一種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法，該控制方法利用直流電容和DFIG轉(zhuǎn)子動能去模擬同步發(fā)電機(jī)慣量。在電網(wǎng)擾動下，GSVSC首先通過直流電壓滑差控制，使直流電容相應(yīng)地吸收或釋放能量。然后，WFVSC在感受直流電壓的波動后，將變化的直流電壓通過變頻控制轉(zhuǎn)化成風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)變化的頻率信號。這樣就實現(xiàn)了海上和岸上交流系統(tǒng)的人工耦合，省去了兩端換流站之間的通訊。最后，為響應(yīng)WFVSC頻率變化，DFIG功率控制器將調(diào)整功率指令值，使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)改變。通過一系列協(xié)同控制，海上風(fēng)場將參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，對大型海上風(fēng)場接入有重要意義。
【專利說明】—種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海上風(fēng)力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]VSC-HVDC (柔性直流輸電系統(tǒng))是遠(yuǎn)距離大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)相比，VSC-HVDC可獨(dú)立調(diào)節(jié)輸出的有功和無功功率，為諸如海上風(fēng)電的無源和孤島系統(tǒng)提供電壓支撐能力。
[0003]點(diǎn)對點(diǎn)柔性直流輸電系統(tǒng)由兩端換流站經(jīng)海底直流電纜相連接。其中WFVSC (風(fēng)場側(cè)換流站)主要收集由DFIG (雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī))發(fā)出的能量，而GSVSC (網(wǎng)側(cè)換流站)為了傳遞風(fēng)能到電網(wǎng)側(cè)，具體拓?fù)淙鐖D1所示。其中，海上風(fēng)電場由多臺DFIG并機(jī)組成，DFIG內(nèi)部包括有RSC (轉(zhuǎn)子側(cè)換流器)和GSC (網(wǎng)側(cè)換流器)，DFIG將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為交流電能注入海上交流母線上，經(jīng)VSC-HVDC功率調(diào)節(jié)后將電能傳送至岸上交流系統(tǒng)。
[0004]用于海上風(fēng)電場接入的VSC-HVDC包含兩端換流器控制。對于GSVSC，其控制策略采用電網(wǎng)電壓定向坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)電壓同向。整個控制器由兩級控制構(gòu)成。外環(huán)控制器分別控制直流電壓和與岸上電網(wǎng)交換的無功功率。內(nèi)環(huán)電流控制以跟蹤外環(huán)控制器產(chǎn)生的電流參考值，產(chǎn)生所需交流電壓。具體控制如圖2所示。WFVSC運(yùn)行在給定的電壓幅值和頻率下運(yùn)行，類似無窮大電源一樣，控制策略如圖3所示；WFVSC參考頻率在穩(wěn)態(tài)下保持恒定。海上交流電壓幅值將由外環(huán)電壓控制和內(nèi)環(huán)電流控制構(gòu)成。這種控制不僅能快速的跟蹤實際電流，更能在風(fēng)場側(cè)發(fā)生交流故障時限制故障電流。
[0005]在傳統(tǒng)控制方式下，由于直流輸電有效解耦了海上和岸上兩端交流電網(wǎng)。這一特性將導(dǎo)致海上風(fēng)電場很難為電力系統(tǒng)提供慣性支撐。不斷增加的風(fēng)力機(jī)容量，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的有效慣量不斷減少，使電力系統(tǒng)成為一個低慣量系統(tǒng)。低慣量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)動能小，在負(fù)荷變化和系統(tǒng)故障下，會導(dǎo)致頻率的大范圍偏移，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0006]DFIG能獨(dú)立控制其發(fā)出的有功、無功功率。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，DFIG發(fā)出有功由最大功率跟蹤(MPPT)所控；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，其發(fā)出功率由槳矩角控制限制為額定功率，其控制策略如圖4所示。
