一种风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法

摘要

本发明公开了一种风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法，实时采集直驱风电场的有功功率和接入点电压，且实时采集直流输电系统的整流站侧直流功率，并在检测到直驱风电场发生故障时，启动执行故障穿越控制；在执行故障穿越控制的步骤中，据在故障时刻采集的直驱风电场的有功功率和接入点电压，结合计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型，计算故障时刻的直驱风电场最大无功容量，且将其设置为直驱风电场的无功控制参考值，实施直驱风电场故障穿越控制。本发明能够充分发挥直驱风电场的功率可控能力，最大限度地利用直驱风电场的无功容量支撑电网电压，更有助于提升直驱风电场的故障穿越能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，具体涉及一种风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法。

背景技术

随着新能源开发利用的持续推进，风电装机容量持续增长。大容量风电基地常利用高压直流输电与远方负荷中心相连，因而形成了特殊的风电直流送出系统。基于永磁直驱风电机组的永磁直驱风电场由于其安全可靠性和运行效率高、无功调节能力强及维护成本低等优点，在风力发电中所占的比重越来越高。风电机组的故障穿越能力是风电规模化应用的基础。故障穿越能力指风电机组在电网故障期间不脱网运行的能力。随着风电穿透率的增加，在电网故障期间通常要求永磁直驱风电机组为电网提供无功功率，以抑制变流器过流和恢复故障电压至额定水平，特别是在风电直流送出系统中，风电场对故障电压的支撑尤其重要。

目前永磁直驱风电机组的故障穿越已有大量研究，主要包括控制参数优化、增加硬件等方法。控制参数优化包括引入比例系数、PI控制器优化等。增加硬件方法包括配置超级电容储能和chopper卸荷电路。但是，上述方法不能为电网故障的恢复提供支撑。为了保证电网故障下永磁直驱风电机组不脱网运行并以一定的速率恢复有功输出，风电场应向电网提供无功功率来加速电网的故障恢复。部分研究人员提出通过最大化的无功输出来支持风电机组的故障穿越。这种方式加快了电网电压的恢复速率，也增强了风电机组的故障穿越能力和电网的故障恢复能力。

风电机组无功控制能力的准确评估是最大化无功输出的基础。但是，风电机组的功率可控能力随着风速的变化而变化，并且受变流器容量、发电机转速等因素的限制。研究人员分析了变流器容量约束下永磁直驱风电机组的功率可控域以及不同转子转速下永磁直驱风电机组的功率输出能力。但是，永磁直驱风电机组的运行特性决定于机端电压，而机端电压和系统潮流分布紧密相关。永磁直驱风电机组的功率运行范围除受到自身约束外，还受外部系统的影响。机组内部约束和电网潮流约束共同决定了风电机组的无功控制能力，现有方法难以准确计及外部系统对风电机组无功控制能力的影响。

在风电直流送出系统中，由于永磁直驱风电机组和直流换流站的运行特性均与电压密切相关，使得电网故障后外部系统对永磁直驱风电机组的影响更加复杂。目前，部分研究关注了送端交流电网故障下风电直流送出系统的协调问题。部分文献提出了换流站降压控制与风电场降载控制相协调的低穿控制策略。但是，现有研究着眼于风电场与直流换流站的直接配合，忽略了换流站对永磁直驱风电机组暂态过程的影响，甚至难以准确量化直驱风电场的功率可控能力，可能造成直驱风电场的无功容量难以充分利用或者因控制定值越限而影响机组和系统稳定运行。

综上所述，考虑直流输电系统对直驱风电场的影响，建立直驱风电场与直流输电系统的耦合模型，最大限度地发挥直驱风电场的无功电压控制能力，有效实施直驱风电场故障穿越控制，是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明需要解决的问题是：如何提供一种计及直流输电系统对直驱风电场功率可控能力影响的风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法，以帮助更好的提升故障条件下直驱风电场的故障穿越控制能力。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法，包括如下步骤：

S101、实时采集直驱风电场的有功功率和接入点电压，且实时采集直流输电系统的整流站侧直流功率，并在检测到直驱风电场发生故障时，启动执行步骤S102；

S102、根据在故障时刻采集的直驱风电场的有功功率和接入点电压，结合计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型，计算故障时刻的直驱风电场最大无功容量，且将其设置为直驱风电场的无功控制参考值，实施直驱风电场故障穿越控制，并返回步骤S101。

