CN106532771A - 一种自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法,考虑电压跌落程度、定子变阻值撬棒保护适用范围将综合策略分成两种模式:当风电场并网点电压U在Xp.u‑0.9 p.u区间,利用卸荷电路和网侧动态无功控制并结合静止无功发生器实现机组低电压穿越;当U低于Xp.u时,利用定子变阻值撬棒保护、卸荷电路和网侧动态无功控制并结合静止无功发生器实现机组低电压穿越;其中:网侧动态无功控制和定子变阻值撬棒保护均以并网点电压为参考进行参数调整以实现对电压跌落程度的自适应。本方法在大幅度提高机组低电压穿越能力、故障穿越能力和抗暂态震荡能力的同时,更好的兼顾提升了故障穿越后机组和***的稳定运行能力。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域,尤其是自适应电压跌落的双馈风电机组(DFIG)低电压穿越实现方法。
背景技术
截至2014年底,我国新增风电装机容量创下历史新高,风电装机规模继续稳居世界第一。而随着风电并网容量在电力***中的比例不断增大,风电脱网对电网安全运行的影响也越来越严重。近年来我国甘肃酒泉、新疆等风电基地发生多次因电网小故障造成大面积风机集中脱网的事故,对电网***整体的安全性和稳定运行造成了严重影响,印证了风电对电力***的影响及其自身存在的问题。为此《风电并网技术规程》要求并网风电场需具备低电压穿越能力以实现在电网故障或电压跌落期间为电网提供一定的无功支撑,提升电网电压的恢复能力。双馈风力发电机作为目前风电场的主流机型,其实现低电压穿越的方法也成为研究热点。
目前关于双馈风电机组的低电压穿越技术根据原理主要概况为三方面:1.减少机组机侧变流器输入功率的低电压穿越技术,如间距角调节、限发风电机组电磁功率,但存在响应速度慢,故障恢复时间长等缺点;2.消除直流母线处不平衡功率的低电压穿越技术,如卸荷电路、储能装置、增加辅助变流器,存在体积大、可靠性差、储能有限、成本高、控制复杂等缺点;3.增大机组网侧变流器输出功率的低电压穿越技术,如机组发无功控制策略、无功补偿,但存在调节能力有限和消除不平衡能力不足等缺点。通过对比发现,目前的低电压穿越技术在动态响应速度、功率波动幅度、结构复杂程度、经济性、故障恢复时间、可靠性以及调节能力等方面或多或少存在明显弊端。现有的关于双馈风电机组低电压穿越技术最大的缺点就是,不能同时兼顾机组低电压穿越能力和电压跌落结束后机组稳定运行能力。而其根本原因是目前的关于双馈风电机组的低电压穿越技术不能适应不同程度电网电压跌落的变化。因此,开发提高双馈风电机组低电压穿越能力和机组抗暂态震荡能力同时兼顾提升故障穿越后机组和***稳定运行能力的自适应电压跌落程度的双馈风电机组低电压穿越综合策略技术,具有非常重要的意义。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷,提供一种自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法,在提高双馈风电机组低电压穿越期间机组的低电压穿越能力、故障穿越能力和增强机组抗暂态震荡能力的同时,兼顾提升故障穿越后机组和***的稳定运行能力。大幅度改善传统低电压穿越技术所引起的功率波动、无功问题。
为了解决上述技术问题,本发明提供以下技术方案:
一种自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法,步骤如下:
1)根据电压跌落程度、避免不必要的功率损耗及定子动态变阻值撬棒保护适用范围将低电压穿越综合控制策略分成两种模式;
2)通过风电场侧电压互感器实时测量风电场并网点电压,当风电场并网点电压在Xp.u-0.9 p.u区间,机组低电压穿越综合策略采用直流卸荷电路和网侧动态无功控制并结合静止无功发生器实现机组低电压穿越,定子动态变阻值撬棒保护不投入运行;
3)当风电场并网点电压低于Xp.u时,机组低电压穿越综合策略采用模式二,即采用双馈风电机组定子动态变阻值撬棒保护,结合直流卸荷电路、网侧动态无功控制和静止无功发生器实现机组低电压穿越;
