CN108321809B - 电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法 - Google Patents

电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在风电场并网点处增加电压检测设备，当检测到三相不平衡跌落后，记录跌落深度ΔUd及三相不平衡度ΔUub；S2：在测得电压跌落深度ΔUd和三相不平衡度ΔUub后，利用无功补偿装置平衡三相电压；S3：重启机侧变流器，若能正常重启，对风力发电机组进行无功功率的输出控制；S4：若在低电压故障期间无法正常重启机侧变流器，则通过改变网测变流器无功给定值来实现对***的无功支撑。

Description

电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法
技术领域
本发明涉及风力发电场技术领域，具体为风电场低电压穿越技术领域。
背景技术
在化石燃料不断枯竭、且造成巨大环境问题的情况下，风力发电作为一种清洁能源，越来越受到各国的重视，风力发电技术也得到长足进步。随着风力发电场容量的不断提高，风电场并网时对电网的影响也不断增大。
在电网出现故障，导致电网电压发生三相不平衡跌落时，不平衡的电网电压会对风机产生严重影响，如对传动链产生载荷冲击，造成变频器直流侧过电压等等，影响风机的正常运行和使用寿命。
目前国内外针对电网三相电压不平衡问题进行了一定的研究，提出了利用SVG解决电网电压三相不平衡问题的方案，同时，针对无功补偿装置参与风电场的低电压穿越过程的问题，国内外学者也做了相应的研究，但是，目前尚未将这两者联系在一起，由于电网电压三相不平衡跌落会对风机产生严重损害，因此，需要针对这一问题进行进一步研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对电网电压三相不平衡跌落状况的控制方法，利用风电场的无功补偿装置(主要为SVG)以及风机本身的无功能力，来实现平衡电网电压和提高风电场并网点电压的功能，从而提高风电场低电压穿越的成功率，提高风电场运行的可靠性。
为达上述目的，本发明提出以下技术方案：
一种电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法，包括以下步骤：
S1：在风电场并网点处增加电压检测设备，当检测到三相不平衡跌落后，记录跌落深度ΔUd及三相不平衡度ΔUub，三相不平衡度计算公式如下：
Figure BDA0001212966010000011
其中Um为三相相电压，Up＝(U1+U2+U3)/3，为三相相电压U1、U2和U3的平均值，取两者最大差值除以相电压平均值即为不平衡度；
S2：在测得电压跌落深度ΔUd和三相不平衡度ΔUub后，利用无功补偿装置平衡三相电压；
S3：重启机侧变流器，若能正常重启，对风力发电机组进行无功功率的输出控制；
S4：若在低电压故障期间无法正常重启机侧变流器，则通过改变网测变流器无功给定值来实现对***的无功支撑。
根据本发明提出的电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法，其中，所述步骤S2是利用输入电流指令值来完成对SVG变流器的三相平衡控制，其中所述指令电流值的表达式为：
Figure BDA0001212966010000021
Ird P表示电流指令值经dq变换后的d轴正序分量，Ird N表示电流指令值经dq变换后的d轴负序分量，Irq P表示电流指令值经dq变换后的q轴正序分量，Irq N表示电流指令值经dq变换后的q轴负序分量；
Usd P表示相电压经dq变换后的d轴正序分量，Usd N表示相电压经dq变换后的d轴负序分量，Usq P表示相电压经dq变换后的q轴正序分量，Usq N表示相电压经dq变换后的q轴负序分量，Iqref表示SVG电流指令值。
根据本发明提出的电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法，其中，所述步骤S3中风力发电机组输出的无功功率为：
Qe＝Qs＝Ps tanφ
其中Qe为定子侧发出或吸收的无功功率，Qs为转子侧发出或吸收的无功功率，tanФ由已知的功率因数cosФ决定，
Ps＝Pe-Pr,Pe为风电机组注入***的有功功率，由该风电机组的风功率特性曲线得到，所述风功率特性曲线在风机出厂时由风机厂商提供；
Figure BDA0001212966010000022
其中S表示风电机组的转差率，Us为定子侧端电压，Is为定子侧电流，Rs和Xs为定子侧电阻和漏抗，Ur为转子侧端电压，Ir为转子电流，Rr和Xr为转子侧电阻和漏抗，Xm为励磁电抗。
根据本发明提出的电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法，其中，在定子侧有功功率Ps确定的情况下，定子侧无功功率Qs有一个输出范围，表达式如下：
Figure BDA0001212966010000031
Figure BDA0001212966010000032
