CN110224438B - 一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，当直流电压升高且大于或等于最大允许值时，计算海上风电场的有功功率盈余量P_ol；当P_ol＞P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，耗能控制系数设为海上风电场中亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数，同时切除超同步运行的双馈风电机组；当P_ol≤P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，进而实施控制。本方法能够充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力，快速实现海上风电场柔直送出系统的有功功率平衡，避免了电网故障引起的柔直闭锁和风电场停运，具有控制效率高、对双馈风电机组和柔直送出系统冲击小、适应范围广等优点。

Description

一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护和控制领域，具体地，涉及一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法。

背景技术

为解决全球能源危机，风力发电在全球范围内发展迅速。相对于开发比较完备的陆地风电而言，海上风电具有更广阔的发展前景。海上风电经柔直输电系统并网相对于交流输电并网和常规直流输电并网方式而言，可以隔离风电场与交流主网，具备黑启动能力，减少了无功补偿装置，适用于远距离风功率的传输，海上风电场柔直送出系统已成为目前海上风电并网的主要方式。

在海上风电场柔直送出系统中，当受端电网发生短路故障时，柔直送出系统的受端电网侧换流站输出的有功功率减少，而双馈风电机组发出的有功功率由其控制系统决定，在故障过程中基本保持不变，由此产生的不平衡有功功率使得柔直送出系统的直流电压升高，直流电压越限，进而可能导致柔直送出系统闭锁。由于海上风电场的规模较大，若将海上风电场从电力系统中切除，可能进一步对系统造成较大的有功冲击，破坏电力系统的稳定运行。在受端电网故障下，如何保障海上风电场和柔直输电系统的安全，如何避免海上风电场和柔直输电系统脱网，从而穿越电网故障阶段已成为海上风电场开发和运行面临的关键问题。

目前，海上风电场柔直送出系统故障穿越的主要方法是在柔直送出系统的直流母线安装附加泄能电阻避免直流电压越限，但是泄能电阻的散热问题严重，存在较大的安全隐患，常无法满足海上风电场柔直送出系统的故障穿越要求，并且使用附加泄能电阻会显著增加投资成本。

利用柔直送出系统的风电场侧换流站的故障信号，控制双馈风电机组降低有功功率，从而减小源网的不平衡有功功率，已逐渐成为海上风电场柔直送出系统故障穿越的有效选择。目前主要的方法包括2类：升频法和降压法。其中，升频法以频率为载体，将直流过压信息传送到风电场，通过风电场的虚拟惯量控制减小发出的有功功率。但是，升频法主要从柔直送出系统有功功率平衡的角度出发确定频率调整量，并未考虑频率变化对双馈风电机组的影响。由于双馈风电机组机端电压频率的变化通过发电机定子反应以及变流控制影响转子绕组的电磁暂态过程，可能造成转子电流增加，威胁双馈风电机组变流器的安全。降压法直接降低柔直送出系统的风电场侧换流站的交流侧电压，达到减小有功功率的目的。但是由于双馈风电机组对机端电压较为敏感，降压法可能会触发双馈风电机组的低电压穿越控制。更为重要的是，升频法和降压法仅能使得双馈风电机组在正常运行功率的较小范围内变化，这个变化范围通常远小于受端电网故障造成的功率不平衡量，因此升频法和降压法的适用范围均较为有限，无法彻底解决海上风电场柔直送出系统的故障穿越问题。

综上所述，随着海上风电场装机容量的持续增加，由于海上风电场柔直送出系统的故障穿越方法的欠缺，易出现电网故障引发柔直送出系统闭锁，进而造成大量风电机组脱网，将对电网造成较大的有功冲击，威胁整个系统的安全稳定运行，如何充分利用双馈风电机组灵活的功率控制能力更有效的实现海上风电场柔直送出系统的故障穿越已成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，考虑了电网故障时海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站控制方式的切换，考虑了源网有功功率平衡对于直流电压的影响，避免了电网故障引起的柔直闭锁和风电场停运。该控制方法能够根据故障严重程度制定双馈风电机组控制和切机方案，充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力，当电网直流电压升高后实现海上风电场柔直送出系统的故障穿越，具有控制裕度大、实现简单、经济性高等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，包括如下步骤：

S1、实时检测海上风电场柔直送出系统的直流电压；

S2、当直流电压升高且大于或等于最大允许值时，获取直流电压升高前及升高后的海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率，基于直流电压升高前及直流电压升高后的海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率计算海上风电场的有功功率盈余量P_ol；

S3、当P_ol＞P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，耗能控制系数设为海上风电场中亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数，同时切除超同步运行的双馈风电机组，切除的机组容量为P_ol-P_tpm，P_tpm表示海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率，亚同步运行的双馈风电机组及超同步运行的双馈风电机组基于双馈风电机组的转速确定；

S4、当P_ol≤P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，耗能控制系数基于每台亚同步运行的双馈风电机组采用耗能控制时可消耗的最大功率的比例确定。

优选地，获取亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率，基于亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率计算海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率P_tpm，基于双馈风电机组的安全约束条件确定海上风电场中亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数。

