CN104617598A - 一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，包括以下步骤：建立风电场直流并网模型；确定动态直流泄能电阻的阻值；设定动态直流泄能电阻的动作保护判据；确定动态直流泄能电阻投入动作持续时间；故障清除后动态直流泄能电阻退运控制。本发明针对现有技术中没有克服风机与故障交流***直接电气连接、故障期间多余风电功率消耗在风机内部的技术难题，通过柔性直流并网且在GSMMC的直流端近端出线处设置由大功率开关器件及耗散电阻串联而成的动态直流泄能电阻，以实现风机故障期间顺利穿越，同时动态直流泻能电阻与GSMMC的协调控制将确保故障清除后，风电场输出功率迅速恢复，且恢复速率远大于电力***行业标准相关技术指标。

Description

一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法。

背景技术

随着全球应对气候变化要求日益提升、能源短缺及能源供给安全形势日趋严峻，可再生能源以其清洁、安全、永续的特点，在各国能源战略中的地位不断提高。在众多可再生能源发电方式中，风力发电以其成本较低、技术较成熟、可靠性较高等优势，得以快速发展并开始在能源供给中发挥越来越重要的作用。2005年至2010年间，全球累计风电装机容量年均增长率为27％，已有83个国家实现风电的商业化开发。2011年，我国已成为世界上风电装机容量最大的国家。

风力资源的大规模开发利用对电网安全稳定运行提出了新的挑战，突出表现为并网风电消纳问题和机组运行可靠性问题，而根本原因在于风能的间歇特性决定了风电功率的波动性。当风电场采用直流并网，尤其是柔性直流并网时虽能实现风电场低电压穿越，但是大都基于降低***故障期间风电场有功输出能力或闭锁柔性直流换流器。显然上述低电压穿越方案均改变了故障发生前风电并网***的运行状态。实际上当***故障清除后，不论风电场还是换流器，任何非正常工况向正常工况切换都需要额外时间，同时也对控制器的鲁棒性提出了更高要求。

发明内容

针对现有技术中转子励磁调节等穿越方案均没有克服风机与故障交流***直接电气连接、故障期间多余风电功率消耗在风机内部的技术难题，本发明提供一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，通过柔性直流并网且在GSMMC的直流端近端出线处设置由大功率开关器件及耗散电阻串联而成的动态直流泄能电阻，以实现风机故障期间顺利穿越，同时动态直流泻能电阻与GSMMC的协调控制将确保故障清除后，风电场输出功率迅速恢复，且恢复速率远大于电力***行业标准相关技术指标。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，所述方法包括以下步骤：

建立风电场直流并网模型；

确定动态直流泄能电阻的阻值；

设定动态直流泄能电阻的动作保护判据；

确定动态直流泄能电阻投入动作持续时间；

故障清除后动态直流泄能电阻退运控制。

所述风电场直流并网模型包括风电场、WFMMC、GSMMC和交流***；所述风电场通过WFMMC和GSMMC依次连接到交流***；所述风电场与WFMMC之间、所述WFMMC与GSMMC分别设置第一断路器QF1和第二断路器QF2。

动态直流泄能电阻的阻值用R_chop表示，有：

$R_{\mathrm{chop}}=\frac{V_{\mathrm{PN}}^2}{P_{\mathrm{diss}}}=\frac{{(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2}{P_{\mathrm{wf}}-P_{\mathrm{GS}}^{\mathrm{fal}}}---\left(1\right)$

其中，V_PN为直流线路实际电压，为直流线路额定电压，P_diss为动态直流泄能电阻的耗散功率，k为动态直流泄能电阻的保护动作阈值系数，P_wf为风电场输出的有功功率，为交流***故障期间GSMMC输出的有功功率。

假设交流***0秒时发生故障导致GSMMC输出电压U_GSMMC发生跌落，GSMMC输出电流i_dq随即上升以提高GSMMC有功功率输出能力，从而维持U_GSMMC恒定；设t₁时刻，i_dq达到GSMMC输出电流限幅值i_dq-lim，则交流***故障期间GSMMC输出的有功功率达到上限，同时由于风电场持续向直流线路输入有功功率，于是对WFMMC和GSMMC中的直流电容分别充电，从而导致直流线路实际电压V_PN上升；设t₂时刻，V_PN达到直流线路实际电压保护阈值V_{PN_max}，则启动动态直流泄能电阻以消耗多余的有功功率。

