CN116073363B - 海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法 - Google Patents
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Abstract
海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法。1)一个故障电流贡献因子(FCCF)被用于量化电压源型换流站(VSC)对故障电流的贡献程度；2)一个考虑了FCCF、直流电压和转子转速的自适应调频控制方法被用于调节风机在故障期间的功率输出；3)一个电流相角(CPA)控制策略被用于主动抑制VSC对故障电流的贡献；4)一个基于CPA和VSC容量的有功功率和无功功率量化和分配策略被用于调节VSC调频和故障电流主动抑制的输出功率。本发明以大规模海上风电经柔直并网后的新型电力系统为基础，考虑了频率调节对故障电流的影响，提出了兼顾了调频和故障电流主动抑制的协调控制方法，有利于电力系统的频率稳定和安全运行。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力系统技术领域，特别涉及海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法。
背景技术
随着海上风电场的不断发展，柔直系统已成为连接本地陆地电网的一种有效、经济的方式(A.Alassi,S.O.Ellabban,G.Adam,and C.MacIver,“HVDCTransmission:Technology Review,Market Trends and Future Outlook,”Renewableand Sustainable Energy Reviews,vol.112,pp.530–554,Sep.2019)。然而，本地电网目前正面临重大挑战。一方面，电力系统中的同步发电机逐渐被风力发电机所取代，导致系统惯性减小，从而导致调频能力降低(A.Korompili,Q.Wu,and H.Zhao,“Review ofVSC HVDCconnection for offshore wind power integration,”Renewable and SustainableEnergy Reviews,vol.59,pp.1405–1414,Jun.2016)。另一方面，当调频是由短路故障引起时，柔直系统不可避免地向本地电网注入故障电流，使保护装置检测到的故障总电流大于由SGs贡献的原始故障电流(N.Rajaei,M.H.Ahmed,M.M.A.Salama,and R.K.Varma,“FaultCurrent Management Using Inverter-Based Distributed Generators in SmartGrids,”IEEE Transactions on Smart Grid,vol.5,no.5,pp.2183–2193,Sep.2014)。额外的故障电流会造成严重的保护问题，极大地威胁电力系统的安全运行。然而，如果单独进行调频，VSC将与SGs一起向故障支路贡献故障电流，因此调频将不可避免地导致系统故障电流单调增加。当系统的总故障电流超过电气设备的最大承受能力时，额外的故障电流将造成严重的后果(A.Camacho,M.Castilla,J.Miret,L.G.de/>and R.Guzman,“Positiveand Negative Sequence Control Strategies to Maximize the Voltage Support inResistive–Inductive Grids During Grid Faults,”IEEE Transactions on PowerElectronics,vol.33,no.6,pp.5362–5373,Jun.2018)。如果单独进行故障电流抑制，则会削弱VSC的调频能力，且目前的电流抑制策略均未考虑调频对故障电流的影响。
现有技术如下：
申请号：CN201911287747.9，专利名称：“风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法”的技术对比：
“风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法”的技术方案提供了风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法。用于解决系统发生故障导致频率变化时，交流系统功率支援低，系统频率不稳定的问题。可提高交流系统的功率支援能力，维持系统稳定运行。
