一种改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统及方法

摘要

本发明公开了一种改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统及方法，其系统包括储能装置以及储能控制器；风电场的出口汇集母线处电压输出端作为储能控制器的输入端；储能装置的输入端连接储能控制器输出端；储能装置的输出端用于连接电网侧的汇集母线；当风电场外送功率线路上发生故障时，储能控制器根据风电场的出口汇集母线处的电压，计算获取需要储能装置需提供的有功功率值，并控制储能装置对汇集母线处的电压频率偏差进行处理，输出相应的有功功率；进而控制风电场和储能装置注入汇集母线处的电流特性，保证注入电流的有功分量与无功分量之比的反正切值与汇集母线到故障点处线路阻抗角一致，维持风电场的频率稳定。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统及方法。

背景技术

我国在风能资源丰富地区安置了大量小容量的风力发电机，风力发电机经过升压变压器及输电线路连接到汇集母线上，共同组成风电场，风电场通过输电线路并入外部电网，将风电资源输送到负荷中心。

风电场必须在系统发生电压跌落期间向外部电网注入足够的无功电流，起到无功支撑作用。在低电压故障期间，外部电网对风电场的支撑作用较弱，风电场外送系统是一个几乎独立的孤岛系统，风电场注入电流特性对风电场自身的频率稳定性存在影响作用；注入电流特性是指电流无功分量与有功分量的比值，在低电压故障期间，当风电场注入外部电网的电流有功分量与无功分量比值的反正切值θ₁大于风电场注入电流点到故障点的线路阻抗角θ₂时，风电场的频率不断降低，风电场发生频率失稳；而当θ₁<θ₂时，风电场的频率不断上升；只有当θ₁＝θ₂时，风电场频率才能维持稳定。但是在低电压故障期间，风电场的低电压穿越能力使得风电场必须向外部电网注入足够的无功电流，这将导致风电场可以注入外部电网的有功电流非常小，无法满足θ₁＝θ₂；在风电场低电压穿越期间，为了保证风电场低电压穿越的能力，风电场可能出现频率失稳。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统及方法，解决低电压穿越期间风电场 频率失稳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统，包括储能装置以及储能控制器；

以风电场的出口汇集母线处电压输出端作为储能控制器的输入端；储能装置的输入端连接储能控制器输出端；储能装置的输出端用于连接电网侧的汇集母线；

当风电场外送功率的线路上发生故障时，储能控制器根据风电场的出口汇集母线处的电压，计算获取储能装置需提供的有功功率值，并控制储能装置输出相应的有功功率；进而控制风电场和储能装置注入汇集母线处的电流特性，使得注入电流的有功分量与无功分量之比的反正切值与汇集母线到故障点处线路阻抗角一致，在故障时维持风电场的频率稳定。

优选地，上述改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统，其储能控制器包括依次连接的锁相环模块、死区模块、比例积分模块、电流限幅模块以及功率限幅模块；

其中，锁相环模块用于对风电场的出口汇集母线处的电压进行锁相处理，获得锁相环角速度偏差；

死区模块用于根据锁相环角速度偏差设置死区；

比例积分模块用于对上述死区输出进行比例积分处理，获取储能装置的输出有功电流指令值I'_E；

电流限幅模块用于根据上述输出有功电流指令值I'_E对储能装置的输出有功电流进行限幅，确定储能装置的输出有功电流I_E值；

功率限幅模块用于根据上述输出有功电流指令值I'_E，对储能装置的输出有功电流进行限幅，确定储能装置的输出有功电流I_E值；

储能装置根据上述输出有功电流I_E值，输出维持风电场频率稳定所需的有功功率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，基于上述改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统，提供了一种改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法，

