CN103208816B - 一种风电场的集电输电***及其交流母线电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场的集电输电***，包括：交流母线、风力发电机组、整流站和逆变站；整流站包括整流器和换流变压器；整流器的直流侧与逆变站的直流侧相连，整流器的交流侧通过换流电感与换流变压器的一侧相连，换流变压器的另一侧与交流母线相连并通过电容器接地。本发明还公开了上述***的交流母线电压控制方法，通过使用风电场侧整流器的两个控制维度，从整体上控制***的交流母线电压，包括电压的幅值和频率，保证风电场集电***交流电压的稳定，减小了风电场交流***的谐波分量。

Description

一种风电场的集电输电***及其交流母线电压控制方法

技术领域

本发明属于电力***输配电技术领域，具体涉及一种风电场的集电输电***及其交流母线电压控制方法。

背景技术

随着能源紧缺和环境变化，风能受到很大的关注，需要利用科学技术开发利用好风能，风电是其中一个很好的途径，风力发电迅速发展，风电机和风电场的建设很快，但是由于风能的不稳定和不确定性，为了保证国家电网运行的安全稳定，风电场安全稳定并网一直是限制风电发展的技术瓶颈和难题，无论是陆地风电场，还是海上风电场，都会遇到这个问题。

目前国内外有关风电场并网的方法主要有以下几种：(1)风电场集电***通过交流线路(电缆或架空线)直接并网；(2)风电场集电***经过整流器、直流线路(电缆或架空线)、逆变器，即柔性直流输电技术接入交流电网。第二种方法，也就是通过柔性直流输电并网比第一种交流线路直接并网有以下几个优势：1.可以实现远距离输电；2.可以通过整流器和逆变器控制，对于交流***提供无功功率支持，这对于保持交流***电压稳定有着很重要的意义；3.风电场集电***与交流***相对独立，交流故障不会直接传递等优势。

在风电场采用柔性直流输电并网时会遇到一个问题，即风电场集电***母线电压稳定的问题。风电场集电***与交流***相对独立，风电场集电***电压很难与外部电网联系，只与内部风力发电机和柔性直流输电***整流器相关联。由风力发电机控制集电***电压的技术还不是很完善，另外加上风能本身的不可控性和不确定性，使得风力发电机自身出力和电气特性也不是十分稳定，因此，需要有柔性直流输电***整流器来控制风电场集电***电压较为合适和妥当。

黄川、王志新、王国强等人在标题为海上风电场三电平VSC-HVDC(电压源型的直流输电技术)***仿真研究(电力电子技术，2011，45(8)，89～92)的文献中提出了一种风电场集电***母线电压的方法，其通过控制风电场侧整流器输出无功功率，从而达到控制集电***交流电压的目的。虽然这种方法可以在一定程度上控制风电场集电***交流电压幅值，但由于其只使用风电场整流器一个维度来控制交流电压，无法对交流电压频率起到控制作用。风电场集电***交流电压与整个风电场安全稳定运行密切相关，集电***交流电压频率的不稳定，会在风电场内部交流线路传递，增加交流***谐波分量，谐波分量会进一步传递到风机内部，风电机内部绕组发热，影响电器元件使用寿命，对于风电机产生很大的损害，另外，谐波也会带来更多的损耗，风电场输出能量效率降低，同时也会影响风电场的稳定运行。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种风电场的集电输电***及其交流母线电压控制方法，能够保持***交流电压频率的稳定，减小风电场谐波分量。

一种风电场的集电输电***，包括：交流母线、风力发电机组、整流站和逆变站；风力发电机组包括多台风力发电机，所述的风力发电机与交流母线相连，整流站的交流侧与交流母线相连，整流站的直流侧与逆变站的直流侧相连，逆变站的交流侧与交流电网连接。

所述的整流站包括整流器和换流变压器；整流器的直流侧与逆变站的直流侧相连，整流器的交流侧通过换流电感与换流变压器的一侧相连，换流变压器的另一侧与交流母线相连并通过电容器接地。