本申请针对海上风电场经过多端柔性直流输电系统并网后调频过程导致故障电流激增的问题，提出了海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法，考虑在受端交流系统发生故障导致系统进入调频期间，风电和柔直系统对故障电流的贡献程度，设计了风机的自适应调频控制方法，同时分析了换流站输出电流的相位关系，量化并分配了换流站输出的有功功率和无功功率。本发明能够兼顾调频性能和故障电流主动抑制，有利于新型电力系统的频率稳定和安全运行。
申请号：CN202110823002.0，专利名称：“一种风电集群并网时有功功率的调节方法及系统”的技术对比：
“一种风电集群并网时有功功率的调节方法及系统”的技术方案中提供一种风电集群并网时有功功率的调节方法及系统。在受端交流系统发生故障后，没有切除风电场，而是调节风机的有功功率的大小，在故障消失后可以快速恢复风电场有功功率至正常水平。
本申请针对海上风电场经过多端柔性直流输电系统并网后调频过程导致故障电流激增的问题，提出了海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法，不仅考虑了风电和柔直系统对频率的支持，还考虑由于调频导致的短路电流激增的问题，同时兼顾了调频性能和故障电流主动抑制。
申请号：CN202011438065.6，专利名称：“一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法及系统”的技术对比：
“一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法及系统”的技术方案中提供了一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法及系统。在陆地交流系统发生故障后，通过判断故障严重程度调节换流站的工作模式和硬件接入。实现了海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越，降低了系统对耗能电阻的性能要求和投资成本。
本申请针对海上风电场经过多端柔性直流输电系统并网后调频过程导致故障电流激增的问题，提出了海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法，无需评估故障程度和额外的硬件电路，自适应调节风机和换流站的输出功率，确保直流电压稳定并提供的频率支持，同时还考虑了调频过程中故障电流主动抑制，有利于电力系统频率稳定和安全运行。
因此，亟需设计一种故障电流主动抑制方法来协调和抑制调频过程中的故障电流。为了兼顾调频和故障电流抑制的性能，考虑了VSC输出的电流的相位，本发明提出了海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法。
发明内容
本发明针对新能源电力系统的发展趋势，考虑到调频过程对故障电流的影响，提出海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法，实现调频和故障电流主动抑制的协调控制。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法，具体步骤如下：
1)一个故障电流贡献因子FCCF被用于量化电压源型换流站VSC对故障电流的贡献程度；
2)一个考虑了FCCF、直流电压和转子转速的自适应调频控制方法被用于调节风机在故障期间的功率输出；
3)一个电流相角CPA控制策略被用于主动抑制VSC对故障电流的贡献；
4)一个基于CPA和VSC容量的有功功率和无功功率量化和分配策略被用于调节VSC调频和故障电流主动抑制的输出功率。
作为本发明进一步改进，步骤1)故障电流贡献因子FCCF被用于量化电压源型换流站VSC对故障电流的贡献程度，具体如下：
在故障电流计算中，VSC支路相当于一个电流源，SGs支路通常表示为电势源Ei与阻抗zi的串联连接，Zf为故障点f的过渡阻抗，根据叠加原理和对称分量法，当SGs单独供电时，只提供正序电势各序网络的方程可建立为:
其中和/>分别表示故障点电压的正序、负序和零序分量，/>和/>分别代表故障电流的正序、负序和零序分量，/>和/>分别代表正序、负序和零序网络中SGs到故障点f的传递阻抗；
不同故障类型的边界方程如下：
故障类型：单相接地故障：
故障边界方程：
故障类型：两相短路故障：
故障边界方程：
故障类型：两相接地故障：
故障边界方程：
故障类型：三相短路故障：
故障边界方程：
因此，发电机输出的故障电流IG表示为：
