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CN112421654A - 一种vsc-hvdc海上风电系统的功率控制方法 - Google Patents

一种vsc-hvdc海上风电系统的功率控制方法 Download PDF

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CN112421654A
CN112421654A CN202011457163.4A CN202011457163A CN112421654A CN 112421654 A CN112421654 A CN 112421654A CN 202011457163 A CN202011457163 A CN 202011457163A CN 112421654 A CN112421654 A CN 112421654A
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power
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grid
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CN202011457163.4A
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李泰�
潘荣睿
陈伟健
朱志宇
曾庆军
杨官校
王乐秋
赵黎
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Jiangsu University of Science and Technology
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Jiangsu University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开一种海上风电装置以及功率控制方法，包括：基于VSC‑HVDC有功支援和自适应减载措施的方法维持风电系统的频率稳定，当连接陆上区域电网时发生功率缺额时候，利用增量法估计有功缺额，在保证海上机组电网频率安全的前提下向其输送有功功率，为陆上区域电网提供有功支援，然后根据陆上区域电网频率跌落幅度，采取自适应减载措施。本发明充分利用海上机组电网的调频能力和陆上区域电网低频减载方法，同时对频率进行调节，只需要调节海上机组电网的功率和有功裕度，可行性强。另外，利用自适应减载措施，提高了陆上区域电网频率稳定性，并使系统负荷大大降低。

Description

一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法
技术领域
本发明属于海上风力发电领域，具体涉及一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法。
背景技术
风能作为一种无污染和可再生的清洁能源，有着巨大的发展潜力。风力发电规模的不断扩大将对能源结构和环境问题的改善带来深远的影响。
随着海上风电机组安装、制造技术不断地进步与成熟，其单机容量也不断得到提升，海上风电场规模随之扩大，并逐渐向远离陆地、风能资源更加密集的近海甚至深海发展。由于海上风电场独特的地理位置，海上风电的远距离输送及并网问题已成为制约海上风电发展的关键因素之一。目前，利用HVDC技术能够解决远距离电力传输及并网问题，HVDC技术非常适用于电能远距离输送，具有成本低，功耗小，技术相对成熟等优点。但随着风电的增加，电网的稳定性问题也随之加剧。因此，若能在提高风力电网频率稳定性的同时，有效地避免风电场内机组之间的协调、通讯等问题，将会大大简化其控制系统的实现难度，可使风力发电展现更好的应用前景。
现有的国内外技术如采用脉宽调制技术，VSC-HVDC可以快速改变输送有功功率以控制频率，如文献“多电平柔性直流输电定有功功率控制与频率辅助控制”(范心明，管霖，何健明，《电网技术》2012年09期，第182-186页)中，通过接入定有功功率和增加辅助频率的方法来控制外环，达到了发生故障时抑制了频率的波动，使频率更加稳定的目的，其缺陷是没有估计海上机组电网增发有功功率的能力以及VSC-HVDC输出有功功率受限时陆上区域电网如何进行减载。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，当VSC-HVDC系统连接陆上区域电网时发生功率缺额时，利用增量法估计有功缺额；在保证海上机组电网频率安全的前提下向其输送有功功率，为陆上区域电网提供有功支援，并且维持了风电系统频率的稳定，有效减少了负荷。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