所述的整流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个IGBT级联而成。

上述集电输电***的交流母线电压控制方法，包括如下步骤：

(1)采集整流站的三相输入电流I_a～I_c、流入换流变压器的三相支路电流I_sa～I_sc以及交流母线的三相母线电压U_a～U_c；

(2)分别对所述的三相支路电流I_sa～I_sc、三相输入电流I_a～I_c和三相母线电压U_a～U_c进行dq变换得到三相支路电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq、三相输入电流的d轴分量I_d和q轴分量I_q、三相母线电压的d轴分量U_d和q轴分量U_q；

(3)使给定的d轴电压控制量U_dref和q轴电压控制量U_qref分别减去三相母线电压的d轴分量U_d和q轴分量U_q，得到d轴电压误差信号ΔU_d和q轴电压误差信号ΔU_q；

(4)对d轴电压误差信号ΔU_d和q轴电压误差信号ΔU_q分别依次进行PI调节和前馈解耦补偿，得到d轴电流控制量I_dref和q轴电流控制量I_qref；

(5)使所述的d轴电流控制量I_dref和q轴电流控制量I_qref分别减去三相支路电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq，得到d轴电流误差信号ΔI_d和q轴电流误差信号ΔI_q；

(6)对d轴电流误差信号ΔI_d和q轴电流误差信号ΔI_q分别依次进行PI调节和前馈解耦补偿，得到d轴调制信号M_d和q轴调制信号M_q；

(7)对d轴调制信号M_d和q轴调制信号M_q进行dq反变换得到三相调制信号M_a～M_c，进而根据所述的三相调制信号M_a～M_c通过SPWM(正弦波脉宽调制)技术生成一组PWM信号以对整流器进行控制。

所述的步骤(4)中，根据以下算式对d轴电压误差信号ΔU_d和q轴电压误差信号ΔU_q进行PI调节和前馈解耦补偿：

$I_{\mathrm{dref}}=(K_{p1}+\frac{K_{i1}}{s})\mathrm{\Δ}{U}_d+I_d-I_{\mathrm{Ld}}$

$I_{\mathrm{qref}}=(K_{p2}+\frac{K_{i2}}{s})\mathrm{\Δ}{U}_q+I_q+I_{\mathrm{Lq}}$

其中：s为拉普拉斯算子，K_p1和K_p2均为给定的比例系数，K_i1和K_i2均为给定的积分系数，I_Ld和I_Lq为d轴电流前馈补偿量和q轴电流前馈补偿量。

所述的d轴电流前馈补偿量I_Ld和q轴电流前馈补偿量I_Lq根据以下算式求得：

I_Ld＝ωCU_q

I_Lq＝ωCU_d

其中：ω为交流母线电压的角频率且ω＝2πf，f＝50Hz，C为电容器的容值。

所述的步骤(6)中，根据以下算式对d轴电流误差信号ΔI_d和q轴电流误差信号ΔI_q进行PI调节和前馈解耦补偿：

$M_d=\frac{2[(K_{p3}+\frac{K_{i3}}{s})\mathrm{\Δ}{I}_d+U_d-U_{\mathrm{Ld}}]}{U_{\mathrm{dc}}}$

$M_q=\frac{2[(K_{p4}+\frac{K_{i4}}{s})\mathrm{\Δ}{I}_q+U_q+U_{\mathrm{Lq}}]}{U_{\mathrm{dc}}}$

其中：s为拉普拉斯算子，K_p3和K_p4均为给定的比例系数，K_i3和K_i4均为给定的积分系数，U_Ld和U_Lq为d轴电压前馈补偿量和q轴电压前馈补偿量，U_dc为整流站的直流母线电压。

所述的d轴电压前馈补偿量U_Ld和q轴电压前馈补偿量U_Lq根据以下算式求得：

U_Ld＝ωLI_sq

U_Lq＝ωLI_sd

其中：ω为交流母线电压的角频率且ω＝2πf，f＝50Hz，L为换流电感和换流变压器漏感总的电感值。

风电场在使用柔性直流输电并网时，其风电场集电***交流母线电压较难控制，频率也难以稳定，而***交流母线电压对于风电场乃至整个风电并网***的安全稳定运行有着至关重要的作用。采用本发明交流母线电压控制方法，可以充分使用风电场侧整流器的两个控制维度，从整体上控制***的交流母线电压，包括电压的幅值和频率，故本发明的有益技术效果在于：