其中，N表示发电机支路，和/>表示IG的正序、负序和零序分量；
根据瞬时功率理论，VSC输出的功率表示为：
其中，Pout和Qout表示VSC输出的有功功率和无功功率，Upcc,d和Upcc,q表示公共耦合点PCC电压的d轴和q轴分量，Id和Iq分别表示VSC输出的电流的有功分量和无功分量；
将dq同步旋转坐标的d轴指向PCC电压矢量，其相位角通过锁相环控制获得，PCC电压的q轴分量为0，因此VSC输出功率简化为：
当VSC输出特定的有功和无功功率时，其输出电流会随着PCC电压的变化而变化，表现为受控电流源的特性，当电网发生不对称故障时，PCC电压包含正序分量和负序分量，因此VSC注入的电流也包含正序分量和负序分量，表示为：
VSC与陆上电网一般采用Y/Δ连接的变压器连接，可隔离零序网络的路径，因此，不考虑VSC对故障电流零序分量的贡献。
VSC输出电流的正/负序分量表示为：
其中是PCC电压的正/负序列分量。
当VSC单独工作时，相当于向节点j注入电流可得VSC贡献的故障电流/>为:
其中和/>分别为正序和负序网络中VSC到故障点的传递阻抗，/>和/>分别为正序和负序网络中故障点的自阻抗；
VSC输出的故障电流表示为：
其中M表示VSC分支，和/>分别代表Ivsc的正和负序列分量；
总故障电流If应为SGs和VSC贡献的故障电流的矢量和：
If＝IG+Ivsc (9)
VSC短路电流贡献因子表示为：
作为本发明进一步改进，步骤2)考虑了FCCF、直流电压和转子转速的自适应调频控制方法被用于调节风机在故障期间的功率输出，具体如下；
第i台风机调频输出功率表示为：
其中Ki,i和Kd,i分别为第i台风机惯性系数和下垂系数。fac和fac,ref为电网实时频率及其参考值；
为了保证转子转速保持在安全范围内，风机的动能因子描述为：
其中ωr,i为第i台风机的转子转速，ωmax和ωmin分别为转子的最大和最小安全运行转速；
在风机参与调频的过程中，风机将通过柔直系统连接到交流系统进行输电而不是直接接入，当忽略传输过程中的功率损耗时，风机的输出功率等于流入直流电网的功率，当交流系统发生故障时，VSC的发射功率能力会下降，当输入功率大于输出功率时，冗余功率在直流侧积累，导致直流电压升高，直流电压的稳定是整个系统安全运行的基础，为了保证在调频过程中直流电压工作在一个安全的范围内，直流电压的影响因子估计为：
其中Udc,i为连接到第i台风机的VSC的直流电压，Udcmax和Udcmin分别为允许的最大直流电压和最小直流电压；
为了抑制VSC对故障电流的贡献，风机在参与调频时应该考虑故障电流，因此引入公式(14)计算的FCCF来调节风机的输出功率，当FCCF较大时，通过调整风机的下垂和惯性参数来降低输出功率，从而主动抑制故障电流；
因此，式(15)中惯性和下垂系数的表达式为：
其中ki0,i和kd0,i为第i台风机中惯性系数和下垂系数的初值。k1和k2为惯性系数的斜率，k3和k4为下垂系数的斜率。
作为本发明进一步改进，步骤3)电流相角CPA控制策略被用于主动抑制VSC对故障电流的贡献，具体如下；
系统正常运行时，VSC注入的无功电流为0，VSC注入的故障电流相位通过调节有功/无功分量来改变，适当的相位角使VSC对故障电流的贡献减小到0，由于故障点不是固定的，各个VSC所在节点的电压不同，VSC注入到故障点的故障电流Ivsc也不同；
SGs贡献的正/负序故障电流相位角为/>VSC贡献的正负序故障电流/>相位角为/>
根据几何关系列方程：
其中α+/-为VSC输出电流相位的正/负序分量，当无功电流为0时，该分量等于
求解方程得：
调频采用常规的惯性和下垂控制策略，节点j所在位置VSC注入的有功功率参考值表示为：
其中Kd,j和Ki,j分别为下垂和惯性系数；
由公式(5)得VSC输出电流有功和无功分量的正/负序分量为：
上述方程适用于不同的VSC，每个VSC将根据其输出电流的有源分量自适应地调整无功分量。
作为本发明进一步改进，步骤4)基于CPA和VSC容量的有功功率和无功功率量化和分配策略被用于调节VSC调频和故障电流主动抑制的输出功率,步骤如下：
提出了一种自适应功率分配策略，该策略应满足以下约束条件并具有优先级关系：
1)为了VSC的安全运行，输出电流应满足额定电流约束Ivsc,max,j：
2)当系统发生故障时，可将故障电流限制在允许范围Ifmax内：
abs(If)≤Ifmax (21)
3)VSC为系统提供频率支持；
在严格满足额定电流限制，即满足1)的情况下，当系统故障电流可调余量很小时，应限制调频注入电流，避免故障电流超过限制，即满足2)的情况下，当系统故障电流仍存在可调余量时，尽可能满足调频要求，即满足3)的情况下，当VSC注入电流不满足约束1时，各分量将动态协调，直到满足额定容量限制。因此，表征故障电流可调裕度的参数表示为：
