一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双馈风电机组控制技术，特别涉及一种基于DFIG模型和电压源 型的高压直流输电技术协调控制来改善风电场低电压穿越能力的控制方法。
【背景技术】
[0002] 当今，风力发电技术呈现出快速发展的势头，装机容量越来越大，在电网中所占的 比例也随之上升。风电场规模和并网输电距离的增加使传统的交流输电呈现出各种弊端。 基于电压源型的高压直流输电（VSC-HVDC)因其变流器采用的是全控型电力电子器件，通 过控制能够改善并网点电能质量，减少风电场对电网影响，因此成为长距离大规模风电场 并网较为理想的输电方式，与此同时也出现了不少的问题，其中第一点风电场侧故障时双 馈风机Crowbar动作，风机运行于异步发电机状态，故障消除后需要从电网吸收大量无功， 不利于电网故障的恢复；第二点风电场侧故障时如何协调并网点两侧的无功源也是一个重 要方面，目前大多数学者研究的都是电网侧故障下的风电场低电压穿越能力，而对电网侧 故障的研究很少，而且风电场提供无功是以牺牲其有功输出能力为代价。因此急需对双馈 风电机组（DFIG)模型进行改进，并且提出一种无功控制策略既能够充分利用各无功源的 无功调节能力，保证风电系统的暂态稳定性，又能够保证双馈风机的有功输出能力。
【发明内容】
[0003] 本发明是针对目前VSC-HVDC并网风电场侧故障下的低电压穿越的问题，提出了 一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法，协调两侧无功源，在不增加投资成本的前提 下减小故障恢复时间。
[0004] 本发明的技术方案为：一种改善风电场低电压穿越能力的控制方法，具体包括如 下步骤：
[0005] 1)通过在双馈风电机组模型DFIG直流母线处安装直流卸荷电阻DC-Chopper，以 直流母线实时电压Ud。与给定电压参考值Ude_raf之差为信号，控制DC-Chopper的投切，当监 测到直流母线电压Ud。大于1.1U ，控制DC-Chopper投入，当Ud。小于U 并持续0. 2s， 控制DC-Chopper投出；
[0006] 2)在风电场并入基于电压源型的高压直流输电VSC-HVDC系统母线处安装电压互 感器检测其实时电压；
[0007] 3)将风电场侧并网点检测到的实时电压测量值Up。。与并网点电压的给定参考值 进行比较，两者的差值信号通过PI控制器处理后得到电网所需的总无功值Qraf_all;
[0008] 4)在双馈风机转子绕组处安装电流测量元件检测转子电流将转子电流直与 转子侧变流器的极限电流值i。_做减法运算，如结果大于〇,双馈风机转子侧转子保护动 作信号Crowbar为1，反之双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0;
[0009] 5)无功功率分配：双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0,则将电网所需 的总的无功值Qraf_all在网侧变流器、双馈风机定子侧和VSC-HVDC风电场侧变流器三者之间 分配；双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，则将电网所需的总的无功值Qraf_all 在网侧变流器和VSC-HVDC风电场侧变流器之间分配。
[0010] 所述网侧变流器的无功调节：网侧变流器的最大功率为P。_，实际发出的有功功 率为P。，则发出的无功功率Q。范围为：
[0012] 当电网发生故障时，网侧变流器所产生的无功极限值为：
[0014] 所述基于电压源型的高压直流输电VSC-HVDC系统采用风电场侧变流器进行无功 调节，采用交流电压外环电流内环的双环控制对风电场侧变流器进行控制。
[0015] 本发明的有益效果在于：本发明改善风电场低电压穿越能力的控制方法，保证了 风电场在面临不同严重程度的各项故障时，都能够得到足够的无功补偿，维持了自身的暂 态电压稳定性，并降低了双馈风机Crowbar动作的概率，减小故障恢复时间。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明现有DFIG模型示意图；
[0017] 图2为本发明改进后DFIG模型示意图；
[0018] 图3为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地 故障时，PCC点电压波形对比图；
[0019] 图4为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地 故障时，直流母线电压波形对比图；
[0020] 图5为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地 故障时，转子电流波形对比图；