(1)保证风电场集电***交流电压的稳定，可以减小风电场交流***的谐波分量，防止谐波分量给风电场内部乃至风电机带来的损坏，减少由谐波分量所引起的风电机内部电气元件的损害，包括发电机、变压器、输电线路以及相应电器元件，从而保证电气设备的寿命及其正常运行。

(2)减小风电场交流***的谐波分量，可以进一步降低损耗，减少发电机和变压器以及线路因谐波分量而产生的附加损耗，降低谐波分量在电气元件的功率损耗，充分利用设备容量，保证设备的利用率，提高风电场输出能量效率。

(3)由于风电控制***需要采集风电场集电***交流电压作为输入信号量，因此，保持风电场集电***电压幅值和频率的稳定，对于风电控制***的平稳运行也有很大的帮助，从而保证风电场以及整个风电并网***安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明集电输电***的结构示意图。

图2为本发明***交流母线电压控制方法的原理流程示意图。

图3为采用本发明控制方法下***交流母线电压的波形示意图。

图4为采用现有技术和本发明方法下***交流母线电压谐波分量的比较示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其控制方法进行详细说明。

如图1所示，一种风电场的集电输电***，包括：交流母线、风力发电机组、整流站和逆变站；风力发电机组包括多台风力发电机，风力发电机依次通过全功率换流器、集电电感L_j以及接线方式为Δ/Y的集电变压器T_j与交流母线相连；

整流站包括整流器和换流变压器T；整流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个IGBT级联而成；整流器的直流侧通过输电线与逆变站的直流侧相连，整流器的交流侧通过换流电感L与接线方式为Y/Δ的换流变压器T的一侧相连，换流变压器T的另一侧与交流母线相连并通过电容器C接地。

逆变站采用三相六桥臂结构的逆变器，每个桥臂均由若干个IGBT级联而成；整流器的直流侧和逆变器的直流侧均并联有直流母线电容，整流器直流侧两端的电压即为整流站的直流母线电压U_dc，逆变器的交流侧通过输电电感L_s以及接线方式为Δ/Y的输电变压器T_s与交流电网相连。

如图2所示，上述集电输电***的交流母线电压控制方法，包括如下步骤：

(1)利用电压电流霍尔传感器采集整流站的三相输入电流I_a～I_c、流入换流变压器T的三相支路电流I_sa～I_sc以及交流母线的三相母线电压U_a～U_c。

(2)分别对三相支路电流I_sa～I_sc、三相输入电流I_a～I_c和三相母线电压U_a～U_c进行dq变换得到三相支路电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq、三相输入电流的d轴分量I_d和q轴分量I_q、三相母线电压的d轴分量U_d和q轴分量U_q；

dq变换矩阵如下：

$T_{\mathrm{abc}/\mathrm{dq}}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\\ \sin \mathrm{\θ}& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

其中：θ为交流母线电压的相位且θ＝ωt，ω为交流母线电压的角频率且ω＝2πf，f＝50Hz，t为时间。

(3)使给定的d轴电压控制量U_dref和q轴电压控制量U_qref分别减去三相母线电压的d轴分量U_d和q轴分量U_q，得到d轴电压误差信号ΔU_d和q轴电压误差信号ΔU_q；本实施方式中，U_qref＝0，

(4)根据以下算式对d轴电压误差信号ΔU_d和q轴电压误差信号ΔU_q分别依次进行PI调节和前馈解耦补偿，得到d轴电流控制量I_dref和q轴电流控制量I_qref； $I_{\mathrm{dref}}=(K_{p1}+\frac{K_{i1}}{s})\mathrm{\Δ}{U}_d+I_d-I_{\mathrm{Ld}}$ I_Ld＝ωCU_q $I_{\mathrm{qref}}=(K_{p2}+\frac{K_{i2}}{s})\mathrm{\Δ}{U}_q+I_q+I_{\mathrm{Lq}}$ I_Lq＝ωCU_d