[0007]由于異步電機(jī)特性，儲存在DFIG中的轉(zhuǎn)子動能將有效地與電網(wǎng)解耦。在電網(wǎng)擾動下，相比傳統(tǒng)的FSIG (定速感應(yīng)電機(jī))，DFIG獨(dú)特的變速運(yùn)行能力使其能有效利用儲存在轉(zhuǎn)子中的動能為電網(wǎng)提供頻率支撐。引入DFIG頻率特性的一種直接方法是人為耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。Morren等人在標(biāo)題為Wind turbine emulating inertiaand supporting primary frequency control (Power Systems, IEEE transactionon, 2006.21 (I):p.433-434)的文獻(xiàn)中提出用電網(wǎng)頻率的偏差來修改DFIG的有功參考值，但這種方法都只用于交流電網(wǎng)，對風(fēng)能通過VSC-HVDC送出系統(tǒng)很難使用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法，能夠在電網(wǎng)擾動下，通過直流電容和DFIG轉(zhuǎn)子動能來提高電力系統(tǒng)慣性水平，減小陸上交流電網(wǎng)的頻率變化。
[0009]一種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法，包括如下步驟:
[0010]( I)通過鎖相環(huán)檢測岸上交流系統(tǒng)的頻率f，根據(jù)頻率f通過直流電壓滑差控制算法，計算得到GSVSC的直流電壓參考值VMf ；
[0011](2)根據(jù)直流電壓參考值Vref，采用定直流電壓和定無功功率的控制策略對GSVSC進(jìn)行控制；
[0012](3)檢測WFVSC的直流母線電壓VDC，根據(jù)直流母線電壓Vdc通過變頻控制算法，計算得到WFVSC的頻率參考值fMf ；
[0013](4)根據(jù)頻率參考值fMf，采用定交流電壓和定頻率的控制策略對WFVSC進(jìn)行控制；
[0014](5)檢測風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率fWF，根據(jù)頻率fwp通過變功率控制算法，計算DFIG的有功功率參考值PMf ;
[0015](6)根據(jù)有功功率參考值PMf，采用定有功功率和定無功功率的控制策略對DFIG的RSC進(jìn)行控制。
[0016]所述的步驟(I)中的直流電壓滑差控制算法基于以下算式:
[0017]Vref=Knc (f-f0)+V0
[0018]其中:KDC為比例系數(shù)，f0為岸上交流系統(tǒng)的頻率初值，V0為GSVSC的直流電壓初值。
[0019]所述的步驟(3)中的變頻控制算法基于以下算式:
[0020]fref=Ka (Vdc-V0) +fff0
[0021]其中:KA為比例系數(shù)，V0為GSVSC的直流電壓初值，fff0為風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率初值。
[0022]所述的步驟(5)中的變功率控制算法基于以下算式:
[0023]Pref-Kp (fffF_fff0) +P0
[0024]其中:Kp為比例系數(shù)，fff0為風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率初值，P0為DFIG的有功功率準(zhǔn)
參考值。
[0025]所述的有功功率準(zhǔn)參考值Ptl根據(jù)DFIG的轉(zhuǎn)速通過MPPT控制算法計算得到。
[0026]在傳統(tǒng)GSVSC的控制策略中，直流電壓的參考值是保持恒定不變的。然而在本發(fā)明協(xié)同控制策略中，讓直流電壓的參考值隨電網(wǎng)頻率呈線性變化；在直流電壓滑差控制下，直流母線電容將隨著外界電網(wǎng)頻率的波動不斷的吸收或釋放電能，以提供一定的慣性支撐。
[0027]本發(fā)明協(xié)同控制策略需要使風(fēng)電場感受網(wǎng)側(cè)頻率的變化。直接頻率信號的通信對長距離海上風(fēng)電送出并不可靠。一方面，網(wǎng)側(cè)頻率已被轉(zhuǎn)化為GSVSC的直流電壓信號，若忽略直流輸電中流過直流電纜的有功損耗，WFVSC和GSVSC的直流電壓可認(rèn)為一致；另一方面，海上基本沒有商業(yè)和家用負(fù)荷，可讓海上交流電網(wǎng)在變化頻率下運(yùn)行。故WFVSC可通過電壓-頻率滑差控制讓波動的直流電壓轉(zhuǎn)化成波動的海上交流系統(tǒng)頻率。這樣，網(wǎng)側(cè)頻率變化首先被轉(zhuǎn)化為GSVSC或WFVSC的直流電壓變化，然后再轉(zhuǎn)化成WFVSC頻率的變化，成功實現(xiàn)海上交流電網(wǎng)與岸上交流電網(wǎng)頻率的耦合。
