雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法及系統與流程

本發明涉及雙饋風電機組的并網控制技術領域，具體涉及一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法及系統。

背景技術：

隨著風電并網規模越來越大，其并網性能對電網安全穩定運行的影響也越來越大。為了增強電網的暫態穩定性和避免大規模風電脫網事故的發生，需要提高風電場的低電壓穿越性能。相應地，國家標準GB/T 19963《風電場接入電力系統技術規定》制定了風電機組的低電壓穿越能力的基本要求：對電力系統故障期間沒有切出的風電場，其有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少10％額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。

同時，風電并網后還會影響電力系統的低頻振蕩阻尼特性，主要是，風電的接入改變了電力系統潮流或改變了系統中常規同步發電機組的工作點，從而影響了與常規同步機組強相關的低頻振蕩模式。當電力系統中風電機組占比逐漸增高，常規同步機組退出運行后，電力系統中這些常規同步機組參與的低頻振蕩模式將會消失或低頻振蕩模式特性將會發生變化，從而影響電力系統的低頻振蕩阻尼特性。因此，在風電滲透率不斷上升這個新形勢下，各個國家的并網導則中逐漸開始要求變速風電機組具有頻率支撐和電壓調節等輔助功能，如西班牙、加拿大魁北克電網公司在其并網導則中指出新安裝的變速風電機組推薦配置電力系統阻尼控制功能或預留阻尼控制器的接口等。通過合適的風電機組阻尼控制策略可以使系統低頻振蕩阻尼不受風電接入的較大影響，甚至改善系統的低頻振蕩阻尼特性。風電機組阻尼控制策略主要是在常規風電機組控制的基礎上，加入相應的阻尼控制器，以某些能反映電力系統低頻振蕩特征的輸入信號，來控制風電機組使其輸出額外功率，從而抑制相應的電力系統低頻振蕩，增強系統阻尼。

目前，風電機組控制策略一般是針對低電壓穿越控制或者阻尼控制獨立設計。但是，變速風電機組尤其是雙饋風電機組在實現故障穿越過程中的功率控制和阻尼控制均需要通過變流器實現。在電網故障的情況下如果變流器的故障穿越控制與阻尼控制協調不當，可能由于兩個控制支路的輸出疊加，影響雙饋風電機組在故障后的功率輸出動態性能，嚴重情況下甚至可能會帶來過流等問題導致雙饋風電機組脫網。

技術實現要素：

為了克服現有技術的缺陷，本發明提供了一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法及系統。

第一方面，本發明中一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法的技術方案是：

所述方法包括：

依據所述雙饋風電機組的機端電壓幅值和預設的有功功率恢復值，對所述雙饋風電機組的運行階段進行劃分；

控制所述雙饋風電機組執行所述各運行階段預設的控制策略；所述控制策略包括低電壓穿越控制策略、故障恢復策略或阻尼控制策略。

第二方面，本發明中一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制系統的技術方案是：

所述系統包括：

第一控制模塊，用于依據所述雙饋風電機組的機端電壓幅值和預設的有功功率恢復值，對所述雙饋風電機組的運行階段進行劃分；

第二控制模塊，用于控制所述雙饋風電機組執行所述各運行階段預設的控制策略；所述控制策略包括低電壓穿越控制策略、故障恢復策略或阻尼控制策略。

與最接近的現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明提供的一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法，通過設置有功功率恢復值將電網故障消除后時間分割為兩個階段，在故障消除的初期僅運行故障恢復策略，在故障消除的后期運行阻尼控制策略，通過上述協調控制可以避免在故障消除后的恢復期間雙饋風電機組的并網變流器同時輸出故障恢復策略和阻尼控制策略的控制信號，影響雙饋風電機組在故障后的功率輸出動態特性；