[0021] 图6为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生a，b两相对地 故障时，DFIG定子提供无功波形对比图；
[0022] 图7为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地 故障时，PCC点电压波形对比图；
[0023] 图8为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地 故障时，直流母线电压波形对比图；
[0024] 图9为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接地 故障时，转子电流波形对比图；
[0025] 图10为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接 地故障时，定子侧提供无功功率波形对比图；
[0026] 图11为本发明改进DFIG模型和传统DFIG模型风电场侧PCC点发生三相短路接 地故障时，网侧变流器提供无功功率波形对比图。
【具体实施方式】
[0027] 传统的DFIG与改进的DFIG模型如图1、2所示。传统双馈风电机组中的Crowbar 目的在于保护转子侧变流器RSC，避免故障时被烧毁，虽然保护了转子侧变流器，但是Crowbar动作时DFIG变成常规的异步发电机，需要从电网吸收大量无功，而且牺牲了风电 机组在故障时的无功支持能力。改进的DFIG采用主动式DC-Chopper配合Crowbar代替传 统的Crowbar保护技术，根据直流母线电压来控制DC-Chopper开关的投入。当电网电压跌 落时网侧变流器GSC输出功率受到限制，能量在直流侧积累造成直流母线电压Ud。升高，当 达到一定值时触发DC-Chopper电路中的IGBT导通，卸荷电阻投入运行，以分担过量的电流 及功率，保护变流器安全及直流母线的电压稳定。恢复正常工况后IGBT截止，DC-Chopper 被切除，从而降低双馈风机Crowbar动作的概率。
[0028] -种改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制改善风电场低电压穿越能力的控制方法， 它包括下述步骤：
[0029] 步骤1、通过在DFIG直流母线处安装直流卸荷电阻DC-Chopper，以直流母线实 时电压ud。与给定电压参考值U 之差为信号，控制DC-Chopper的投切，当监测到直流 母线电压Ud。大于1. 1U，控制DC-Chopper投入，当Ud。小于U并持续0· 2s，控制DC-Chopper投出；
[0030] 步骤2、在风电场并入VSC-HVDC系统母线处安装电压互感器检测其实时电压；
[0031] 步骤3、将风电场侧并网点检测到的实时电压测量值Up。。与并网点电压的给定参 考值进行比较，两者的差值信号通过PI控制器处理后得到电网所需的总无功值Q"f_ all?
[0032] 步骤4、在双馈风机转子绕组处安装电流测量元件检测转子电流U将转子电流仁 值与转子侧变流器的极限电流值i。_做减法运算，如结果大于〇,双馈风机转子侧转子保 护动作信号Crowbar为1，反之双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0 ;
[0033] 步骤5、无功功率分配：双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为0,则将电 网所需的总的无功值Qraf_all在网侧变流器、双馈风机定子侧和VSC-HVDC风电场侧变流器三 者之间分配；双馈风机转子侧转子保护动作信号Crowbar为1，则将电网所需的总的无功值 网侧变流器和VSC-HVDC风电场侧变流器之间分配。
[0034] 双馈风机定子侧的无功调节能力：双馈风电场作为一个电源，它完全有能力来向 电网提供无功，在转子侧变流器的控制下，可以很好的调节电网所输送的无功，对风电接入 系统的电压稳定性提供良性的支撑，在故障较轻，Crowbar装置未动作时，双馈风机定子侧 可以根据指令值来发出不超出其极限的无功功率；但当故障严重到致使Crowbar装置的动 作，转子侧变流器退出运行，双馈风力发电机按异步风力发电机运行，不但不能向外发送无 功，而且还要吸收无功，此时就需要借助其他的无功源，来向电网提供必要的无功支撑。因 此，可以看出双馈风机定子侧不是一个稳定的无功源，只有在故障较轻时，才能体现出它的 无功调节能力
[0035] 网侧变流器的无功调节能力：网侧变流器的功率一般按风电系统的最大转差有功 功率设计，一般约为风机容量的30% -50%。在实际的运行状况下，当风速波动或者发生轻 微故障时，网侧变流器与电网交换的有功功率不可能达到其额定容量，尤其在发生故障时， 交换的有功功率更少，因此可考虑让网侧变流器在满足有功要求