双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及混合直流输电技术领域，尤其涉及一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法及控制系统。


背景技术：

2.在全球化石能源日益枯竭的大背景下，增加可再生能源的利用是节能减排的重要手段，从全球范围上来看，风力发电在可再生能源开发利用中最成熟，也最具有规模化开发条件。
3.我国风能资源总体非常丰富，但风能主要集中在西北和东北地区，而电力负荷主要集中在中部和东部地区，资源与负荷分布的不均衡导致我国风能转化的电能需要大范围、跨区域进行转移。混合直流输电技术作为将常规直流输电技术和柔性直流输电技术相结合的一种新的输电方式，根据系统结构不同，其混合方式可以分为端间混合、极间混合以及极内混合，不同系统结构适用于不同的应用场景，其中极内混合方式适用于大型风电基地的电能送出。以单极为例，极内混合直流输电系统的结构示意图如图1所示，系统具有多电源供电、多落点受电的特点。上述混直流输电系统具有以下优势：(1)受端lcc中开关器件晶闸管具有单向导通性，具有天然隔离直流故障优势，直流线路故障发生后可保护低阀组mmc不会出现过电流；(2)受端可以实现多个负荷中心供电，缓解受端交流电网疏散压力，同时当受端lcc换相失败无法传输功率后，低阀组mmc仍能传输部分功率，减少对交流电网的冲击；(3)送端低阀组并联mmc可以实现单个或多个新能源基地的电能送出。
4.当前主流的风力发电机组机型为双馈感应风力发电机组，结构示意图如图2所示，两个变流器的控制策略均采用技术较为成熟的双闭环控制，内环为电流环，外环为功率环。网侧变流器的主要功能为维持直流母线电压稳定和控制并网点功率因数；机侧变流器的主要功能为接收风电场控制器下发的功率指令，通过调节变流器输出电压控制转子电流，进而控制并网点输出功率。
5.对于双馈风电基地混合直流送出系统来说，低阀组mmc为风电场提供并网电压，因此采用定交流电压控制模式，风电场并网点的交流电压大小与mmc调制波幅值和子模块电容电压直接相关。风电场并网送出线一般采用架空输电线路，受环境影响较大易发生暂时性交流故障，故障发生后风电场并网交流系统电压降低，风电场检测到并网点电压降低后进入低电压穿越模式，图3示出了现有技术中机侧变流器功率外环结构示意图，如图3所示，双馈风力发电机组中机侧变流器的功率外环将进行控制环节切换，根据国家相关标准向并网交流系统补偿一定的功率。然而，在故障期间风电场输出功率受阻，有功功率控制器未进行任何处理会出现饱和现象，待故障清除且风电场并网点交流电压正常建立后，控制器饱和将导致风电场输出功率出现功率阶跃，功率迅速回升并产生超调，造成低阀组mmc出现功率盈，子模块电压升高，直流侧和交流侧均出现过电压现象，存在损坏设备以及风电场并网点电压过高致使风机脱网的风险。


