一种高压直流输电连续扰动下的双馈风机故障穿越方法

1.本发明属于风电机组故障穿越技术领域，具体涉及一种hvdc（特高压直流）系统中软硬件结合的dfig（双馈风电机组）连锁扰动穿越方法。


背景技术：

2.目前在我国特高压交直流混联、电力大规模跨区域输送的典型电网特征下，风电呈现出集中并网远距离传输的趋势。已有研究表明，除常规的交流短路故障外，特高压直流风电外送系统换相失败导致的送端系统连续交替 低电压与高电压扰动已成为直流送端近区的风电阻脱网事故的新原因。直流控制系统异常或交流侧电压异常引发换相失败时，前期由于直流电流和整流侧触发角同时增加，直流需要从系统吸收大量无功。后期直流系统交换的有功功率迅速减小且恢复速度慢，换流站无功需求随着有功功率的降低亦迅速减小。此时滤波器存在大量无功盈余，直流又将向系统释放大量无功，引起近区电压呈现出“先降低后升高”的特性。在风电场暂态电压升高阶段，换流站的大量无功盈余与前述暂态电压降低阶段部分风电低电压穿越或低压脱网引起的风电场无功盈余造成的电压效应叠加，将加剧电网过电压水平，导致大量风电机组高压脱网和连锁脱网事故的风险更大。
3.目前，有部分研究基于祁韶特高压、哈郑特高压实际电压扰动波形，从系统功率分析角度，分析风机脱网事故成因和解决办法。但从风电系统本身切入，提升风机自身故障穿越能力，充分利用风机自身无功调节能力的方案还比较匮乏。针对风机本身的故障穿越方案主要关注单纯的由交流故障引起的低电压或高电压下的故障穿越，已有研究提出将电流源型超导磁储能装置应用到典型低电压穿越场合，但在换相失败造成的复杂电压扰动下，其运行性能可能受到较大影响，还没有相关研究。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的高压直流输电连续扰动下的双馈风机故障穿越方法解决了现有应用电流源型超导磁储能装置的双馈风机低穿策略在特高压系统换相失败引发的复杂电压扰动下可能不适用的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高压直流输电连续扰动下的双馈风机故障穿越方法，包括以下步骤：s1、在特高压直流风电外送系统中双馈风机机端布设电流源型超导磁储能装置；s2、基于布设的电流源型超导磁储能装置的限流作用以及风机自身的无功输出控制作用，实现双馈风电机组连锁电压扰动穿越。
6.进一步地，所述步骤s1中，在特高压直流风电外送系统中，双馈风电机组的结构为：双馈感应发电机的定子侧通过升压变压器与外部电网连接，所述双馈感应发电机的转子侧连接有两台背靠背的电力电子变流器，所述电流源型超导磁储能装置通过三相串联变压器接入风机机端；两台所述电力电子变流器分别为转子侧变换器和网侧变换器。
7.进一步地，所述步骤s2具体为：s21、基于风机机端电压，实时判断特高压直流风电外送系统中送端的风电系统处于正常状态还是故障状态；若为正常状态，则进入步骤s22；若为故障状态，则进入步骤s23；s22、控制风机自身的无功输出处于正常运行模式，且电流源型超导磁储能装置正常接入风电系统，返回步骤s21；s23、使风电系统与lcc
‑
hvdc控制站通信，判断当前故障状态是直流故障还是交流故障；若为交流故障，则进入步骤s24；若为直流故障，则进入步骤s25；s24、控制电流源型超导磁储能装置正常接入风电系统且工作在限流模式，并根据风机机端电压控制风机自身输出的无功参考值，进入步骤s26；s25、控制电流源型超导磁储能装置正常接入风电系统且工作在限流模式，并将当前整流站与交流系统间的不平衡无功量作为风机自身输出的无功参考值，进入步骤s26；s26、运行双馈风电机组，实现连锁电压扰动穿越。
8.进一步地，所述步骤s21中，当风机机端电压u
w
在0.9<u
w
<1.1范围内时，系统处于正常状态；当风机机端电压u
w
超出0.9<u
w
<1.1范围时，系统处于故障状态。
9.进一步地，所述步骤s24和步骤s25中，当电流源型超导磁储能装置工作在限流模式时，风机转子电流低于2倍标幺值，且电力电子变流器处于安全状态。
10.进一步地，所述步骤s24中，当风电系统处于交流故障时，通过调整风机自身输出的无功参考值使风机机组向电网注入的无功电流满足：式中， 为机组额定电流；此时，风机自身输出的无功参考值为9/4 u
w
(0.9
ꢀ–ꢀ
u
w
)。
11.进一步地，所述步骤s25中，当风电系统处于直流故障时，当前整流站与交流系统间的不平衡无功量为：式中， 为送端交流系统短路容量，为换流母线处电压正常值， 换流母线处电压。
