一种双馈风电机组高电压穿越方法与流程

本发明涉及新能源接入与控制领域，具体涉及一种双馈风电机组高电压穿越方法。

背景技术：

大规模风电的并网运行给电力系统的安全稳定运行带来了一些负面影响，世界主要风电发达国家相继制定了风电并网导则对风电的并网行为进行了规范，其中风电的低电压穿越能力备受关注，经过持续的研究和工程实践，基于转子侧Crowbar和直流侧Chopper放电电阻的双馈风电机组低电压穿越技术得到了广泛的工程应用，风电的低电压穿越能力显著增强。

然而低电压穿越仅是风电故障电压穿越(Fault Ride Through，FRT)的一部分，风电故障穿越包括低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)和高电压穿越(High Voltage Ride Through，HVRT)两个密不可分的有机组成部分。2011年以来的几起大规模风电脱网事故表明，风电大规模脱网的典型过程为：风电机组低电压脱网→场内电压升高→风电机组高电压脱网。例如2012年我国华北地区某电网发生三相短时短路故障，具备低电压穿越能力的风电机组成功“低电压穿越后”，在随后的电网电压恢复过程中，由于电力系统及风电场无功补偿装置缺乏快速自动投切能力，电网故障切除后，造成系统局部无功过剩，电力系统发生了短时过电压，大量成功“低电压穿越”的风电机组因电网短时高电压故障而脱网，造成了系统故障进一步扩大，严重威胁电力系统的安全稳定运行。目前，具备高电压穿越能力将逐渐成为对风电的必然要求，各国关于风电故障穿越相关标准也在不断升级与完善。澳大利亚率先制定真正意义上的并网风电机组高电压穿越准则：当高压侧电网电压骤升至130％Un时，风电机组应维持60ms不脱网，并提供足够大的故障恢复电流；美国WECC风电并网标准要求当电网电压升至120％Un时，风电机组应至少维持1s不脱网。目前130％Un的电网高电压上限已成为国际共识，我国相关的风电场/风电机组高电压穿越标准也已启动。

因此，为保障大规模风电接入后的电力系统安全稳定运行，亟需开展风电机组高电压穿越实现方法研究。发明专利《一种双馈型风力发电机高压穿越控制方法》专利号201310102599，提供了一种基于转子Crowbar加直流侧Chopper的双重能耗电路，控制转子电流和直流母线电压在自身承受范围之内，从而实现双馈风电机组高电压穿越的方法，但是该方法需设计额外的硬件保护电路，且当Crowbar动作时，风电机组将处于功率失控状态，并非双馈风电机 组高电压穿越的优选方案。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种双馈风电机组高电压穿越方法。

本发明的技术方案是：

所述双馈风电机组中双馈风力发电机的转子依次通过转子侧变流器和网侧变流器接入电网，所述方法包括：

步骤1：采集所述双馈风电机组并网点的三相电压U_abc，依据所述三相电压U_abc计算其基波正序电压U₁；

步骤2：依据所述基波正序电压U₁的值判断双馈风力发电机的机端电压是否上升：若机端电压上升，则所述转子侧变流器启动无功电压补偿控制策略，所述网侧变流器启动直流侧电压控制策略，实现双馈风电机组高电压穿越。