本发明的一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，其特征在于：基于VSC-HVDC有功支援和自适应减载措施的方法维持风电系统的频率稳定，当连接陆上区域电网时发生功率缺额时候，利用增量法估计有功缺额，在保证海上机组电网频率安全的前提下向其输送有功功率，为陆上区域电网提供有功支援，然后根据陆上区域电网频率跌落幅度，采取自适应减载措施；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、海上风电机组进行风能转换；根据海上风力气流的规律，分析海上风电机组风轮吸收功率、风力机的能量转化过程，进而得出：虽然风速可以无限增大，但在各种物理因素和机械强度的限制下，输出功率却只能在一定的范围内，且转化为电能的风能的效率与叶尖速比2和与桨距角B有关；其风力发电机将风能转化成电能时，最大的风能利用系数为0.593。
步骤2、陆上区域电网频率跌落时，海上机组电网增加VSC-HVDC输送有功，向陆上区域电网提供有功支援；包括：分别分析当交流线路连接和采用VSC-HVDC交流线路连接时，海上机组电网和陆上区域电网频率跌落值、两种连接方式下陆上区域电网的跌落频率比值；由此得出：海上风电机组电网装机容量一般远大于区域电网；相同有功缺额下，通过VSC-HVDC线路连接陆上区域电网频率跌幅将远大于通过交流线路连接时，可能导致陆上区域电网大量失负荷，甚至全部停电。
步骤3、陆上区域电网频率跌落时采取自适应减载措施，包括：通过风力发电机摇摆方程和有功缺额方程，计算陆上区域电网有功缺额；当陆上区域电网频率降至极限值49.8Hz且继续跌落时，启动频率控制措施。所述的步骤3，具体包括：
在陆上区域电网存在有功缺额时，利用增量法在线估计等效惯性时间常数；陆上区域电网故障时，测量频率变化率dfc/dt；然后增加海上机组电网输往陆上区域电网的有功，即VSC-HVDC增加输送有功ΔPHVDC，测量陆上区域电网此时频率变化率dfc/dt；利用陆上区域电网有功缺额和频率变化率dfc/dt计算陆上区域电网有功缺额；但该缺额能否完全由VSC-HVDC线路提供，取决于海上机组电网有功支援能力以及VSC-HVDC线路输电裕度；
在陆上区域电网发生有功缺额时，利用发电机调频特性估计海上机组电网在可承受频率跌落下的最大支援能力；以此为依据增加VSC-HVDC输送有功，让海上机组电网也参与调频，与陆上区域电网低频减载配合，尽可能少陆上区域电网负荷；考虑到海上机组电网规模，设定0.1Hz作为其可接受频率跌落幅度，同时留出20％的裕度，确定最大可支援有功Psupport；
当陆上区域电网频率降至49.8Hz且继续跌落时，启动频率控制措施：首先测量陆上区域电网频率f和频率变化率df/dt；当陆上区域电网频率值f降至49.8以下且测量的陆上区域电网频率小于0时，利用增量法算得惯性时间常数ξ，来确定有功缺额Pshort；考虑陆上区域电网机组调频能力，并避免频率超调，按其有功缺额的80％，结合海上机组电网1有功功率调节能力，增加VSC-HVDC输送有功；为减小增输有功导致陆上区域电网频率和海上机组电网频率大幅波动，分三步调节换流器的有功参考值；由于功率支援过慢会导致区域电网频率进一步跌落，故每步之间间隔时间定为0.02s；根据陆上区域电网频率跌幅是否采用自适应减载措施；实现海上机组电网有功功率支援后，再根据陆上区域电网频率跌幅确定是否启动低频减载措施；若频率仍然较低，延时启动区域电网自适应低频减载措施。
与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：
1.本发明设计了通过增量法来估计有功功率缺额，考虑了当陆上区域电网发生频率跌落时而造成系统故障，海上风电机组电网通过VSC-HVDC系统为其提供有功支援
2.本发明充分利用了海上机组电网的调频能力和陆上区域电网低频减载的方法维持了系统频率的稳定，两者可同时对频率进行调节，只需要调节海上机组电网的功率和有功裕度，实现相对容易。
3.本发明设计了自适应减载措施，当海上风电机组电网提供有功支援后再根据陆上区域电网频率跌幅是否采用自适应减载措施，增加了陆上区域电网频率安全，减少了负荷。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的VSC-HVDC海上风电系统连接示意图。
图2是本发明的一种实施例的陆上区域电网控制策略示意图。
图3是本发明的一种实施例的风力机能量转换流程图。
