一种基于同步调相机的风电场故障穿越控制方法与流程

本发明属于电力系统及其自动化领域，特别涉及一种基于同步调相机的风电场故障穿越控制方法。

背景技术

21世纪以来，由于风能分布范围广，风力发电技术成熟且成本较低等优点，风电装机容量得到迅速发展，风力发电已经成为了我国除火力发电与水力发电之外的第三大发电方式，与新能源发电中的代表性能源。

随着风力发电在电网中所占比例越来越大，国家电网规定在故障期间风电场需具备一定的故障穿越能力。风电场并网点发生故障后，并网点交流电压发生跌落。目前主流风力发电机组双馈异步风力发电机与永磁同步风力发电机中都含有交流-直流-交流输电部分，交流电压的降低会导致直流线路中电压升高，严重影响风电机组的安全稳定运行。且故障结束之后交流电压会存在一定程度的电压超调，使得交流电压超过其额定电压值，对于风电场的安全稳定运行同样具有一定影响。

目前针对风电场的故障穿越问题，解决方法主要有：《并联制动电阻对恒速恒频风机低电压穿越能力的提升》(刘德才,吕春晖,通信电源技术,2013,30(06):32-36.)提出通过使用并联制动电阻减小风电场吸收的无功功率，来提高故障穿越能力。该方法只适用于恒速恒频机组，不适用于目前主流的双馈异步风力发电机与永磁同步风力发电机等变速恒频机组；《crowbar保护在双馈异步风力发电系统电网故障穿越中的应用》(马文龙.电力自动化设备,2011,31(07):127-130.)提出在双馈异步风力发电机转子侧加入撬棒电路，可以实现不脱网运行的要求，但撬棒电路会导致双馈机组运行在鼠笼式异步发电机状态，从而吸收大量无功功率，从而恶化并网点电压，且不适用于其他风力发电机组；《直驱式变速恒频风力发电系统低电压穿越研究》(张宪平.大功率变流技术,2010(04):28-31.)提出对永磁同步风力发电机在直流线路上加入耗能性撬棒电路吸收无法传输的有功功率，从而实现故障穿越，该方法同样不适用于其他风力发电机组。且以上两种方法都需要在风电场中每一个风力发电机上安装辅助装置，成本较大，不易实现。《静止同步补偿器增强风电场的低电压穿越能力的应用分析》(钱叶牛,强晟,胡星,等.广东电力,2012,25(08):73-79+112)提出利用静止同步补偿器对线路进行无功补偿以拉升故障电压，但静止同步无功补偿器设计制造复杂，成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于同步调相机的风电场故障穿越控制方法，能够在实际中实现故障穿越，并且适用于不同类型风力发电机组成的风电场。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于同步调相机的风电场故障穿越控制方法，包括以下步骤：

步骤1、实时检测风电场并网点交流电压值，判定发生电压跌落故障时，启动同步调相机；

步骤2、将并网点交流电压标幺值与额定标幺值作差，对差值限幅后，进行pi控制，得到处理后的差值；

步骤3、将处理后的差值与电压额定标幺值相加，得到同步调相机中励磁机的输入值，励磁机通过根据输入值的改变改变同步调相机的输出无功功率，拉升并网点电压；

步骤4、重复步骤2-3，直至电压跌落故障消除，关闭同步调相机，完成故障穿越。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)本发明不需要改变风力发电机的控制方式，无论针对何种风力发电机组成的风电场都适用；2)本发明不需要对单台风力发电机添加辅助装置，节约成本；3)本发明借助快速调节励磁增减同步调相机输出的无功功率，容量较大且无功输出不会受到电网运行状态的影响，提高了交流电压的稳定性，同时降低了施工成本；4)本发明可以解决故障结束后的交流电压超调问题，实现并网点电压的快速稳定。

附图说明

图1是本发明基于同步调相机的风电场故障穿越控制方法流程图。

图2是本发明基于同步调相机的风电场并网故障穿越系统示意图。

图3是本发明同步调相机启动与闭锁示意图。

图4是本发明励磁机输入的控制框图。

图5是本发明并网点电压对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，本发明提出一种基于同步调相机的风电场故障穿越控制方法，包含以下步骤：

步骤1、实时检测风电场并网点交流电压值，判定是否发生电压跌落故障，若是，则启动同步调相机，进行风电场故障穿越控制。

图2为基于同步调相机的风电场并网故障穿越系统示意图，风电场中包含目前主流双馈异步风力发电机组与永磁同步风力发电机组两种风力发电机组。由于风速具有严重的波动性与不确定性，风速变化会导致风力发电机组输出电压的变化，所以实际运行的风电场中电压小幅波动较多，因此对故障判断环节进行设计。