α的工作范围为[0,1]，当它的值为1时，VSC对故障电流无贡献，尽可能满足调频需求；当它的值为0时，应控制VSC减少有功功率注入；
综上所述，VSC输出电流有功和无功分量的参考值为：
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明中采用的海上风电经柔直并网系统故障电流主动抑制方法，考虑了系统调频对故障电流的影响，通过调节VSC输出的电流的相位，实现了调频期间VSC对故障电流贡献的抑制，在新型电力系统频率稳定和故障穿越等方面具有很高的实用价值。
附图说明
图1是故障电流示意图；
当Ivsc超前于参考电压相角时，其正/负序电流如图1(a)-(b)所示，当Ivsc滞后于参考电压相角时，其电流如图1(c)-(d)所示；
图2是本发明参与调频的海上风电经柔直并网系统故障电流主动抑制方法控制流程图；
图3是算例的拓扑结构图；
图4是正序角度小信号稳定性分析图；
图5是负序角度小信号稳定性分析图；
图6是VSC1的实时频率仿真图；
图7是VSC1的a相故障电流实时仿真图；
图8是本发明提出的方法控制下不同风机转子转速仿真图；
图9是本发明提出的方法控制下不同风机的输出有功功率仿真图；
图10是本发明提出的方法控制下不同风机自适应下垂控制参数；
图11是本发明提出的方法控制下不同风机自适应惯性控制参数；
图12是不同控制方法下风机1的转子转速；
图13是不同控制方法下直流电压水平；
图14是不同控制方法下VSC1输出的有功功率；
图15是不同控制方法下VSC1输出的无功功率。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提出了海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法。
1)一个故障电流贡献因子(FCCF)被用于量化电压源型换流站(VSC)对故障电流的贡献程度；
2)一个考虑了FCCF、直流电压和转子转速的自适应调频控制方法被用于调节风机在故障期间的功率输出；
3)一个电流相角(CPA)控制策略被用于主动抑制VSC对故障电流的贡献；
4)一个基于CPA和VSC容量的有功功率和无功功率量化和分配策略被用于调节VSC调频和故障电流主动抑制的输出功率。
特征1：一个FCCF被用于量化VSC对故障电流的贡献程度，其特征在于：柔直系统对故障电流的影响是VSC注入的故障电流将会叠加在同步发电机(SGs)注入的故障电流上。在故障计算中，根据VSC的输出特性可将其等效为受控电流源。等效电流源的相位和幅值将由VSC的控制策略和运行状态决定，并且可能与SGs提供的故障电流有不同的相位，因此总故障电流将不再是简单的幅值线性叠加。此外，由于故障支路的不确定性，各源贡献的故障电流的幅值和相位角会随着故障支路的不同而变化，这给AFCL带来了挑战。因此，迫切需要一种准确描述VSC对故障电流贡献的方法。
在故障电流计算中，VSC支路相当于一个电流源，SGs支路通常表示为电势源Ei与阻抗zi的串联连接，Zf为故障点f的过渡阻抗。根据叠加原理和对称分量法，当SGs单独供电时，只提供正序电势各序网络的方程可建立为:
式中，和/>分别表示故障点电压的正序、负序和零序分量。/>和/>分别代表故障电流的正序、负序和零序分量，/>和/>分别代表正序、负序和零序网络中SGs到故障点f的传递阻抗。
不同故障类型的边界方程如表1所示。根据序网络方程和故障边界方程，可以计算出故障电流的各个序列分量。
表1.不同故障类型的边界方程
因此，发电机输出的故障电流IG可以表示为：
其中，N表示发电机支路，和/>表示IG的正序、负序和零序分量。
根据瞬时功率理论，VSC输出的功率可以表示为：
其中，Pout和Qout表示VSC输出的有功功率和无功功率，Upcc,d和Upcc,q表示公共耦合点(PCC)电压的d轴和q轴分量，Id和Iq分别表示VSC输出的电流的有功分量和无功分量。
为了实现有功无功的解耦控制，通常将dq同步旋转坐标的d轴指向PCC电压矢量，其相位角可通过锁相环控制获得。在本发明中，PCC电压的q轴分量为0，因此VSC输出功率可简化为：
当VSC输出特定的有功和无功功率时，其输出电流会随着PCC电压的变化而变化，表现为受控电流源的特性。当电网发生不对称故障时，PCC电压包含正序分量和负序分量，因此VSC注入的电流也包含正序分量和负序分量，可表示为：
VSC与陆上电网一般采用Y/Δ连接的变压器连接，可隔离零序网络的路径。因此，本发明中不考虑VSC对故障电流零序分量的贡献。
VSC输出电流的正/负序分量可以表示为：
其中是PCC电压的正/负序列分量。