其中，1为海上机组电网，2为变压器，3为整流换流站，4和5为电阻，6为逆变换流站，7为变压器，8为陆上区域电网；9为环境干扰信号，10为电机转速，11为PID控制器；12为集成系统，13为PID控制器，14和16为积分系统，15为PID控制器，17桨距角包含转子机械角度thr和转子机械角频率wr，18为定子三相电压v，19，20和22为PID控制器，21为处理装置，23为电磁转矩输出信号。
具体实施方式
本发明公开了一种VSC-HVDC(Voltage Sourced Converter Based on High-Voltage Direct Current，电压源型的直流输电技术)海上风电系统的功率控制方法。本发明基于VSC-HVDC有功支援和自适应减载措施的方法来维持风电系统的频率稳定，当连接陆上区域电网时发生功率缺额时候，利用增量法估计有功缺额，在保证海上机组电网频率安全的前提下向其输送有功功率，为陆上区域电网提供有功支援，然后根据陆上区域电网频率跌落幅度，采取自适应减载措施。整个过程维持了因发生故障时系统频率的稳定，减少了负荷。仿真研究表明，在电网电压跌落或主导换流站停运等暂态扰动情况下，本发明提出的控制策略能够维持直流电压在安全运行范围内，保证系统的完全可靠运行。VSC-HVDC线路传输有功一般为设定值。当其用于陆上区域电网连接主网时，后者不能主动响应前者频率变化，因此通过交流线路连接时，陆上区域电网调频能力有所下降。但是若能利用VSC-HVDC快速有功调节能力，有可能改善区域电网调频能力。现有的技术方法是基于脉宽调制技术，利用VSC-HVDC可以快速改变输送有功功率以控制频率。
偏航系统即风向跟踪系统，使叶轮能够根据风向跟踪系统的指示对准主风向，整个偏航系统包括电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分。其中，发电机实现机械能到电能的转换。发电机类型既可选择恒速或变速，也可选择同步、异步，需要考虑多方面因素，每种发电机都有其优缺点。风机塔架承受的主要载荷有风力机向下的重力载荷，由于风压的原因引起的塔架向风的下风向弯曲的载荷以及风力机运行中的动载荷。因此其刚度和风力机所受的载荷密切相关。风力发电机主要包括两部分：风力机部分和发电机部分。风力机部分将风能转换为机械能，发电机部分将机械能转换为电能。
通过VSC-HVDC连接海上机组电网与陆上区域电网，本发明提出基于VSC-HVDC有功支援和自适应减载措施的控制策略。来维持系统频率稳定以及海上风电机组电网有功支援能力，以海上风电机组电网可接受的频率跌落为代价，通过VSC-HVDC向陆上区域电网提供有功支援，尽可能维持陆上区域电网频率。通过增量法估计陆上区域电网惯性时间常数，估计有功缺额，设计了自适应减载策略。通过VSC-HVDC有功支援和陆上区域电网低频减载共同维持区域电网频率安全。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明的一种实施例的VSC-HVDC海上风电系统连接示意图。其中1为海上机组电网，2为变压器，3为整流换流站，4和5为电阻，6为逆变换流站，7为变压器，8为陆上区域电网。海上机电组网1通过变压器2与VSC-HVDC系统的一端相连，另一端通过变压器7和陆上区域电网8相连。其中海上机电组网1中包含风力机以及能量转换装置，VSC-HVDC系统包含整流换流站3和逆变换流站6。当发生有功缺额的情况下，海上机电组网1通过VSC-HVDC系统与为陆上区域电网8可以共同参与频率调节，当陆上区域电网8发生频率跌落时，海上机电组网1采用增量法通过VSC-HVDC系统加强对陆上区域电网8的有功支援。
图2是本发明的一种实施例的陆上区域电网控制策略示意图。首先测量陆上区域电网频率f及频率变化率df/dt，当陆上区域电网频率值f降至49.8以下且测量的陆上区域电网频率小于0时候，利用增量法算得惯性时间常数ξ，用来确定有功缺额Pshort。考虑陆上区域电网机组调频能力，并避免频率超调，按其有功缺额的80％，结合海上机组电网1有功功率调节能力，增加VSC-HVDC输送有功。为减小增输有功导致陆上区域电网频率和海上机组电网频率大幅波动，分三步调节换流器的有功参考值，功率支援过慢导致区域电网频率进一步跌落，故每步之间间隔时间定为0.02s。根据陆上区域电网频率跌幅是否采用自适应减载措施。
图3是本发明的一种实施例的风力机能量转换流程图。其中，9为环境干扰信号，10为电机转速，11为PID控制器；12为集成系统，13为PID控制器，14和16为积分系统，15为PID控制器，17桨距角包含转子机械角度thr和转子机械角频率wr，18为定子三相电压v，19，20和22为PID控制器，21为处理装置，23为输出信号。首先由环境干扰信号9通过PID控制器11得到一个值与电机转速10和桨距角17通过负反馈得到的值作为集成系统12的输入量，通过集中处理后进入积分系统14在处理，再经过PID控制器15和积分系统16得到的值与18定子三相电压v和电磁转矩10送到处理装置21，最后得到输出结果电磁转矩23。