[0028]為使風(fēng)場有功功率響應(yīng)WFVSC頻率變化，本發(fā)明將反映頻率偏差的附加有功功率值加在原有功功率指令值上，一方面通過改變有功功率指令值，DFIG中電力電子換流器能實現(xiàn)有功功率的快速跟蹤；另一方面，由于改變了有功功率指令值，其機(jī)械功率和電磁功率的差額將全部加在DFIG的轉(zhuǎn)子上。這樣，DFIG的轉(zhuǎn)子動能將全部用于系統(tǒng)的慣性支撐。
[0029]在協(xié)調(diào)控制下，直流電容和DFIG轉(zhuǎn)子共同提供慣性支撐，若岸上交流系統(tǒng)頻率降低情況，GSVSC首先降低直流電壓的參考值以響應(yīng)降低的電網(wǎng)頻率；同時，經(jīng)過WFVSC的變頻控制，降低的直流電壓信號轉(zhuǎn)化為降低的WFVSC頻率信號；進(jìn)而，DFIG通過比例控制增加其輸出的有功功率，通過一系列的協(xié)調(diào)控制，電網(wǎng)頻率的變化的范圍和速度將降低，電力系統(tǒng)整體穩(wěn)定性將增加。
[0030]故相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過協(xié)同控制策略將岸上交流電網(wǎng)和海上交流電網(wǎng)實現(xiàn)人工耦合，該控制策略通過模擬同步電機(jī)提供慣性支撐，在電網(wǎng)擾動下，直流電容和DFIG轉(zhuǎn)子動能來提高電力系統(tǒng)慣性水平；此外，通過人為耦合海上和陸上交流電網(wǎng)頻率，換流站之間的遠(yuǎn)端通信可省去，提高了系統(tǒng)可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為GSVSC的傳統(tǒng)控制策略示意圖。
[0033]圖3為WFVSC的傳統(tǒng)控制策略示意圖。
[0034]圖4為簡化的DFIG有功功率控制示意圖。
[0035]圖5為本發(fā)明協(xié)同控制策略的示意圖。
[0036]圖6為測試系統(tǒng)的單線圖
[0037]圖7(a)為采用本發(fā)明控制策略和采用傳統(tǒng)控制策略下系統(tǒng)頻率的波形示意圖。
[0038]圖7(b)為采用本發(fā)明控制策略和采用傳統(tǒng)控制策略下同步電機(jī)有功功率的波形示意圖。
[0039]圖7(c)為采用本發(fā)明控制策略和采用傳統(tǒng)控制策略下直流電壓的波形示意圖。
[0040]圖7 (d)為采用本發(fā)明控制策略和采用傳統(tǒng)控制策略下GSVSC有功功率的波形示意圖。
[0041]圖7(e)為采用本發(fā)明控制策略和采用傳統(tǒng)控制策略下風(fēng)電場有功功率的波形示意圖。
[0042]圖7(f)為采用本發(fā)明控制策略和采用傳統(tǒng)控制策略下DFIG轉(zhuǎn)速的波形示意圖。【具體實施方式】
[0043]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0044]如圖5所示，一種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法，該控制方法利用直流母線電容和DFIG轉(zhuǎn)子動能去模擬同步發(fā)電機(jī)慣量。在電網(wǎng)擾動下，GSVSC首先通過直流電壓滑差控制，使直流電容相應(yīng)地吸收或釋放能量。然后，WFVSC在感受直流電壓的波動后，將變化的直流電壓通過變頻控制轉(zhuǎn)化成風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)變化的頻率信號。這樣就實現(xiàn)了海上和岸上交流系統(tǒng)的人工耦合，省去了兩端換流站之間的通訊。最后，為響應(yīng)WFVSC頻率變化，DFIG功率控制器將調(diào)整功率指令值，使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)改變。通過一系列協(xié)同控制，海上風(fēng)場將參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。
[0045]岸上交流系統(tǒng)發(fā)生擾動后，通過VSC和DFIG的協(xié)調(diào)控制，直流母線電容的能量和DFIG的轉(zhuǎn)子動能能夠部分補(bǔ)償電網(wǎng)頻率波動時的不平衡功率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性；協(xié)同控制策略主要包括三方面=GSVSC直流電容慣性支撐，WFVSC變頻控制和風(fēng)場有功功率變化，具體執(zhí)行流程如下:
[0046](I)當(dāng)網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)受擾后，GSVSC將檢測到降低的頻率信號，通過GSVSC的滑差控制策略，轉(zhuǎn)換成降低的直流電壓參考值。通過GSVSC的定直流電壓控制策略，使得直流電壓降低；這時，直流電容將釋放一部分能量，支援網(wǎng)側(cè)的功率缺額。具體實施過程如下:
[0047]首先，通過鎖相環(huán)PLL檢測岸上交流系統(tǒng)的頻率f，根據(jù)頻率f通過基于以下算式的直流電壓滑差控制算法，計算得到GSVSC的直流電壓參考值Vref ；
[0048]Vref=Knc (f-f0)+V0
[0049]其中:KDC為比例系數(shù)，f0為岸上交流系統(tǒng)的頻率初值(lp.u.)，Vtl為GSVSC的直流電壓初值(lp.U.)。
[0050]進(jìn)而根據(jù)直流電壓參考值VMf，采用如圖2所示的定直流電壓和定無功功率的控制策略對GSVSC進(jìn)行控制。
[0051](2)由于直流輸電中流過直流電纜的有功損耗可忽略，故GSVSC和WFVSC的直流電壓的下降可近似認(rèn)為相等。通過WFVSC的變頻控制策略，即通過檢測降低的直流電壓，將降低的直流電壓信號，轉(zhuǎn)換為海上交流電網(wǎng)降低的電網(wǎng)頻率信號。通過WFVSC的變頻控制策略，人為的將陸上交流網(wǎng)側(cè)的頻率信號與海上交流網(wǎng)的頻率信號耦合，省去了換流站之間的通訊，增加了系統(tǒng)的可靠性。具體實施過程如下:
[0052]首先，通過檢測WFVSC的直流母線電壓VDC，根據(jù)直流母線電壓Vdc通過基于以下算式的變頻控制算法，計算得到WFVSC的頻率參考值fMf ；
[0053]f ref=Ka (Vdc-V0)+fff0
[0054]其中:KA為比例系數(shù)，fff0為風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率初值(lp.u.)。
[0055]進(jìn)而根據(jù)頻率參考值fMf，采用如圖3所示的定交流電壓和定頻率的控制策略對WFVSC進(jìn)行控制。
[0056](3) DFIG通過檢測海上交流系統(tǒng)降低的頻率信號，將降低的頻率信號通過比例偏差控制，轉(zhuǎn)化成為有功功率的偏差加在原DFIG有功功率指令值上。這里，比例偏差控制中的比例系數(shù)為負(fù)值，這樣，在檢測到系統(tǒng)頻率降低后，DFIG將自動提高DFIG有功功率指令值。由于DFIG中換流器能在IOms內(nèi)快速控制發(fā)出的有功和無功功率。故DFIG能迅速發(fā)出多余的有功功率，提供系統(tǒng)的功率缺額；由于原動機(jī)的功率與DFIG實際發(fā)出功率的差額將導(dǎo)致DFIG轉(zhuǎn)子減速。具體實施過程如下:
[0057]首先，通過檢測風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率，根據(jù)頻率fWF通過基于以下算式的變功率控制算法，計算DFIG的有功功率參考值P,ef ；
[0058]Pref=Kp (fffF-fff0) +P0[0059]其中:KP為比例系數(shù)，P0為DFIG的有功功率準(zhǔn)參考值，其根據(jù)DFIG的轉(zhuǎn)速通過MPPT控制算法計算得到。
[0060]進(jìn)而根據(jù)有功功率參考值PMf，采用如圖4所示的定有功功率和定無功功率的控制策略對DFIG的RSC進(jìn)行控制。
[0061]以下以海上風(fēng)電場通過柔性直流輸電系統(tǒng)接入電網(wǎng)為例，驗證本實施方式協(xié)同控制策略的控制效果。圖6為測試系統(tǒng)的單線圖。其中，WFVSC負(fù)責(zé)收集風(fēng)場能量并維持海上交流交流電壓穩(wěn)定，GSVSC負(fù)責(zé)向弱交流系統(tǒng)送電。該若交流系統(tǒng)只含有一臺同步電機(jī)和相關(guān)負(fù)荷，所需電能均由同步電機(jī)和風(fēng)場共同提供。與交流系統(tǒng)相連的負(fù)載可分為兩部分，一部分為固定負(fù)載，一部分為可變負(fù)載?？勺冐?fù)載占固定負(fù)載容量的10%。在t=5s時，將可變負(fù)載切除，圖7為負(fù)載突減時系統(tǒng)慣性響應(yīng)曲線。