12.本发明的有益效果为：（1）本发明提出的软硬件协同控制策略，解决了现有应用电流源型超导磁储能装置的双馈风机低穿策略在特高压系统换相失败引发的复杂电压扰动下可能不适用的不足，在普通低电压事件和复杂电压扰动下均适用；（2）本发明在设置电流源型超导磁储能装置的基础上，同时结合双馈风电机自身无功输出能力调整，一方面抑制电压扰动风电系统的过电流，另一方面增强风机自身的无功输出能力，从而使风机能够成功穿越连锁低高电压扰动。
附图说明
13.图1为本发明提供的高压直流输电连续扰动下的双馈风机故障穿越方法流程图。
14.图2为本发明提供的特高压直流风电外送系统结构示意图。
15.图3为本发明提供的csc
‑
smes装置拓扑图。
16.图4为本发明提供的csc
‑
smes装置等效电路图。
具体实施方式
17.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
18.如图1所示，高压直流输电连续扰动下的双馈风机故障穿越方法，包括以下步骤：s1、在特高压直流风电外送系统中双馈风机机端布设电流源型超导磁储能装置；s2、基于布设的电流源型超导磁储能装置的限流作用以及风机自身的无功输出控制作用，实现双馈风电机组连锁电压扰动穿越。
19.在本实施例的步骤s1中，在特高压直流风电外送系统中，双馈风电机组的结构为：双馈感应发电机的定子侧通过升压变压器与外部电网连接，所述双馈感应发电机的转子侧连接有两台背靠背的电力电子变流器，所述电流源型超导磁储能装置通过三相串联变压器接入风机机端，串联变压器在风机系统电流不同时表现为动态阻抗特性，进而起到加压限流的作用，电流源型超导磁储能装置通过控制电流源变流器调节串联变压器二次侧电流；其中，两台所述电力电子变流器分别为转子侧变换器（rotor side converter, rsc）和网侧变换器（grid side converter, gsc）；具体地，如图2所示，双馈感应发电机（doubly fed induction generator, dfig）由风力机、齿轮箱、鼠笼式异步发电机、两台背靠背电力电子变流器（rsc和gsc）及滤波器组成。机组风力机和齿轮箱构成原动机部分，电机定子直接与电网相连，经升压变压器升压传输至外部电网，转子侧经两台背靠背电力电子变流器经过滤波后并网。电流源型（current source converter, csc）超导磁储能装置（superconducting magnetic energy storage, smes)）的接入位置如图2中dfig n所示，装置通过三相串联变压器接入风机机端。csc
‑
smes装置的详细拓扑如图3所示，电流源型逆变器一侧直接与超导线圈相连，一侧通过lc滤波器连接串联变压器。其中i
smes
, i
sc
, i
dc
分别为smes装置输出电流，变流器输出电流以及通过超导线圈的电流；u
as
, u
bs
, u
cs
分别表示串联变压器侧三相电压；r
f
, l
f
, c 表示lc滤波器的阻尼电阻、滤波电感和滤波电容；，同时对于开关器件配有缓冲和过压保护电路，本实施例中的风机自身在监测到机端电压扰动时，在保证电流不越限的前提下，启动限流作用和风机自身的无功输出控制的协同控制策略，进行无功输出，对电网进行支撑。
20.本实施例的步骤s2具体为：s21、基于风机机端电压，实时判断特高压直流风电外送系统中送端的风电系统处于正常状态还是故障状态；若为正常状态，则进入步骤s22；若为故障状态，则进入步骤s23；
s22、控制风机自身的无功输出处于正常运行模式，且电流源型超导磁储能装置正常接入风电系统，返回步骤s21；s23、使风电系统与lcc
‑
hvdc控制站通信，判断当前故障状态是直流故障还是交流故障；若为交流故障，则进入步骤s24；若为直流故障，则进入步骤s25；s24、控制电流源型超导磁储能装置正常接入风电系统且工作在限流模式，并根据风机机端电压控制风机自身输出的无功参考值，进入步骤s26；s25、控制电流源型超导磁储能装置正常接入风电系统且工作在限流模式，并将当前整流站与交流系统间的不平衡无功量作为风机自身输出的无功参考值，进入步骤s26；s26、运行双馈风电机组，实现连锁电压扰动穿越。
21.上述步骤s21中，当风机机端电压u
w
在0.9<u
w
<1.1范围内时，系统处于正常状态；当风机机端电压u
w
超出0.9<u
w
<1.1范围时，系统处于故障状态。
22.上述步骤s22中，当风电系统处于正常状态时，风机按照调度系统的指令发出功率，此时的csc