当VSC单独工作时，相当于向节点j注入电流可得VSC贡献的故障电流/>为:
其中和/>分别为正序和负序网络中VSC到故障点的传递阻抗，/>和/>分别为正序和负序网络中故障点的自阻抗。
VSC输出的故障电流可以表示为：
其中M表示VSC分支。和/>分别代表Ivsc的正和负序列分量。
总故障电流If应为SGs和VSC贡献的故障电流的矢量和：
If＝IG+Ivsc (9)
VSC短路电流贡献因子可以表示为：
特征2：一个考虑了FCCF、直流电压和转子转速的自适应调频控制方法被用于调节风机在故障期间的功率输出。为了更好地利用风机参与调频，提出了一种面向海上风电的自适应控制策略。第i台风机调频输出功率表示为：
其中Ki,i和Kd,i分别为第i台风机惯性系数和下垂系数。fac和fac,ref为电网实时频率及其参考值。
为了保证转子转速保持在安全范围内，风机的动能因子可描述为：
其中ωr,i为第i台风机的转子转速，ωmax和ωmin分别为转子的最大和最小安全运行转速。
在风机参与调频的过程中，风机将通过柔直系统连接到交流系统进行输电而不是直接接入。当忽略传输过程中的功率损耗时，风机的输出功率等于流入直流电网的功率。当交流系统发生故障时，VSC的发射功率能力会下降。当输入功率大于输出功率时，冗余功率在直流侧积累，导致直流电压升高。直流电压的稳定是整个系统安全运行的基础。为了保证在调频过程中直流电压工作在一个安全的范围内，直流电压的影响因子可以估计为：
其中Udc,i为连接到第i台风机的VSC的直流电压，Udcmax和Udcmin分别为允许的最大直流电压和最小直流电压。
为了抑制VSC对故障电流的贡献，风机在参与调频时应该考虑故障电流，因此引入公式(14)计算的FCCF来调节风机的输出功率，当FCCF较大时，通过调整风机的下垂和惯性参数来降低输出功率，从而主动抑制故障电流。
因此，式(15)中惯性和下垂系数的表达式为：
其中ki0,i和kd0,i为第i台风机中惯性系数和下垂系数的初值。k1和k2为惯性系数的斜率，k3和k4为下垂系数的斜率。
特征3：一个电流相角(CPA)控制策略被用于主动抑制VSC对故障电流的贡献。为了满足最大功率传输，VSC通常只输出有功功率。在本文中，系统正常运行时，VSC注入的无功电流为0。VSC注入的故障电流相位可以通过调节有功/无功分量来改变。适当的相位角可以使VSC对故障电流的贡献减小到0。由于故障点不是固定的，各个VSC所在节点的电压不同，VSC注入到故障点的故障电流Ivsc也不同，因此需要在这里进行分类讨论。当Ivsc超前于参考电压相角时，其正/负序电流如图1(a)-(b)所示，当Ivsc滞后于参考电压相角时，其电流如图1(c)-(d)所示。
图1.故障电流相位分析：(a)Ivsc超前于参考电压相角(无CPA控制)；(b)Ivsc超前于参考电压相角(有CPA控制)；(c)Ivsc滞后于参考电压相角(无CPA控制)；(d)Ivsc滞后于参考电压相角(有CPA控制)。
SGs贡献的正/负序故障电流相位角为/>VSC贡献的正负序故障电流/>相位角为/> 无CPA控制时的故障电流幅值如图1(a)和(c)所示。当VSC贡献的正/负序故障电流相位角调整/>时，故障电流如图1(b)和(d)。可以看出，故障电流的幅值可以限制在SGs贡献的故障电流的幅值，即VSC不提供额外的故障电流。因此，根据图中几何关系可以列方程：
其中α+/-为VSC输出电流相位的正/负序分量，当无功电流为0时，该分量等于
求解方程得：
调频采用常规的惯性和下垂控制策略，节点j所在位置VSC注入的有功功率参考值可表示为：
其中Kd,j和Ki,j分别为下垂和惯性系数。
由公式(5)可得VSC输出电流有功和无功分量的正/负序分量为：
上述方程适用于不同的VSC。每个VSC将根据其输出电流的有源分量自适应地调整无功分量。虽然调节过程中VSC输出电流的幅值和相位不同，但由于矢量的叠加，故障电流限制会满足总的优化目标。
特征4：一个基于CPA和VSC容量的有功功率和无功功率量化和分配策略被用于调节VSC调频和故障电流主动抑制的输出功率。当VSC注入的有功功率和无功功率超过额定容量限制时，将无法同时满足调频和故障电流主动抑制的要求。如果盲目满足调频性能，由于额定电流的约束，无功功率分量不能完全调节，CPA控制下的故障电流不能完全抑制。如果盲目满足CPA控制，由于额定电流的约束，有源分量受到限制，频率响应变差。为了避免两者相损，提出了一种自适应功率分配策略，该策略应满足以下约束条件并具有优先级关系：
1)为了VSC的安全运行，输出电流应满足额定电流约束Ivsc,max,j：
2)当系统发生故障时，可将故障电流限制在允许范围Ifmax内：
abs(If)≤Ifmax (21)
3)VSC可以为系统提供频率支持。
