一种风电场低压穿越控制方法及系统与流程

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风电场低压穿越控制方法及系统。

背景技术：

随着风力发电的不断发展，风电的大规模使用，使得风机的安全运行变得至关重要。其中，威胁风机安全运行的因素之一就是风机的低压穿越问题。风机在低压穿越过程之中需要补偿无功以维持电压的相对稳定，使风机持续保持并网状态。

现有的风电场无功补偿是通过设置静止无功补偿器进行无功补偿。而在风机的低压穿越过程中，由于静止无功补偿器的频繁启动，容易造成静止无功补偿器的损坏。因此如何延长传统静止无功补偿器的使用寿命成为需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种风电场低压穿越控制方法及系统，最大限度的使用风力发电系统自身的无功补偿能力，延长静止无功补偿器的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种风电场低压穿越控制方法，所述方法包括：

获取风力发电系统的运行数据；所述风力发电系统的运行数据包括电网侧运行数据、风力发电机侧运行数据、风力发电系统的相角差和风力发电系统的有功功率；

根据所述电网侧运行数据和所述风力发电机侧运行数据分别计算得到电网侧换流器的无功输出值与发电机侧定子的无功输出值；

根据所述风力发电系统的相角差和所述风力发电系统的有功功率计算风力发电系统的无功总缺额；

根据所述电网侧换流器的无功输出值和所述发电机侧定子的无功输出值之和与所述无功总缺额的大小关系以及所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值的大小关系，选择采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿、采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿或者采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

可选的，所述电网侧运行数据为电网侧换流器输出电流的q轴分量iqg；

所述风力发电机侧运行数据包括风力发电机侧定子的d轴电流分量isd、风力发电机侧转子的d轴电流分量ird、风力发电机侧定子电感ls和风力发电机侧互感lm。

可选的，所述根据所述电网侧运行数据和所述风力发电机侧运行数据分别计算得到电网侧换流器的无功输出值与发电机侧定子的无功输出值具体包括：

根据公式计算得到电网侧换流器的无功输出值；其中ut为风力发电系统的电压，iqg为电网侧换流器输出电流的q轴分量；

根据公式计算得到发电机侧定子的无功输出值；其中，lm为转子互感，ls为定子互感，ird为风力发电机侧转子的d轴电流分量，ψs为风电机组偏航系统校准方法。

可选的，所述根据所述风力发电系统的相角差和所述风力发电系统的有功功率计算风力发电系统的无功总缺额具体包括：

根据公式qg＝ptan(δψ)计算风力发电系统的无功总缺额；其中qg为风力发电系统的无功总缺额，p为风力发电系统的有功功率，δψ为风力发电系统的相角差。

可选的，所述根据所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值的大小关系以及所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值和所述发电机侧定子的无功输出值之和的大小关系，选择采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿、采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿或者采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与静止无功补偿器三者组合进行无功补偿具体包括：

判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于或等于电网侧换流器的无功输出值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为是，则采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿；

若所述第一判断结果为否，则判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于所述电网侧换流器的无功输出值与所述发电机侧定子的无功输出值之和，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果为是，则采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿；

若所述第二判断结果为否，则采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与所述静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

一种风电场低压穿越控制系统，所述系统包括：

数据获取模块，用于获取风力发电系统的运行数据；所述风力发电系统的运行数据包括电网侧运行数据、风力发电机侧运行数据、风力发电系统的相角差和风力发电系统的有功功率；

无功输出计算模块，用于根据所述电网侧运行数据和所述风力发电机侧运行数据分别计算得到电网侧换流器的无功输出值与发电机侧定子的无功输出值；

无功总缺额计算模块，用于根据所述风力发电系统的相角差和所述风力发电系统的有功功率计算风力发电系统的无功总缺额；

无功补偿模块，用于根据所述电网侧换流器的无功输出值和所述发电机侧定子的无功输出值之和与所述无功总缺额的大小关系以及所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值的大小关系，选择采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿、采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿或者采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

可选的，所述电网侧运行数据为电网侧换流器输出电流的q轴分量iqg；

所述风力发电机侧运行数据包括风力发电机侧定子的d轴电流分量isd、风力发电机侧转子的d轴电流分量ird、风力发电机侧定子电感ls和风力发电机侧互感lm。

可选的，所述无功输出计算模块包括：

电网侧换流器无功输出计算单元，用于根据公式计算得到电网侧换流器的无功输出值；其中ut为风力发电系统的电压，iqg为电网侧换流器输出电流的q轴分量；

发电机侧定子无功输出计算单元，用于根据公式计算得到发电机侧定子的无功输出值；其中，lm为转子互感，ls为定子互感，ird为风力发电机侧转子的d轴电流分量，ψs为风电机组偏航系统校准方法。

