[发明专利]风电场经柔性直流输电并网系统的协调故障穿越方法

说明书

本申请提供一种风电场经柔性直流输电并网系统的协调故障穿越方法，本发明将柔直系统风电场侧换流器的降压控制与风电机组crowbar的柔性控制相结合，在直流系统发生单极短时间故障期间，利用双馈风机转子侧的整流桥型crowbar保护电路对系统过电流加以抑制，在控制期间通过对风机机端电压的调节从而实现对有功功率和电流的实时控制，最大化的实现柔性直流系统非故障极的功率输送能力，避免了风电场脱网，降低对交流电网的冲击，在实际工程中有一定意义。

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种风电场经柔性直流输电并网系统的协调故障穿越方法。

背景技术

对于风电场经双极柔直并网系统，当其中一极发生故障时，该极换流器在短时间内闭锁，流过故障极的电流和功率迅速下降到0。由于风电场侧换流器(WFVSC)采用定交流电压控制且两极的控制相互独立，当其中一极闭锁后，另一极换流器仍能够给风电场提供额定的电压和频率支撑，因此风电场不会响应柔性直流输电系统的故障而降低其有功输出。此时有功功率将全部转移到非故障极上，导致非故障极的电流大大升高，严重威胁该极的正常运行。所以快速降低风电场送出的有功功率，使得直流系统不触发保护动作是研究重点。

目前国内外采用的风电场和柔直的联合故障穿越策略主要包括降压法、升频法、通讯法等方法，这些方法都有各自的局限性。以降压法为例，当故障发生时，减小风电场侧换流器的电压设定值，降低风电场侧交流电压至一个较低的值，此时风电机的输出有功功率将会削减。故障清除后，风电场侧换流器恢复定交流电压控制。该种方法由于不涉及风机内部的保护装置，容易在风电机组内部产生强大应力，且在单极故障的情况下采用这种方法无法限制非故障极的过电流，同样会导致非故障极闭锁。此外交流电压的剧烈波动会导致系统的不稳定，同时利用这种方法风电场输出的功率是不可控的。

基于双馈式感应电机(double fed induction generator，DFIG)的变速恒频风力发电机是目前大型风电场主要采用的机型。目前DFIG的转子都有装设crowbar保护电路以抑制转子侧过电压。整流桥式crowbar保护电路由电阻——晶闸管支路和二极管整流桥构成，通过对电路中唯一的晶闸管的触发来切入和切除crowbar保护电路，进而保护机侧变流器。在现有技术中，crowbar保护电路在DFIG定子发生短路故障，电压严重跌落时启动，抑制DFIG转子过电流，帮助DFIG完成低电压穿越。传统的crowbar是一种在电网发生故障，风电场母线电压跌落时通过吸收风电场发出的全部能量以实现低电压穿越的装置，本方法与传统方式不同，利用crowbar保护电路的特点，将风电场母线电压这一可控量作为风电场与柔性直流输电系统进行信息交换的媒介，建立了故障期间两个系统之间的耦合关系，通过对风电场母线电压柔性调节的方式使风电机组在直流系统故障期间主动参与有功功率的调节，抑制柔直故障期间的非故障极的过电流。同时由于风电场母线电压由风电场侧换流器控制，通过确定故障期间风电场母线电压的值可以最大化故障期间非故障极有功功率的传输容量。

发明内容

利用crowbar保护电路以抑制转子侧过电压的原理，借助现有风机内部的crowbar保护电路来减小风机的输出，抑制柔直故障期间的非故障极的过电流。当crowbar启动后，双馈风机以笼型异步电机的形式工作，此时风电机的输出功率P_em满足以下函数关系：P_em＝f(Z,ω)·u_s²，其中Z为发电机内部阻抗，ω为发电机转速，f(Z,ω)是一个发电机阻抗与转速的函数，u_s为风电机的机端电压。即DFIG的输出功率与机端电压的二次方成正比，因此通过调节机端电压就可以改变风电机的输出有功功率。