其中：s为拉普拉斯算子，K_p1和K_p2均为给定的比例系数，K_i1和K_i2均为给定的积分系数，I_Ld和I_Lq为d轴电流前馈补偿量和q轴电流前馈补偿量，C为电容器的容值；本实施方式中，K_p1＝K_p2＝0.8，K_i1＝20，K_i2＝100，C＝2×10^-3F。

(5)使d轴电流控制量I_dref和q轴电流控制量I_qref分别减去三相支路电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq，得到d轴电流误差信号ΔI_d和q轴电流误差信号ΔI_q。

(6)根据以下算式对d轴电流误差信号ΔI_d和q轴电流误差信号ΔI_q分别依次进行PI调节和前馈解耦补偿，得到d轴调制信号M_d和q轴调制信号M_q； $M_d=\frac{2[(K_{p3}+\frac{K_{i3}}{s})\mathrm{\Δ}{I}_d+U_d-U_{\mathrm{Ld}}]}{U_{\mathrm{dc}}}$ U_Ld＝ωLI_sq $M_q=\frac{2[(K_{p4}+\frac{K_{i4}}{s})\mathrm{\Δ}{I}_q+U_q+U_{\mathrm{Lq}}]}{U_{\mathrm{dc}}}$ U_Lq＝ωLI_sd

其中：K_p3和K_p4均为给定的比例系数，K_i3和K_i4均为给定的积分系数，U_Ld和U_Lq为d轴电压前馈补偿量和q轴电压前馈补偿量，L为换流电感和换流变压器漏感总的电感值，U_dc为整流站的直流母线电压；本实施方式中，K_p3＝K_p4＝5.2，K_i3＝K_i4＝50，C＝5.2×10^-3F，U_dc＝100kV。

(7)对d轴调制信号M_d和q轴调制信号M_q进行dq反变换得到三相调制信号M_a～M_c，进而根据三相调制信号M_a～M_c通过SPWM技术生成一组PWM信号以对整流器中各IGBT进行开关控制。

dq反变换矩阵如下：

$T_{\mathrm{dq}/\mathrm{abc}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

本实施方式中，风电场通过柔性直流输电***并入电网，风电场集电***与柔性直流输电***中整流器连接，经过100km直流输电电缆连接到逆变器，然后接入交流电网。***整流器通过两个控制维度控制风电场集电***交流母线电压幅值和频率，逆变器通过两个控制维度控制柔性直流输电***直流电压和***输出无功功率。期望得到交流母线线电压有效值为35kV，换流变压器T的变比为35/110kV。整个风电场集电输电***的输出有功功率P＝100MW，输出无功功率Q＝0Mvar。

图3为采用本实施方式的柔性直流输电风电并网集电***交流母线电压控制方法后，风电场集电***三相交流母线电压的波形图。从图3中可以看到，柔性直流输电风电并网集电***交流母线电压在使用本实施方式控制方法后，三相交流电压幅值、频率与期望值相符，电压幅值和频率得到有效的控制，三相正弦波形清楚，相位相差120度，风电并网集电***交流母线电压控制稳定。

图4为采用现有控制方法和本实施方式的集电***交流母线电压控制方法针对集电***交流母线电压谐波分量THD值的比较示意图。图4中的两条曲线分别代表了使用现有控制方法和本实施方式针对柔性直流输电风电场并网集电***交流母线电压谐波分量THD值。从图4中可以看到，采用现有控制方法所得到的集电***交流母线电压谐波分量THD值约为0.042并且波动较大，采用本实施方式所得到的集电***交流母线电压谐波分量THD值约为0.017并且在平均值附近较为稳定，谐波分量在很大程度上得到了抑制和降低，减小了谐波对于风电场内部以及整个并网***的影响，降低附加损耗，提高风电并网传输能量效率，保证了***的安全稳定运行。

Claims (1)