(1)在容量为S_wind的风电场的出口汇集母线处设置容量S_Ness＝10％S_wind的储能装置；

(2)在低电压穿越期间，根据风电场的出口汇集母线处电压U_M，进行锁相、设置死区、限幅，以及比例积分处理，获取输出有功电流值；

根据所述输出有功电流值以及储能装置电压，获取储能装置的输出有功功率指令；在该输出有功功率指令的作用下，储能装置提供维持风电场频率稳定所需的有功功率值。

优选地，上述改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法，其步骤(2)包括以下子步骤：

(2-1)采用锁相环对风电场的出口汇集母线处的电压U_M进行锁相处理，获取锁相环角速度偏差ω_d＝2πf_d；

锁相环角速度偏差ω_d是指锁相环检测角速度ω与额定角速度ω_n的偏差，其中，f_d是指锁相环检测频率与额定频率的偏差；

(2-2)根据锁相环角速度偏差ω_d以及死区频率f_ε，

(2-3)根据比例积分函数获取比例积分参数K_P0和K_I0；根据比例积分参数K_P0和K_I0对死区输出量进行比例积分处理，获取储能装置的输出有功电流指令值I'_E；

其中，K_P0是比例放大倍数，K_I0是积分放大倍数，1/s是指拉普拉斯算子，表示对比例积分模块输入量的积分；

(2-4)根据上述的输出有功电流指令值I'_E，对储能装置的输出有功电流进行限幅，确定储能装置的输出有功电流I_E；

(2-5)根据上述储能装置的输出有功电流I_E，以及储能装置电压U_E，获取储能装置的输出有功功率指令P_E。

优选地，上述改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法，其储能装置的输出有功功率指令

其中，S_ess为储能装置的额定容量的标幺值；

当-S_ess＜U_E*I_E＜S_ess时，储能装置的输出有功功率指令P_E＝U_E*I_E；

当U_E*I_E＞S_ess时，储能装置的输出有功功率指令P_E＝S_ess；

当U_E*I_E＜-S_ess时，功率限幅模块输出量P_E＝-S_ess；由此，通过功率限幅，以保证储能装置的正常运行。

优选地，上述改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法，其输出有功电流

其中，I_N为储能装置的额定电流的标幺值。

通过限幅，使得储能装置输出的有功电流指令的最大值I_{E>＝IN，最小值IE>＝-IN；}

当I_{E>＜I'E＜IE>时，电流限幅模块输出量IE＝I'E；}

当I'_E＞I_{E>时，电流限幅模块输出量IE＝IE>；}

当I_{E>＞I'E时，电流限幅模块输出量IE＝IE>；电流限幅保证储能装置的正常运行。}

优选地，上述改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法，其死 区频率f_ε为±0.2Hz；

当|ω_d|小于0.2Hz时，死区输出量为0；当|ω_d|大于0.2Hz时，死区输出量为非0；由此设置死区，以避免在风电场正常运行过程中储能装置反复动作。

优选地，上述改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法，其骤(2-3)包括以下子步骤：

(2-3-1)建立储能控制器的特性方程

其中，θ_r是指风电场的出口汇集母线处的电压U_M的实际相位，θ_p是指风电场的出口汇集母线处的电压U_M经过锁相处理后得到的相位；

U是指风电场的出口汇集母线处的电压幅值U_M的标幺值，U_q为dq坐标系下电压U的q轴分量，K_P是指锁相环的比例放大倍数，K_I是指锁相环的积分放大倍数；

(2-3-2)根据上述特性方程，对储能控制器特性进行线性化处理，获得储能控制器的线性状态空间方程：

其中，Δ是增量表示符；^·用于表示微分算子；a＝U>r0-θ_p0)；

(2-3-3)根据上述线性状态空间方程以及关系式

获得实际相位增量Δθ_r与锁相后的相位增量Δθ_p、锁相环角速度偏差ω_d增量、以及有功电流增量ΔI_E的关系，Δθ_r＝Δθ_p+bΔω_d-cΔI_E；

其中，θ_Z(ω_d)表示故障点与风电场汇集母线之间的线路阻抗角，其值随着ω_d变化而变化；L、R分别为线路的电感值和电阻值；I_a、I_r分别为风电场注入出口汇集母线的有功电流和无功电流分量；θ_I为储能装置和风电场注入出口汇集母线的总电流的相位，该相位以锁相环定向的dq坐标系的d轴为基准；

