一種改善風電場低電壓穿越能力的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雙饋風電機組控制技術，特別涉及一種基于DFIG模型和電壓源 型的高壓直流輸電技術協調控制來改善風電場低電壓穿越能力的控制方法。
【背景技術】
[0002] 當今，風力發電技術呈現出快速發展的勢頭，裝機容量越來越大，在電網中所占的 比例也隨之上升。風電場規模和并網輸電距離的增加使傳統的交流輸電呈現出各種弊端。 基于電壓源型的高壓直流輸電（VSC-HVDC)因其變流器采用的是全控型電力電子器件，通 過控制能夠改善并網點電能質量，減少風電場對電網影響，因此成為長距離大規模風電場 并網較為理想的輸電方式，與此同時也出現了不少的問題，其中第一點風電場側故障時雙 饋風機Crowbar動作，風機運行于異步發電機狀態，故障消除后需要從電網吸收大量無功， 不利于電網故障的恢復；第二點風電場側故障時如何協調并網點兩側的無功源也是一個重 要方面，目前大多數學者研究的都是電網側故障下的風電場低電壓穿越能力，而對電網側 故障的研究很少，而且風電場提供無功是以犧牲其有功輸出能力為代價。因此急需對雙饋 風電機組（DFIG)模型進行改進，并且提出一種無功控制策略既能夠充分利用各無功源的 無功調節能力，保證風電系統的暫態穩定性，又能夠保證雙饋風機的有功輸出能力。
【發明內容】
[0003] 本發明是針對目前VSC-HVDC并網風電場側故障下的低電壓穿越的問題，提出了 一種改善風電場低電壓穿越能力的控制方法，協調兩側無功源，在不增加投資成本的前提 下減小故障恢復時間。
[0004] 本發明的技術方案為：一種改善風電場低電壓穿越能力的控制方法，具體包括如 下步驟：
[0005] 1)通過在雙饋風電機組模型DFIG直流母線處安裝直流卸荷電阻DC-Chopper，以 直流母線實時電壓Ud。與給定電壓參考值Ude_raf之差為信號，控制DC-Chopper的投切，當監 測到直流母線電壓Ud。大于1.1U ，控制DC-Chopper投入，當Ud。小于U 并持續0. 2s， 控制DC-Chopper投出；
[0006] 2)在風電場并入基于電壓源型的高壓直流輸電VSC-HVDC系統母線處安裝電壓互 感器檢測其實時電壓；
[0007] 3)將風電場側并網點檢測到的實時電壓測量值Up。。與并網點電壓的給定參考值 進行比較，兩者的差值信號通過PI控制器處理后得到電網所需的總無功值Qraf_all;
[0008] 4)在雙饋風機轉子繞組處安裝電流測量元件檢測轉子電流將轉子電流直與 轉子側變流器的極限電流值i。_做減法運算，如結果大于〇,雙饋風機轉子側轉子保護動 作信號Crowbar為1，反之雙饋風機轉子側轉子保護動作信號Crowbar為0;
[0009] 5)無功功率分配：雙饋風機轉子側轉子保護動作信號Crowbar為0,則將電網所需 的總的無功值Qraf_all在網側變流器、雙饋風機定子側和VSC-HVDC風電場側變流器三者之間 分配；雙饋風機轉子側轉子保護動作信號Crowbar為1，則將電網所需的總的無功值Qraf_all 在網側變流器和VSC-HVDC風電場側變流器之間分配。
[0010] 所述網側變流器的無功調節：網側變流器的最大功率為P。_，實際發出的有功功 率為P。，則發出的無功功率Q。范圍為：
[0012] 當電網發生故障時，網側變流器所產生的無功極限值為：
[0014] 所述基于電壓源型的高壓直流輸電VSC-HVDC系統采用風電場側變流器進行無功 調節，采用交流電壓外環電流內環的雙環控制對風電場側變流器進行控制。
[0015] 本發明的有益效果在于：本發明改善風電場低電壓穿越能力的控制方法，保證了 風電場在面臨不同嚴重程度的各項故障時，都能夠得到足夠的無功補償，維持了自身的暫 態電壓穩定性，并降低了雙饋風機Crowbar動作的概率，減小故障恢復時間。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明現有DFIG模型示意圖；
[0017] 圖2為本發明改進后DFIG模型示意圖；
[0018] 圖3為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生a，b兩相對地 故障時，PCC點電壓波形對比圖；
[0019] 圖4為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生a，b兩相對地 故障時，直流母線電壓波形對比圖；
[0020] 圖5為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生a，b兩相對地 故障時，轉子電流波形對比圖；