设动态直流泄能电阻的额定功率为P_chop，表示为：

$P_{\mathrm{chop}}={(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2/R_{\mathrm{chop}}---\left(2\right)$

其中，k为动态直流泄能电阻的保护动作阈值系数，为直流线路额定电压，R_chop为动态直流泄能电阻的阻值；

1)当且仅当风电场输出的有功功率P_wf等于风电场额定功率时，动态直流泄能电阻的耗散功率P_diss等于动态直流泄能电阻的额定功率P_chop，V_PN维持V_{PN_max}不变；

2)当P_wf小于风电场额定功率时，有P_diss小于P_chop，动态直流泄能电阻仍持续导通，此时WFMMC和GSMMC的直流电容将对动态直流泄能电阻放电以使动态直流泄能电阻维持其额定功率P_chop，从而导致V_PN降低，即有：

$C_{\mathrm{eq}}[{(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2-V_{\mathrm{PN}\_\mathrm{low}}^2]=(P_{\mathrm{chop}}-P_{\mathrm{diss}})*2T_S---\left(3\right)$

其中，C_eq为WFMMC和GSMMC中所有子模块等效电容，V_{PN_low}为直流线路最低电压，T_S为动态直流泄能电阻投入动作持续时间。

根据瞬时无功理论，dq同步旋转坐标系下GSMMC与交流***交换的有功功率P_GS和无功功率Q_GS分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{GS}}=u_{\mathrm{dGS}}{i}_{\mathrm{dGS}}+u_{\mathrm{qGS}}{i}_{\mathrm{qGS}}\\ Q_{\mathrm{GS}}=u_{\mathrm{qGS}}{i}_{\mathrm{dGS}}-u_{\mathrm{dGS}}{i}_{\mathrm{qGS}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，u_dGS和u_qGS分别为GSMMC输出电压d轴分量和q轴分量，i_dGS和i_qGS分别为GSMMC输出电流d轴分量和q轴分量；

当d轴定向与交流***电压u_s旋转矢量同向时，有u_dGS＝u_s且u_qGS＝0，于是有：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{GS}}=u_s{i}_{\mathrm{dGS}}\\ Q_{\mathrm{GS}}={-u}_s{i}_{\mathrm{qGS}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过控制i_dGS即可限制GSMMC向交流***输出的有功功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

A、利用在GSMMC的近端出线处设置动态直流泄能电阻，在动态直流泄能电阻与GSMMC的协调控制确保故障清除后，风电场输出功率迅速恢复，且恢复速率远大于电力***行业标准相关技术指标；

B、本发明提供了动态直流泄能电阻与GSMMC的协调控制策略，从而实现风电场输出功率无超调快速恢复至故障前稳态运行水平，通用性好；

C、该方法将动态直流泄能电阻的应用范围扩展至整个风机运行区间均能实现低电压穿越。

附图说明

图1是本发明实施例中风电场直流并网模型结构图；

图2是本发明实施例中故障清除后风机输出功率减小时GSMMC内环电流限幅曲线图；

图3是本发明实施例中故障清除后风机输出功率不变GSMMC内环电流限幅曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，所述方法包括以下步骤：

建立风电场直流并网模型；

确定动态直流泄能电阻的阻值；

设定动态直流泄能电阻的动作保护判据；

确定动态直流泄能电阻投入动作持续时间；

故障清除后动态直流泄能电阻退运控制。

如图1，所述风电场直流并网模型包括风电场、WFMMC(Wind farm side modular multileverconverter，不控整流阶段风电场侧模块化多电平柔性直流换流器)、GSMMC(Grid side modularmultilevel converter，高频整流阶段***侧模块化多电平柔性直流换流器)和交流***；所述风电场通过WFMMC和GSMMC依次连接到交流***；所述风电场与WFMMC之间、所述WFMMC与GSMMC分别设置第一断路器QF1和第二断路器QF2。

当交流***发生故障导致GSMMC输出电压U_GSMMC发生跌落时，GSMMC有功功率输出能力随之下降，且与交流***残压成正比。另外GSMMC控制器中已令输出电流限幅值为1.2pu，故故障期间GSMMC有功功率输出能力高于交流***残压水平。

动态直流泄能电阻的阻值用R_chop表示，有：

$R_{\mathrm{chop}}=\frac{V_{\mathrm{PN}}^2}{P_{\mathrm{diss}}}=\frac{{(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2}{P_{\mathrm{wf}}-P_{\mathrm{GS}}^{\mathrm{fal}}}---\left(1\right)$