上述X为综合策略控制模式电压分界点,由机组参数、控制策略和低电压穿越策略决定。
进一步,第二步中,网侧动态无功控制采用在机组低电压穿越期间,根据电压跌落程度进行发无功功率实时调整以实现对电压跌落程度的自适应,其取值满足变功率因数函数cosθ=f(u);
其中:u为风电场并网点电压标幺值。
进一步,第三步中,定子动态变阻值撬棒保护采用在机组低电压穿越期间,根据电压跌落程度实时改变其撬棒电阻值以实现对电压跌落水平的自适应,其取值满足变阻值函数R=f(u);
U glvp 为机组低电压保护动作值。
进一步,在第一步前,实时采集风电场并网点电压值,并转化为标幺值;当采集的风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u时,则判定为电网正常电压波动,风电机组不进入低电压穿越状态,网侧变流器无功控制仍采用单位因数控制,即不发无功功率策略;当采集的风电场并网点电压标幺值不大于U glvp时,则判定为电网极度电压跌落,双馈风电机组低电压保护动作,风电机组切机退出运行。
与现有技术相比较,本发明具有如下的有益效果:
本发明克服了传统双馈风电机组低电压穿越技术的弊端,采用的非crowbar技术的低电压穿越综合策略不仅大幅度改善传统低电压穿越技术所引起的功率波动、无功问题,而且避免了传统crowbar技术引起的双馈风电机组故障电流非工频问题。能够实现对电网电压跌落水平的自适应,在提高机组的低电压穿越能力、故障穿越能力和机组抗暂态震荡能力的同时,更好的兼顾提升了故障穿越后机组和***的稳定运行能力,有效降低了机组低电压穿越前后对***稳定性的影响程度。
附图说明
图1为本发明自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法的结构框图;
图2为本发明自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法的控制框图;
图3为本发明自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法的网侧动态无功控制原理图
图4为本发明自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法的流程图;
图5为本发明应用风电场示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1-4所示,一种自适应电压跌落的双馈风电机组(DFIG)低电压穿越实现方法,由直流卸荷电路1、定子动态变阻值撬棒保护2、静止无功发生器(SVG)3、网侧动态无功控制4四部分构成,根据电压跌落程度将低电压穿越综合策略分成两种控制模式。步骤如下:
1)实时采集风电场并网点电压值,并转化为标幺值;
2)当采集的风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u时,则判定为电网正常电压波动,风电机组不进入低电压穿越状态,网侧变流器无功控制仍采用单位因数控制,即不发无功功率策略;
3)通过风电场侧电压互感器实时测量风电场并网点电压,当采集的风电场并网点电压标幺值为(X,0.9p.u]时,则判定为电网轻度电压跌落,机组进入低电压穿越状态,采用低电压穿越综合策略模式一直流卸荷电路1、静止无功发生器(SVG)3、网侧动态无功控制4共同实现机组低电压穿越,定子动态变阻值撬棒保护2不投入运行;其中,直流卸荷电路、静止无功发生器(SVG)快速投入,网侧变流器采用发无功控制策略,其功率因数由并网点电压确定以适应电压跌落水平,其取值满足变功率因数函数cosθ=f(u);
4)当采集的风电场并网点电压标幺值为(Uglvp,Xp.u]时,则判定为电网深度电压跌落,机组进入低电压穿越状态,采用低电压穿越综合策略模式二,采用双馈风电机组定子动态变阻值撬棒保护2,结合直流卸荷电路1、静止无功发生器(SVG)3和网侧动态无功控制4;其中,直流卸荷电路、无功补偿(SVG)快速投入;网侧变流器采用发最大无功控制策略,功率因数cosθ取0.95;定子动态变阻值撬棒保护电阻值由并网点电压确定以适应电压跌落水平,其取值满足变阻值函数R=f(u);