1.一种风电场的集电输电***的交流母线电压控制方法，所述的集电输电***包括交流母线、风力发电机组、整流站和逆变站；风力发电机组包括多台风力发电机，所述的风力发电机与交流母线相连，整流站的交流侧与交流母线相连，整流站的直流侧与逆变站的直流侧相连，逆变站的交流侧与交流电网连接；所述的整流站包括整流器和换流变压器；整流器的直流侧与逆变站的直流侧相连，整流器的交流侧通过换流电感与换流变压器的一侧相连，换流变压器的另一侧与交流母线相连并通过电容器接地；

所述的交流母线电压控制方法包括如下步骤：

(1)采集整流站的三相输入电流I_a～I_c、流入换流变压器的三相支路电流I_sa～I_sc以及交流母线的三相母线电压U_a～U_c；

(2)分别对所述的三相支路电流I_sa～I_sc、三相输入电流I_a～I_c和三相母线电压U_a～U_c进行dq变换得到三相支路电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq、三相输入电流的d轴分量I_d和q轴分量I_q、三相母线电压的d轴分量U_d和q轴分量U_q；

(3)使给定的d轴电压控制量U_dref和q轴电压控制量U_qref分别减去三相母线电压的d轴分量U_d和q轴分量U_q，得到d轴电压误差信号ΔU_d和q轴电压误差信号ΔU_q；

(4)根据以下算式对d轴电压误差信号ΔU_d和q轴电压误差信号ΔU_q分别依次进行PI调节和前馈解耦补偿，得到d轴电流控制量I_dref和q轴电流控制量I_qref；

$\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{dref}}=(K_{p1}+\frac{K_{i1}}{s})\mathrm{\Δ}{U}_d+I_d-I_{\mathrm{Ld}}& I_{\mathrm{Ld}}={\mathrm{\ωCU}}_q\\ I_{\mathrm{qref}}=(K_{p2}+\frac{K_{i2}}{s}){\mathrm{\ΔU}}_q+I_q+I_{\mathrm{Lq}}& I_{\mathrm{Lq}}={\mathrm{\ωCU}}_d\end{array}$

其中：s为拉普拉斯算子，K_p1和K_p2均为给定的比例系数，K_i1和K_i2均为给定的积分系数，I_Ld和I_Lq为d轴电流前馈补偿量和q轴电流前馈补偿量；ω为交流母线电压的角频率且ω＝2πf，f＝50Hz，C为电容器的容值；

(5)使所述的d轴电流控制量I_dref和q轴电流控制量I_qref分别减去三相支路电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq，得到d轴电流误差信号ΔI_d和q轴电流误差信号ΔI_q；

(6)根据以下算式对d轴电流误差信号ΔI_d和q轴电流误差信号ΔI_q分别依次进行PI调节和前馈解耦补偿，得到d轴调制信号M_d和q轴调制信号M_q；

$\begin{array}{cc}{M}_d=\frac{2[(K_{p3}+\frac{K_{i3}}{s}){\mathrm{\ΔI}}_d+U_d-U_{\mathrm{Ld}}}{U_{\mathrm{dc}}}& U_{\mathrm{Ld}}={\mathrm{\ωLI}}_{\mathrm{sq}}\\ M_q=\frac{2[(K_{p4}+\frac{K_{i4}}{s}){\mathrm{\ΔI}}_q+U_q+U_{\mathrm{Lq}}}{U_{\mathrm{dc}}}& U_{\mathrm{Lq}}={\mathrm{\ωLI}}_{\mathrm{sd}}\end{array}$

其中：K_p3和K_p4均为给定的比例系数，K_i3和K_i4均为给定的积分系数，U_Ld和U_Lq为d轴电压前馈补偿量和q轴电压前馈补偿量，U_dc为整流站的直流母线电压，L为换流电感和换流变压器漏感总的电感值；

(7)对d轴调制信号M_d和q轴调制信号M_q进行dq反变换得到三相调制信号M_a～M_c，进而根据所述的三相调制信号M_a～M_c通过SPWM技术生成一组PWM信号以对整流器进行控制。