经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法及装置与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法及装置。

背景技术：

高压直流传输方式在风电场并网场合受到越来越多的关注，尤其是海上风电场，当离岸超过一定距离以后直流传输方式显示明显的成本优势。而在高压直流的两种传输方式中，柔性直流输电(voltagesourceconverterbasedhvdc，vsc-hvdc)控制灵活，对于风电场中电压的稳定和故障穿越有很大的辅助作用，可以对弱电网供电，并且不需要滤波器、无功补偿等辅助设备，系统复杂度相对较小，因此越来越多的风电并网传输方案选择使用vsc-hvdc。

一个典型的用于大型风电场并网的柔性直流输电系统结构如图1所示。图中ac1～ac2代表两个交流电网，wf1～wf2代表风电场(也可称为风电机组侧)，vsc1～vsc4代表四个柔性直流换流站。其中vsc1和vsc2为风电场并网换流器，也可称为整流侧换流器，通常运行在vf模式下，即控制交流侧的电压和频率为额定值。vsc3和vsc4为馈入交流电网的换流器，也可称为逆变侧换流器，通常有一端运行在vdcq模式(控制直流侧电压和交流侧无功)，其余端可运行在pq模式(控制输入交流电网的有功和无功)。根据风电场数量和传输功率的需要，图1系统还可以扩展至更多的端数。

采用以上控制模式，柔性直流系统无法实现频率控制，当交流电网发生故障引起频率偏移时，风电机组无法自动响应并参与频率调节，这不利于维持电网频率稳定。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法及装置，可以实现风电机组参与交流电网的调频控制。

本发明实施例提供了一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法，该方法包括：

在已有的逆变侧换流器控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第一功率附加值，叠加到有功功率参考值上；

在已有的整流侧换流器控制方法上增设一个随直流电压变化的频率附加值，叠加到输出交流频率上；

在已有的风电机组控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第二功率附加值，叠加到风电机组输出功率参考值上。

本发明实施例还提供了一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制装置，该装置包括：

逆变侧换流器控制模块，用于在已有的逆变侧换流器控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第一功率附加值，叠加到有功功率参考值上；

整流侧换流器控制模块，用于在已有的整流侧换流器控制方法上增设一个随直流电压变化的频率附加值，叠加到输出交流频率上；

风电机组控制模块，用于在已有的风电机组控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第二功率附加值，叠加到风电机组输出功率参考值上。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法的计算机程序。

在本发明实施例中，通过上述对传统控制方法的改进，可以实现风电场参与交流电网的调频控制，该方案仅需做控制器软件的改进，无需增设硬件设备，具备良好的经济性和适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是风电场经柔性直流输电系统并网的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法流程图；

图3是本发明实施例提供的一种逆变侧换流器控制结构图；

图4是本发明实施例提供的一种整流侧换流器控制结构图；

图5是本发明实施例提供的一种风电机组功率和桨距角控制结构图；

图6是本发明实施例提供的一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制装置结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普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，都属于本发明保护的范围。

在现有的用于大型风电场并网的柔性直流输电系统的控制模式中，柔性直流系统无法实现频率控制，当交流电网发生故障引起频率偏移时，风电机组无法自动响应并参与频率调节，这不利于维持电网频率稳定。因为当柔性直流输送功率对于送受端交流电网的容量来说占有很大的比例时，也应该考虑其在交流电网之间发挥事故支援和频率调节的能力，因为柔性直流的一个突出优势在于传输的有功、无功都可以在数十毫秒级别快速精确调整，将这种受控的快速调节能力发挥出来，可以提高整个互联系统的安全稳定性，同时避免系统间的事故传递。

基于此，在本发明实施例中，提供了一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法，如图2所示，该方法包括：

步骤201：在已有的逆变侧换流器控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第一功率附加值，叠加到有功功率参考值上；

步骤202：在已有的整流侧换流器控制方法上增设一个随直流电压变化的频率附加值，叠加到输出交流频率上；

步骤203：在已有的风电机组控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第二功率附加值，叠加到风电机组输出功率参考值上。

在本发明实施例中，在逆变侧换流器上，传统控制方法分为内环电流控制和外环功率设定，如图3中不含虚线部分所示。

外环功率设定的功能是根据上层控制目标计算出参考电流。有功电流参考值采用了有功-直流电压下垂控制方法设定。控制根据实际功率p与参考功率pref的实际偏差通过调节器(kd)调节后与直流电压参考值udcref与直流电压的实际值udc的偏差一起作用进行运算经过pi调节器(kp+ki/s)得到idref从而作为电流内环控制i的电流d轴的电流参考分量即有功分量；而无功电流参考值通过对并网点交流电压的反馈控制得到。通过并网点交流电压vac与vacref之间的偏差值经pi调节器(kvp+kvi/s)输出作为电流环控制i的电流q轴的参考值iqref即无功电流参考量。

内环电流控制的功能是根据电压/电流测量装置将测得的从换流站阀侧交流电压和交流电流经dq0变换得到电压和电流的d轴和q轴分量(ud、uq、id和iq)与外环计算设定的电流参考值idref和idref，根据反馈解耦的原理分别计算换流器需要得到从换流站电压调节指令和无功功率调节指令，经dq0到abc三项转换计算输出的三相电压ua、ub和uc，经pwm(脉冲宽度)调制计算出换流器的调制脉冲信号发送至逆变侧换流器。