优选的，所述无功电压补偿控制策略包括：当电网电压高于100％U_n时，转子侧变流器控制双馈风力发电机从电网吸收无功功率；

转子侧变流器控制双馈风力发电机吸收无功功率时的无功补偿参考值Q_h的计算公式为：

其中，S_n为双馈风力发电机的额定容量，P_n为双馈风力发电机的额定功率，P_s为电网发生高电压过程中双馈风力发电机组的定子输出的有功功率；

优选的，所述无功电压补偿控制策略的控制电路包括感性无功补偿单元和限幅单元；所述限幅单元的输出端接入转子侧变流器的无功功率控制电路中无功功率目标值输入端；

所述感性无功无偿单元，依据电网发生高电压过程中双馈风力发电机组的定子输出的有功功率P_s和所述基波正序电压U₁计算无功补偿参考值Q_h；

所述限幅单元，用于双馈风电机组无功功率保护；

优选的，所述直流侧电压控制策略包括：依据所述并网点的三相电压U_abc调整网侧变流器中直流侧电压控制电路的直流侧电压目标值；

调整后的直流侧电压目标值U_dc的计算公式为：

其中，U_grid为并网点三相电压U_abc的线电压有效值；

优选的，所述直流侧电压控制策略的控制电路包括直流侧电压目标值计算单元和限幅单元；所述限幅单元的输出端接入网侧变流器的直流侧电压控制电路中直流侧电压目标值输入端；

所述直流侧电压目标值计算单元，依据所述并网点三相电压U_abc的线电压有效值U_grid计算调整后的直流侧电压目标值；

所述限幅单元，用于双馈变流器直流侧电压的保护，将直流侧电压控制在安全可控的范围内。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种双馈风电机组高电压穿越方法，在130％U_n范围内无需添加硬件保护电路，仅通过双馈风电机组转子侧变流器和网侧变流器协调控制即可实现双馈风电机组高电压穿越；

2、本发明提供的一种双馈风电机组高电压穿越方法，采用转子侧变流器无功电压补偿控制策略，电网高电压期间转子侧变流器控制双馈风力发电机从电网吸收一定量的无功功率，从而达到减缓并网电压升高的目的；

3、本发明提供的一种双馈风电机组高电压穿越方法，采用网侧变流器直流侧电压控制策略，电网高电压期间网侧变流器控制实现变流器直流侧电网可变运行，保证了双馈变流器直流侧电压稳定，有利于转子侧变流器的稳定控制。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种双馈风电机组高电压穿越方法流程图；

图2：本发明实施例中双馈风力发电机的结构示意图；

图3：本发明实施例中电网高电压时转子侧变流器控制框图；

图4：本发明实施例中电网高电压时电网侧变流器控制框图；

图5：本发明实施例中双馈风电机组高电压穿越现场测试示意图；

图6：本发明实施例中双馈风电机组并网点的线电压有效值示意图；

图7：本发明实施例中双馈风电机组并网点的有功功率和无功功率示意图；

图8：本发明实施例中双馈分电机组中双馈变流器直流侧电压示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种双馈风电机组高电压穿越方法的实施例如图1所示，具体为：

一、采集双馈风电机组与并网点的三相电压U_abc，依据三相电压U_abc计算其基波正序电压U₁。

双馈分电机组是分散式风电开发的主流机型之一，双馈风力发电机的定子直接与电网练级额，转子通过背靠背变流器与电网连接。转子侧便离奇可以控制双馈风力发电机的转矩、转速和并网功率因数，网侧变流器主要用于维持直流侧电压稳定。双馈风力发电机的结构如图2所示，双馈风电机组中双馈风力发电机的转子依次通过转子侧变流器和网侧变流器接入电网。双馈风电机组的一次设备如发电机、液压泵、变桨电机等均可以满足140％U_n的耐压要求，而其主控系统、变流器控制系统、变桨控制系统均加装了不间断电源，变流器的直流侧电容式电网高电压最为敏感与需要保护的器件。目前兆瓦级别变流器的直流侧正常运行电压通常为1050V，而直流侧电容通常允许耐压值为1300V，

因此要维持变流器直流侧电压稳定，需要保持网侧变流器的升压特性。假设网侧变流器的调制比为1，则变流器直流侧电压U_dc与电网线电压有效值U_grid的关系如下式所示：

通过式(1)可以确定在不添加直流侧硬件保护电路的情况下，变流器直流侧能够耐受的电网侧电压约为133％U_n。

二、依据基波正序电压U₁的值判断双馈风力发电机的机端电压是否上升：若机端电压上升，则转子侧变流器启动无功电压补偿控制策略，网侧变流器启动直流侧电压控制策略，实现双馈风电机组高电压穿越。

1、无功电压补偿控制策略

(1)本实施例中无功电压补偿控制策略为，当电网电压高于100％U_n时，转子侧变流器 控制双馈风力发电机从电网吸收无功功率，吸收的无功功率量值与电网电压上升的幅度有关。转子侧变流器控制双馈风力发电机吸收无功功率时的无功补偿参考值Q_h的计算公式为：

