基于无功调差技术的风电场中压母线电压闭环控制方法与流程

文档序号:11108676阅读:590来源:国知局
基于无功调差技术的风电场中压母线电压闭环控制方法与制造工艺

本发明涉及风力发电领域,具体涉及风电场中实现调压功能时采用的基于无功调差技术的中压母线电压闭环控制方法。



背景技术:

“十二五”期间,国家政策开始鼓励发展分散式风电项目,将数台风电机组或数十兆瓦以内的小型风电场直接接入配电网负荷中心附近,实现风电出力就地消纳。该模式下风电接入点一般位于偏远地区,配电网末端线路压降和损耗较大,无功不足,风电机组通常也不具备同步发电机的惯量特性来参与电力系统的一次调频调压能力,若风电机组提供灵活的无功补偿和电压支撑作用,既能减轻配电网的无功负担提升经济性,也有利于风电机组的稳定运行。

当前无功补偿控制研究以大型风电场应用为主,通常采用自动电压控制(AVC)系统分散式应用,涉及电网调度、风电场及风电机组单机控制等分层无功协调,最终通过调节风电场内每台风电机组输出的无功功率来实现并网点定功率因数控制或无功功率调度指令跟踪。由于风电机组与场级集控系统之间存在无功指令通信,受通信时滞与控制时间常数制约,风电机组对电网调度无功指令的响应时间至少为秒级。而分散式风电机组与负荷的电气距离近,为维持负荷变化时的电压恒定,需实现ms级的动态无功补偿。可见,将上述集控形式的无功控制系统应用于小型分散式风电场,在电压响应速度、经济性和灵活性等方面有所欠缺。

为实现分散式双馈风电机组灵活和快速的无功补偿效果,采用无功电流的形式来表征无功能力,根据风电机组实时有功电流和转速信息得到双馈风电机组的实时无功能力,能直接用于变流器控制的限幅设计。在具体的无功控制方法上,采用带下垂特性的机端电压闭环控制策略,与按机网侧无功能力比例分配的方法对比,两种方法均可实现双馈风电机组机网侧无功合理分配和自动无功补偿控制,但下垂特性不要求变流器模块间的通讯,不必考虑通信延时对无功响应速度影响,定子侧和网侧变流器均可实现快速无功补偿,更适用于当前工程使用需求。



技术实现要素:

为解决现有技术上的不足,本发明的目的在于提供一种风电场中实现调压功能时采用的基于无功调差技术的中压母线电压闭环控制方法,使得在实现风电机组实现调压功能时速度更快,精度更高,确保后续无功输出的有效性。

本发明采用以下技术方案来实现:

1.一种基于无功调差技术的风电场中压母线电压闭环控制方法,其特征在于:

(1)根据定转子绕组发热、变流器容量以及直流环节耐压的条件限制计算获得双馈风电机组无功电流极限,直接用于变流器控制的电流限幅;设定子额定最大电流为Is max,Is为三相坐标下的电流有效值,isd、isq表示定子电流d轴和q轴分量,有:

(2)设转子绕组长期运行允许的最大电流有效值为Ir max,将转子侧电流实际值折算至定子侧,并用定子电流d轴和q轴分量isd、isq表示,得:

式中,ksr是将转子侧电流实际值折算至定子侧所除的绕组折算系数,ksr等于电机转子开口电压与定子电压的比值,usd指定子电压d轴分量,Xm、Xs分别表示激磁电抗和定子电抗;

(3)转子电压正弦相电压幅值不超过将转子电压用定子电流和电压表示得:

其中,Udc表示机侧模块和网侧模块之间电容上的直流电压,Xm、Xs、Xr分别表示激磁电抗和定子、转子电抗;

(4)网侧变流器的无功能力在有功电流确定时,受变流器最大运行电流限制,得到网侧变流器的无功能力与定子实时有功和转差率的关系为:

其中,isd表示定子有功电流,igq表示网侧电流的q轴分量,Igmax为网侧额定电流的最大值;

实际中风电机组按主控设定的转矩与转速曲线运行,定子有功电流isd与转差率s并非完全独立的两个变量;

(5)在变流器机端电压PI控制的基础上,引入电压下垂特性,实现机侧和网侧变流器无功电流分别自动补偿,设Kiq为下垂系数,表示无功电流从零增加到额定值时机端电压的相对变化,数学表达为:

当无功电流变化Δiq时,机端电压将变化ΔV。

所述步骤(5)中,带下垂特性控制相当于在电压源输出端引入一个虚拟电抗,改变了两电压源直接并列运行的条件;若按各电压源的无功能力分配无功负载,则下垂系数取值应与实时可输出最大无功电流成反比:iqmax_1Kiq_1=iqmax_2Kiq_2,其中,iqmax_1、iqmax_2对应不同的下垂系数Kiq_1、Kiq_2的无功最大值。