5)当采集的风电场并网点电压标幺值为[0,Uglvp]时,则判定为电网极度电压跌落,双馈风电机组低电压保护动作,风电机组切机退出运行;
6)步骤3)或步骤4)执行过程中,实时采集并网点电压并判断电网状态,若风电场并网点电压标幺值不大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时,则判定为电网电压仍未恢复,步骤3)或步骤4)低电压穿越综合策略中相应动作模块保持投运状态;
7)步骤3)和步骤4)执行过程中,实时采集并网点电压并判断电网状态,若风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u且机组低电压穿越时间t≤2s时,则判定为电网电压已恢复,步骤3)和步骤4)低电压穿越综合策略中相应动作模块退出,而为保护变流器直流卸荷电路仅在U dc<U dcmax时退出运行;
8)若机组低电压穿越时间t>2s且风电场并网点电压标幺值小于0.9p.u 时,按照《风电场接入电网技术规定》中LVRT曲线要求,风电机组切机退出运行;
9)若机组低电压穿越时间t>2s且风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u 时,风电机组保持并网运行,低电压穿越综合策略中相应动作模块退出,直流卸荷电路在U dc<U dcmax时退出运行。
如图5所示,实施例更近一步地详细说明本发明的技术方案:
参照新疆达坂城风电场的相关运行数据,实施例中风电***由6台1.5MW机组组成,主变侧静止无功发生器SVG容量取1.5 Mvar,直流卸荷电路触发值选为直流母线电压的1.1倍,卸荷电阻取0.3Ω(见式1-2),双馈风电机组参数见表1。
表1 双馈风电机组参数
1.直流卸荷电路
直流卸荷电路由绝缘栅双极型晶体管和卸荷电阻串联构成,并联在直流母线侧。卸荷电阻的投切规则为:***稳态运行时,直流卸荷电路不投入;当U dc 大于U dc-max 时,卸荷电阻快速投入;反之,直流卸荷电阻快速切出。卸荷电阻R dc 由母线最大电压U dcmax 和变流器两侧功率流动偏差ΔP决定,其取值见式1-2。
2.网侧变流器动态无功控制
目前双馈风电机组网侧变流器无功控制策略为:电网电压跌落超过允许值,风电机组网侧变流器由不发无功策略改为发恒定无功策略,无论电压跌落程度深或浅,风电机组提供的无功功率均为恒定值,对于电压跌落程度较轻且电网网架较弱的***来说,可能会造成***无功功率过剩,存在一定弊端。
为此本发明提出自适应电压跌落程度的网侧动态无功控制策略:根据电网电压跌落的程度采用不同的功率因数,即当电网电压跌落程度较轻时,风电机组发少量的无功功率,随着跌落程度的加深,风电机组所发的无功功率也随之对应增大,当电压跌落程度超过一定值时,风电机组发出所允许的最大无功功率。变功率因数取值根据大量仿真数据利用Matlab拟合得到,其取值满足变功率因数函数式3。
网侧变流器与电网交换功率的表达式:
式中,通过调节igd、igq,即可控制网侧输出的有功、无功功率。igd、igq为有功、无功电流的分量。
加入前馈补偿量usd,网侧变流器的电压控制量为:
同时为防止损坏变流器,通过式7对有功电流进行限流控制(其中i max 为网侧变流器的最大安全电流);故障消除后,网侧变流器恢复单位功率因数控制。
3.定子动态变阻值撬棒保护
定子撬棒保护电路由动态变阻值限流电阻和旁路开关组成,稳态时开关处于闭合状态,将限流电阻短接;当机端电压低于设定值时,旁路开关断开,限流电阻串入定子回路。本策略采用适应电压跌落程度的动态变阻值限流电阻,根据不同电压跌落水平得到定子撬棒保护最优阻值。在实现机组低电压穿越能力的同时,提高机组稳定运行性能,有效抑制机组暂态震荡。
通过采集双馈机组在不同电压跌落水平下的运行数据,得到实施例中电压跌落分界点X取值0.6 pu;根据大量仿真得定子撬棒限流电阻R在不同跌落电压下的最优值,利用matlab软件拟合得到定子撬棒电阻取值拟合曲线变阻值函数R=f(u),见式7。