优选地，海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率P_tpm基于下式计算：

式中，m为海上风电场所有亚同步运行的双馈风电机组的数量，

和

分别为第j台亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率；

第j台亚同步运行的双馈风电机组的输出功率

通过在线监测系统得到，采用耗能控制时可消耗的最大功率

通过下式计算：

式中，L_m和L_s分别为双馈风电机组的激磁电感和定子电感；

为第j台亚同步运行的双馈风电机组的机端电压；ω_s为双馈风电机组的同步角速度；

为第j台亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数。

优选地，海上风电场的有功功率盈余量P_ol基于下式计算：

P_ol＝P_gs0-P_gsf

式中，P_gs0为直流电压升高前海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率；P_gsf为直流电压升高后柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率；

式中，U_gsf为直流电压升高后受端电网侧换流站的交流电压幅值，通过在线监测系统得到；I_gsm为受端电网侧换流站的限电流控制的电流限值。

优选地，当P_ol≤P_tpm时，第j台亚同步运行的双馈风电机组的耗能量为：

第j台亚同步运行的双馈风电机组的耗能控制系数为：

综上所述，本技术方案提供了一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，根据电网直流电压升高后海上风电场的有功功率盈余量，通过双馈风电机组的主动耗能实现海上风电场柔直送出系统的功率不平衡，从而平抑柔直送出系统的直流电压波动，避免电网故障引起的柔直闭锁和风电场停运。与现有技术不同，本方法实现了海上风电场发电运行状态与电动运行状态的切换，充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力，实现海上风电场柔直送出系统的故障穿越，具有具有调节范围大、易于实现、适用范围广等优点。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法的流程图；

图2为本发明公开的海上风电场柔直送出系统示意图；

图3为双馈风电机组耗能控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，包括如下步骤：

S1、实时检测海上风电场柔直送出系统的直流电压；

S2、当直流电压升高且大于或等于最大允许值时，获取直流电压升高前及升高后的海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率，基于直流电压升高前及直流电压升高后的海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率计算海上风电场的有功功率盈余量P_ol；

S3、当P_ol＞P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，耗能控制系数设为海上风电场中亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数，同时切除超同步运行的双馈风电机组，切除的机组容量为P_ol-P_tpm，P_tpm表示海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率，亚同步运行的双馈风电机组及超同步运行的双馈风电机组基于双馈风电机组的转速确定；

S4、当P_ol≤P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，耗能控制系数基于每台亚同步运行的双馈风电机组采用耗能控制时可消耗的最大功率的比例确定。

在本发明中，最大允许值可根据风电场的实际情况来进行设置，当直流电压升高且大于或等于最大允许值时，则可认为发生故障。基于转数确定双馈风电机组为亚同步运行的双馈风电机组或超同步运行的双馈风电机组为现有技术，在此不再赘述。

在本发明中，核心是根据海上风电场的有功功率盈余量与其采用耗能控制的最大有功功率削减量的关系，确定亚同步运行的双馈风电机组的耗能控制系数以及超同步运行的双馈风电机组的切机量，尽可能保证双馈风电机组不脱网运行，利用双馈风电机组的快速功率控制能力实现功率自平衡，实现柔直送出系统的故障穿越。本方法考虑了电网故障时柔直送出系统的受端电网侧换流站控制方式的切换，考虑了源网有功功率平衡对于直流电压的影响，避免了电网故障引起的柔直闭锁和风电场停运。与现有技术不同，本方法实现了海上风电场发电运行状态与电动运行状态的切换，充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力，实现海上风电场柔直送出系统的故障穿越，具有具有调节范围大、易于实现、适用范围广等优点。

具体实施时，获取亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率，基于亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率计算海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率P_tpm，基于双馈风电机组的安全约束条件确定海上风电场中亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数。

具体实施时，海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率P_tpm基于下式计算：

式中，m为海上风电场所有亚同步运行的双馈风电机组的数量，

和

分别为第j台亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率；

第j台亚同步运行的双馈风电机组的输出功率

通过在线监测系统得到，采用耗能控制时可消耗的最大功率

通过下式计算：

式中，L_m和L_s分别为双馈风电机组的激磁电感和定子电感；

为第j台亚同步运行的双馈风电机组的机端电压；ω_s为双馈风电机组的同步角速度；

为第j台亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数。

具体实施时，海上风电场的有功功率盈余量P_ol基于下式计算：

P_ol＝P_gs0-P_gsf

式中，P_gs0为直流电压升高前海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率；P_gsf为直流电压升高后柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率，考虑到柔直送出系统的受端电网侧换流站采取电网电压定向的控制方式，正常运行时以单位功率因数运行，在故障时从定直流电压控制切换到限电流控制，因此：

式中，U_gsf为直流电压升高后受端电网侧换流站的交流电压幅值，通过在线监测系统得到；I_gsm为受端电网侧换流站的限电流控制的电流限值。

具体实施时，当P_ol≤P_tpm时，第j台亚同步运行的双馈风电机组的耗能量为：

第j台亚同步运行的双馈风电机组的耗能控制系数为：

本发明是一种一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，能够根据故障严重程度制定双馈风电机组控制和切机方案，考虑了电网故障时柔直送出系统的受端电网侧换流站控制方式的切换，考虑了源网有功功率平衡对于直流电压的影响，通过该方法能够充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力，快速实现海上风电场柔直送出系统的有功功率平衡，避免了电网故障引起的柔直闭锁和风电场停运。下面以附图2所示的海上风电场柔直送出系统为例介绍本发明的应用。