其中，Imax为转子变流器电流最大值，n表示风机转差率；在步骤S3中求解风力发电机组输出的无功功率时，若Qs<Qsmin或Qs>Qsmax，则应将用Qsmin或Qsmax来代替Qs。
与现有技术相比，本发明的优点是不增加大量额外硬件，只通过增加采集装置和改变控制逻辑来实现对三相不平衡跌落的补偿，成本低廉的同时能够达到最优的补偿效果。
附图说明
图1为本发明中风机机组的无功控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，为了快速检测电网电压的三相不平衡跌落，需要在风电场并网点处增加电压采集设备，快速采集三相电压瞬时值并进行计算，当检测到三相不平衡跌落后，记录跌落深度及三相不平衡度，三相不平衡度计算公式如下：
Figure BDA0001212966010000033
其中Um为三相相电压，Up＝(U1+U2+U3)/3，为三相相电压的平均值，取两者最大差值除以相电压平均值即为不平衡度。
在测得电压跌落深度ΔUd和三相不平衡度ΔUub后，利用无功补偿装置平衡三相电压是解决三相电压不平衡对双馈风机产生不利影响的重要措施，目前主流的无功补偿装置为SVG，利用合理的PWM控制可实现这一目标
无功补偿装置的控制方法
目前常用的无功补偿装置为静止无功发生器(SVG)，合理利用其变流器可以实现对三相电压不平衡的补偿。正常运行状态下，SVG只包括正序电压补偿控制算法，当出现三相电压不平衡状况时，母线电压存在负序分量，需要补偿负序分量来实现对三相不平衡的补偿。因此，本专利提出了改进型的SVG控制方法。具体流程如图1所示。
当电网电压不平衡时，电网电压中可能存在正序、负序和零序分量，而由于SVG为星形连接且中性点悬空。故零序电压不会对SVG的运行产生影响。同时由于锁相环的作用。电网电压正序分量的虚轴部分基本为零，故电网电压为：
US＝UP+UN
Up＝UP sd
UN＝UN sd+jUN sq
其中，US表示电网电压，UP为电网电压正序分量，UN为电网的电压抚恤分量，UP sd为电网电压正序分量经dq变换后的d轴分量，UN sd为电网电压负序分量经dq变换后的d轴分量，UN sq为电网电压负序分量分量经dq变换后的q轴分量。
***加入负序电流补偿后SVG指令电流为：
IR＝IRP+IRN
IRP＝IP Rd+jIP Rq
IRN＝IN Rd+IN Rq
其中IR为SVG补偿电流指令值，IR P、IR N分别为电流指令值的正序和负序分量，IRd、IRq分别代表分量经dq变换后的d轴和q轴分量。
由对称分量法，当已知三相电压和电流的正负序分量时，可求得三相电压和电流向量分别为：
Figure BDA0001212966010000041
Figure BDA0001212966010000051
其中，Usa，Usb，Usc分别为三相电网电压，UP sd、UP sq分别表示相电压正序分量经dq变换后的d轴和q轴分量，UN sd、UN sq分别表示相电压负序分量经dq变换后的d轴和q轴分量。同理，Isa，Isb，Isc分别为三相电网电流，IP sd、IP sq分别表示相电流正序分量经dq变换后的d轴和q轴分量，IN sd、IN sq分别表示相电流负序分量经dq变换后的d轴和q轴分量。
为满足***对无功功率控制的性能要求，注入负序电流补偿前后。SVG设备输出的正序无功功率应不变。在忽略***损耗的情况下，SVG三相输入有功功率应均为零，则可得在电网电压不平衡的情况下，采用注入负序电流补偿控制算法后，***在双同步旋转坐标系下电流闭环控制的正负序电流指令值为：
Figure BDA0001212966010000052
IP、IN分别表示电流指令值的正序和负序分量，Ird、Irq分别表示电流指令值经dq变换后的d轴和q轴分量。
利用电流指令值即可完成对SVG变流器的三相平衡控制。
(2)风机无功控制
在电压跌落瞬间，由于定子侧电压跌落，在转子侧感应出较大的电流，导致转子侧瞬间输出较大无功，持续时间较短。此时，为了保护风机转子侧直流母线上的电力电子器件，机侧变流器关闭，cowbar电路投入，起到卸荷作用，转子侧电流迅速降低。由于机侧变流器关闭，此时风机输出无功处于不可控状态。当转子侧电流恢复到正常值后，可以重启机侧变流器，对风机无功输出进行控制。
由于SVG完成了三相电压的平衡补偿，解决了三相电压不平衡对风机的冲击，此时风机可以充分发挥无功补偿的作用。
风力发电机组发出的功率由两部分组成：定子侧发出或吸收的有功Ps和无功Qs、转子侧发出或吸收的有功Pr和无功Qr，规定定子和转子均以向***输出有功功率和感性无功功率为正，则风电机组注入***的有功功率Pe和无功功率Qe分别为：
Pe＝Ps+Pr (1)
Qe＝Qs+Qr
其中：
Figure BDA0001212966010000061
式(2)中，S表示风电机组的转差率，Us为定子侧端电压，Is为定子侧电流，Rs和Xs为定子侧电阻和漏抗，Ur为转子侧端电压，Ir为转子电流，Rr和Xr为转子侧电阻和漏抗，Xm为励磁电抗。
