基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法，包括以下步骤：采用分段式的转速控制策略改进风机侧控制方式；采用网侧多运行功率控制模式对网侧换流器的无功控制进行改进；结合上述风机侧换流器分段式转速控制策略和网侧换流器多运行模式无功控制策略构成联合控制系统。本发明专利技术通过对直驱型风电机组实现低电压穿越的基本原理进行分析，提出了采用分段式转速控制和网侧多模式无功控制的直驱风机双端换流系统联合控制策略，以提高直驱型风电机组的低电压穿越能力和对电网的无功支撑能力。

【技术实现步骤摘要】
基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法
本专利技术属于电力系统及其自动化领域，特别是一种基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法。
技术介绍
近年来随着风电技术的发展，风电机组的单机容量逐步提升，风电场的规模也日益扩大，风电接入后与传统电网之间的相互影响作用越来越明显。对于风电低渗透率的电力系统，风电机组在电网电压发生跌落时会立即脱网，这种情况并不会对风电占比较低的系统造成恶劣影响；而对于风电渗透率较高的电力系统，大规模风机的自动脱网会对电网造成很大的冲击。严重威胁系统的电压稳定和频率稳定，这种负面效益会阻碍风电产业的大规模发展。因此，在当前参与并网的风电机组容量在电网中所占比重不断提高的背景下，新的电网安全运行规则和风电并网规范都要求并网型风电机组必须具备一定的低电压穿越能力，即在电网电压跌落时，风电机组可持续并网运行一定的时间，并能够向电网提供无功功率的支撑。低电压穿越是指当风电机组接入电网的电压发生跌落时，风电机组能够保持和电力系统的连接，并可根据电网电压跌落程度向电网提供一定的无功功率支撑，使电网能够顺利恢复至正常的运行状态，由此风电机组完成了在电网低电压时间内的穿越运行。对于并网风机来说，低电压穿越是在电网出现电压跌落时的一种特定运行功能要求。目前，国内外的电力相关部门都制定了详细的风电机组并网规范，并根据各国情况对低电压穿越运行提出了不同要求。对于传统的风机运行模式，当电网出现故障时则立即实施相关的保护措施使风电机组与电网解列，并不考虑电网故障的严重程度和持续时间，这种处理方式能够最大程度的保证风电机组的安全，在风电渗透率较低的电力系统中是可行的。然而对于风电所占比重较高的电力系统，若在电网电压跌落时仍采用这种风电机组脱网运行的模式，则会加大整个电网的恢复难度，甚至造成电网故障的加剧，最终导致电网电压崩溃，发生机组更大规模的脱网事故。由此可见，随着风电装机容量占电力系统占装机容量的百分比不断增大，风电机组的脱网解列对电网安全稳定运行造成的影响也越来越大。此外，由电网电压跌落造成的风电机组大规模脱网不仅会威胁电网的安全稳定性，也会对机组自身造成极大危害。当电网电压跌落时，风电机组会出现机械功率和电磁功率的不平衡，这种情况造成的过电流和过电压问题会严重影响发电机组相关部件的损坏。电压跌落是电网实际运行中常见的一种电网扰动情况，因此具备低电压穿越能力无论对电网还是对风电机组自身的安全稳定运行都是非常重要的。由于直驱型风电机组通过全功率换流系统实现了与电网的连接，风力机及同步发电机与电网之间基本实现了解耦，如果在换流器部分采取特殊的控制手段，则能够使直驱型风电机组具备低电压穿越能力，并可在电压扰动清除后快速恢复至正常运行状态。对于电网发生不同程度的电压跌落，基于电网理想稳态工况下的机侧和网侧常规控制策略无法保证直驱型风电系统的安全稳定运行，因此在不增加附加电路且保证风电机组运行安全的前提下对换流系统的控制策略进一步进行优化设计，充分发挥风电机组自身和换流器的调节能力具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法，包括以下步骤：步骤1，采用分段式的转速控制策略改进风机侧控制方式；步骤2，采用网侧多运行功率控制模式对网侧换流器的无功控制进行改进；步骤3，结合上述风机侧换流器分段式转速控制策略和网侧换流器多运行模式无功控制策略构成联合控制系统。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术能够在不增加如crowbar耗能电路等额外硬件设备且保证风电机组运行安全的前提下，充分发挥风电机组自身和换流器的调节能力；(2)结合风机侧分段式转速控制策略和网侧多运行模式控制策略组成的直驱型风电机组联合控制方法能够在电网电压发生跌落时明显提高直驱风机低电压穿越能力，保证直驱型风电系统的安全稳定运行；(3)能够在检测到电网电压发生跌落时，同时触发直驱风电机组两端换流器的控制模式发挥作用，通过限制机侧输出有功和主动向电网提供无功支撑两种控制作用，抑制电网电压跌落期间直流母线的过电压，提高直驱风机的低电压穿越能力。