本发明在以上控制方法上做的改进包括一个附加在有功功率参考值上的附加控制，如图3中虚线部分所示。随交流电网频率变化的第一功率附加值按照如下公式确定：

△pref＝kf(facref-fac)；

其中，△pref为随交流电网频率变化的第一功率附加值；kf为逆变侧频率控制的比例系数；facref为交流电网额定频率；fac为交流电网实测频率。

△pref为根据上式计算出来的有功功率附加值，该值累加到传统方法的有功功率参考值上，作为逆变侧换流器新的输出有功功率参考值。

在本发明实施例中，在整流侧换流器上，为了给风电场并网提供参考电源，传统控制方法通常采用额定交流电压和频率的控制模式，换流器的控制目标是提供额定的交流电压和频率，如图4中不含虚线部分所示。

定交流电压和频率的控制：交流电压参考值vacref与从站内实际采集到交流电压vac的差值经过pi调节器的输出作为d轴电压的分量vd，q轴分量vq与频率facref通过转化后角度θref经过dq0到abc转换共同作用输出得到的三相电压参考值：urefa、urefb和urefc经pwm(脉冲宽度)调制计算出换流器的调制脉冲信号发送至整流侧逆变器，使交流电压与交流频率达到额定值。

本发明在以上传统方法上做的改进包括一个附加在交流频率参考值上的附加控制，如图4中虚线部分所示。随直流电压变化的频率附加值按照如下公式确定：

△f＝kv△vdc；

其中，△f为随直流电压变化的频率附加值；kv为直流电压控制的比例系数；△vdc为直流电压与额定值的偏差。

△f为根据上式计算出来的频率附加值，该值累加到额定参考频率上，作为整流侧换流器新的输出交流侧频率参考值。

在本发明实施例中，在风电机组上，传统控制方法包括功率控制和桨距角控制，如图5中不含虚线部分所示。

控制系统通过风速跟踪环节得到最优风机参考转速ωref与实际转速ω之间的误差值通过风机转速控制计算输出得到风机的功率参考值；风机实际转速ω与转速限定值ωlimit的偏差通过浆距角控制计算得到浆距角控制数值。

本发明在以上传统方法上做的改进包括一个附加在风电机组有功功率参考值上的附加控制，如图5中虚线部分所示。随电网频率变化的第二功率附加值按照如下公式确定：

△pf＝kwt(facref-fwt)；

其中，△pf为随交流电网频率变化的第二功率附加值；kwt为风电场侧频率控制的比例系数；facref为交流电网额定频率；fwt为风电机组并网点的实测频率。

△pf为根据上式计算出来的有功功率附加值，该值累加到传统方法的有功功率参考值上，作为风电机组新的输出有功功率参考值。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制装置，如下面的实施例所述。由于经柔性直流并网的大型风电场频率控制装置解决问题的原理与经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法相似，因此经柔性直流并网的大型风电场频率控制装置的实施可以参见经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图6是本发明实施例的经柔性直流并网的大型风电场频率控制装置的一种结构框图，如图6所示，包括：

逆变侧换流器控制模块601，用于在已有的逆变侧换流器控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第一功率附加值，叠加到有功功率参考值上；

整流侧换流器控制模块602，用于在已有的整流侧换流器控制方法上增设一个随直流电压变化的频率附加值，叠加到输出交流频率上；

风电机组控制模块603，用于在已有的风电机组控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第二功率附加值，叠加到风电机组输出功率参考值上。

在本发明实施例中，所述逆变侧换流器控制模块601具体用于：

按照如下公式确定随交流电网频率变化的第一功率附加值：

△pref＝kf(facref-fac)；

其中，△pref为随交流电网频率变化的第一功率附加值；kf为逆变侧频率控制的比例系数；facref为交流电网额定频率；fac为交流电网实测频率。

在本发明实施例中，所述整流侧换流器控制模块602具体用于：

按照如下公式确定随直流电压变化的频率附加值：

△f＝kv△vdc；

其中，△f为随直流电压变化的频率附加值；kv为直流电压控制的比例系数；△vdc为直流电压与额定值的偏差。

在本发明实施例中，所述风电机组控制模块603具体用于：

按照如下公式确定随电网频率变化的第二功率附加值：

△pf＝kwt(facref-fwt)；

其中，△pf为随交流电网频率变化的第二功率附加值；kwt为风电场侧频率控制的比例系数；facref为交流电网额定频率；fwt为风电机组并网点的实测频率。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法的计算机程序。

综上所述，本发明提出的柔性直流和风电场控制策略可以实现风电机组与交流电网之间频率主动调节，其主要的特性和效益体现在两方面：

(1)风电场参与逆变侧交流电网的调频控制。当逆变侧交流电网发生扰动引起频率跌落时，逆变侧换流器的频率附加控制首先发挥作用，快速提升逆变侧换流器流入交流电网的有功，帮助交流电网恢复频率。同时，在有功-直流电压下垂特性作用下，直流电压也会有所降低，整流侧换流器控制检测到直流电压降低后，其频率附加控制发挥作用，降低交流侧输出的频率值。在风电机组侧设置有随频率降低而提升有功出力的控制环节，其结果是风电场主动提升有功出力。通过逆变侧换流器、整流侧换流器和风电机组的控制器配合，实现了风电场参与交流电网调频的控制目标。

(2)风电场响应直流电压变化，防止直流过压。在某些故障条件下，比如交流电网非对称故障、直流单极断线故障等，柔直换流器的功率传输能力受到限制，如果风电场维持其注入整流侧换流器的功率，而逆变侧无法全部送出，就会造成能量在直流侧的累积，形成直流过压，严重时可能引起过压保护中断系统运行。采用本发明所提方法后，当检测到直流电压升高后，整流侧换流器将会自动提升输出交流频率，风电机组感知到交流频率提升后，会自动降低其输出有功功率，这一特性有利于减小直流过压，维持系统稳定运行。

另外，由于本发明方法实施过程仅需要对现有控制算法做改进，无需新增硬件设备，具备良好的经济性和适应性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。