图3为同步调相机启动与闭锁示意图，当并网点电压跌落不超过设定判别阈值时，判定风电场发生小幅波动，不影响风电场正常安全稳定运行。作为一种具体实施方式，设定判别阈值为0.1pu，即当并网点电压跌落超过0.1pu时，判定发生故障。

由于电网或者风电场中各种暂态反应可能会导致并网点电压跌落超过0.1pu，但暂态扰动时间较短，不影响风电场正常运行，所以故障判断环节中加入延时，当并网点电压跌落超过设定阈值，并且维持设定延时之后，判断并网点发生故障，启动同步调相机，闭合同步调相机与并网点之间的断路器brk。作为一种具体实施方式，设定延时为0.05s，当并网点电压跌落超过0.1pu，并且维持0.05s之后，判断并网点发生故障。

步骤2、将并网点交流电压标幺值与额定标幺值作差，对差值限幅后，进行pi控制，得到处理后的差值。

电力系统实际使用电压互感器检测线路电压，电压互感器输出为线路电压有名值，而励磁机输入为标幺值，所以需将检测得到的线路电压标幺化，然后进行处理，即将并网点交流电压标幺值与额定标幺值作差；然后将差值进行限幅处理，防止在特殊情况下出现超出同步调相机调节能力之外的差值；再对限幅后的差值进行pi调节，加速同步调相机的无功功率补偿速度，减小故障结束时的电压超调现象，实现并网点电压快速稳定。

步骤3、将处理后的差值与电压额定标幺值相加，得到同步调相机中励磁机的输入值，励磁机通过根据输入值的改变改变同步调相机的输出无功功率，拉升并网点电压。

励磁机的输入端口正常输入值为并网点交流电压额定标幺值，采用该值作为输入时，同步调相机对于并网点交流电压抬升不够快速，且故障结束后并网点电压出现超调，不能快速回复稳定。根据励磁机输入与同步调相机输出的关系，即励磁机输入值与检测得到线路电压标幺值相同时，ef值会维持在1，即此时同步调相机不调节线路电压。当励磁机输入值小于检测得到线路电压标幺值时，ef会减小，当ef小于1时，同步调相机表现为电感器，吸收无功，从而拉低线路电压，且励磁机输入值与检测得到线路电压标幺值相差越大同步调相机吸收无功速度越快。反之，当励磁机输入值大于检测得到线路电压标幺值时，ef会增大，当ef大于1时，同步调相机表现为电容器，发出感性无功，从而补偿线路电压，且励磁机输入值与检测得到线路电压标幺值相差越大同步调相机发出无功速度越快。通过对励磁机输入值进行控制可以加快同步调相机对无功功率的吸收与发出速率，优化对并网点故障电压的稳定作用。

步骤4、重复步骤2-3，直至电压跌落故障消除，关闭同步调相机，完成故障穿越。

作为一种优选实施方式，当故障结束之后，同步调相机不立即退出运行，吸收并网点无功功率，拉低并网点超调电压，当检测并网点交流电压恢复至额定并网点交流电压标幺值，并在设定延时内稳定在额定并网点交流电压标幺值允许的波动范围内时，判定故障消除，关闭同步调相机，实现对故障结束后并网点电压超调的抑制。作为一种具体实施方式，设定延时为0.1s，设定允许的波动范围为[0.95pu,1.05pu]，即，当检测并网点交流电压恢复至额定1pu，并0.1s内不再超过1.05pu与小于0.95pu时，闭锁同步调相机，断开断路器brk。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。

本实施例中风电场由双馈异步风力发电机与永磁同步风力发电机组成，总容量为产生总功率为5mw，并网点额定电压为20kv，1s发生故障，1.625s故障结束。未加入同步调相机与加入同步调相机并使用本发明控制后并网点电压对比图如图5所示，可以看出，在并网点电压跌落超过0.1pu，并维持0.05s后同步调相机启动，向并网点输出无功功率，拉升并网点电压至额定值附近，当故障结束后，同步调相机并没有立即关闭，在检测0.1s内并网点不再超过1.05pu与小于0.95pu时，才闭锁同步调相机。可以看出同步调相机对故障期间并网点电压拉升效果良好，且故障结束后，对并网点电压超调也具有良好的抑制效果。