风场侧端口工作在低于额定电压的工作状态，从而保证大部分工作状态下电磁设备弱磁运行、电容元件电压低，故障穿越暂态轻微、储能元件电压泵升裕度大，从而提升故障穿越的能力。
(2)可以灵活的兼容现有的常规技术，当不符合风电场启动条件时，为常规运行控制模式，当符合风电场启动条件时，即切换至本发明的变电压运行控制模式，由于有低通滤波器的存在，在运行过程中也可按需切换上述两种模式。
(3)根据永磁全功率变换风电机组中风速v、发电机转速ωg、发电机端电压Ug之间近似呈正比关系v∝ωg∝Ug，风速较低时永磁全功率变换风电机组的背靠背变流器两个交流端口的电压均较低、风速较高时永磁全功率变换风电机组的背靠背变流器两个交流端口的电压均较高，在永磁全功率变换风电机组背靠背变流器中采用动态贴下限直流电压控制，降低背靠背变流器损耗，并增强永磁全功率变换风电机组极低速运行能力。
(4)使用背对背转换器对下部线路进行直流总线电压控制，保证了变压低频输电。变压低频输电可以有效改善多故障点、多故障类型下的瞬态涌流。
附图说明
图1为实施例1中全功率变换机组的系统拓扑示意图。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，应用于具有多个永磁全功率变换风电机组的风电场。如图1所述为全功率变换机组的系统拓扑示意图，包括永磁全功率变换风电机组、集电系统、交交换流站、低频传输线、通信系统等部分构成。其中交交换流站风场侧端口和交交换流站电网侧端口采用电压源型变换器结构，如模块化多电平拓扑。本实施例不限定具体的汇集方式，可采用现有成熟的汇集系统。永磁全功率变换风电机组内部带有背靠背变流器和机组箱变。通信系统为交交换流站提供：1)风电场中风速最大的一台风电机组的当前风速vmax；2)风电场的平均风速vavg。
各部分连接关系是：风电场中包含多台永磁全功率变换风电机组，各机组通过集电系统汇集，并通过低频传输线连接有交交换流站风场侧端口，交交换流站电网侧端口连接电网。
本实施例的基本内容是：在变速恒频风电场经低频送出的系统中，在交交换流站风场侧端口采用电压幅值动态变化的控制，并同时在永磁全功率变换风电机组背靠背电压源型变换器中采用动态贴下限直流母线电压控制。
其中：1)交交换流站风场侧端口电压动态变化的原则是在满足系统正常运行和各处电流不超额定电流。
2)关于永磁全功率变换风电机组背靠背电压源型变换器的动态贴下限直流电压控制，共直流母线的电压源型变换器的动态贴下限直流母线电压控制方法已被中国专利申请号CN202010913246.3公开，可直接应用。
本实施例提供的低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法包括如下步骤：
第一步：进入变电压运行控制模式，接收风电场各台永磁全功率变换风电机组的风速，获取当前的最大风速vmax；
第二步：按照所采用永磁全功率变换风电机组的转速-风速稳态工作曲线，查表得到风速vmax对应的机组转速
Figure BDA0003983027110000051
通过
Figure BDA0003983027110000052
计算得到交交换流站风场侧端口的最低电压需求Ulim，其中ωn是永磁全功率变换风电机组的额定转速，nFC是永磁全功率变换风电机组箱式变压器的变比，nT-WF是风电场升压变的变比，Ung是永磁全功率变换风电机组发电机定子的额定电压。
第三步：Ulim乘以裕度系数kmargin(kmargin是略大于1的数)，
第四步：随后通过低通滤波器对电压信号进行低通滤波，如果采用一阶低通滤波器
Figure BDA0003983027110000053
则低通滤波器时间常数T建议取为1-4倍的风电机组惯性时间常数Hsum。建议取
Figure BDA0003983027110000054
其中，
Figure BDA0003983027110000055
ρ为空气密度，R为桨叶半径，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比，
Figure BDA0003983027110000058
为查表得到的转速。
第五步：采用限幅单元对电压信号进行限幅，其中限幅单元的上限为系统额定电压Un，限幅单元的下限Umin建议在
Figure BDA0003983027110000056
之间取值，然后得到换流站风场侧交流端口的电压有效值Uref。
第六步：计算换流站风场侧交流端口的三相参考电压，通过脉宽调制技术控制换流站风场侧交流端口的三相电压，并在各台永磁全功率变换风电机组背靠背电压源型变换器中应用直流母线电压贴下限控制技术。fref本实施例设定为20Hz，经过积分器积分得到θref。
Figure BDA0003983027110000057
进一步的，本实施例还提供了风电场系统启动的方法，包括如下步骤：
第一步：交交换流站风场侧端口接收当前风电场平均风速vavg，
第二步：根据当前风电场平均风速vavg判断是否符合风电场启动条件，
第三步：当符合启动条件时，将开关K置于1，进入常规运行控制模式，从而将换流站风场侧交流端口的电压有效值Uref设定为系统额定电压Un，
第四步：计算换流站风场侧交流端口的三相参考电压，通过脉宽调制技术控制换流站风场侧交流端口的三相电压。
第五步：当整个系统完成启动后，可将开关K置于2，即切换到上述变电压运行控制模式。
本实施例可以灵活的兼容现有的常规技术，开关K置于1时即为常规运行控制模式，当开关K置于2时即切换至变电压运行控制模式。由于有低通滤波器的存在，在运行过程中也可按需切换上述两种模式。