可选的，所述无功总缺额计算模块包括：

无功总缺额计算单元，用于根据公式qg＝ptan(δψ)计算风力发电系统的无功总缺额；其中qg为风力发电系统的无功总缺额，p为风力发电系统的有功功率，δψ为风力发电系统的相角差。

可选的，所述无功补偿模块包括：

第一判断单元，用于判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于或等于电网侧换流器的无功输出值，得到第一判断结果；

第一补偿单元，用于在所述第一判断结果为是时，采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿；

第二判断单元，用于在所述第一判断结果为否时，判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于所述电网侧换流器的无功输出值与所述发电机侧定子的无功输出值之和，得到第二判断结果；

第二补偿单元，用于在所述第二判断结果为是时，采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿；

第三补偿单元，用于在所述第二判断结果为否时，采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与所述静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

根据无功总缺额与电网侧换流器的无功输出值的大小关系以及所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值和所述发电机侧定子的无功输出值之和的大小关系，选择采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿、采用电网侧换流器与发电机侧定子二者组合进行无功补偿或者采用电网侧换流器、发电机侧定子与静止无功补偿器三者组合进行无功补偿，即根据风力发电系统的运行工况采取不同的无功补偿方式，能够最大限度的利用风力发电系统自身的无功补偿能力，减小静止无功补偿器的工作负担，延长静止无功补偿器的使用寿命。

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为本发明实施例提供的风电场低压穿越控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的风电场低压穿越控制系统结构图。

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。

本发明的目的是提供一种风电场低压穿越控制方法及系统，最大限度的使用风力发电系统自身的无功补偿能力，延长静止无功补偿器的使用寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的风电场低压穿越控制方法流程图，如图1所示，一种风电场低压穿越控制方法，所述方法包括：

s101：获取风力发电系统的运行数据；所述风力发电系统的运行数据包括电网侧运行数据、风力发电机侧运行数据、风力发电系统的相角差和风力发电系统的有功功率。

所述电网侧运行数据为电网侧换流器输出电流的q轴分量iqg；所述风力发电机侧运行数据包括风力发电机侧定子的d轴电流分量isd、风力发电机侧转子的d轴电流分量ird、风力发电机侧定子电感ls和风力发电机侧互感lm。

本实施例中，获取的运行数据还包括：电网侧换流器输出电流的d轴分量idg，风力发电机侧定子的q轴电流分量isq，风力发电机侧定子的d轴电压usd，风力发电机侧定子的q轴电压usq，风力发电机侧定子的d轴磁通ψsd，风力发电机侧定子的q轴磁通ψsq，风力发电机侧转子的q轴电流分量irq，风力发电机侧转子的d轴电压urd，风力发电机侧转子的q轴电压urq，风力发电机侧转子的d轴磁通ψrd，风力发电机侧转子的q轴磁通ψrq。

s102：根据所述电网侧运行数据和所述风力发电机侧运行数据分别计算得到电网侧换流器的无功输出值与发电机侧定子的无功输出值。

s103：根据所述风力发电系统的相角差和所述风力发电系统的有功功率计算风力发电系统的无功总缺额。

s104：根据所述电网侧换流器的无功输出值和所述发电机侧定子的无功输出值之和与所述无功总缺额的大小关系以及所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值的大小关系，选择采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿、采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿或者采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

上述步骤s102：根据所述电网侧运行数据和所述风力发电机侧运行数据分别计算得到电网侧换流器的无功输出值与发电机侧定子的无功输出值具体包括：

根据公式计算得到电网侧换流器的无功输出值；其中ut为风力发电系统的电压，iqg为电网侧换流器输出电流的q轴分量；

根据公式计算得到发电机侧定子的无功输出值；其中，lm为转子互感，ls为定子互感，ird为风力发电机侧转子的d轴电流分量，ψs为风电机组偏航系统校准方法。

本实施中还对电网侧换流器的有功输出值和发电机侧定子的有功输出值进行计算，具体根据公式计算得到电网侧换流器的有功输出值；根据公式计算得到发电机侧定子的有功输出值。

上述步骤s103：根据所述风力发电系统的相角差和所述风力发电系统的有功功率计算风力发电系统的无功总缺额具体包括：

根据公式qg＝ptan(δψ)计算风力发电系统的无功总缺额；其中qg为风力发电系统的无功总缺额，p为风力发电系统的有功功率，δψ为风力发电系统的相角差。

上述步骤s104：根据所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值的大小关系以及所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值和所述发电机侧定子的无功输出值之和的大小关系，选择采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿、采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿或者采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与静止无功补偿器三者组合进行无功补偿具体包括：

判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于或等于电网侧换流器的无功输出值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为是，则采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿；

若所述第一判断结果为否，则判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于所述电网侧换流器的无功输出值与所述发电机侧定子的无功输出值之和，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果为是，则采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿；

若所述第二判断结果为否，则采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与所述静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