如图1所示，本发明的一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，包括以下步骤：
步骤1、分析海上风电机组进行风能转换过程、影响风能-电能转换效率的因素，计算风力机输出功率的极限值；
步骤2、陆上区域电网频率跌落时，海上机组电网提供有功支援：基于暂态频率控制时间框架，忽略调速系统二次调频和优化经济调度，利用一次调频特性估计主电网可支援有功能力；
步骤3、陆上区域电网频率跌落时，采取自适应减载措施。
所述的步骤1海上风电机组中的风能转换具体过程为：
根据海上风力气流的规律，分析海上风电机组风轮吸收功率、风力机的能量转化过程，可以得出：虽然风速可以无限增大，但在各种物理因素和机械强度的限制下，输出功率却只能在一定的范围内，且转化为电能的风能的效率与叶尖速比2和与桨距角B有关。而变桨距控制系统则就是主要通过改变桨距角B的大小，从而维持稳定的功率输出。
为由流体力学可知，气流的动能为：
Figure BDA0002829740910000051
其中，E为动能，m为气体的质量，v为气体的速度。设单位时间内气流流过截面积为S的气体体积为V，则V＝Sv，如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为：
m＝ρV＝ρSv (2)
这时气流所具有的动能为：
Figure BDA0002829740910000052
上式即为风能表达式。其ρ中的单位是kg/m3，的单位是m3，v的单位是m/s，E的单位是W。可见风能的大小主要受风速的影响，而风速又是不可人为干预的外界因素，作为一种不确定扰动，而系统的控制带来不利的影响。
现研究理想风轮在流动的大气中的情况：假设通过风轮的气流其上游截面为S1，风速为v2，下游截面为S2，风速为v2，风轮的面积为s，通过风轮时的实际风速为v。假设空气是不可压缩的，由连续条件可得：S1V1＝SV＝S2V2。 (4)
风作用在风轮上的力可由Euler理论得出：
F＝ρSv(v1-v2) (5)
风轮吸收功率为：
P＝Fv＝ρSv2(v1-v2) (6)
此功率是由动能转换而来，从上游至下游动能的变化为：
Figure BDA0002829740910000053
其中
Figure BDA0002829740910000054
作用在风轮上的力和提供的功率可写为：
Figure BDA0002829740910000055
其中F为风轮上的力，P为所提供的功率
对式子(8)微分得：
Figure BDA0002829740910000061
求解得v2＝(1/3)v1，代入得到最大功率为：
Figure BDA0002829740910000062
Pmax为风力机的理论最大效率
上式即为风力机输出功率的极限值。以上为风力机的能量转化过程，可以看出：
Figure BDA0002829740910000063
其中ηmax为能量转换的最大值，风力机的能量转化过程是有限的，风力发电机实际的有用功率输出为：
Figure BDA0002829740910000064
其中Cp为可见风能利用系数，表示了风力发电机将风能转化成电能的转换效率，而最大的风能利用系数为0.593，即：虽然风速可以无限增大，但在各种物理因素和机械强度的限制下，输出功率却只能在一定的范围内，且转化为电能的风能的效率与与叶尖速比2和与桨距角B有关。而变桨距控制系统则就是主要通过改变桨距角B的大小，从而维持稳定的功率输出。
基于暂态频率控制时间框架，忽略调速系统二次调频和优化经济调度，利用一次调频特性估计主电网可支援有功能力。所述的步骤2陆上区域电网频率跌落时海上机组电网提供有功支援，包括：分别分析当交流线路连接和采用VSC-HVDC交流线路连接时，主网和区域电网频率跌落值、两种连接方式下区域电网的跌落频率比值；由此得出：海上风电机组电网装机容量一般远大于区域电网。相同有功缺额下，通过VSC-HVDC线路连接陆上区域电网频率跌幅将远大于通过交流线路连接时，可能导致陆上区域电网大量失负荷，甚至全部停电。
其具体过程为：
在海上风电场，其单台发电机有
Figure BDA0002829740910000065
其中：KG为发电机单位调节功率；Δf为频率跌落值；ΔP为发电机增发的有功功率。则N机系统有功缺额为：
Figure BDA0002829740910000066
设区域电网有功缺额为ΔPB，从主网传输到区域电网的有功为ΔPAB。当采用交流线路连接时，主网和区域电网频率跌落为Δf，有