2、本發明提供的一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制系統，第一控制模塊可以依據雙饋風電機組的機端電壓幅值和預設的有功功率恢復值將雙饋風電機組的運行階段劃分為多個運行階段；第二控制模塊可以控制雙饋風電機組執行各運行階段預設的控制策略，因此通過設定各階段的控制策略可以避免在故障消除后的恢復期間雙饋風電機組的并網變流器同時輸出故障恢復策略和阻尼控制策略的控制信號，影響雙饋風電機組在故障后的功率輸出動態特性。

附圖說明

圖1：本發明實施例中一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法實施流程圖；

圖2：本發明實施例中另一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法實施流程圖；

圖3：本發明實施例中雙饋風電機組控制策略的原理圖；

圖4：本發明實施例中雙饋風電機組并網仿真接線圖；

圖5：本發明實施例中不同控制策略下雙饋風電機組的功率輸出特性曲線；

圖6：本發明實施例中不同控制策略下雙饋風電機組的有功功率輸出特性曲線。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地說明，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

下面分別結合附圖，對本發明實施例提供的一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法進行說明。

圖1為本發明實施例中一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法實施流程圖，如圖所示，本實施例中雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法可以按照下述步驟實施，具體為：

步驟S101：依據雙饋風電機組的機端電壓幅值和預設的有功功率恢復值，對雙饋風電機組的運行階段進行劃分。

步驟S102：控制雙饋風電機組執行各運行階段預設的控制策略；控制策略包括低電壓穿越控制策略、故障恢復策略或阻尼控制策略。

本實施例中通過設置有功功率恢復值將電網故障消除后時間分割為兩個階段，在故障消除的初期僅運行故障恢復策略，在故障消除的后期運行阻尼控制策略，通過上述協調控制可以避免在故障消除后的恢復期間雙饋風電機組的并網變流器同時輸出故障恢復策略和阻尼控制策略的控制信號，影響雙饋風電機組在故障后的功率輸出動態特性。

進一步地，本實施例步驟S101還包括下述步驟：

本實施例中依據雙饋風電機組的機端電壓幅值和預設的有功功率恢復值，對雙饋風電機組的運行階段進行劃分包括：

當U₁≤U_T≤U₂時雙饋風電機組處于第一運行階段。U_T為機端電壓幅值的標幺值，U₁為標幺值的下限值；U₂為標幺值的上限值。

當U_T＞U₂且雙饋風電機組輸出的有功功率未達到預設的有功功率恢復值時雙饋風電機組處于第二運行階段。同時，第二運行階段也可以稱為故障消除后的初期階段。

當U_T＞U₂且雙饋風電機組輸出的有功功率超過預設的有功功率恢復值時雙饋風電機組處于第三運行階段。同時，第三運行階段也可以稱為故障消除后的后期階段。

當U_T＞U₂且雙饋風電機組輸出的有功功率達到其在電網發生故障之前穩定運行時輸出的有功功率值時，雙饋風電機組處于第四運行階段。

本實施例中標幺值的下限值可以為U₁＝0.2pu，標幺值的上限值可以為U₂＝0.9pu。

故障恢復策略的限制條件如下式(1)所示：

其中，P_E為雙饋風電機組執行故障恢復策略時輸出的有功功率值，為有功功率值的變化率，m為預設的變化率閾值，P_pre為電網未發生故障且雙饋風電機組穩定運行時輸出的有功功率值。

本實施例中預設的有功功率恢復值P_E1如下式(2)所示：

P_E1＝K×P_pre (2)

其中，K為故障消除的后期有功恢復百分比，本實施例中有功恢復百分比K＝0.5。

進一步地，本實施例步驟S102還包括下述步驟：

本實施例中控制雙饋風電機組執行各運行階段預設的控制策略可以按照下述步驟實施：

雙饋風電機組處于第一運行階段時，控制雙饋風電機組執行低電壓穿越控制策略。

雙饋風電機組處于第二運行階段時，控制雙饋風電機組退出低電壓穿越控制策略并執行故障恢復策略。

雙饋風電機組處于第三運行階段時，控制雙饋風電機組繼續執行故障恢復策略并執行阻尼控制策略。

雙饋風電機組處于第四運行階段時，控制雙饋風電機組退出故障恢復策略并繼續執行阻尼控制策略。

圖2為本發明實施例中另一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法實施流程圖，如圖所示，本實施例中雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法包括下述步驟：