风力发电机组的转差率可由风机转子的转速控制规律得到，转速控制规律是指风力机的机械功率与转子转速之间的关系规律，在某一风速下，风电机组注入***的有功功率Pe可由该机组的风功率特性曲线得到，风功率特性曲线在风机出厂时由风机厂商提供。对于风电机组输出的无功功率，由于为转子提供外接电源的换流器一般是以单位功率因数运行，而且变流器传递的有功功率比较小，因而其吸收或发出的无功功率很小，可以忽略不计，即Qr＝0。对于定子侧的无功功率Qs，在风电场的运行过程中，一般是通过调节转子绕组外接电压的幅值和相角使得定子侧保持恒功率因数运行，假定功率因数为cosφ，则
Qe＝Qs＝Ps tanφ (3)
在式(1)-式(3)中，Pe、PS、cosφ以及各阻抗参数已知，将式(2)和式(3)代入式(1)求解，可以得到Ps、Qe、Qs。
双馈电机定子的输出功率范围要受到转子侧变流器最大电流的限制，因而在定子Ps确定的情况下，定子Qs有一个输出范围，表达式如下：
Figure BDA0001212966010000062
Figure BDA0001212966010000063
上式中，Irmax为转子变流器电流最大值。在解式(1)所得到的解中，若Qs<Qsmin或Qs>Qsmax，则应将Qs用Qsmin或Qsmax代替，重新进行求解。
按照风机转差率为-0.2计算，双馈风机的无功出力最大值应为有功额定输出值的1/3。在电压跌落故障过程中，转子电流恢复正常后即可重启机侧变频器，对风机输出的无功功率进行控制。双馈风机定子侧有功无功输出与定子侧电流的d，q分量有关，但是在控制逻辑中，定子电流是由转子电流来控制，从而实现对风机有功无功输出的控制。
因此，当电网电压出现三相不平衡跌落，且经SVG补偿后达到三相平衡时，风机可以充分发挥其无功能力，补偿无功输出，此时，风机首先重启变频器，然后自身控制器发出控制指令，使风机切换运行状态，有功输出为0，无功输出处在最大状态，为***提供无功支持，提高并网点电压。
若在低电压故障期间重启机侧变流器出现问题，无法成功控制风机无功输出，还可以通过改变网测变流器无功给定值来实现对***的无功支撑。在电网电压跌落期间，理论上可以控制网测变流器不提供有功功率，全部容量满足无功输出需求。
综上所述，本发明专注于电网电压不平衡跌落下的补偿和控制，通过SVG的补偿达到三相电压的平衡，保护了风机的传动链不受冲击，也使得风机能够更好的体现无功补偿的能力。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种电网电压三相不平衡跌落故障下风电场动态无功补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在风电场并网点处增加电压检测设备，当检测到三相不平衡跌落后，记录跌落深度ΔUd及三相不平衡度ΔUub，三相不平衡度计算公式如下：
Figure FDA0003347949000000011
其中Um为三相相电压，Up＝(U1+U2+U3)/3，为三相相电压U1、U2和U3的平均值，取两者最大差值除以相电压平均值即为不平衡度；
S2：在测得电压跌落深度ΔUd和三相不平衡度ΔUub后，利用无功补偿装置平衡三相电压；
S3：经SVG补偿后达到三相平衡时，重启机侧变流器，若能正常重启，对风力发电机组进行无功功率的输出控制；
S4：若在低电压故障期间无法正常重启机侧变流器，则通过改变网侧变流器无功给定值来实现对***的无功支撑，
所述步骤S2是利用输入电流指令值来完成对SVG变流器的三相平衡控制，其中所述电流指令值的表达式为：
Figure FDA0003347949000000012
Ird P表示电流指令值经dq变换后的d轴正序分量，Ird N表示电流指令值经dq变换后的d轴负序分量，Irq P表示电流指令值经dq变换后的q轴正序分量，Irq N表示电流指令值经dq变换后的q轴负序分量；
Usd P表示相电压经dq变换后的d轴正序分量，Usd N表示相电压经dq变换后的d轴负序分量，Usq P表示相电压经dq变换后的q轴正序分量，Usq N表示相电压经dq变换后的q轴负序分量，Iqref表示SVG电流指令值，
所述步骤S3中风力发电机组输出的无功功率为：
Qe＝Qs＝Pstanφ
其中Qe为定子侧发出或吸收的无功功率，Qs为转子侧发出或吸收的无功功率，tanФ由已知的功率因数cosФ决定，
Ps＝Pe-Pr,Pe为风电机组注入***的有功功率，由该风电机组的风功率特性曲线得到，所述风功率特性曲线在风机出厂时由风机厂商提供；
Figure FDA0003347949000000021
其中S表示风电机组的转差率，Us为定子侧端电压，Xs为定子侧漏抗，Rr为转子侧电阻，Xm为励磁电抗，
在定子侧有功功率Ps确定的情况下，定子侧无功功率Qs有一个输出范围，表达式如下：
Figure FDA0003347949000000022
Figure FDA0003347949000000023
其中，Imax为转子变流器电流最大值；在步骤S3中求解风力发电机组输出的无功功率时，若Qs<Qsmin或Qs>Qsmax，则应将用Qsmin或Qsmax来代替Qs。
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