含双向功率管的可控变压器风力发电并网无功补偿的控制方法与流程

本发明涉及风力发电并网
技术领域：
，具体是一种基于含双向功率管的可控变压器风力发电并网无功补偿的控制方法。
背景技术：
：近年来，随着风电等新能源的大量接入和不断渗透，大型电力网络的不断互连，电力系统日趋复杂，电网运行遇到了前所未有的机遇和挑战。电网运行的灵活性、潮流可控性以及电网稳定性显得日益重要，构建智能电网已成为电网发展的必然趋势。在一个结构日益复杂的电网中，能够动态控制线路潮流成为电力系统可靠性的重要保证。同时，由于电力系统投资的长周期和高成本，如何更好的利用现有设备显得非常重要。随着电力负荷的不断增加，电力供应缺口和人们对电力需求增长之间的矛盾不断增大，新能源发电的大量并网是未来电力供应的基本格局，也是智能电网的基本要求，如何提高现有电力系统对新能源的接纳能力以及如何保证接入后系统的可靠性与稳定性成为当今的热点话题。随着风电装机容量的不断增加，风力发电已经成为很多国家的重要发电方式。而风力发电由于对气象条件的依赖性高，和风资源的波动性大的特点，使得其输出电能波动性较大，常需增加无功补偿等设备平抑风功率及端电压波动，其对电力系统的影响也不容忽视，风电场必须解决风力发电并网系统的电压稳定性及风功率波动等问题。静止无功补偿器(SVC)能通过改变电抗来调节其输出无功功率，但该设备无法对有功功率进行调节；静止同步补偿器(STATCOM)通过开关器件的通断来调节输出无功功率，并且能在一定范围内提供有功功率，但是其控制复杂且成本较高；统一潮流控制器(UnitedPowerFlowControl,UPFC)、静止同步串联补偿器(StaticSynchronousSeriesCompensator,SSSC)和电力电子变压器(PowerElectronicTransformer,PET)能够较大范围的调节输出有功功率和无功功率，但是由于采用全功率型电力电子器件，控制复杂，成本高昂，限制了其应用。技术实现要素：针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于含双向功率管的可控变压器风力发电并网无功补偿的控制方法，当风电场无功不足时，通过传感器测得风电场PCC并网点电压、电流，根据电网及风电场运行状态，利用可控变压器，通过快速的电力电子开关对变压器分接头输出电压幅值和相角进行动态控制，从而动态调节其输出的有功功率和无功功率，对风电场进行无功补偿，稳定风电场PCC并网点电压。本发明采用如下技术方案：一种基于含双向功率管的可控变压器风力发电并网无功补偿的控制方法，其特点在于该方法包括下列具体步骤：步骤①、测量与控制模块对控制进行初始化，接收上位机给定的电压给定值V0和有功功率的给定值P0；可控变压器分接头变比N；ω0为50或60Hz所对应的角频率；第一PI控制模块控制系数kp1和ki1，1≤kp1≤100,1≤ki1≤100，初设值均为10，由操作员按风电场运行状况设定，无功补偿功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；第二PI控制模块控制系数kp2和ki2，1≤kp2≤100,1≤ki2≤100，初设值均为10，由操作员按风电场运行状况设定，有功功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；步骤②、测量与控制模块接收输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器分别输入的输入电压Vin、输出电压Vout、输出电流Iout，输出电压与输出电流的夹角为β，设输入电压Vin的幅值为|Vin|，输出电压Vout的幅值为|Vout|，输出电流Iout的幅值为|Iout|，输出电压基波的初始幅值为V1out，远方电网电压V电网2的信息和输电线路电抗值L，远方电网电压V电网2的幅值为V2，相角为α；按下列公式计算实测的有功功率P：P=12VoutIoutcosβ]]>根据有功功率P0，计算可控变压器的输出电压初始相角θ0P0=V2Voutω0Lsin(α-θ0)]]>按照风电场运行状况，进行无功功率补偿和有功功率调节；通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；步骤③、根据有功功率P0及实测有功功率P，依据下式计算可控变压器输出电压相角θ：步骤31.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μS1：μS1＝P0-P，其中P为第一比较模块输入的有功功率值；步骤32.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC1，计算公式如下：μC1＝kp1μS1+ki1∫μS1dt，其中，kp1和ki1是第一PI控制模块的控制系数；步骤33.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：θ＝θ0+μC1；步骤④、根据电压给定值V0及实测输出电压Vout，依据下式，计算可控变压器的输出电压幅值Vout1：步骤41.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μS2：μS2＝V0-Vout，其中Vout为第一比较模块输入的电压；步骤42.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC2，计算公式如下：μC2＝kp2μS2+ki2∫μS2dt，其中，kp2和ki2是第二PI控制模块的控制系数；步骤43.