本发明公开一种风电场汇集点电压动态变化的变压低频风电系统方案及其控制方法。在交交换流站风场侧端口采用电压动态变化的控制，风速较低时交流端口电压降低、风速较高时交流端口电压升高。虽然风速较低时电压低于额定电压，但由于风功率正比于风速三次方、功率降低的远快于电压，因此全风速段电流不超限、可满足系统运行需求。而上述变压运行可带来以下好处：1)根据永磁全功率变换风电机组中风速v、发电机转速ωg、发电机端电压Ug之间近似呈正比关系v∝ωg∝Ug，风速较低时永磁全功率变换风电机组的背靠背变流器两个交流端口的电压均较低、风速较高时永磁全功率变换风电机组的背靠背变流器两个交流端口的电压均较高，在永磁全功率变换风电机组背靠背变流器中采用动态贴下限直流电压控制，降低背靠背变流器损耗，并为永磁全功率变换风电机组极低速运行创造条件。2)大部分时间永磁全功率变换风电机组发电机、机组变压器及交交换流站风场侧端口工作在低于额定电压的工作状态，而由此带来的好处是，大部分工作状态下电磁设备弱磁运行、电容元件电压低，故障穿越暂态轻微、储能元件电压泵升裕度大，可提升故障穿越的能力。
总和来看，相比于现有技术，本发明具有以下优势：
1)配合永磁全功率变换风电机组背靠背电压源型变换器的恒定的直流电压控制策略可降低变流器开关损耗，可增强永磁全功率变换风电机组极低速运行能力；
2)大部分时间风电场汇集点电压低于额定值，可降低永磁全功率变换风电机组故障穿越技术要求；
3)当采用较大的直流母线电容时，电容的充放电可起到平滑风电功率波动的作用。
4)使用背对背转换器对下部线路进行直流总线电压控制。采用变压低频输电可以有效改善多故障点、多故障类型下的瞬态涌流。
5)本发明可以灵活的兼容现有的常规技术，开关K置于1时即为常规运行控制模式，当开关K置于2时即切换至本发明的变电压运行控制模式。由于有低通滤波器的存在，在运行过程中也可按需切换上述两种模式。
实施例2
本实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，存储器内储存有一个或多个程序，一个或多个程序包括用于执行实施例1中低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法以及风电场系统启动方法的指令。
实施例3
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，一个或多个程序包括用于执行实施例1中低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法以及风电场系统启动方法的指令。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，应用于低频输电交交换流站风场，包括如下步骤：
在变电压运行控制模式下，根据当前至少一个永磁全功率变换风电机组中的最大风速，获取对应的机组转速，根据所述机组转速，获取交交换流站风场侧端口的最低需求电压，根据所述最低需求电压，获取换流站风场侧端口的电压有效值；
根据所述电压有效值，获取换流站风场侧交流端口的三相参考电压，通过脉宽调制对交流端口的三相电压进行调节，并对所述永磁全功率变换风电机组的背靠背电压源型变换器实现动态贴下限直流母线电压调节。
2.根据权利要求1所述的一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，所述的最低需求电压采用下式获取：
Figure FDA0003983027100000011
式中，Ulim为所述最低需求电压，
Figure FDA0003983027100000012
为所述机组转速，ωn为永磁全功率变换风电机组的额定转速，nFC为永磁全功率变换风电机组箱式变压器的变比，nT-WF为风电场升压变的变比，Ung为永磁全功率变换风电机组发电机定子的额定电压。
3.根据权利要求1所述的一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，所述的电压有效值的获取过程包括如下步骤：
针对所述最低需求电压，在与裕度系数相乘后，通过对电压信号滤波、限幅后，获取所述电压有效值。
4.根据权利要求3所述的一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，所述的滤波通过一阶低通滤波器实现。
5.根据权利要求4所述的一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，所述的一阶低通滤波器的时间常数τ的取值为
Figure FDA0003983027100000013
其中，
Figure FDA0003983027100000014
ρ为空气密度，R为桨叶半径，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比，
Figure FDA0003983027100000015
为查表得到的转速。
6.根据权利要求3所述的一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，所述的限幅通过限幅单元实现，限幅的上限为系统额定电压Un，下限为
Figure FDA0003983027100000021
7.根据权利要求1所述的一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，所述的三相参考电压采用下式获取：
Figure FDA0003983027100000022
式中，Uref为所述电压有效值，θref由本系统的额定频率经过积分得到。
8.根据权利要求1所述的一种低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法，其特征在于，还包括：
风电场启动时，获取至少一个永磁全功率变换风电机组的风速信息，根据所述风速信息，获取当前平均风速，根据所述平均风速判断是否符合风电场启动条件，若否，重复执行本步骤，若是，进入常规运行控制模式，将所述电压有效值设置为预设的系统额定电压；
获取模式选取信号，根据所述模式选取信号，选择进入所述变电压运行控制模式或所述常规运行控制模式。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法的指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述低频输电交交换流站风场侧端口变压调节方法的指令。
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