其中，

ω_d0、I_a0、I_r0、I_E0是指ω_d、I_a、I_r、I_E的稳态值；

(2-3-4)根据步骤(2.3.3)获得的关系式，消去上述线性状态空间方程中的变量Δθ_r、获得仅包含变量Δθ_p、Δω_d、ΔI_E、的状态空间方程

其中，1/f＝1-K_Pb+K_PK_P0c，g＝K_Ib-K_PK_I0c；

(2-3-5)根据c>>b以及K_PK_P0c>>1，简化步骤(2-3-4)获得的状态空间方程的系数矩阵中各元素的形式，获得简化的状态空间方程>

(2-3-6)求解上述简化的状态空间方程，获得该简化的状态空间方程的三个极点

(2-3-7)根据极点获得比例积分模块的比例系数K_P0，以及比例积分模块的积分系数K_I0；

(2-3-8)根据上述的比例系数K_P0，以及积分系数K_I0，对死区输出量进行比例积分处理，获得储能装置的输出有功电流指令值I'_E。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统及方法，实现了在低电压穿越故障期间维持风电场频率稳定的作用，通过对风电场汇集母线频率的反馈控制，实现注入外部电网电流的自动调节，具有较高的工程实用价值；

在低电压穿越故障期间，若汇集母线处频率低于电网额定频率，表明注入外部电网有功电流与无功电流之比的反正切值θ₁小于传输线路电抗角θ₂，储能控制器将得到一个正的频率偏差输入量；通过比例积分模块，储能控制器输出增大有功电流的指令，控制储能装置逐渐增大有功电流的输出，使得整个风电与储能系统注入外部电网有功电流与无功电流之比的反正切值θ₁增大，逐渐与传输线路电抗角θ₂维持一致；

若汇集母线处频率高于电网额定频率，表明注入外部电网有功电流与无功电流之比的反正切值θ₁大于传输线路电抗角θ₂，储能控制器将得到一个>1减小，逐渐与传输线路电抗角θ₂维持一致，从而维持风电场的频率稳定；

(2)本发明提供的改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统，其储能控制器包括锁相环模块、死区模块、比例积分控制模块、电流限幅模块和功率限幅模块均易实现，且储能控制器的输入量风电场的出口汇集母线处电压U_M也易于测量获得，使得该系统及方法具有易于实现的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法的流程示意图；

图2是实施例里某风电系统的示意图；

图3是实施例里储能控制器的功能示意图；

图4是实施例里的锁相环功能结构示意图；

图5是实施例的风电系统在不安装储能装置的情况下，风电机组各各处参数的波形图；(a)是指并网点dq轴电压波形、(b)是指并网点A相电流波形、(c)是指并网点与三个机组频率的波形示意图；

图6是实施例的风电系统在安装储能装置并配备储能控制器后各处参数的波形图；其中，(a)是风电机组并网点dq轴电压波形、(b)是指并网点A相电流波形、(c)是并网点与三个机组频率的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

本发明提供的改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统及方法，通过在风力发电场的汇集母线处安装储能装置，将汇集母线处的电压频率偏差经过死区和比例积分控制处理，控制储能装置的有功电流输出，进而控制风力发电场和储能装置注入汇集母线处的总电流，维持风电场的频率稳定；其方法的流程如图1所示意的，具体包括以下步骤：

(1)在容量为S_wind的风电场的出口汇集母线处设置容量S_Ness＝10％S_wind的储能装置；

(2)在低电压穿越期间，根据风电场的出口汇集母线处电压U_M，进行锁相、设置死区、限幅，以及比例积分处理，获取输出有功电流值；

根据所述输出有功电流值以及储能装置电压，获取储能装置的输出有功功率指令；在该输出有功功率指令的作用下，储能装置提供维持风电场频率稳定所需的有功功率值。

实施例所提供的改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的系统及方法，在图2所示的风电系统得到验证；该风电系统中，风电场安装了容量为10MW、20MW和30MW的3台永磁直驱型风力发电机组；在功率基准S_B＝100MVA、系统频率为f_n＝50Hz、电压标准等于母线额定电压的情况下，风电系统的线路参数如下表1所示：