其中，V_PN为直流线路实际电压，为直流线路额定电压，P_diss为动态直流泄能电阻的耗散功率，k为动态直流泄能电阻的保护动作阈值系数，P_wf为风电场输出的有功功率，为交流***故障期间GSMMC输出的有功功率。

假设交流***0秒时发生故障导致GSMMC输出电压U_GSMMC发生跌落，GSMMC输出电流i_dq随即上升以提高GSMMC有功功率输出能力，从而维持U_GSMMC恒定；设t₁时刻，i_dq达到GSMMC输出电流限幅值i_dq-lim，则交流***故障期间GSMMC输出的有功功率达到上限，同时由于风电场持续向直流线路输入有功功率，于是对WFMMC和GSMMC中的直流电容分别充电，从而导致直流线路实际电压V_PN上升；设t₂时刻，V_PN达到直流线路实际电压保护阈值V_{PN_max}，则启动动态直流泄能电阻以消耗多余的有功功率。

设动态直流泄能电阻的额定功率为P_chop，表示为：

$P_{\mathrm{chop}}={(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2/R_{\mathrm{chop}}---\left(2\right)$

其中，k为动态直流泄能电阻的保护动作阈值系数，为直流线路额定电压，R_chop为动态直流泄能电阻的阻值；

1)当且仅当风电场输出的有功功率P_wf等于风电场额定功率时，动态直流泄能电阻的耗散功率P_diss等于动态直流泄能电阻的额定功率P_chop，V_PN维持V_{PN_max}不变；

2)当P_wf小于风电场额定功率时，有P_diss小于P_chop，动态直流泄能电阻仍持续导通，此时WFMMC和GSMMC的直流电容将对动态直流泄能电阻放电以使动态直流泄能电阻维持其额定功率P_chop，从而导致V_PN降低，即有：

$C_{\mathrm{eq}}[{(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2-V_{\mathrm{PN}\_\mathrm{low}}^2]=(P_{\mathrm{chop}}-P_{\mathrm{diss}})*2T_S---\left(3\right)$

其中，C_eq为WFMMC和GSMMC中所有子模块等效电容，V_{PN_low}为直流线路最低电压，T_S为动态直流泄能电阻投入动作持续时间。

当交流***故障清除后，故障点电压快速恢复，因此GSMMC向交流***输送有功功率能力也随之快速恢复。此时i_dq仍旧处于i_dq-lim，则当***电压恢复至额定值之前的某一时刻(假设为t₃)，GSMMC输出功率已经恢复至故障前水平。考虑到该恢复能力是由交流***阻抗特性决定，当t＞t₃后，GSMMC来不及调整i_dq-lim，即继续向交流***输出更多有功功率。同时风电场输入到直流线路的功率并未增大，显然故障恢复后期GSMMC输出的有功功率过载将造成直流线路电压降低，因此故障恢复期GSMMC电流限幅环节i_dq-lim需重新设计。

根据瞬时无功理论，dq同步旋转坐标系下GSMMC与交流***交换的有功功率P_GS和无功功率Q_GS分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{GS}}=u_{\mathrm{dGS}}{i}_{\mathrm{dGS}}+u_{\mathrm{qGS}}{i}_{\mathrm{qGS}}\\ Q_{\mathrm{GS}}=u_{\mathrm{qGS}}{i}_{\mathrm{dGS}}-u_{\mathrm{dGS}}{i}_{\mathrm{qGS}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，u_dGS和u_qGS分别为GSMMC输出电压d轴分量和q轴分量，i_dGS和i_qGS分别为GSMMC输出电流d轴分量和q轴分量；

当d轴定向与交流***电压u_s旋转矢量同向时，有u_dGS＝u_s且u_qGS＝0，于是有：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{GS}}=u_s{i}_{\mathrm{dGS}}\\ Q_{\mathrm{GS}}={-u}_s{i}_{\mathrm{qGS}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过控制i_dGS即可限制GSMMC向交流***输出的有功功率。同时式(5)也解释了前文所述采用柔性直流并网时，故障后风电场输出有功功率恢复速率远大于电力***行业标准10％额定功率/秒的原因。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

