CN110571859B - 一种电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法，当电网故障使得机端电压U_sm≤0.9p.u.且转子电流I_rm≥2.0p.u.时，投入Crowbar并闭锁转子侧变流器；当检测到转子电流I_rm≤1.9p.u.时退出Crowbar，设置转子侧变流器控制指令值为P_sc、Q_sc；计算实施控制后的机端电压和最小并网持续时间t_d,min；在t＜t_d,min内U_sm＞0.9p.u.时，将指令值设置为P_sn、Q_sn；否则，始终保持为P_sc、Q_sc，并检测参量是否越限，若越限，当t＞t_d,min后将双馈风电机组退出，若不越限，当U_sm＞0.9p.u.时，将指令值设置P_sn、Q_sn。本方法可充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力和安全裕度，提升电网故障下双馈风电机组的持续并网运行能力，能够为高比例风电电力系统的运行控制提供有效的技术措施。

Description

一种电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法

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双馈风电机组并网运行能力的提升方法。

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。富含风能的地区电网逐渐形成含高比例风电的电网格局。传统风电机组采用笼型感应发电机或绕线式感应发电机，发电机定子绕组与升压变压器直接相连，分别被称为Ⅰ型和Ⅱ型风电机组。其中Ⅱ型机组在转子绕组上安装可变电阻，通过可变电阻的调节实现阵风下的恒功率输出。然而，这样的风电机组转速不变，无法随着风速变化改变输出功率，风能利用率不高。在Ⅱ型机组基础上，Ⅲ型机组采用电力电子变流器为绕线式感应发电机提供变频励磁，实现对转子电流和电压的即时调节，进而可以实现不同风速下的最大功率输出，极大地提高了风能利用效率，同时损耗更小，响应性能大大提高。Ⅲ型机组转子通过背靠背变流器也可以与电网进行功率交换，与定子绕组形成双通道，因此也被称为“双馈风电机组”。经过几十年的发展，双馈风电机组已经占据风电装备市场的支配地位。

双馈风电机组采用背靠背变流器提供励磁，通过调节励磁电压的频率、幅值和相位可以实现对双馈风电机组输出功率的灵活控制，因此变流器的控制方式决定了双馈风电机组的运行方式和输出特性。正常电网条件下，双馈风电机组通常以单位功率因数运行，其转子侧变流器和网侧变流器通常采用基于电流闭环的矢量控制策略，转子侧变流器通过最大风能跟踪控制实现功率的最大输出，网侧变流器主要采用直流母线电压控制。随着变流器控制技术的发展和成熟，双馈风电机组在电网轻微故障下可保持变流器控制，在严重故障下利用转子撬棒等故障穿越控制躲过暂态冲击后可恢复变流器控制，从而保持故障下灵活的功率控制能力，双馈风电机组通过持续并网运行期间的功率调节参与电网紧急控制具备了可行性，基于双馈风电机组的电网紧急控制成为研究的热点。在基于双馈风电机组的电网功角稳定控制、紧急功率控制等方面已有一定的研究成果。

双馈风电机组的持续并网运行能力是基于双馈风电机组的电网紧急控制的基础。然而，关于如何提升双馈风电机组在电网故障下的并网运行能力，却鲜有相关研究。电网故障下机组的最小并网持续时间反应了其保持并网运行的能力。双馈风电机组的最小并网持续时间决定于电网故障下的并网点电压，可根据并网点电压由风电并网导则计算。然而，现有方法均以故障瞬间的风电并网点电压来确定双馈风电机组在电网故障下的最小并网持续时间，并以此作为双馈风电机组脱网的参考。但是，在电网故障期间，双馈风电机组通过调整无功控制参考值，向电网输出无功，将使得并网点电压随之升高，即现有方法势必使得风电机组的最小并网持续时间减小，降低风电机组的并网运行能力。