技术实现要素：

6.基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法及控制系统，通过对双馈风力发电机组中机侧变流器的有功功率外环进行优化改造，使故障清除后风力发电机组可以平稳且逐渐恢复原功率传输，降低对mmc的功率冲击且为mmc留有充裕的调节时间，避免交流故障期间mmc出现严重功率盈余，进而导致子模块电压升高，直流侧和交流侧出现较严重的过电压现象。
7.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法，所述控制方法包括有功功率外环控制环节和电流环内环控制环节，所述有功功率外环控制环节包括常规功率控制环节和低电压故障穿越控制环节，
8.当双馈风力发电机组交流侧故障发生时，将低电压故障检测信号sig置0，由低电压故障穿越控制环节根据预设的控制算法输出内环电流指令值；
9.当双馈风力发电机组交流侧故障清除时，将低电压故障检测信号sig置1，由常规功率控制环节根据预设的控制算法输出内环电流指令值；
10.并且，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0或者由0变为1时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源进行切换。
11.进一步的，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源进行切换包括，由风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
wind_ref
切换为风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
。
12.进一步的，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源进行切换包括，由风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
切换为风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
wind_ref
。
13.进一步的，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，重置常规功率控制环节中控制器的积分项为当前内环电流指令值。
14.进一步的，所述常规功率控制环节中包括斜坡处理环节，所述斜坡处理环节对风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源进行处理。
15.根据本发明的另一个方面，提供了一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制系统，所述控制系统包括有功功率外环控制模块和电流环内环控制模块，所述有功功率外环控制模块包括常规功率控制模块和低电压故障穿越控制模块；其中，
16.所述低电压故障穿越控制模块，当双馈风力发电机组交流侧故障发生时，低电压故障检测信号sig为0时，根据预设的控制算法输出内环电流指令值至所述电流环内环控制模块；
17.所述常规功率控制模块，当双馈风力发电机组交流侧故障清除时，低电压故障检测信号sig为1时，根据预设的控制算法输出内环电流指令值至所述电流环内环控制模块；并且，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0或者由0变为1时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源进行切换。
18.进一步的，所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0时，该常规功率控制模块中的风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源由风电
场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
wind_ref
切换为风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
。
19.进一步的，所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，该常规功率控制模块中的风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源由风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
切换为风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
wind_ref
。
20.进一步的，所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，该常规功率控制模块中控制器的积分项重置为当前内环电流指令值。
21.进一步的，所述常规功率控制模块，还包括斜坡处理模块；
22.所述斜坡处理模块，对风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源进行处理理。
23.综上所述，本发明提供了一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法及控制系统，在不改变双馈风力发电机组中机侧变流器原有控制架构的基础上，通过对有功功率外环进行改造优化，当交流故障发生后，风力发电机组的实际功率指令值可以快速跟随其并网点输出功率，使常规功率控制环节控制器在故障期间不会出现饱和现象，当交流故障清除后，风力发电机组的实际功率指令值将以一定的斜率逐渐恢复至故障前功率指令值，同时对低电压故障穿越环节和常规有功功率控制环节的切换进行了平滑处理，使得故障清除后，风力发电机组能够平稳且逐渐恢复出力，降低对mmc的功率冲击且为mmc留有充裕的调节时间，避免交流故障恢复期间mmc出现严重功率盈余，进而导致子模块电压升高，直流侧和交流侧出现严重过电压的现象。
附图说明
24.图1是现有技术中极内混合直流输电系统的结构示意图；
25.图2是现有技术中双馈感应风力发电机组的结构示意图；
26.图3是现有技术中机侧变流器功率外环结构示意图；
27.图4是本发明机侧变流器功率外环结构改进示意图；
28.图5是本发明双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法流程图；
29.图6是本发明双馈风电混合直流送出系统交流故障控制系统结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
31.下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。针对现有技术中的机侧变流器功率外环控制方法，在故障期间风电场输出功率受阻，有功功率控制器未进行任何处理会出现饱和现象，待故障清除且风电场并网点交流电压正常建立后，控制器饱和将导致风电场输出功率出现功率阶跃，功率迅速回升并产生超调，造成低阀组mmc出现功率盈，子模块电压升高，直流侧和交流侧均出现过电压现象，存在损坏设备以及风电场并网点电压过
高致使风机脱网的风险。因此，本发明对于上述外环控制方法进行了改进，改造后的机侧变流器有功功率外环控制示意图如图4所示，在不改变双馈风力发电机组原有控制策略架构的基础上，对有功功率外环进行了优化改造，增加了指令值切换环节、斜坡处理环节以及控制器复位操作。p
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由p
wind_ref
或p
wind
进行赋值，并且在p
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由p
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或p
wind
进行赋值时，添加斜坡处理环节，该斜坡处理环节具有下降速度快、上升速度慢的特点，当故障检测信号sig置0后，交流故障发生后风力发电机组输出功率受阻导致p
wind
降低，p
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应能迅速降低至p
wind
，使控制器的输入为0，当故障检测信号sig置1后，说明交流故障已清除，此时p
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应斜坡恢复至根据调度指令下发的有功功率指令值p
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，使风电机组逐渐恢复出力，斜坡处理环节的速率可根据具体条件进行相适应的设置。当故障检测信号sig由0置为1时，重置常规控制环节中控制器的积分项为当前内环电流指令值，上述做法可以实现故障清除后低电压穿越控制环节与常规功率控制环节的平滑切换，确保风力发电机组平稳恢复出力。基于以上原理，根据本发明的一个实施例，提供了一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法，该控制方法的流程图如图5所示，所述控制方法中，包括有功功率外环控制环节和电流环内环控制环节，所述有功功率外环控制环节包括常规功率控制环节和低电压故障穿越控制环节。当双馈风力发电机组交流侧故障发生时，将低电压故障检测信号sig置0，由低电压故障穿越控制环节根据预设的控制算法输出内环电流指令值；当双馈风力发电机组交流侧故障清除时，将低电压故障检测信号sig置1，由常规功率控制环节根据预设的控制算法输出内环电流指令值。当所述低电压故障检测信号sig由1变为0时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行切换：由风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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切换为风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