在严格满足额定电流限制(满足1)的情况下，当系统故障电流可调余量很小时，应限制调频注入电流，避免故障电流超过限制(满足2)。当系统故障电流仍存在可调余量时，尽可能满足调频要求(满足3)。当VSC注入电流不满足约束1时，各分量将动态协调，直到满足额定容量限制。因此，表征故障电流可调裕度的参数表示为：
α的工作范围为[0,1]。当它的值为1时，VSC对故障电流无贡献，尽可能满足调频需求；当它的值为0时，应控制VSC减少有功功率注入。
综上所述，VSC输出电流有功和无功分量的参考值为：
本发明公开了海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法，包括风机参与调频、VSC参与调频和故障电流主动抑制三个部分，其全过程控制流程图如图2所示。其中WFVSC代表海上换流站，GSVSC代表陆地换流站制。
算例的拓扑结构采用如图3所示的海上风电经柔直并网系统和陆上交流系统模型。有两个海上风电场，每个风电场包含5台风机(WT1～WT5,WT6～WT10)，所有风机均采用最大功率点跟踪模式控制。交流系统由4个SGs和10条线路组成，共11个节点，其中3个节点带有恒定功率负载。VSC1和VSC2采用电压有源功率下降控制策略，VSC3和VSC4采用交流电压幅值控制。
通过小信号分析，分析了在闭环控制下系统的稳定性。该策略的主要控制参数为通过对其取值的分析可以验证系统的稳定性。为了实现系统的小信号分析，可以充分利用MATLAB中线性化器。线性化后，系统零极点的映射可在仿真平台上求解。将/>改为不同的值，就可以在同一幅图上描绘出不同的零点和极点。这里画出/>取0-2π值的零极点，如图4和图5所示。不同的角度值，系统的零点和极点也不同，可以描述系统的根轨迹。可以看出，大部分特征值的阻尼比都大于0.06，证明了当角度发生变化时，系统的小信号稳定性可以保证。
为了验证所本发明提出的参与调频的海上风电经柔直并网系统故障电流主动抑制方法的有效性，在仿真中使用6种不同的控制策略进行对比测试。分别是风机不参与调频(NWT)、风机采用固定减载策略参与调频(DLC)、风机采用下垂和惯性控制(IDC)、采用限流器限流(FCL)、采用故障电流管理方法限流(FCM)和本发明所提方法(AFCL)。
下面通过一个具体的例子来验证本发明的技术方案。基于图3算例结构，7号母线在5s时发生三相短路故障，导致系统频率下降，故障电流突然增大。不同控制策略的仿真结果如图6-图15所示。
从图6可以看出，当风机和VSC都不采用任何调频措施时，系统的频率响应是最差的。系统中的SGs虽然可以提供频率支撑，但由于惯性的影响，其响应较慢，导致频率最低点超过频率最小允许阈值49.5Hz。当采用DLC策略时，风机将部分动能转换为陆地系统调频所需的有功功率。转换的大小取决于设定值的大小。与NWT策略相比，短期功率支持可以改善频率最低点。当采用IDC策略时，用于调频的功率将随系统频率自适应变化。与DLC策略相比，风机产生的功率更多。在FCL的控制下，VSC注入的功率会受到限流器的限制。与IDC策略相比，频率偏差更大。在FCM的控制下，VSC将优先满足系统的无功功率要求。因此，注入的无功电流会影响注入的有功电流，这将在一定程度上影响调频的性能。但与IDC策略相比，注入的无功功率有助于系统频率的恢复。本发明提出的方法通过控制风机和VSC，及时增加用于调频的输出功率，缓解了频率变化率，极大地改善了频率跌落的最低点。与其他控制策略相比，频率恢复过程更加稳定，具有更好的调频性能。
在7号母线上测量的a相故障电流的幅值如图7所示。当系统发生故障时，SGs会因为调频而注入额外的有功功率，因此故障电流会随着注入的有功电流而波动。此外，系统的故障电流将由SGs和VSCs贡献。因此，NWT控制下测得的故障电流大于只有SGs贡献的故障电流(OSC)。由于SGs的惯性，NWT的故障电流比OSC的故障电流增加得快。当采用DLC策略时，由于风机减载参与调频，VSC注入的故障电流比NWT策略大，因此总故障电流也较大。采用IDC策略时，减载输出的功率将随频率变化。因此，当频率偏差最大时，VSC将向电网注入更多的功率用于调频，故障电流也会激增。此时总故障电流将超过SGs输出的最大故障电流的1.5倍，将危及电力系统的安全运行。在FCL的控制下，VSC的输出电流会受到限位器的限制，因此可以将系统故障电流限制在最大允许阈值以下。在FCM控制下，系统的故障电流峰值小于FCL控制下的峰值。由于相位角的调整，系统故障电流的稳态幅值较小。本发明提出的方法更精确地调整了VSC输出电流的幅值和相位，使VSC贡献的故障电流尽可能小，从而主动抑制系统故障电流。