其中，S_n为双馈风力发电机的额定容量，P_n为双馈风力发电机的额定功率，P_s为电网发生高电压过程中双馈风力发电机组的定子输出的有功功率。

(2)本实施例中无功电压补偿控制策略的控制电路如图3所示，包括感性无功补偿单元和限幅单元；限幅单元的输出端接入转子侧变流器的无功功率控制电路中无功功率目标值输入端。其中，

①：感性无功无偿单元，依据电网发生高电压过程中双馈风力发电机组的定子输出的有功功率P_s和基波正序电压U₁计算无功补偿参考值Q_h。

②：限幅单元，用于双馈风电机组无功功率保护，其取值通常为双馈风力发电机无功功率最大值。

无功电压补偿控制策略的控制电路的工作过程为：

当电网电压升高时，通过采集双馈风力发电机的定子三相电压计算得到基波正序电压U₁，通过定子电压矢量与电流矢量计算双馈风力发电机的有功功率P_s，将U₁和P_s发送至感性无功无偿单元，感性无功无偿单元依据式(2)计算无功补偿参考值Q_h，再经过限幅单元输出符合要求的功率值，限幅单元的输出结果叠加到转子侧变流器的无功功率控制电路中无功功率目标值输入端，经过无功电流控制内环驱动转子侧变流器，从而控制双馈风电机组吸收无功功率，达到减缓电网高电压的目的。

当电网电压正常时，感性无功无偿单元输出几乎为零，并不影响转子侧变流器的正常运行，双馈风电机组正常发电运行。

2、直流侧电压控制策略

(1)本实施例中直流侧电压控制策略为：依据并网点的三相电压U_abc调整网侧变流器中直流侧电压控制电路的直流侧电压目标值；

调整后的直流侧电压目标值U_dc的计算公式为：

其中，U_grid为并网点三相电压U_abc的线电压有效值。

(2)本实施例中直流侧电压控制策略的控制电路如图4所示，包括直流侧电压目标值计算单元和限幅单元；限幅单元的输出端接入网侧变流器的直流侧电压控制电路中直流侧电压目标值输入端。其中，

①：直流侧电压目标值计算单元，依据并网点三相电压U_abc的线电压有效值U_grid计算调整后的直流侧电压目标值；

②：限幅单元，用于双馈变流器直流侧电压的保护，将直流侧电压控制在安全可控的范围内，其通常取值略高于上一个环节的输出值。

直流侧电压控制策略的控制电路的工作过程为：

通过采集双馈风电机组并网点三相电压U_abc，计算其线电压有效值U_grid，将U_grid发送至直流侧电压目标值计算单元，直流侧电压目标值计算单元依据式(3)计算直流侧电压参考值，再经过限幅单元输出变流器直流侧电压目标值U_d^*_c，限幅单元的输出结果叠加到直流侧电压控制电路中直流侧电压目标值输入端，经过有功电流控制内环达到控制直流侧电压，防止电网侧电流倒灌损坏直流侧电容的目的，确保了电网高电压小于等于130％U_n，变流器直流侧电压的稳定，有利于转子侧变流器的控制，同时保证了网侧变流器的安全稳定运行。

如图5所示，本实施例中将双馈风电机组高电压穿越测试系统串联接入风电机组升压变压器和电网之间。通过高电压穿越测试系统在风电机组升压变压器高压侧产生电压上升，考察双馈风电机组高电压穿越控制策略的有效性。其中，

图6示出了风电机组机端电压有效值，可以确定风电机组机端电压在5s时由100％U_n上升至约124％U_n。

图7示出了风电机组高电压穿越期间输出的有功功率和无功功率，可以确定高电压穿越期间风电机组输出的有功功率基本未降低，风电机组吸收感性无功功率为-0.5pu，转子侧变流器无功电压补偿控制性能良好。

图8示出了风电机组高电压穿越期间直流侧电压，可以确定高电压穿越期间变流器直流侧电压上升至1200V左右，网侧变流器直流侧电压控制性能良好。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域谱通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。