图2中，从左往右依次为海上风电场、柔直送出系统及受端电网。P_wf为柔直送出系统的海上风电场侧换流站吸收的有功功率，P_gs为柔直送出系统的受端电网侧换流站发出的有功功率，U_dc为柔直送出系统的直流电压。当附图2所示的海上风电场柔直送出系统在受端电网故障时，柔直送出系统两端的不平衡有功功率将导致直流电压升高，为了保证柔直送出系统的安全以及电力系统的稳定运行，可采用本发明的方法进行控制。

双馈风电机组的耗能控制框图如附图3所示，转子侧变流器闭锁外环控制器，直接给定内环控制器转子电流的d、q轴分量参考值

和

分别为0，由于内环控制器一般按照典型Ⅰ型系统设计，可以实现毫秒级的响应速度，i_rd和i_rq分别为转子电流的d、q轴分量。当亚同步运行的双馈风电机组的耗能控制系数确定后，输入各台双馈风电机组的转子侧变流器，即可启动耗能运行。ω_s和ω_p分别为同步角速度和转差角速度，R_r为转子电阻，σ为漏磁系数，L_r为转子电感，

和

分别为转子电压的d、q轴分量参考值。网侧变流器采用双环控制器设计，用于控制直流电压和机端电压稳定。U_g和U_dc分别为机端电压和直流电压的幅值，

和

分别为机端电压和直流电压的幅值参考值，

和

分别为网侧变流器电流的d、q轴分量参考值，i_gd和i_gq分别为网侧变流器电流的d、q轴分量，

和

分别为机端电压的d、q轴分量参考值。

针对海上风电场柔直送出系统发生故障时，目前的控制方法受到双馈风电机组运行条件的限制，调节范围有限，可能无法完全平抑柔直送出系统直流电压的变化。本方法充分考虑了电网故障时柔直送出系统的受端电网侧换流站控制方式的切换，考虑了源网有功功率平衡对于直流电压的影响，根据电网直流电压升高后海上风电场的有功功率盈余量，采用相应的双馈风电机组功率控制手段，提出了控制参考值的计算方法和双馈风电机组改进的控制结构，通过该方法能够充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力，快速实现海上风电场柔直送出系统的有功功率平衡，避免了电网故障引起的柔直闭锁和风电场停运，具有控制效率高、对双馈风电机组和柔直送出系统冲击小、适应范围广等优点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、实时检测海上风电场柔直送出系统的直流电压；

S2、当直流电压升高且大于或等于最大允许值时，获取直流电压升高前及升高后的海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率，基于直流电压升高前及直流电压升高后的海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率计算海上风电场的有功功率盈余量P_ol，海上风电场的有功功率盈余量P_ol基于下式计算：

P_ol＝P_gs0-P_gsf

式中，P_gs0为直流电压升高前海上风电场柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率；P_gsf为直流电压升高后柔直送出系统的受端电网侧换流站的输出功率；

式中，U_gsf为直流电压升高后受端电网侧换流站的交流电压幅值，通过在线监测系统得到；I_gsm为受端电网侧换流站的限电流控制的电流限值；

S3、获取亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率，基于亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率计算海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率P_tpm，基于双馈风电机组的安全约束条件确定海上风电场中亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数，当P_ol＞P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，耗能控制系数设为海上风电场中亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数，同时切除超同步运行的双馈风电机组，切除的机组容量为P_ol-P_tpm，亚同步运行的双馈风电机组及超同步运行的双馈风电机组基于双馈风电机组的转速确定；

S4、当P_ol≤P_tpm时，所有亚同步运行的双馈风电机组均启动耗能控制，耗能控制系数基于每台亚同步运行的双馈风电机组采用耗能控制时可消耗的最大功率的比例确定。

2.如权利要求1所述的一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，其特征在于，海上风电场采用耗能控制可减小的最大有功功率P_tpm基于下式计算：

式中，m为海上风电场所有亚同步运行的双馈风电机组的数量，

和

分别为第j台亚同步运行的双馈风电机组的输出功率和采用耗能控制时可消耗的最大功率；

第j台亚同步运行的双馈风电机组的输出功率

通过在线监测系统得到，采用耗能控制时可消耗的最大功率

通过下式计算：

式中，L_m和L_s分别为双馈风电机组的激磁电感和定子电感；

为第j台亚同步运行的双馈风电机组的机端电压；ω_s为双馈风电机组的同步角速度；

为第j台亚同步运行的双馈风电机组的最大耗能控制系数。

3.如权利要求1所述的一种电网故障下海上风电场柔直送出系统穿越控制方法，其特征在于，当P_ol≤P_tpm时，第j台亚同步运行的双馈风电机组的耗能量为：

第j台亚同步运行的双馈风电机组的耗能控制系数为：

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