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值Vout1，Vout1=Vout1+μC2]]>步骤⑤、通过公式计算得到调制系数：将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值Vout1代入下述公式，求得Voutref及可控变压器控制参数：Voutref=Vout1sin(ω0t-θ)=(Vin*[(1+N)D1+(1-N)(1-D1)-N2]2+(3ND2-32N)2)*sin(ω0t-θ)]]>θ=arctan(3ND2-32N[(1+N)D1+(1-N)(1-D1)])]]>设K1为双向功率管Sa1和Sa3开关信号，K2为双向功率管Sa2和Sa4开关信号，此控制信号有两种工作状态：(1)当电压相角θ取“+”时，K1＝1，K2＝0，双向功率管Sa1和Sa3导通，双向功率管Sa2和Sa4关断，两相绕组正向导通；(2)当电压相角θ取“-”时，K1＝0，K2＝1，双向功率管Sa1和Sa3关断，双向功率管Sa2和Sa4导通，两相绕组反向导通；于是可得到绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的功率单元9占空比控制信号D1和功率单元10占空比控制信号D2；步骤⑥、根据脉宽调制占空比D1和D2，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；步骤⑦重复步骤②至步骤⑥，根据所获得的脉宽调制占空比D1和D2，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对风电场的无功补偿。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1)利用电力系统现有元件，利用有载调压变压器加装小功率电力电子器件构成，成本较低；2)能够对电网有功功率和无功功率进行分立控制，并且具有较大的调节范围；3)方法灵活度大，实现简单，对硬件要求低；4)具有快速瞬时调节功能，响应时间非常短。附图说明图1基于可控变压器的风电场无功补偿的原理图；图2可控变压器单相结构图。图3基于可控变压器的风电场无功补偿方法的控制规律图；图4基于可控变压器的风电场无功补偿方法的控制流程图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。图1为基于可控变压器的风力发电并网无功补偿的系统原理图，它包括电网1，输入和输出电压传感器2和3，输出电流传感器4，可控变压器5，风电场6和测量与控制模块7。所述的电网1为远方电网，与可控变压器5副边相连。所述的输入电压互感器2的一侧与可控变压器5原边相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块7的电压信号输入端口相连；所述的输出电压互感器3的一侧与可控变压器5副边相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块7的电压信号输入端口相连；所述的输出电流互感器4的一侧与可控变压器5副边相连，电流信号输出端与所述的测量与控制模块7的电压信号输入端口相连；所述的可控变压器5由多分头变压器8，功率单元9和10，交叉相串入模块11，滤波电容12和13构成。所述的多分头变压器8的副边包含主接头“1”和正分接头“1+N”负分接头“1-N”；所述的功率单元9由第一组功率管(S1)、第二组功率管(S2)、滤波电感(Lf1)和滤波电容(Cf1)组成，该功率单元9所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管(S1)的一端与所述的多分头变压器8副边的正分接头“1+N”相连，第二组功率管(S2)的一端与所述的多分头变压器8副边的负分接头“1-N”相连，所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)的另一端与所述的滤波电感(Lf1)的输入端相连，该滤波电感(Lf1)的另一端与所述的交叉相串入模块11的输入端相连，所述的滤波电容(Cf1)接在所述的多分头变压器8副边的正分接头“1+N”和负分接头“1-N”之间，所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)的控制端与所述的测量与控制模块7的相应控制端相连；所述的功率单元10由第三组功率管(S3)、第四组功率管(S4)、滤波电感(Lf2)和滤波电容(Cf2)组成，该功率单元10所述的第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第三组功率管(S3)的一端与所述的交叉相串入模块11的输出端一端相连，第四组功率管(S4)的一端与所述的交叉相串入模块11的输出端另一端相连，所述的第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)的另一端与所述的滤波电感(Lf2)的一端相连，该滤波电感(Lf2)的另一端与所述的多分头变压器8的输出端相连，所述的滤波电容(Cf2)接在所述的交叉相串入模块11的输出端之间，所述的第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)的控制端与所述的测量与控制模块7的相应控制端相连；所述的交叉相串入模块11由另外两相所述的交叉相绕组即多分头变压器8的副边正分接头14、负分接头15组成的绕组和和四组双向功率管组成；以A相为例，所述的交叉相串入模块11由C相串入的NVcin绕组、B相串入的NVbin绕组和四个双向功率管组成，该交叉相转换模块11的双向功率管(Sa1)一端与所述的滤波电感(Lf1)的另一端相连，另一端与所述的C相NVcin绕组负分接头15相连，C相NVcin绕组正分接头与所述的B相NVbin绕组负分接头相连，B相NVbin绕组正分接头与所述的双向功率管(Sa3)的一端相连，所述的双向功率管(Sa3)的另一端与功率单元10的功率管S3对应的输入端相连；所述的双向功率管(Sa2)的一端与所述的双向功率管(Sa1)一端相连，另一端与所述的双向功率管(Sa3)的一端相连；所述的双向功率管(Sa4)的一端与所述的双向功率管(Sa1)另一端相连，另一端与所述的双向功率管(Sa3)的另一端相连；所述的滤波电容12一端和所述的多分头变压器8的副边包含主接头“1”连接，另一端和所述的滤波电感(Lf1)连接；所述的滤波电容13一端和所述的滤波电感(Lf1)连接，另一端和所述的滤波电感(Lf2)连接；所述的可控变压器5的副边与所述的远方电网1相连；所述的风电场6出口端与所述的可控变压器5的原边相连。