此外，最小并网持续时间与并网点电压息息相关，若在双馈风电机组控制下并网点的电压越高，双馈风电机组转子电流、转速、直流母线电压等参量的变化越小，双馈风电机组脱网的越限的可能性越小，其最小并网持续时间越大。因此，电网故障下双馈风电机组的并网运行能力也与双馈风电机组对并网点电压的控制能力有关。目前，已有方法均以故障发生瞬间的并网点电压作为约束条件来刻画双馈风电机组的控制能力，并基于此与网侧变流器、风电场中的其他机组以及无功补偿设备进行协调，对并网点电压进行控制。然而，随着双馈风电机组输出功率的调整，电网潮流将被改变，并引起双馈风电机组并网点电压的变化，其功率控制能力也将随之变化。现有方法未考虑双馈风电机组与电网的耦合作用，势必造成双馈风电机组的功率控制能力无法充分发挥，严重影响双馈风电机组在电网故障下并网运行能力。

综上所述，随着风电装机容量的持续增加，将双馈风电机组应用于电网紧急控制，以提高电网暂态响应速度和控制能力，是电力系统发展的必然趋势。但是，由于现有方法未充分考虑双馈风电机组在电网故障期间控制能力的变化和电网电压控制对最小持续时间的影响，极大限制了双馈风电机组在电网故障期间的并网运行能力，阻碍了双馈风电机组在电网紧急控制中的应用。为此，如何进一步挖掘双馈风电机组的控制能力、提升双馈风电机组在电网故障下的持续并网时间，从而提高双馈风电机组在电网故障下的并网运行能力，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双馈风电机组并网运行能力的提升方法，充分考虑了电网故障期间双馈风电机组功率调整对电网电压的影响，充分考虑了电网故障期间电网电压升高对双馈风电机组最小并网持续时间的影响，能够根据电网故障严重程度确定双馈风电机组的有功、无功控制参考值，充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力和耐冲击能力，延长电网故障下双馈风电机组的持续并网时间，提升双馈风电机组的并网运行能力，既有助于实现双馈风电机组的故障穿越，又有助于双馈风电机组在电网运行控制中的应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法，包括如下步骤：

S1、实时检测双馈风电机组机端电压幅值U_sm和转子电流幅值I_rm；

S2、当风电机组一回送出线发生三相短路故障使得双馈风电机组机端电压降低，机端电压U_sm≤0.9p.u.且转子电流I_rm≥2.0p.u.时，投入转子Crowbar电路并闭锁转子侧变流器，机端电压U_sm≤0.9p.u.且转子电流I_rm≥2.0p.u.时为故障开始时刻；

S3、当双馈风电机组转子电流I_rm≤1.9p.u.时，退出双馈风电机组转子Crowbar电路并重启转子侧变流器，同时将转子侧变流器的有功、无功控制指令值分别设置为P_sc、Q_sc，并实施控制；

S4、根据有功、无功控制指令值P_sc、Q_sc计算实施控制后双馈风电机组的机端电压U_sc；

S5、以实施控制后机端电压U_sc确定电网故障下双馈风电机组的最小并网持续时间t_d,min；

S6、若在t_f＜t_d,min期间内检测到电网故障清除使双馈风电机组机端电压升高，且U_sm＞0.9p.u.时，将转子侧变流器的有功、无功控制指令值设置为P_sn、Q_sn，双馈风电机组恢复正常运行，其中P_sn、Q_sn为电网发生故障前的有功、无功控制指令值；t_f＝t-t_f0，t_f0为故障发生时刻，t为实时采集的时刻，否则执行S7；

S7、双馈风电机组始终保持并网运行，控制指令值保持为P_sc、Q_sc，检测双馈风电机组的定转子电流、转子电压、发电机转速和直流电压等运行参量是否超过允许范围，若运行参量超过允许范围，当t＞t_d,min后将双馈风电机组从电网中退出，若参数不越限，直至电网故障清除使双馈风电机组机端电压升高至U_sm＞0.9p.u.时，将转子侧变流器的有功、无功控制指令值设置P_sn、Q_sn，双馈风电机组恢复正常运行。