表1实施例里风电系统的系统参数列表

Z_T1Z_L1Z_T2Z_L2Z_T3j0.5 0.12+j0.27 j0.25 0.075+j0.15 j0.16 Z_L3Z_T0Z_LFZ_LE0.045+j0.1 j0.10 0.05+j0.2 0.01+j0.1

为了提高风电系统的频率稳定性，在附图2所示的风电系统中，在并网点35kV母线处安装了储能装置以及储能控制器；附图3为储能控制器的 结构示意图；实施例提供的改善低电压穿越期间风电场注入电流特性的方法，具体包括如下步骤：

(1)在该风力发电场的出口汇集母线处设置容量6MW的储能装置；

(2)设置包括锁相环模块、死区模块、比例积分模块、电流限幅模块以及功率限流模块的储能控制器；

在低电压穿越期间，根据风电场的出口汇集母线处电压U_M，进行锁相、设置死区、限幅，以及比例积分处理，获取输出有功电流值；

根据输出有功电流值以及储能装置电压，获取储能装置的输出有功功率指令；在该输出有功功率指令的作用下，储能装置提供维持风电场频率稳定所需的有功功率值P_E。

上述方法中，步骤(2)包括以下子步骤：

(2-1)设置附图4所示的锁相环模块；锁相环输入量为风力发电场的出口汇集母线处的电压U_M∠θ_r，锁相环模块的输出量为锁相环角速度偏差ω_d；

其中，U_M是指汇集母线处的电压幅值，θ_r是指汇集母线处的电压的实际相位，ω_d表示锁相环检测角速度ω与额定角速度ω_n的偏差；

ω_d＝ω-ω_n＝2π(f-f_n)＝2πf_d，f、f_n、f_d分别为锁相环检测频率、额定频率以及检测频率与额定频率的偏差；

实施例中，设置锁相环模块的比例放大倍数锁相环模块的比例放大倍数K_p＝74和积分放大倍数K_I＝333、角速度上限值ω_up＝376.8rad/s，角速度下限值ω_lo＝251.2rad/s；

本处对风电场设备中的锁相环进行说明：锁相环(Phase-locked loops,PLL)是反馈(Feedback)控制原理实现的频率及相位的同步，其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步；当参考时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调 节输出频率，直到两者重新同步，这种同步称为“锁相”(Phase-locked)；

(2-2)设置死区模块，将锁相环输出量ω_d作为死区模块的输入量，设置死区频率f_ε＝±0.2Hz；

(2-3)设置比例积分控制模块，将死区模块的输出量作为比例积分控制模块的输入量，比例积分控制模块输出则是储能装置的输出有功电流指令值I'_E；

(2-4)设置电流限幅模块，将比例积分控制模块的输出量I'_E作为电流限幅模块的输入量；根据该输出有功电流指令值I'_E，对储能装置的输出有功电流进行限幅，确定储能装置的输出有功电流I_E；

实施例中，储能装置输出的有功电流指令的最大值I_{E>＝1pu和最小值IE>＝-1pu；}

(2-5)设置功率限幅模块，根据电流限幅模块确定储能装置的输出有功电流I_E值以及储能装置电压U_E获得储能装置的有功功率P_E；实施例中，储能装置的输出有功功率的最大值为1pu、最小值-1pu。