所述的测量与控制模块7是数字信号处理器、单片机或计算机。测量与控制模块7的控制信号输出端分别与所述的电压传感器2、3和电流传感器4的输出端相连，该测量与控制模块的输入端与上位机相连。所述的可控变压器5的功率开关管的控制信号由测量与控制模块7提供。一种基于含双向功率管的可控变压器风力发电并网无功补偿的控制方法，包括下列具体步骤：步骤①、测量与控制模7块对控制进行初始化，接收上位机给定的电压给定值V0和有功功率的给定值P0；可控变压器分接头变比N；ω0为50或60Hz所对应的角频率；第一PI控制模块控制系数kp1和ki1，1≤kp1≤100,1≤ki1≤100，初设值均为10，由操作员按风电场运行状况设定，无功补偿功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；第二PI控制模块控制系数kp2和ki2，1≤kp2≤100,1≤ki2≤100，初设值均为10，由操作员按风电场运行状况设定，有功功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；步骤②、测量与控制模块7接收输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器分别输入的输入电压Vin、输出电压Vout、输出电流Iout，输出电压与输出电流的夹角为β，设输入电压Vin的幅值为|Vin|，输出电压Vout的幅值为|Vout|，输出电流Iout的幅值为|Iout|，输出电压基波的初始幅值为V1out，远方电网电压V电网2的信息和输电线路电抗值L，电网电压V电网2的幅值为V2，相角为α；按下列公式计算实测的有功功率P：P=12VoutIoutcosβ]]>根据有功功率P0，计算可控变压器的输出电压初始相角θ0P0=V2Voutω0Lsin(α-θ0)]]>按照风电场运行状况，进行无功功率补偿和有功功率调节；通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；步骤③、根据有功功率P0及实测有功功率P，依据下式计算可控变压器输出电压相角θ：步骤31.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μS1：μS1＝P0-P，其中P为第一比较模块输入的有功功率值；步骤32.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC1，计算公式如下：μC1＝kp1μS1+ki1∫μS1dt，其中，kp1和ki1是第一PI控制模块的控制系数；步骤33.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：θ＝θ0+μC1；步骤④、根据电压给定值V0及实测输出电压Vout，依据下式，计算可控变压器的输出电压幅值Vout1：步骤41.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μS2：μS2＝V0-Vout，其中Vout为第一比较模块输入的电压；步骤42.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC2，计算公式如下：μC2＝kp2μS2+ki2∫μS2dt，其中，kp2和ki2是第二PI控制模块的控制系数；步骤43.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值Vout1，Vout1=Vout1+μC2]]>步骤⑤、通过公式计算得到调制系数：将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值Vout1代入下述公式，求得Voutref及可控变压器控制参数：Voutref=Vout1sin(ω0t-θ)=(Vin*[(1+N)D1+(1-N)(1-D1)-N2]2+(3ND2-32N)2)*sin(ω0t-θ)]]>θ=arctan(3ND2-32N[(1+N)D1+(1-N)(1-D1)])]]>设K1为双向功率管Sa1和Sa3开关信号，K2为双向功率管Sa2和Sa4开关信号，此控制信号有两种工作状态：(1)当电压相角θ取“+”时，K1＝1，K2＝0，双向功率管Sa1和Sa3导通，双向功率管Sa2和Sa4关断，两相绕组正向导通；(2)当电压相角θ取“-”时，K1＝0，K2＝1，双向功率管Sa1和Sa3关断，双向功率管Sa2和Sa4导通，两相绕组反向导通；于是可得到绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的功率单元9占空比控制信号D1和功率单元10占空比控制信号D2；步骤⑥、根据脉宽调制占空比D1和D2，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；步骤⑦重复步骤②至步骤⑥，根据所获得的脉宽调制占空比D1和D2，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对风电场的无功补偿。当前第1页1 2 3