‑
smes装置正常接入风电系统，装置的等效电阻是变压器的一次侧漏阻抗，由于阻抗很小，所以对风电系统运行几乎没有影响。
23.本实施例中的csc
‑
smes装置等效电阻的等效原理为：根据如图4所示的装置等效电路，其中r1, l1, n
1 表示串联变压器一次侧电阻、漏感和绕组匝数； r2, l2, n2表示串联变压器二次侧电阻、漏感和绕组匝数；u1, i
1 表示变压器一次侧电压电流；u2, i
2 表示变压器二次侧电压电流；u
c 表示电容电压； u
i
, i
e 表示变压器励磁电压和励磁电流；r
i
, l
i 表示变压器铁芯的励磁电感和损耗的等效电阻。电流源型变流器可以等效为一个可控电流源。csc
‑
smes可以通过控制超导线圈充放电维持变压器二次侧电流。二次电流过大时，超导线圈充电吸收多余的功率，电流过小时，线圈放电以维持电流恒定。
24.假设串联变压器工作在线性状态，根据图4可以得到电压电流关系为
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(1)
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(2)
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(3)忽略铁芯损耗，从系统侧看该装置的等效阻抗如下。当变压器一次侧二次侧电流比例不同时，装置表现为动态阻抗特性。
25.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)控制csc
‑
smes装置的输出电流参考值如下
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)根据式(3)和(5),变压器励磁电流非常小。根据式(4)，装置等效电阻为，是变压器的一次侧漏阻抗。
26.在本实施例的步骤s24和步骤s25中，当电流源型超导磁储能装置工作在限流模式
时，风机转子电流低于2倍标幺值，且电力电子变流器处于安全状态。
27.具体地步骤s24中，当风电系统处于交流故障时，会引起电压暂降的情况，首先csc
‑
smes装置正常接入风电系统并工作在限流模式，以保证风机转子电流低于2倍标幺值，变流器处于安全状态。
28.csc
‑
smes装置工作在限流模式的原理可以解释为：当系统发生交流故障时，双馈风机均将在定子侧产生较大的过电流。当双馈风机定子侧电流很大时，变压器励磁电流较大，装置此时经过主动感应，等效为一个串联的大电感。根据式(4)，电感值约为l
i
i
e / i
sf
，其缓冲作用减缓了风电机组的机端电压的变化速率。当双馈风机机端电压缓慢变化时，对风机的暂态冲击很小，风机定子电流和转子电流波动均比较小，能够保证风机转子电流低于2倍标幺值，变流器处于安全状态。当风机定子侧电流减小时，此时相对应的串联变压器励磁电流减小，装置等效电阻也减小，对风电机端电压的影响也逐渐减小。当风机定子侧电流减小至正常水平时，装置的等效电阻与s1一致，对风机机端电压影响很小。
29.此情境下风机自身的无功输出控制模式由风机机端电压决定。检测风机转子电压低于2倍标幺值，变流器处于安全状态时，根据gb/t19963
‑
2011要求，通过调整风机自身输出的无功参考值使风机机组向电网注入的无功电流满足：
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(6)式中，为机组额定电流；此时，风机自身输出的无功参考值为9/4 u
w
(0.9
ꢀ–ꢀ
u
w
)。
30.具体地，步骤s25中，当风电系统处于直流故障时，会引起送端交流暂态电压扰动的情况；csc
‑
smes装置正常接入风电系统并工作在限流模式，其原理与s22中一致，以保证风机转子电流低于2倍标幺值，变流器处于安全状态。
31.由于直流故障引起送端交流暂态电压扰动的最根本原因是整流站无功需求变化，导致不平衡无功产生。故按照整流站与交流系统间的不平衡无功量设置风机输出无功参考值；此时，当前整流站与交流系统间的不平衡无功量为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，为送端交流系统短路容量，为换流母线处电压正常值，小换流母线处电压，通过实时监测获取。整流站无功需求增大，出现正的δq
ac
导致低电压；整流站无功需求减小，出现负的δq
ac
导致高电压。