1、測量雙饋風電機組的機端電壓幅值，并計算機端電壓幅值的標幺值。

2、依據步驟1計算得到的機端電壓幅值的標幺值和預設的有功功率恢復值，對雙饋風電機組的運行階段進行劃分。

3、控制雙饋風電機組執行所述各運行階段預設的控制策略。

當雙饋風電機組處于第一運行階段時，控制其執行低電壓穿越策略，在執行低電壓穿越策略的過程中繼續監測機端電壓幅值。

當機端電壓幅值上升至第二運行階段的范圍時，則可以認為故障已經消除，因此控制雙饋風電機組退出低電壓穿越控制策略并執行故障恢復策略，在執行故障恢復策略的過程中監測雙饋風電機組輸出的有功功率值。

當雙饋風電機組輸出的有功功率值達到預設的有功功率恢復值后，控制雙饋風電機組繼續執行故障恢復策略并執行阻尼控制策略。在執行故障恢復策略和阻尼控制策略的過程中繼續監測雙饋風電機組輸出的有功功率值。

當雙饋風電機組輸出的有功功率值達到電網未發生故障之前，雙饋風電機組穩定運行時輸出的有功功率值后，退出故障恢復策略并繼續執行阻尼控制策略。

圖3為本發明實施例中雙饋風電機組控制策略的原理圖，如圖所示，雙饋風電機組正常運行時采取功率外環控制和電流內環控制的雙閉環控制策略，功率外環控制和電流內環控制均采用PID控制策略。低電壓穿越控制策略中無功注入電流I_Q的限制條件為I_Q≥K(0.9-U_T)I_N，K為比例系數，推薦值為1.5，U_T為風電機組機端電壓幅值的標幺值，I_N為風電機組額定電流。

如圖3所示，本實施例中阻尼控制器包括二階帶通濾波器、死區控制器和限幅控制器。由于帶通濾波器對檢測頻率以外的頻率分量具有衰減作用，降低了各雙饋風電機組的阻尼控制器質檢的交互，因此本實施例中通過加入死區控制器避免在正常工況下阻尼控制器頻繁動作，同時限幅控制器可以限制阻尼控制器輸出值。

下面結合附圖對雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制方法進行仿真分析。

圖4為本發明實施例中雙饋風電機組并網仿真接線圖，如圖所示，本實施例中風電場與外部電網External grid連接，B1為風電場并網側母線，B2為外部電網External grid并網側母線。其中，風電場包括60臺單機容量為1.67MVA的雙饋風電機組，雙饋風電機組的轉子側設置撬棒電路，直流母線側并聯直流卸荷電路，分別用于抑制低電壓穿越過程中轉子回路的過電流和直流母線上的過電壓。本實施例中阻尼控制策略的頻率抑制目標為系統頻率為0.56Hz的低頻振蕩。

圖5為本發明實施例中不同控制策略下雙饋風電機組的功率輸出特性曲線，如圖所示，曲線1為無阻尼控制時雙饋風電機組的功率輸出特性曲線；曲線2為故障消除后雙饋風電機組輸出的有功功率恢復值發生故障前的水平時進行阻尼控制后雙饋風電機組的功率輸出特性曲線，即圖5中t＝7s；曲線3為故障消除后雙饋風電機組輸出的有功功率恢復期間進行阻尼控制后雙饋風電機組的功率輸出特性曲線，即圖5中t＝4s；曲線4為故障消除后雙饋風電機組輸出的有功功率開始恢復50ms時進行阻尼控制后雙饋風電機組的功率輸出特性曲線，即圖5中t＝1.2s。通過圖5可以得到在故障消除后進行阻尼控制可以降低系統的低頻振蕩。