优选地，步骤S2中，双馈风电机组转子侧变流器的有功、无功控制指令P_sc、Q_sc按下式计算：

其中，系数K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈分别为：

K₇＝(λ_rc1-λ_pf1)²/(λ_rc2-λ_pf2)²

其中，

式中，X_g′＝(1-α)X_l/2+X_g+X_Tg；X_d′＝αX_l/2+X_Td；X_l'＝α(1-α)X_l/2；X_Tg和X_Td分别为系统侧变压器和双馈风电机组升压变压器的电抗；X_l为双馈风电机组升压变与系统侧变压器之间的线路电抗；α为故障点距双馈风电机组升压变压器的距离占风电机组与电网联络线全长的比例；U_g为系统电压幅值；X_g为等效电抗等效电抗；R_f为三相短路的过渡电阻；R_s、X_s、Z_s分别为双馈风电机组定子等效电阻、电抗和阻抗；X_m为双馈风电机组激磁电抗；I_r,max为双馈风电机组转子最大运行电流。

优选地，步骤S4中，实施控制后机端电压U_sc是通过双馈风电机组控制可以达到的最大并网点电压，按下式计算：

式中，

优选地，步骤S5中，实施控制后电网故障下双馈风电机组的最小并网持续时间t_d,min，可按下式计算：

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法，从增大电网故障下双馈风电机组电压和改进最小持续时间计算方法2个方面，提升双馈风电机在电网故障下的并网运行能力，实现双馈风电机组的故障穿越，支持双馈风电机组在电网运行控制中的应用。与现有技术不同，本方法充分考虑了电网故障期间双馈风电机组功率调整对电网电压的影响，充分考虑了电网故障期间电网电压升高对双馈风电机组最小并网持续时间的影响，能够提升电网故障下双馈风电机组的机端电压，延长电网故障下双馈风电机组的并网运行时间，从而提升电网故障下双馈风电机组的持续并网运行能力，可为高比例风电电力系统的运行控制提供有效的技术措施。

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双馈风电机组并网运行能力的提升方法的流程图；

图2为双馈风电机组并网系统示意图。

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双馈风电机组并网运行能力的提升方法，包括如下步骤：

S1、实时检测双馈风电机组机端电压幅值U_sm和转子电流幅值I_rm；

S2、当风电机组一回送出线发生三相短路故障使得双馈风电机组机端电压降低，机端电压U_sm≤0.9p.u.且转子电流I_rm≥2.0p.u.时，投入转子Crowbar电路并闭锁转子侧变流器，机端电压U_sm≤0.9p.u.且转子电流I_rm≥2.0p.u.时为故障开始时刻；

S3、当双馈风电机组转子电流I_rm≤1.9p.u.时，退出双馈风电机组转子Crowbar电路并重启转子侧变流器，同时将转子侧变流器的有功、无功控制指令值分别设置为P_sc、Q_sc，并实施控制；

S4、根据有功、无功控制指令值P_sc、Q_sc计算实施控制后双馈风电机组的机端电压U_sc；

S5、以实施控制后机端电压U_sc确定电网故障下双馈风电机组的最小并网持续时间t_d,min；

S6、若在t_f＜t_d,min期间内检测到电网故障清除使双馈风电机组机端电压升高，且U_sm＞0.9p.u.时，将转子侧变流器的有功、无功控制指令值设置为P_sn、Q_sn，双馈风电机组恢复正常运行，其中P_sn、Q_sn为电网发生故障前的有功、无功控制指令值；t_f＝t-t_f0，t_f0为故障发生时刻，t为实时采集的时刻，否则执行S7；