从图8和图9可以看出，当频率开始下降时，在本发明所提出的控制方法下，风机产生的转子转速和有功功率可以随频率自适应调整。转子转速越高，风机产生的有功功率越大。不同的风机可以根据自己的情况动态调整输出功率。图10和图11描述了本发明所提出的控制方法下下垂系数和惯性系数的变化。可以看出，这两个参数可以根据频率和直流电压自适应调整，实现风机的最优减载控制。图12为不同控制策略下转速最小的风机1的转子转速。从图中可以看出，当采用DLC策略时，风机的转子转速限制在最小允许阈值。当采用IDC、FCL和FCM策略时，风机转子转速跌破了最小转速阈值，将给后续风机转子转速的恢复带来困难。本发明提出的控制方法将转子转速控制在最小转速阈值内，以保证风机的安全运行。图13为不同控制策略下的直流电压。由于VSC采用恒定直流电压的控制方式来调节有功功率输出，所以NWT策略控制下直流电压波动较小。当风机采用DLC策略时，由于注入到直流线上的功率不能及时送出，会在直流侧积累，导致直流电压升高。与DLC控制相比，IDC策略控制风机注入了更多的有功功率用于调频，因此直流电压在短时间内波动更大。在FCL控制下，由于限流器的作用，系统消耗了部分有功功率，相对于DLC和IDC控制，直流电压得到了缓解。在FCM控制下，由于容量的限制，注入的无功功率降低了有功功率的输出，导致直流电压升高。但由于无功功率能在一定程度上缓解频率偏差，因此风机的输出功率相对较小，直流电压水平低于IDC策略。在本发明提出的控制方法下直流电压可根据直流电压自适应调节输出有功功率，从而及时控制直流侧积累的功率。VSC可以根据容量动态分配输出的有功功率和无功功率，因此直流电压波动小。
图14为不同控制方法下VSC1输出的有功功率。当采用NWT控制时，由于风机不参与调频，VSC在正常运行时仅维持有功功率传输。在DLC的控制下，风机采用减载控制，因此VSC注入的有功功率增大。采用IDC控制时，VSC注入的有功功率随频率自适应变化。与DLC控制相比，最大有功功率注入出现在频率偏差最大的时候。在FCL控制下，VSC注入的有功功率会受到限幅器的影响，比IDC控制下注入的有功功率要小。在FCM控制下，无功功率注入缓解了故障电流，VSC可以注入更多有功功率用于调频，但由于容量限制，无功功率注入会影响有功功率注入，因此与IDC相比，FCM注入的有功功率较小。在本发明提出的方法控制下，VSC可以根据频率更精确地调整有功功率注入，并且比IDC注入更多的有功功率，尽可能满足系统的有功功率需求。图15描述了VSC1注入的无功功率。为了满足最大功率传输，VSC注入的无功功率为0。当采用FCM控制时，VSC将注入无功功率来补偿并网点电压。当采用本发明所提出的控制方法时，由于相位角的调整，无功功率会随着有功功率的改变而改变，因此将不断注入无功功率来维持相位角以抑制故障电流。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (1)
1.海上风电经柔直并网系统调频过程故障电流主动抑制方法，具体步骤如下，其特征在于：
1)一个故障电流贡献因子FCCF被用于量化电压源型换流站VSC对故障电流的贡献程度；
步骤1)故障电流贡献因子FCCF被用于量化电压源型换流站VSC对故障电流的贡献程度，具体如下：
在故障电流计算中，VSC支路相当于一个电流源，SGs支路通常表示为电势源Ei与阻抗zi的串联连接，Zf为故障点f的过渡阻抗，根据叠加原理和对称分量法，当SGs单独供电时，只提供正序电势各序网络的方程可建立为:
其中和/>分别表示故障点电压的正序、负序和零序分量，/>和/>分别代表故障电流的正序、负序和零序分量，/>和/>分别代表正序、负序和零序网络中SGs到故障点f的传递阻抗；
不同故障类型的边界方程如下：
故障类型：单相接地故障：
故障边界方程：
故障类型：两相短路故障：
故障边界方程：
故障类型：两相接地故障：
故障边界方程：
故障类型：三相短路故障：
故障边界方程：
因此，发电机输出的故障电流IG表示为：
其中，N表示发电机支路，和/>表示IG的正序、负序和零序分量；
根据瞬时功率理论，VSC输出的功率表示为：
其中，Pout和Qout表示VSC输出的有功功率和无功功率，Upcc,d和Upcc,q表示公共耦合点PCC电压的d轴和q轴分量，Id和Iq分别表示VSC输出的电流的有功分量和无功分量；
将dq同步旋转坐标的d轴指向PCC电压矢量，其相位角通过锁相环控制获得，PCC电压的q轴分量为0，因此VSC输出功率简化为：
当VSC输出特定的有功和无功功率时，其输出电流会随着PCC电压的变化而变化，表现为受控电流源的特性，当电网发生不对称故障时，PCC电压包含正序分量和负序分量，因此VSC注入的电流也包含正序分量和负序分量，表示为：