[0021] 圖6為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生a，b兩相對地 故障時，DFIG定子提供無功波形對比圖；
[0022] 圖7為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生三相短路接地 故障時，PCC點電壓波形對比圖；
[0023] 圖8為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生三相短路接地 故障時，直流母線電壓波形對比圖；
[0024] 圖9為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生三相短路接地 故障時，轉子電流波形對比圖；
[0025] 圖10為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生三相短路接 地故障時，定子側提供無功功率波形對比圖；
[0026] 圖11為本發明改進DFIG模型和傳統DFIG模型風電場側PCC點發生三相短路接 地故障時，網側變流器提供無功功率波形對比圖。
【具體實施方式】
[0027] 傳統的DFIG與改進的DFIG模型如圖1、2所示。傳統雙饋風電機組中的Crowbar 目的在于保護轉子側變流器RSC，避免故障時被燒毀，雖然保護了轉子側變流器，但是Crowbar動作時DFIG變成常規的異步發電機，需要從電網吸收大量無功，而且犧牲了風電 機組在故障時的無功支持能力。改進的DFIG采用主動式DC-Chopper配合Crowbar代替傳 統的Crowbar保護技術，根據直流母線電壓來控制DC-Chopper開關的投入。當電網電壓跌 落時網側變流器GSC輸出功率受到限制，能量在直流側積累造成直流母線電壓Ud。升高，當 達到一定值時觸發DC-Chopper電路中的IGBT導通，卸荷電阻投入運行，以分擔過量的電流 及功率，保護變流器安全及直流母線的電壓穩定。恢復正常工況后IGBT截止，DC-Chopper 被切除，從而降低雙饋風機Crowbar動作的概率。
[0028] -種改進的DFIG與VSC-HVDC協調控制改善風電場低電壓穿越能力的控制方法， 它包括下述步驟：
[0029] 步驟1、通過在DFIG直流母線處安裝直流卸荷電阻DC-Chopper，以直流母線實 時電壓ud。與給定電壓參考值U 之差為信號，控制DC-Chopper的投切，當監測到直流 母線電壓Ud。大于1. 1U，控制DC-Chopper投入，當Ud。小于U并持續0· 2s，控制DC-Chopper投出；
[0030] 步驟2、在風電場并入VSC-HVDC系統母線處安裝電壓互感器檢測其實時電壓；
[0031] 步驟3、將風電場側并網點檢測到的實時電壓測量值Up。。與并網點電壓的給定參 考值進行比較，兩者的差值信號通過PI控制器處理后得到電網所需的總無功值Q"f_ all?
[0032] 步驟4、在雙饋風機轉子繞組處安裝電流測量元件檢測轉子電流U將轉子電流仁 值與轉子側變流器的極限電流值i。_做減法運算，如結果大于〇,雙饋風機轉子側轉子保 護動作信號Crowbar為1，反之雙饋風機轉子側轉子保護動作信號Crowbar為0 ;
[0033] 步驟5、無功功率分配：雙饋風機轉子側轉子保護動作信號Crowbar為0,則將電 網所需的總的無功值Qraf_all在網側變流器、雙饋風機定子側和VSC-HVDC風電場側變流器三 者之間分配；雙饋風機轉子側轉子保護動作信號Crowbar為1，則將電網所需的總的無功值 網側變流器和VSC-HVDC風電場側變流器之間分配。
[0034] 雙饋風機定子側的無功調節能力：雙饋風電場作為一個電源，它完全有能力來向 電網提供無功，在轉子側變流器的控制下，可以很好的調節電網所輸送的無功，對風電接入 系統的電壓穩定性提供良性的支撐，在故障較輕，Crowbar裝置未動作時，雙饋風機定子側 可以根據指令值來發出不超出其極限的無功功率；但當故障嚴重到致使Crowbar裝置的動 作，轉子側變流器退出運行，雙饋風力發電機按異步風力發電機運行，不但不能向外發送無 功，而且還要吸收無功，此時就需要借助其他的無功源，來向電網提供必要的無功支撐。因 此，可以看出雙饋風機定子側不是一個穩定的無功源，只有在故障較輕時，才能體現出它的 無功調節能力
[0035] 網側變流器的無功調節能力：網側變流器的功率一般按風電系統的最大轉差有功 功率設計，一般約為風機容量的30% -50%。在實際的運行狀況下，當風速波動或者發生輕 微故障時，網側變流器與電網交換的有功功率不可能達到其額定容量，尤其在發生故障時， 交換的有功功率更少，因此可考慮讓網側變流器在滿足有功要求