S7、双馈风电机组始终保持并网运行，控制指令值保持为P_sc、Q_sc，检测双馈风电机组的定转子电流、转子电压、发电机转速和直流电压等运行参量是否超过允许范围(电网运行规程有电压、电流的允许运行范围，不同电压等级、电网规模时允许范围不同)，若运行参量超过允许范围，当t＞t_d,min后将双馈风电机组从电网中退出，若参数不越限，直至电网故障清除使双馈风电机组机端电压升高至U_sm＞0.9p.u.时，将转子侧变流器的有功、无功控制指令值设置P_sn、Q_sn，双馈风电机组恢复正常运行。

在本发明与现有技术的区别在于：

1)现有技术利用故障瞬间的机端电压确定双馈风电机组的功率控制能力，并以此为条件来提升电网故障下双馈风电机组的机端电压，忽略了控制实施后机端电压的变化，不仅可能控制效果有限，限制电网故障下双馈风电机组的并网运行，还可能造成难以跟踪控制参考值，甚至引发机组振荡或失稳；本发明在S4计算实施控制后双馈风电机组的机端电压U_sc时，将双馈风电机组输出功率和电网潮流分布的关系与双馈风电机组机端电压和输出功率的关系联立求解，从而充分考虑了电网故障期间双馈风电机组功率调整通过源网耦合对机端电压的影响，可进一步提升电网故障下双馈风电机组的机端电压，有助于电网故障下双馈风电机组的安全运行，从而提升电网故障下双馈风电机组持续并网运行能力。

2)现有技术利用故障瞬间的机端电压确定双馈风电机组的最小并网持续时间，并以此为条件作为电网故障下双馈风电机组脱网的依据，但是由于电网故障期间双馈风电机组输出无功功率以支撑电网电压，故障后双馈风电机组的机端电压不断升高，即故障瞬间电压是故障期间电压的最小值，以此确定的最小并网持续时间必然偏小，将阻碍电网故障下双馈风电机组的并网运行；本发明充分考虑了电网故障期间电网电压升高对双馈风电机组最小并网持续时间的影响，利用控制实施后的双馈风电机组机端电压计算最小并网持续时间，能够延长电网故障下双馈风电机组的并网运行时间，从而提升电网故障下双馈风电机组持续并网运行能力。

具体实施时，双馈风电机组转子侧变流器的有功、无功控制指令P_sc、Q_sc按下式计算：

其中，系数K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈分别为：

K₇＝(λ_rc1-λ_pf1)²/(λ_rc2-λ_pf2)²

其中，

式中，X_g′＝(1-α)X_l/2+X_g+X_Tg；X_d′＝αX_l/2+X_Td；X_l'＝α(1-α)X_l/2；X_Tg和X_Td分别为系统侧变压器和双馈风电机组升压变压器的电抗；X_l为双馈风电机组升压变与系统侧变压器之间的线路电抗；α为故障点距双馈风电机组升压变压器的距离占线路全长的比例；U_g为系统电压幅值；X_g为等效电抗等效电抗；R_f为三相短路的过渡电阻；R_s、X_s、Z_s分别为双馈风电机组定子等效电阻、电抗和阻抗；X_m为双馈风电机组激磁电抗；I_r,max为双馈风电机组转子最大运行电流。

具体实施时，实施控制后机端电压U_sc是通过双馈风电机组控制可以达到的最大并网点电压，按下式计算：

式中，

具体实施时，实施控制后电网故障下双馈风电机组的最小并网持续时间，可按下式计算：

针对电网发生故障时，现有方法受到控制量计算准确性的限制，控制效果有限、控制误差较大，无法充分发挥双馈风电机组的控制能力和安全裕度，电网故障下双馈风电机组持续并网运行的能力有限，不仅限制了双馈风电机组在电网运行控制中的应用，还可能因为双馈风电机组过早脱网引发电网安全问题。本方法充分考虑了电网故障期间双馈风电机组功率调整对电网电压的影响，充分考虑了电网故障期间电网电压升高对双馈风电机组最小并网持续时间的影响，提出了根据实施控制后的效果确定双馈风电机组有功、无功控制参考值的方法，提出了实施控制后双馈风电机组机端电压和最小并网持续时间的计算方法，通过本发明能够充分发挥双馈风电机组的灵活功率控制能力，充分发挥双馈风电机组的安全裕度，提升电网故障下双馈风电机组的持续并网运行能力，可为高比例风电电力系统的运行控制提供有效的技术措施。