具体而言，所述步骤S101中，对直驱风电场的故障检测方式为，通过比较采集的直驱风电场接入点电压的值，当直驱风电场接入点电压小于预设的接入点电压阈值时，判定检测到直驱风电场发生故障。

具体而言，所述接入点电压阈值为直驱风电场接入点的0.95倍额定电压值。

具体而言，所述步骤S102中，当故障时刻为任意的第k个采样时刻时，采用如下步骤计算该时刻的直驱风电场最大无功容量：

S201、根据第k个采样时刻采集的直驱风电场接入点电压

式中，I

S202、根据第k个采样时刻变流器容量约束下的直驱风电场无功容量

S203、比较第k+1个采样时刻接入点电压的估计值

S204、将变流器容量约束下的直驱风电场无功容量

S205、将变流器容量约束下的直驱风电场无功容量修正值

其中，

S206、输出第k个采样时刻的直驱风电场最大无功容量

具体而言，所述步骤S202中，风电场直流送出系统的功率耦合模型为：

式中，γ为逆变侧关断角；β为逆变侧超前触发角；

具体而言，所述参数Q

式中，U

具体而言，所述步骤S202中，接入点压差阈值ΔU

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法，考虑了直流输电系统整流站功率对直驱风电场功率可控能力的影响，对电网故障下的直驱风电场进行控制，能够更好地支撑电力系统实现电压恢复和故障穿越，从而提升了故障条件下直驱风电场的故障穿越控制能力。

2、本发明风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法中，对故障时刻的直驱风电场最大无功容量的计算，是结合计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型加以预测控制，根据接入点电压的变化来动态调整确定，将确定的直驱风电场最大无功容量设置为直驱风电场的无功控制参考值，执行直驱风电场故障穿越控制，能够充分发挥直驱风电场的功率可控能力，最大限度地利用直驱风电场的无功容量支撑电网电压，更有助于提升直驱风电场的故障穿越能力。

3、本发明风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法中建立的计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型，充分考虑了机组内部约束和直流整流站对直驱风电场功率可控能力的影响，并结合该功率耦合模型提出了直驱风电场最大无功容量的计算方法，能够更好的实现直驱风电场无功功率的精准控制，从而在保证机组安全运行的同时提升电网电压的恢复能力和直驱风电场的故障穿越能力。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法的流程图；

图2为本发明直驱风电场故障穿越控制方法中，假设故障时刻为任意的第k个采样时刻时，计算故障时刻的直驱风电场最大无功容量的流程图；

图3为本发明实施例中一种风电直流送出系统的实例图；

图4为本发明实施例中三相短路故障下直驱风电场接入点电压的波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细说明。

本发明公开了一种风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法，考虑了直流输电系统整流站功率对直驱风电场功率可控能力的影响，对电网故障下的直驱风电场进行控制，能够更好地支撑电力系统实现电压恢复和故障穿越，从而提升了故障条件下直驱风电场的故障穿越控制能力。如图1所示，本发明风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法包括如下步骤：

S101、实时采集直驱风电场的有功功率和接入点电压，且实时采集直流输电系统的整流站侧直流功率，并在检测到直驱风电场发生故障时，启动执行步骤S102。

该步骤是实时采集直驱风电场的有功功率和接入点电压、以及直流输电系统的整流站侧直流功率，作为备用参数，仅当在检测到直驱风电场发生故障时，才启动步骤S102，执行故障穿越控制。

具体而言，作为一种可选方式，对直驱风电场的故障检测方式为，通过比较采集的直驱风电场接入点电压的值，当直驱风电场接入点电压小于预设的接入点电压阈值时，判定检测到直驱风电场发生故障；其中，接入点电压阈值可设置为直驱风电场接入点的0.95倍额定电压值，这样设置可以避免因直驱风电场的接入点电压出现临时波动而误触发执行故障穿越控制的情况。

S102、根据在故障时刻采集的直驱风电场的有功功率和接入点电压，结合计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型，计算故障时刻的直驱风电场最大无功容量，且将其设置为直驱风电场的无功控制参考值，实施直驱风电场故障穿越控制；并且，返回步骤S101，继续执行备用参数的实时采集和直驱风电场故障检测任务。