VSC与陆上电网采用Y/Δ连接的变压器连接，可隔离零序网络的路径，因此，不考虑VSC对故障电流零序分量的贡献；
VSC输出电流的正/负序分量表示为：
其中是PCC电压的正/负序列分量；
当VSC单独工作时，相当于向节点j注入电流可得VSC贡献的故障电流/>为:
其中和/>分别为正序和负序网络中VSC到故障点的传递阻抗，/>和/>分别为正序和负序网络中故障点的自阻抗；
VSC输出的故障电流表示为：
其中M表示VSC分支，和/>分别代表Ivsc的正和负序列分量；
总故障电流If应为SGs和VSC贡献的故障电流的矢量和：
If＝IG+Ivsc (9)
VSC短路电流贡献因子表示为：
2)一个考虑了FCCF、直流电压和转子转速的自适应调频控制方法被用于调节风机在故障期间的功率输出；
步骤2)考虑了FCCF、直流电压和转子转速的自适应调频控制方法被用于调节风机在故障期间的功率输出，具体如下；
第i台风机调频输出功率表示为：
其中Ki,i和Kd,i分别为第i台风机惯性系数和下垂系数，fac和fac,ref为电网实时频率及其参考值；
为了保证转子转速保持在安全范围内，风机的动能因子描述为：
其中ωr,i为第i台风机的转子转速，ωmax和ωmin分别为转子的最大和最小安全运行转速；
在风机参与调频的过程中，风机将通过柔直系统连接到交流系统进行输电而不是直接接入，当忽略传输过程中的功率损耗时，风机的输出功率等于流入直流电网的功率，当交流系统发生故障时，VSC的发射功率能力会下降，当输入功率大于输出功率时，冗余功率在直流侧积累，导致直流电压升高，直流电压的稳定是整个系统安全运行的基础，为了保证在调频过程中直流电压工作在一个安全的范围内，直流电压的影响因子估计为：
其中Udc,i为连接到第i台风机的VSC的直流电压，Udcmax和Udcmin分别为允许的最大直流电压和最小直流电压；
为了抑制VSC对故障电流的贡献，风机在参与调频时应该考虑故障电流，因此引入公式(14)计算的FCCF来调节风机的输出功率，当FCCF较大时，通过调整风机的下垂和惯性参数来降低输出功率，从而主动抑制故障电流；
因此，式(15)中惯性和下垂系数的表达式为：
其中ki0,i和kd0,i为第i台风机中惯性系数和下垂系数的初值，k1和k2为惯性系数的斜率，k3和k4为下垂系数的斜率；
3)一个电流相角CPA控制策略被用于主动抑制VSC对故障电流的贡献；
步骤3)电流相角CPA控制策略被用于主动抑制VSC对故障电流的贡献，具体如下；
系统正常运行时，VSC注入的无功电流为0，VSC注入的故障电流相位通过调节有功/无功分量来改变，适当的相位角使VSC对故障电流的贡献减小到0，由于故障点不是固定的，各个VSC所在节点的电压不同，VSC注入到故障点的故障电流Ivsc也不同；
SGs贡献的正/负序故障电流相位角为/>VSC贡献的正负序故障电流/>相位角为θ
根据几何关系列方程：
其中α+/-为VSC输出电流相位的正/负序分量，当无功电流为0时，该分量等于
求解方程得：
调频采用常规的惯性和下垂控制策略，节点j所在位置VSC注入的有功功率参考值表示为：
其中Kd,j和Ki,j分别为下垂和惯性系数；
由公式(5)得VSC输出电流有功和无功分量的正/负序分量为：
上述方程适用于不同的VSC，每个VSC将根据其输出电流的有源分量自适应地调整无功分量；
4)一个基于CPA和VSC容量的有功功率和无功功率量化和分配策略被用于调节VSC调频和故障电流主动抑制的输出功率；
步骤4)基于CPA和VSC容量的有功功率和无功功率量化和分配策略被用于调节VSC调频和故障电流主动抑制的输出功率,步骤如下：
提出了一种自适应功率分配策略，该策略应满足以下约束条件并具有优先级关系：
1)为了VSC的安全运行，输出电流应满足额定电流约束Ivsc,max,j：
2)当系统发生故障时，可将故障电流限制在允许范围Ifmax内：
abs(If)≤Ifmax (21)
3)VSC为系统提供频率支持；
在严格满足额定电流限制，即满足1)的情况下，当系统故障电流可调余量很小时，应限制调频注入电流，避免故障电流超过限制，即满足2)的情况下，当系统故障电流仍存在可调余量时，尽可能满足调频要求，即满足3)的情况下，当VSC注入电流不满足约束1)时，各分量将动态协调，直到满足额定容量限制，因此，表征故障电流可调裕度的参数表示为：
α的工作范围为[0,1]，当它的值为1时，VSC对故障电流无贡献，尽可能满足调频需求；当它的值为0时，应控制VSC减少有功功率注入；
综上所述，VSC输出电流有功和无功分量的参考值为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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