具体地，风机侧换流器的mpc控制方程为：其中x(t)＝[ψrdψrqisdisq]^t，u(t)＝[urdurqusdusq]^t。

x(t)为控制对象的状态矩阵，u(t)为输入信号矩阵，ω1、ωs和ωm分别是同步角频率、角频率转差率和机械角频率。ls、lr和lm分别是定子电感、转子电感和互感。rs和rr是定子电阻和转子电阻。te是电磁转矩，j是转动惯量，np是极对数。

由于风机网侧换流器的输出取决于电网的电压和电流，因此其运行方式与风机控制解耦。故在风机定子有功和无功控制之中需要考虑到风机网侧换流器的输出。

对公式进行离散化，得到设置预测域np和控制域nc，根据电力系统中测量的相角差δψ(直接测量得到)和有功功率p(电力系统中测量得到)，计算无功缺额qg＝ptan(δψ)。

若电力系统无功总缺额qg小于或等于qg，则选择式作为自适应模型预测控制器的跟踪函数。此时只需要风机网侧换流器进行补偿即可。x(k+n|k)的含义是在k时刻对k+n时刻的系统状态预测，u(k+n|k-1)表示在k-1时刻对k+n时刻的输入预测。q和r均为正整数，q为状态权值，r为输入权值，np和nc分别表示预测域和控制域，i表示第i台发电机和j表示第j台发电机。

若qg大于qg但小于qg与qs之和，则选择式作为自适应模型预测控制器的跟踪函数。此时需要风机网侧换流器和风机定子同时补偿电网缺失的无功。其中ut为电力系统的电压。

若qg大于qg与qs之和，则选择式作为自适应模型预测控制器的跟踪函数。此时需要风电场静止无功补偿器进行无功补偿。其中

图2为本发明实施例提供的风电场低压穿越控制系统结构图，如图2所示，一种风电场低压穿越控制系统，所述系统包括：数据获取模块1、无功输出计算模块2、无功总缺额计算模块3和无功补偿模块4。

数据获取模块1，用于获取风力发电系统的运行数据；所述风力发电系统的运行数据包括电网侧运行数据、风力发电机侧运行数据、风力发电系统的相角差和风力发电系统的有功功率。

所述电网侧运行数据为电网侧换流器输出电流的q轴分量iqg；所述风力发电机侧运行数据包括风力发电机侧定子的d轴电流分量isd、风力发电机侧转子的d轴电流分量ird、风力发电机侧定子电感ls和风力发电机侧互感lm。

无功输出计算模块2，用于根据所述电网侧运行数据和所述风力发电机侧运行数据分别计算得到电网侧换流器的无功输出值与发电机侧定子的无功输出值。

无功总缺额计算模块3，用于根据所述风力发电系统的相角差和所述风力发电系统的有功功率计算风力发电系统的无功总缺额。

无功补偿模块4，用于根据所述电网侧换流器的无功输出值和所述发电机侧定子的无功输出值之和与所述无功总缺额的大小关系以及所述无功总缺额与所述电网侧换流器的无功输出值的大小关系，选择采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿、采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿或者采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

所述无功输出计算模块2包括：

电网侧换流器无功输出计算单元，用于根据公式计算得到电网侧换流器的无功输出值；其中ut为风力发电系统的电压，iqg为电网侧换流器输出电流的q轴分量；

发电机侧定子无功输出计算单元，用于根据公式计算得到发电机侧定子的无功输出值；其中，lm为转子互感，ls为定子互感，ird为风力发电机侧转子的d轴电流分量，ψs为风电机组偏航系统校准方法。

所述无功总缺额计算模块3包括：

无功总缺额计算单元，用于根据公式qg＝ptan(δψ)计算风力发电系统的无功总缺额；其中qg为风力发电系统的无功总缺额，p为风力发电系统的有功功率，δψ为风力发电系统的相角差。

所述无功补偿模块4包括：

第一判断单元，用于判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于或等于电网侧换流器的无功输出值，得到第一判断结果；

第一补偿单元，用于在所述第一判断结果为是时，采用所述电网侧换流器单独进行无功补偿；

第二判断单元，用于在所述第一判断结果为否时，判断所述风力发电系统的无功总缺额是否小于所述电网侧换流器的无功输出值与所述发电机侧定子的无功输出值之和，得到第二判断结果；

第二补偿单元，用于在所述第二判断结果为是时，采用所述电网侧换流器与所述发电机侧定子二者组合进行无功补偿；

第三补偿单元，用于在所述第二判断结果为否时，采用所述电网侧换流器、所述发电机侧定子与所述静止无功补偿器三者组合进行无功补偿。

本发明的风电场低压穿越控制方法及系统根据风力发电系统不同的工况采取不同的无功补偿方式，可以最大限度的利用风机自身的无功补偿能力，减少风电场中静止无功补偿器的作用时间，减小静止无功补偿器的工作负担，达到提高静止无功补偿器寿命的目的。同时减少风力发电系统在无功补偿方面的投入，节约运行成本。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。