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)

1.一种电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、实时检测双馈风电机组机端电压幅值U_sm和转子电流幅值I_rm；

S2、当风电机组一回送出线发生三相短路故障使得双馈风电机组机端电压降低，机端电压U_sm≤0.9p.u.且转子电流I_rm≥2.0p.u.时，投入转子Crowbar电路并闭锁转子侧变流器，机端电压U_sm≤0.9p.u.且转子电流I_rm≥2.0p.u.时为故障开始时刻；

S3、当双馈风电机组转子电流I_rm≤1.9p.u.时，退出双馈风电机组转子Crowbar电路并重启转子侧变流器，同时将转子侧变流器的有功、无功控制指令值分别设置为P_sc、Q_sc，并实施控制；

双馈风电机组转子侧变流器的有功、无功控制指令P_sc、Q_sc按下式计算：

其中，系数K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈分别为：

K₇＝(λ_rc1-λ_pf1)²/(λ_rc2-λ_pf2)²

其中，

式中，X_g′＝(1-α)X_l/2+X_g+X_Tg；X_d′＝αX_l/2+X_Td；X_l'＝α(1-α)X_l/2；X_Tg和X_Td分别为系统侧变压器和双馈风电机组升压变压器的电抗；X_l为双馈风电机组升压变与系统侧变压器之间的线路电抗；α为故障点距双馈风电机组升压变压器的距离占风电机组与电网联络线全长的比例；U_g为系统电压幅值；X_g为等效电抗等效电抗；R_f为三相短路的过渡电阻；R_s、X_s、Z_s分别为双馈风电机组定子等效电阻、电抗和阻抗；X_m为双馈风电机组激磁电抗；I_r,max为双馈风电机组转子最大运行电流；

S4、根据有功、无功控制指令值P_sc、Q_sc计算实施控制后双馈风电机组的机端电压U_sc；

S5、以实施控制后机端电压U_sc确定电网故障下双馈风电机组的最小并网持续时间t_d,min；

S6、若在t_f＜t_d,min期间内检测到电网故障清除使双馈风电机组机端电压升高，且U_sm＞0.9p.u.时，将转子侧变流器的有功、无功控制指令值设置为P_sn、Q_sn，双馈风电机组恢复正常运行，其中P_sn、Q_sn为电网发生故障前的有功、无功控制指令值；t_f＝t-t_f0，t_f0为故障发生时刻，t为实时采集的时刻，否则执行S7；

S7、双馈风电机组始终保持并网运行，控制指令值保持为P_sc、Q_sc，检测双馈风电机组的定转子电流、转子电压、发电机转速和直流电压等运行参量是否超过允许范围，若运行参量超过允许范围，当t＞t_d,min后将双馈风电机组从电网中退出，若参数不越限，直至电网故障清除使双馈风电机组机端电压升高至U_sm＞0.9p.u.时，将转子侧变流器的有功、无功控制指令值设置P_sn、Q_sn，双馈风电机组恢复正常运行。

2.如权利要求1所述的电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法，其特征在于，步骤S4中，实施控制后机端电压U_sc是通过双馈风电机组控制可以达到的最大并网点电压，按下式计算：

式中，

3.如权利要求2所述的电网故障下双馈风电机组并网运行能力的提升方法，其特征在于，步骤S5中，实施控制后电网故障下双馈风电机组的最小并网持续时间t_d,min，可按下式计算：

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