附图说明图1是本专利技术低电压穿越控制策略的流程图。图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是本专利技术网侧换流器d轴和q轴交流系统以及直流环节等效电路图。图3是本专利技术机侧换流器外环分段式转速控制框图。图4是本专利技术机侧换流器整体控制框图。图5是本专利技术网侧换流器整体控制框图。具体实施方式随着风电并入电网的容量日益增加，风电接入后与传统电网之间的相互影响作用越来越明显。对于风电渗透率较高的电力系统，大规模风机的自动脱网会对电网造成很大的冲击，严重威胁系统的电压稳定和频率稳定。在当前参与并网的风电机组容量不断提高的背景下，新的电网安全稳定运行规则和风电并网规范都要求并网型风电机组必须具备一定的低电压穿越能力。本专利技术根据风电机组自身和换流器的调节能力提出一种基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤一、对直驱型风电机组实现低电压穿越的基本原理进行分析，在换流器部分采取控制方法，实现直驱型风电机组的低电压穿越能力；步骤二、采用分段式的转速控制策略改进风机侧控制方式；步骤三、对网侧换流器的功率控制模式进行改进，增强电压跌落期间网侧换流器对电网的无功支撑能力；步骤四、结合风机侧换流器分段式转速控制策略和网侧换流器多运行模式无功控制策略构成联合控制系统；进一步，步骤一中，由于直驱型风电机组通过全功率换流系统实现了与电网的连接，风力机及同步发电机与电网之间基本实现了解耦，因此在换流器部分采取控制策略能够使直驱型风电机组具备低电压穿越能力，在电压扰动清除后快速恢复至正常运行状态。网侧换流器在dq同步旋转坐标系下的数学模型为：式(1)中，以网侧电流由换流器流向电网为正方向，Usd和Usq分别为网侧所联电网电压的d轴和q轴分量；Ugd和Ugq为网侧换流器输出交流电压的d轴和q轴分量；isd和isq分别为网侧电流的d轴和q轴分量；ω为电网基波角频率；R和L分别为交流侧线路电阻和滤波电感。因此根据网侧换流器在dq两相同步旋转坐标系下的数学模型，可得出网侧换流器d轴和q轴交流系统以及直流环节的等效电路，如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。如果忽略网侧换流器和电抗器中的损耗，从图2中可以看出通过网侧换流器注入电网的有功功率Pinv可表示为：在电网电压定向在d轴的情况下，有Usq＝0，则式(2)可以改写为：而机侧换流器的输出有功功率Prec为：Prec＝Udcirec(4)正常运行时，直流电压保持恒定，根据功率平衡原则，直流母线两侧的功率相等，即：流过直流侧电容的能量ΔP则可以表示为：稳态时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，采用分段式的转速控制策略改进风机侧控制方式；/n步骤2，采用网侧多运行功率控制模式对网侧换流器的无功控制进行改进；/n步骤3，结合上述风机侧换流器分段式转速控制策略和网侧换流器多运行模式无功控制策略构成联合控制系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用分段式的转速控制策略改进风机侧控制方式；
步骤2，采用网侧多运行功率控制模式对网侧换流器的无功控制进行改进；
步骤3，结合上述风机侧换流器分段式转速控制策略和网侧换流器多运行模式无功控制策略构成联合控制系统。


2.根据权利要求1所述的基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤一中，在电网电压跌落期间利用永磁同步发电机转子的惯性储能系统，通过调节风力发电机转速控制风电机组输出的有功使其主动追踪电网侧有功的变化趋势，从而减小直流母线两侧有功的不平衡。


3.根据权利要求2所述的基于转速和无功联合优化控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤一具体为：
根据直驱风机轴系传动机构的数学模型并结合风电机组与换流系统之间的功率传输，可得风电机组轴系部分的功率传输模型为：



式中，Pm是风力发电机的输出功率，Pe表示发电机输出的有功功率，Jeq为转子的转动惯量，ωg表示发电机转速，ΔP表示储存在发电机转子中的机械能；
在系统稳态并忽略绕组阻抗和换流器器件损耗的情况下，直流母线两侧的有功保持平衡，即Pe＝Ps，其中Ps为网侧有功功率，代入式(1)得：



...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天乐，杨敏坤，都洪基，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32