4.双馈风电机组低电压穿越综合控制策略
由于传统定子撬棒保护采用固定的阻值不能适应电压跌落程度的变化,过大或过小均会影响机组的故障穿越和***的稳定运行。考虑到定子撬棒保护在电压跌落程度较深时作用明显;在电压跌落程度较浅时,投入定子撬棒保护不利于电压跌落结束后机组的稳定运行,还将造成不必要的功率损耗。为兼顾机组低电压穿越能力和电压跌落结束后机组稳定运行能力,通过采集双馈机组不同状态下的运行数据并结合机组参数、控制策略,本实施例低电压穿越综合策略的控制模式电压分界点X取0.6p.u,将LVRT综合控制策略分为两种模式:
(1)模式一:当风电场并网点电压在0.6p.u-0.9 p.u期间,双馈风电机组依靠直流卸荷电路和网侧动态无功控制并结合静止无功发生器共同实现机组低电压穿越,而定子动态变阻值撬棒保护不投入运行。其中:网侧动态无功控制采用在机组低电压穿越期间根据电压跌落程度进行发无功功率实时调整以实现自适应电压跌落程度的控制策略,其取值见式3;
(2)模式二:当风电场并网点低于0.6p.u时,双馈风电机组定子动态变阻值撬棒保护投入运行,结合直流卸荷电路、网侧动态无功控制和静止无功发生器共同实现机组低电压穿越。其中:定子动态变阻值撬棒保护采取在机组低电压穿越期间根据电压跌落程度实时改变其撬棒电阻值(非固定值)以实现自适应电压跌落程度的控制策略,其取值见式7。
需要说明的是,本发明中低电压穿越综合策略控制模式的电压分界点取值受机组参数、机组控制策略、机组低电压穿越策略等因素的影响而变化。低电压穿越综合策略中X=0.6 p.u对于本实施例机组是模式分界点最优值,如果机组参数改变,将不再是最优值,但仍然是可行值,即该策略仍然可适用于不同双馈机型。
以上所述仅为说明本发明的实施方式,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法,其特征在于,步骤如下:
1)根据电压跌落程度、避免不必要的功率损耗及定子动态变阻值撬棒保护适用范围将低电压穿越综合策略分成两种模式;
2)通过风电场侧电压互感器实时测量风电场并网点电压,当风电场并网点电压在Xp.u-0.9 p.u区间,机组低电压穿越综合策略采用模式一,即利用直流卸荷电路和网侧动态无功控制并结合静止无功发生器实现机组低电压穿越,定子动态变阻值撬棒保护不投入运行;
3)当风电场并网点电压低于Xp.u时,机组低电压穿越综合策略采用模式二,即采用双馈风电机组定子动态变阻值撬棒保护,结合直流卸荷电路、网侧动态无功控制和静止无功发生器共同实现机组低电压穿越;
上述X为综合策略控制模式电压分界点,由机组参数、控制策略和低电压穿越策略决定。
2.根据权利要求1所述自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法,其特征在于,第二步中,网侧动态无功控制在机组低电压穿越期间,根据电压跌落程度进行发无功功率实时调整以实现对电压跌落程度的自适应,其取值满足变功率因数函数cosθ=f(u);
其中:u为风电场并网点电压标幺值。
3.根据权利要求1所述自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法,其特征在于,第三步中,定子动态变阻值撬棒保护在机组低电压穿越期间,根据电压跌落程度实时改变其撬棒电阻值以实现对电压跌落水平的自适应,其取值满足变阻值函数R=f(u);
其中:Uglvp为机组低电压保护动作值。
4.根据权利要求1所述自适应电压跌落的双馈风电机组低电压穿越实现方法,其特征在于,在第一步前,实时采集风电场并网点电压值,并转化为标幺值;当采集的风电场并网点电压标幺值大于0.9p.u时,则判定为电网正常电压波动,风电机组不进入低电压穿越状态,网侧变流器无功控制仍采用单位因数控制,即不发无功功率策略;当采集的风电场并网点电压标幺值不大于U glvp时,则判定为电网极度电压跌落,双馈风电机组切机退出运行。
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