上述方法中，步骤(2-3)包括以下子步骤：

(2-3-1)建立储能控制器的特性方程

其中，θ_r是指风电场的出口汇集母线处的电压U_M的实际相位，θ_p是指风电场的出口汇集母线处的电压U_M经过锁相处理后得到的相位；

U是指风电场的出口汇集母线处的电压幅值U_M的标幺值，U_q为dq坐>P是指锁相环的比例放大倍数，K_I是指锁相环的积分放大倍数；

(2-3-2)根据上述特性方程(1)，对储能控制器特性进行线性化处理，获得如式(2)所示的储能控制器线性状态空间方程：

其中，Δ是增量表示符；^·用于表示微分算子；a＝Ucos(θ_r0-θ_p0)；

(2-3-3)对以下关系式(3)进行线性化，获得关系式(4)；

Δθ_r＝Δθ_p+bΔω_d-cΔI_E(4)

其中，θ_Z(ω_d)表示故障点与风电场汇集母线之间的线路阻抗角，其值随着ω_d变化而变化；L、R分别为线路的电感值和电阻值；I_a、I_r分别为风电场注入出口汇集母线的有功电流和无功电流分量；θ_I为储能装置和风电场注入出口汇集母线的总电流的相位，该相位以锁相环定向的dq坐标系的d轴为基准；

其中，

ω_d0、I_a0、I_r0、I_E0是指ω_d、I_a、I_r、I_E的稳态值；

(2-3-4)根据关系式(4)，消去式(2)中的储能控制器线性状态空间 方程中的变量Δθ_r、获得仅包含变量Δθ_p、Δω_d、ΔI_E、的状态空间方程，

其中，1/f＝1-K_Pb+K_PK_P0c，g＝K_Ib-K_PK_I0c；

(2-3-5)根据c>>b以及K_PK_P0c>>1简化上述状态空间方程的系数矩阵中各元素的形式，获得新的状态空间方程；

(2-3-6)求解新的状态空间方程，获得状态空间方程的三个极点

(2-3-7)取极点s₁＝-0.25，K_P0＝0.5，根据计算得到比例积分模块的积分系数K_I0＝2；

其中，K_P0是比例积分模块的比例放大倍数，K_I0是比例积分模块的积分放大倍数，1/s是拉普拉斯算子，表示对比例积分模块输入量的积分；

完成上述储能装置及控制器的配置后，在电网无低电压故障期间，由于控制器死区模块的存在，储能装置不动作，保障了电网不受储能装置的影响而正常地运行；在电网发生低电压故障时，控制器根据风电场出口汇集母线处频率的变化，输出电流指令，储能装置根据电流指令，输出适当的有功电流，保证故障期间电网频率的稳定。

实施例里，在t＝2s时，风电系统在图2所示故障点发生三相短路接地故障，0.4s后故障消除。图5和图6分别给出了不安装储能装置与安装储能装置并配备图3所示的储能控制器这两种情况下风电机组并网点dq轴电压幅值(图(a))、并网点A相电流幅值(图(b))和并网点与三个机组频率 (图(c))。

对比图5(a)和图6(a)可以看出，安装储能装置的电网，在电网发生低电压穿越的故障期间，锁相环成功将控制电压d轴定向在风电场汇集母线电压矢量上，该电压的q轴分量维持为零，表明储能装置有效的维持了该处母线频率的稳定；未安装储能装置的电网，在故障期间，风电场汇集母线处电压的q轴分量为略小于0的负数以保障向系统注入小额的有功电流，这样风电场汇集母线处的频率会不断下降；

图5(b)中故障期间的风电场汇集母线A相电流频率逐渐变小，而图6(b)中故障期间的风电场汇集母线A相电流频率基本维持稳定；

从图5(c)中可以看出，未安装储能装置的电网在低电压穿越的故障期间，风电场内各风电机组锁相频率和风电场汇集母线频率迅速跌落；如图6(c)所示，安装储能装置的电网在低电压穿越的故障期间，风电场内各风电机组锁相频率跟随该处母线频率变化而趋于稳定。在低电压故障期间，安装了储能装置后，可以改善风电场注入电流特性，维持电网频率稳定，从而验证了本方法的有效性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。