。当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
wind_ref_real
的赋值源进行切换：由风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
切换为风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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。
32.根据本发明的另一个实施例，提供了一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制系统，该系统的结构示意图如图6所示，所述控制系统包括有功功率外环控制模块和电流环内环控制模块，所述有功功率外环控制模块包括常规功率控制模块和低电压故障穿越控制模块。其中，所述低电压故障穿越控制模块，当双馈风力发电机组交流侧故障发生时，低电压故障检测信号sig为0时，根据预设的控制算法输出内环电流指令值至所述电流环内环控制模块；所述常规功率控制模块，当双馈风力发电机组交流侧故障清除时，低电压故障检测信号sig为1时，根据预设的控制算法输出内环电流指令值至所述电流环内环控制模块。所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0时，该常规功率控制模块中的风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源由风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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切换为风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
。所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，该常规功率控制模块中的风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源由风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
切换为风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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。所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，该常规功率控制模块中控制器的积分项重置为当前内环电流指令值。所述常规功率控
制模块，还包括斜坡处理模块，对风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行处理。
33.综上所述，本发明涉及一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法及控制系统，在不改变双馈风力发电机组中机侧变流器原有控制架构的基础上，通过对有功功率外环进行改造优化，当交流故障发生后，风力发电机组的实际功率指令值可以快速跟随其并网点输出功率，使常规功率控制环节控制器在故障期间不会出现饱和现象，当交流故障清除后，风力发电机组的实际功率指令值将以一定的斜率逐渐恢复至故障前功率指令值，同时对低电压故障穿越环节和常规有功功率控制环节的切换进行了平滑处理，使得故障清除后，风力发电机组能够平稳且逐渐恢复出力，降低对mmc的功率冲击且为mmc留有充裕的调节时间，避免交流故障恢复期间mmc出现严重功率盈余，进而导致子模块电压升高，直流侧和交流侧出现严重过电压的现象。
34.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：
1.一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法，所述控制方法包括有功功率外环控制环节和电流环内环控制环节，所述有功功率外环控制环节包括常规功率控制环节和低电压故障穿越控制环节，其特征在于，当双馈风力发电机组交流侧故障发生时，将低电压故障检测信号sig置0，由低电压故障穿越控制环节根据预设的控制算法输出内环电流指令值；当双馈风力发电机组交流侧故障清除时，将低电压故障检测信号sig置1，由常规功率控制环节根据预设的控制算法输出内环电流指令值；并且，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0或者由0变为1时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行切换。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行切换包括，由风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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切换为风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
。3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行切换包括，由风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
切换为风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，重置常规功率控制环节中控制器的积分项为当前内环电流指令值。5.根据权利要求2或4所述的控制方法，其特征在于，所述常规功率控制环节中包括斜坡处理环节，所述斜坡处理环节对风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行处理。6.一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制系统，其特征在于，所述控制系统包括有功功率外环控制模块和电流环内环控制模块，所述有功功率外环控制模块包括常规功率控制模块和低电压故障穿越控制模块；其中，所述低电压故障穿越控制模块，当双馈风力发电机组交流侧故障发生时，低电压故障检测信号sig为0时，根据预设的控制算法输出内环电流指令值至所述电流环内环控制模块；所述常规功率控制模块，当双馈风力发电机组交流侧故障清除时，低电压故障检测信号sig为1时，根据预设的控制算法输出内环电流指令值至所述电流环内环控制模块；并且，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0或者由0变为1时，对常规功率控制环节中风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行切换。7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由1变为0时，该常规功率控制模块中的风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源由风电场控制器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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切换为风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
。8.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，该常规功率控制模块中的风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源由风力发电机组并网点实际输出有功功率p
wind
切换为风电场控制
器根据调度指令下发的风电发电机组有功功率指令值p
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。9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述常规功率控制模块，当所述低电压故障检测信号sig由0变为1时，该常规功率控制模块中控制器的积分项重置为当前内环电流指令值。10.根据权利要求7或9所述的控制系统，其特征在于，所述常规功率控制模块，还包括斜坡处理模块；所述斜坡处理模块，对风力发电机组实际有功功率指令值p
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的赋值源进行处理。

技术总结
本发明涉及一种双馈风电混合直流送出系统交流故障控制方法及控制系统，通过对有功功率外环进行改造优化，当交流故障发生后，风力发电机组的实际功率指令值可以快速跟随其并网点输出功率，当交流故障清除后，风力发电机组的实际功率指令值将以一定的斜率逐渐恢复至故障前功率指令值，同时对低电压故障穿越环节和常规有功功率控制环节的切换进行了平滑处理，使得故障清除后，风力发电机组能够平稳且逐渐恢复出力，降低对MMC的功率冲击且为MMC留有充裕的调节时间，避免交流故障恢复期间MMC出现严重功率盈余，进而导致子模块电压升高，直流侧和交流侧出现严重过电压的现象。直流侧和交流侧出现严重过电压的现象。直流侧和交流侧出现严重过电压的现象。


技术研发人员：朱龙臻 平明丽 杨美娟 王先为 吴金龙
受保护的技术使用者：国家电网有限公司 国网江苏省电力有限公司
技术研发日：2020.11.05
技术公布日：2022/5/25