[0062]圖7中，可變負(fù)載被瞬間切除。由圖7(a)可知，加入?yún)f(xié)調(diào)控制器后，系統(tǒng)頻率的上升速率較傳統(tǒng)控制策略有明顯下降，這意味著所提出的協(xié)調(diào)控制策略可為系統(tǒng)提供強(qiáng)的慣性支撐作用，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。在協(xié)調(diào)控制策略下，直流電容和風(fēng)電場共同吸收由于負(fù)載突降所產(chǎn)生的能量缺額。由圖7(d)、7(e)可以看出，當(dāng)采取傳統(tǒng)控制策略時，風(fēng)場不需要提供額外的有功功率以支撐系統(tǒng)的慣性響應(yīng)。由于風(fēng)場自動降低其有功出力，采用協(xié)調(diào)控制策略時GSVSC的有功功率比采取傳統(tǒng)控制策略時有明顯降低。此外，從圖7(f)可以看出，點(diǎn)劃線代表的傳統(tǒng)控制策略在頻率發(fā)生改變時無法為系統(tǒng)提供慣性支撐，而由實線曲線代表的協(xié)同控制策略在電網(wǎng)頻率發(fā)生擾動時通過DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)提供慣量支撐。圖7(b)給出了同步電機(jī)的有功出力曲線，可看出當(dāng)負(fù)載瞬時降低時，采取協(xié)調(diào)控制策略下的同步電機(jī)的有功功率下降幅度最小。隨著調(diào)速器的作用，GSVSC的功率輸送將回到原有水平。
[0063]因此在本實施方式協(xié)調(diào)控制策略的作用下，風(fēng)場以及柔性直流輸電系統(tǒng)全部參與到初始頻率的控制環(huán)節(jié)中，這對于大型海上風(fēng)場接入有重要意義。
【權(quán)利要求】
1.一種提高電力系統(tǒng)慣性水平的風(fēng)電場-柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)同控制方法，包括如下步驟: (1)通過鎖相環(huán)檢測岸上交流系統(tǒng)的頻率f，根據(jù)頻率f通過直流電壓滑差控制算法，計算得到GSVSC的直流電壓參考值VMf ； (2)根據(jù)直流電壓參考值VMf，采用定直流電壓和定無功功率的控制策略對GSVSC進(jìn)行控制； (3)檢測WFVSC的直流母線電壓VD。，根據(jù)直流母線電壓VD。通過變頻控制算法，計算得到WFVSC的頻率參考值fMf ； (4)根據(jù)頻率參考值fMf，采用定交流電壓和定頻率的控制策略對WFVSC進(jìn)行控制； (5)檢測風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率fWF，根據(jù)頻率fwp通過變功率控制算法，計算DFIG的有功功率參考值PMf ; (6)根據(jù)有功功率參考值P,ef，采用定有功功率和定無功功率的控制策略對DFIG的RSC進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同控制方法，其特征在于:所述的步驟(1)中的直流電壓滑差控制算法基于以下算式:
Vref=Knc (f-f0)+V0 其中:KDC為比例系數(shù)，f0為岸上交流系統(tǒng)的頻率初值，V0為GSVSC的直流電壓初值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同控制方法，其特征在于:所述的步驟(3)中的變頻控制算法基于以下算式:
f ref_KA (VDC_V0) +fff0 其中:KA為比例系數(shù)，V0為GSVSC的直流電壓初值，fff0為風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率初值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同控制方法，其特征在于:所述的步驟(5)中的變功率控制算法基于以下算式:
Pref-Kp (fffF_fff0) +P0 其中:KP為比例系數(shù)，fff0為風(fēng)場側(cè)交流系統(tǒng)的頻率初值，P0為DFIG的有功功率準(zhǔn)參考值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的協(xié)同控制方法，其特征在于:所述的有功功率準(zhǔn)參考值Ptl根據(jù)DFIG的轉(zhuǎn)速通過MPPT控制算法計算得到。
【文檔編號】H02J3/36GK103825293SQ201410076324
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】徐政, 李宇駿, 劉昇, 劉莉蕓, 薛英林, 游廣增 申請人:浙江大學(xué), 云南電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心