建立风电场直流并网模型；

确定动态直流泄能电阻的阻值；

设定动态直流泄能电阻的动作保护判据；

确定动态直流泄能电阻投入动作持续时间；

故障清除后动态直流泄能电阻退运控制。

2.根据权利要求1所述的基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，其特征在于：所述风电场直流并网模型包括风电场、WFMMC、GSMMC和交流***；所述风电场通过WFMMC和GSMMC依次连接到交流***；所述风电场与WFMMC之间、所述WFMMC与GSMMC分别设置第一断路器QF1和第二断路器QF2。

3.根据权利要求1所述的基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，其特征在于：动态直流泄能电阻的阻值用R_chop表示，有：

$R_{\mathrm{chop}}=\frac{V_{\mathrm{PN}}^2}{P_{\mathrm{diss}}}=\frac{{(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2}{P_{\mathrm{wf}}-P_{\mathrm{GS}}^{\mathrm{fal}}}---\left(1\right)$

其中，V_PN为直流线路实际电压，为直流线路额定电压，P_diss为动态直流泄能电阻的耗散功率，k为动态直流泄能电阻的保护动作阈值系数，P_wf为风电场输出的有功功率，为交流***故障期间GSMMC输出的有功功率。

4.根据权利要求1所述的基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，其特征在于：假设交流***0秒时发生故障导致GSMMC输出电压U_GSMMC发生跌落，GSMMC输出电流i_dq随即上升以提高GSMMC有功功率输出能力，从而维持U_GSMMC恒定；设t₁时刻，i_dq达到GSMMC输出电流限幅值i_dq-lim，则交流***故障期间GSMMC输出的有功功率达到上限，同时由于风电场持续向直流线路输入有功功率，于是对WFMMC和GSMMC中的直流电容分别充电，从而导致直流线路实际电压V_PN上升；设t₂时刻，V_PN达到直流线路实际电压保护阈值V_{PN_max}，则启动动态直流泄能电阻以消耗多余的有功功率。

5.根据权利要求1所述的基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，其特征在于：设动态直流泄能电阻的额定功率为P_chop，表示为：

$P_{\mathrm{chop}}={(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2/R_{\mathrm{chop}}---\left(2\right)$

其中，k为动态直流泄能电阻的保护动作阈值系数，为直流线路额定电压，R_chop为动态直流泄能电阻的阻值；

1)当且仅当风电场输出的有功功率P_wf等于风电场额定功率时，动态直流泄能电阻的耗散功率P_diss等于动态直流泄能电阻的额定功率P_chop，V_PN维持V_{PN_max}不变；

2)当P_wf小于风电场额定功率时，有P_diss小于P_chop，动态直流泄能电阻仍持续导通，此时WFMMC和GSMMC的直流电容将对动态直流泄能电阻放电以使动态直流泄能电阻维持其额定功率P_chop，从而导致V_PN降低，即有：

$C_{\mathrm{eq}}[{(k*V_{\mathrm{PN}}^{*})}^2-V_{\mathrm{PN}\_\mathrm{low}}^2]=(P_{\mathrm{chop}}-P_{\mathrm{diss}})*2T_S---\left(3\right)$

其中，C_eq为WFMMC和GSMMC中所有子模块等效电容，V_{PN_low}为直流线路最低电压，T_S为动态直流泄能电阻投入动作持续时间。

6.根据权利要求1所述的基于动态直流泄能电阻的风电场低电压穿越方法，其特征在于：根据瞬时无功理论，dq同步旋转坐标系下GSMMC与交流***交换的有功功率P_GS和无功功率Q_GS分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{GS}}=u_{\mathrm{dGS}}{i}_{\mathrm{dGS}}+u_{\mathrm{qGS}}{i}_{\mathrm{qGS}}\\ Q_{\mathrm{GS}}=u_{\mathrm{qGS}}{i}_{\mathrm{dGS}}-u_{\mathrm{dGS}}{i}_{\mathrm{qGS}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，u_dGS和u_qGS分别为GSMMC输出电压d轴分量和q轴分量，i_dGS和i_qGS分别为GSMMC输出电流d轴分量和q轴分量；

当d轴定向与交流***电压u_s旋转矢量同向时，有u_dGS＝u_s且u_qGS＝0，于是有：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{GS}}=u_s{i}_{\mathrm{dGS}}\\ Q_{\mathrm{GS}}=-u_s{i}_{\mathrm{qGS}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过控制i_dGS即可限制GSMMC向交流***输出的有功功率。