具体实施时，步骤S102中，假设故障时刻为任意的第k个采样时刻时，则计算该故障时刻的直驱风电场最大无功容量的具体步骤如下：

S201、根据第k个采样时刻采集的直驱风电场接入点电压

式中，I

S202、根据第k个采样时刻变流器容量约束下的直驱风电场无功容量

S203、比较第k+1个采样时刻接入点电压的估计值

S204、将变流器容量约束下的直驱风电场无功容量

S205、将变流器容量约束下的直驱风电场无功容量修正值

其中，

S206、输出第k个采样时刻的直驱风电场最大无功容量

现有直驱风电机组的故障穿越控制方法中，其无功控制参考值通常根据机端电压按某一固定比例确定，使得直驱风电场无功容量未得到充分利用，难以满足直驱风电机组故障穿越的要求和电网电压恢复需求。而通过上述流程可以看到，本发明方法对故障时刻的直驱风电场最大无功容量的计算，是结合计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型加以预测控制，根据接入点电压的变化来动态调整确定，将确定的直驱风电场最大无功容量设置为直驱风电场的无功控制参考值，执行直驱风电场故障穿越控制，能够充分发挥直驱风电场的功率可控能力，最大限度地利用直驱风电场的无功容量支撑电网电压，更有助于提升直驱风电场的故障穿越能力。

具体实施时，步骤S202中计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型为：

式中，γ为逆变侧关断角；β为逆变侧超前触发角；

其中，参数Q

式中，U

现有故障穿越控制方法通常并未考虑外部电网对直驱风电场的影响，造成直驱风电场的最大无功容量无法准确计算，可能导致低电压穿越的控制参考值越限而影响机组稳定运行。而通过本发明上述建立的计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型，其充分考虑了机组内部约束和直流整流站对直驱风电场功率可控能力的影响，并结合该功率耦合模型提出了直驱风电场最大无功容量的计算方法，能够更好的实现直驱风电场无功功率的精准控制，从而在保证机组安全运行的同时提升电网电压的恢复能力和直驱风电场的故障穿越能力。

实施例：

为验证本发明方法的有效性，以如图3所示的风电直流送出系统实例的网络接线图为例进行分析。直驱风电场由10台永磁直驱风电机组组成。单台永磁直驱风电机组额定容量为1.5MW，额定电压为690V，直驱风电场经升压变后经50km联络线接于LCC-HVDC整流站换流母线处。高压直流输电系统的额定电压为250kV，基准容量为500MVA，线路长300km。本发明以送端联络线发生三相短路故障为场景，验证直驱风电场低电压穿越过程中的电压恢复效果，为对比本发明与仅考虑变流器约束的无功控制方法对直驱风电场低电压穿越过程中的电压恢复效果，在设置相同故障工况下，分别采用上述两种不同的控制方法，观察并分析直驱风电场低电压穿越过程中的电压恢复效果，记录并比较故障期间直驱风电场接入点电压的波形。

图4为三相短路故障下直驱风电场接入点电压的波形对比图。图4中，横坐标为时间，纵坐标为接入点电压有效值的标幺值；虚线为本发明直驱风电场故障穿越控制方法下接入点电压的变化曲线，实线为仅考虑变流器约束的故障穿越控制方法下接入点电压的变化曲线。从图4可以明显的看出，本发明的方法有效避免了直驱风电场故障穿越期间接入点电压的振荡，提升了故障期间电网电压的故障恢复能力，能够更好的保障电力系统的安全稳定运行。

综上所述，本发明风电直流送出系统的直驱风电场故障穿越控制方法，考虑了直流输电系统整流站功率对直驱风电场功率可控能力的影响，结合了计及直流输电系统的整流站侧直流功率影响的风电场直流送出系统的功率耦合模型加以预测控制，根据接入点电压的变化来动态调整确定直驱风电场最大无功容量，设置为直驱风电场的无功控制参考值，执行直驱风电场故障穿越控制，能够充分发挥直驱风电场的功率可控能力，最大限度地利用直驱风电场的无功容量支撑电网电压，能够更好地支撑电力系统实现电压恢复和故障穿越，更有助于提升直驱风电场的故障穿越能力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。