本发明有益效果如下:在分析定转子绕组发热、变流器容量以及直流环节耐压等条件的限制基础上计算获得双馈风电机组无功电流极限计算方案,确保后续无功输出的有效性;基于下垂特性的机网侧无功独立控制策略省去了基于机网侧无功能力的分配的控制策略所需的机网侧通讯及其带来的延时,使得在实现风电机组实现调压功能时速度更快,精度更高;

提供一种风场电压控制配置适当调差避免场级无功环流的控制策略,在场级风电机组实现同步性和同调性。

附图说明

图1为本发明双馈风电机组结构;

图2为本发明双馈风电机组有功电流与转差率的关系曲线;

图3(a)为本发明1.5MW双馈风电机组定子侧无功电流范围;

图3(b)为本发明1.5MW双馈风电机组网侧变流器无功电流范围;

图3(c)为本发明1.5MW双馈风电机组双馈风电机组总无功极限;

图4为本发明带下垂特性的双馈机端电压控制;

图5为本发明电压源并联示意图;

图6为下垂特性示意图;

图7为本发明双馈风电机组接入配电网的仿真模型拓扑示意;

图8为本发明风机出口变压器的低压侧电压波形图;

图9(a)为本发明定子电流波形图;

图9(b)为本发明网侧电流波形图;

图10(a)为本发明定子无功功率波形图;

图10(b)为本发明网侧无功功率波形图;

图10(c)为本发明的定子有功功率波形图;

图10(d)为本发明的网侧有功功率波形图。

具体实施方式

为了本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。

本发明采用无功电流的形式表征双馈风电机组能力,根据定转子绕组发热、变流器容量以及直流环节耐压等条件限制计算获得双馈风电机组无功电流极限,可直接用于变流器控制的电流限幅设计;在变流器矢量控制的基础上,提出带下垂特性的机端电压闭环控制策略,具有无需变流器模块间的通讯,实现分散式风电机组自发的无功动态补偿并保持机网侧无功电流合理分配的优点。

所述的根据定转子绕组发热、变流器容量以及直流环节耐压等条件限制计算获得双馈风电机组无功电流极限,无功电流极限受到如下几个限制,设定子额定最大电流为Ismax,定子电流d轴和q轴分量的平方和小于等于额定最大电流的有有效值平方;类似于定子电流的限制,设转子绕组长期运行允许的最大电流有效值为Irmax,将转子侧电流实际值折算至定子侧,并用定子电流Isd、Isq表示,其平方和小于转子最大有效值的平方和;同时极限需要考虑变流器在SVPWM调制方式下输出电压不发生过调制。

忽略有功损耗,网侧变流器的无功能力在有功电流确定时,主要受变流器最大运行电流限制,得到网侧变流器的无功能力与定子实时有功和转差率的关系,sisd与igq的平方和小于等于网侧无功电流Igmax有效值的平方。

带下垂特性的机端电压闭环控制策略,当负载变化引起系统电压改变,下垂系数小的机组承担较大的无功增量,设置下垂系数与机组无功容量成反比,则下垂特性可保证负载变化时各发电机间功率合理分配。

带下垂特性控制相当于在电压源输出端引入一个虚拟电抗,改变了两电压源直接并列运行的条件。若按各电压源的无功能力分配无功负载,则下垂系数取值应与实时可输出最大无功电流成反比:iqmax_1Kiq_1=iqmax_2Kiq_2

参见图1-图2,根据定转子绕组发热、变流器容量以及直流环节耐压等条件限制计算获得双馈风电机组无功电流极限计算方案;本发明的目的在于提供一种带下垂特性的机网侧无功独立控制策略。

在风电场全场电压控制设置适当调差避免场级无功环流,通过在风电场控制系统中加入适当调差,可以有效的避免风场多台变流器直接出现无功环流。一种基于无功调差技术的中压母线电压闭环控制方法,其方法如下:

(1)根据定转子绕组发热、变流器容量以及直流环节耐压的条件限制计算获得双馈风电机组无功电流极限,参见图3(a)-(c),其1.5MW双馈风电机组无功电流极限;设定子额定最大电流为Ismax,有:

(2)设转子绕组长期运行允许的最大电流有效值为Irmax,将转子侧电流实际值折算至定子侧,并用定子电流isd、isq表示,得:

式中,ksr是将转子侧电流实际值折算至定子侧所除的绕组折算系数,ksr等于电机转子开口电压与定子电压的比值。

(3)为使变流器在SVPWM调制方式下输出电压不发生过调制,转子电压正弦相电压幅值不超过将转子电压用定子电流和电压表示得:

(4)忽略有功损耗,网侧变流器的无功能力在有功电流确定时,主要受变流器最大运行电流限制,得到网侧变流器的无功能力与定子实时有功和转差率的关系为:

实际中风电机组按主控设定的转矩与转速曲线运行,定子有功电流isd与转差率s并非完全独立的两个变量。

(5)考虑到现有双馈变流器一般采用独立模块,转子侧和网侧变流器之间可能不具备互相通讯的条件,则按机网侧无功能力比例分配的方法不适用。为此,参考传统同步发电机励磁调差设计,本发明在变流器机端电压PI控制的基础上,引入电压下垂特性,实现机侧和网侧变流器无功电流分别自动补偿,控制框图如图4所示,其中,Kiq为下垂系数,表示无功电流从零增加到额定值时机端电压的相对变化,数学表达为:

下面以2电压源并联的例子来说明带下垂特性的电压调节原理。图5中,Vk∠δk为第k个电源的输出电压,k=1,2;Zk为第k个电源的并网阻抗,包括电压源等效输出阻抗和线路阻抗;V∠0为并联点电压,为第k个电源的输出电流,为负载电流。

电压源k输出的有功功率和无功功率为:

电压源并网阻抗主要为感性时,即Xk>>Rk,,可将Rk忽略,并且功率角δk很小,近似得到sinδk≈δk,cosδk≈1,则式(6)可以化简为:

无功电流与电压的关系为:

可见电压源输出的无功功率主要由电感上的压差决定,这意味着改变电压源的输出电压幅值即可实现对无功功率的调节。

当负载变化引起系统电压改变,下垂系数小的机组承担较大的无功增量,如图6中有Δiq2>Δiq1,设置下垂系数与机组无功容量成反比,则下垂特性可保证负载变化时各发电机间功率合理分配。

图5所示的带下垂特性控制相当于在电压源输出端引入一个虚拟电抗,改变了两电压源直接并列运行的条件。若按各电压源的无功能力分配无功负载,则下垂系数取值应与实时可输出最大无功电流成反比:

iqmax_1Kiq_1=iqmax_2Kiq_2 (9)

需要说明的是,下垂控制会造成电压实际幅值与设定值产生偏差,偏差值即为稳态条件下的机组无功电流iq乘以Kiq。实际应用时,可设置机端电压参考值比额定电压值略高。

本实施列的多机并联接入配电网中运行的模型如图7,“双馈风电机组”经长线路接入薄弱电网中,线路上直接挂有负荷。双馈风电机组的网侧变流器和定子侧对电网的无功补偿被视作两个独立无功源,通过2台变流器直接并联来模拟。

为简化控制,忽略无功控制周期内风速变化,则双馈风电机组的有功电流和无功能力保持不变。定子最大电流取为2000A,有功电流设为1000A;网侧变流器最大电流取为500A,网侧变流器的有功电流按最大转差工况设置为200A。考虑到实际网侧变流器的额定容量大约取为定子容量的1/3,故定子侧和网侧变流器电压闭环控制中无功下垂系数直接按1:3给定,分别取为Kiq_s=-0.01,Kiq_g=-0.03。

仿真初始设置变流器不提供无功补偿,0.35s投入机端电压闭环控制,0.65s时风电机组出口变的高压侧负荷切入。结果如图9(a)至图10(d)所示,图中标注1表示采用带下垂特性的机网侧独立控制,标注2表示采用按无功能力比例分配的机网侧协调控制。

仿真结果表明,投入电压闭环控制后,变流器输出无功电流迅速增加,使机端电压迅速抬升,电网中负荷变化引起电压波动时,两种分配方法均能起到自动无功补偿,但机网侧按比例协调分配的方法中网侧通信延时导致无功响应较慢,而带下垂特性的无功分配方法中机侧和网侧无功控制均可迅速达到稳态。

表1列举了按下垂控制和按比例协调控制的部分数据。在相同的电压参考值下,0.6s时按下垂特性控制风电机组进入稳态,并留有一定无功裕度,但由于存在稳态电压偏差,实际输出无功电流小于按无功能力比例分配控制;然而按无功能力比例分配控制下网侧变流器由于延时作用无功响应较慢,尚未达稳态。0.8s时,电网中无功负荷比0.6s时大,此时两种方法下风电机组均按无功极限补偿。

表1按下垂控制和按无功能力比例协调运行对比

为实现分散式双馈风电机组灵活和快速的无功补偿效果,采用无功电流的形式来表征无功能力,根据风电机组实时有功电流和转速信息得到双馈风电机组的实时无功能力,能直接用于变流器控制的限幅设计。在具体的无功控制方法上,采用带下垂特性的机端电压闭环控制策略,与按机网侧无功能力比例分配的方法对比,两种方法均可实现双馈风电机组机网侧无功合理分配和自动无功补偿控制,但下垂特性不要求变流器模块间的通讯,不必考虑通信延时对无功响应速度影响,定子侧和网侧变流器均可实现快速无功补偿,更适用于当前工程使用需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解到,本发明不受以上使用方法的限制,上述使用方法和说明书描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明的精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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