圖6為本發明實施例中不同控制策略下雙饋風電機組的有功功率輸出特性曲線，如圖所示，曲線5為無阻尼控制時雙饋風電機組的有功功率輸出特性曲線；曲線6為故障消除后雙饋風電機組輸出的有功功率恢復值發生故障前的水平時進行阻尼控制后雙饋風電機組的功率輸出特性曲線，即圖5中t＝7s；曲線7為故障消除后雙饋風電機組輸出的有功功率恢復期間進行阻尼控制后雙饋風電機組的有功功率輸出特性曲線，即圖5中t＝4s；曲線8為故障消除后雙饋風電機組輸出的有功功率開始恢復50ms時進行阻尼控制后雙饋風電機組的有功功率輸出特性曲線，即圖5中t＝1.2s。通過圖6可以得到在故障消除后進行阻尼控制可以降低系統的低頻振蕩。

本發明還提供了一種雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制系統，并給出具體實施例。

本實施例中雙饋風電機組故障穿越與阻尼控制的協調控制系統包括第一控制模塊和第二控制模塊。其中，

第一控制模塊用于依據雙饋風電機組的機端電壓幅值和預設的有功功率恢復值，對雙饋風電機組的運行階段進行劃分。

第二控制模塊用于控制雙饋風電機組執行各運行階段預設的控制策略；控制策略包括低電壓穿越控制策略、故障恢復策略或阻尼控制策略。

本實施例中第一控制模塊可以依據雙饋風電機組的機端電壓幅值和預設的有功功率恢復值將雙饋風電機組的運行階段劃分為多個運行階段；第二控制模塊可以控制雙饋風電機組執行各運行階段預設的控制策略，因此通過設定各階段的控制策略可以避免在故障消除后的恢復期間雙饋風電機組的并網變流器同時輸出故障恢復策略和阻尼控制策略的控制信號，影響雙饋風電機組在故障后的功率輸出動態特性。

進一步地，本實施例中第一控制模塊還可以包括第一判斷子單元、第二判斷子單元、第三判斷子單元、第四判斷單元和有功功率恢復值計算模型。其中，

第一判斷子單元用于當U₁≤U_T≤U₂時確定雙饋風電機組處于第一運行階段；U_T為所述機端電壓幅值的標幺值，U₁為標幺值的下限值；U₂為標幺值的上限值。

第二判斷子單元用于當U_T＞U₂且雙饋風電機組輸出的有功功率未達到預設的有功功率恢復值時，確定雙饋風電機組處于第二運行階段。

第三判斷子單元用于當U_T＞U₂且雙饋風電機組輸出的有功功率超過預設的有功功率恢復值時，確定雙饋風電機組處于第三運行階段。

第四判斷子單元用于當U_T＞U₂且雙饋風電機組輸出的有功功率達到其穩定運行時輸出的有功功率值時，確定雙饋風電機組處于第四運行階段。

有功功率恢復值計算模型P_E1，如公式(2)所示。

進一步地，本實施例中第二控制模塊還可以包括第一控制子單元、第二控制子單元、第三控制子單元、第四控制子單元和故障恢復策略限制模型。其中，

第一控制子單元，用于在雙饋風電機組處于第一運行階段時，控制其執行低電壓穿越控制策略。

第二控制子單元，用于在雙饋風電機組處于第二運行階段時，控制其退出低電壓穿越控制策略并執行故障恢復策略。

第三控制子單元，用于在雙饋風電機組處于第三運行階段時，控制其繼續執行故障恢復策略并執行阻尼控制策略。

第四控制子單元，用于在雙饋風電機組處于第四運行階段時，控制其退出故障恢復策略并繼續執行阻尼控制策略。

故障恢復策略限制模型如公式(1)所示。

本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、系統、或計算機程序產品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。

本申請是參照根據本申請實施例的方法、設備(系統)、和計算機程序產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。