Figure BDA0002829740910000071
解得
Figure BDA0002829740910000072
当采用VSC-HVDC线路相连时，主网频率不受影响，区域电网频率跌落为
Figure BDA0002829740910000073
两种连接方式下区域电网的跌落频率比值为
Figure BDA0002829740910000074
海上风电机组电网装机容量一般远大于区域电网。相同有功缺额下，通过VSC-HVDC线路连接陆上区域电网频率跌幅将远大于通过交流线路连接时，可能导致陆上区域电网大量失负荷，甚至全部停电。
自适应低频减载算法依赖于离线方式下得到的机组惯性时间常数，后者随电网运行方式变化而变化，导致功率缺额估计误差较大，因此最好通过在线参数估计。所述的步骤3陆上区域电网频率跌落时采取自适应减载措施，包括：通过风力发电机摇摆方程和有功缺额方程，计算陆上区域电网有功缺额；当陆上区域电网频率降至极限值49.8Hz且继续跌落时，启动频率控制措施；
在陆上区域电网存在有功缺额时，利用增量法在线估计等效惯性时间常数。陆上区域电网故障时，测量频率变化率dfc/dt，令其为a。然后增加主网输往区域电网的有功，即VSC-HVDC增加输送有功ΔPHVDC，测量区域电网此时频率变化率dfc/dt，令其为b。利用式21陆上区域电网有功缺额和dfc/dt计算区域电网有功缺额。但是该缺额能否完全由VSC-HVDC线路提供，取决于海上机组电网有功支援能力以及VSC-HVDC线路输电裕度。
在陆上区域电网发生有功缺额时，利用发电机调频特性估计海上机组电网在可承受频率跌落下的最大支援能力；以此为依据增加VSC-HVDC输送有功，让海上机组电网也参与调频，与陆上区域电网低频减载配合，尽可能少陆上区域电网负荷。考虑到海上机组电网规模，设定0.1Hz作为其可接受频率跌落幅度，同时留出20％的裕度，确定最大可支援有功Psupport。
当陆上区域电网频率降至49.8Hz且继续跌落时，启动频率控制措施：首先测量陆上区域电网频率f和频率变化率df/dt；当陆上区域电网频率值f降至49.8以下且测量的陆上区域电网频率小于0时，利用增量法算得惯性时间常数ξ，来确定有功缺额Pshort。考虑陆上区域电网机组调频能力，并避免频率超调，按其有功缺额的80％，结合海上机组电网1有功功率调节能力，增加VSC-HVDC输送有功。为减小增输有功导致陆上区域电网频率和海上机组电网频率大幅波动，分三步调节换流器的有功参考值。由于功率支援过慢会导致区域电网频率进一步跌落，故每步之间间隔时间定为0.02s。根据陆上区域电网频率跌幅是否采用自适应减载措施。实现海上机组电网有功功率支援后，再根据陆上区域电网频率跌幅确定是否启动低频减载措施。若频率仍然较低，延时启动区域电网自适应低频减载措施。
所述的步骤3的具体过程为；
令发电机摇摆方程为：
Figure BDA0002829740910000081
其中：H为惯性时间常数；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩；ω为转速，标幺值下与电网频率f相等。当转速变化较小时，有功缺额为：
Figure BDA0002829740910000085
陆上区域电网有功缺额为：
Figure BDA0002829740910000082
其中：fc为等效惯性中心频率；ξ为等效惯性时间常数，分别定义如式：
Figure BDA0002829740910000083
在陆上区域电网存在有功缺额时，利用增量法在线估计等效惯性时间常数。陆上区域电网故障时，测量频率变化率dfc/dt，令其为a。然后增加主网输往区域电网的有功，即VSC-HVDC增加输送有功ΔPHVDC，测量区域电网此时频率变化率dfc/dt，令其为b。估计区域电网等效惯性时间常数ξ为：
Figure BDA0002829740910000084
求得等效惯性时间常数后，即可利用式21陆上区域电网有功缺额和dfc/dt计算区域电网有功缺额。但是该缺额能否完全由VSC-HVDC线路提供，取决于海上机组电网有功支援能力以及VSC-HVDC线路输电裕度。
风力机能量转换模型或转矩计算公式是根据气体力学中气流的动能计算公式，结合贝茨(Betz)理论得到，λ为叶尖速比，它表示风轮在不同风速中的状态，用风轮叶片尖端线速度与风速v之比来衡量。ωr为发电机转速，v为风速。记为：
Figure BDA0002829740910000095
Cp为风能利用系数，与叶尖速比λ和与桨距角β有关，表示为：
Figure BDA0002829740910000091
Figure BDA0002829740910000092
电磁转矩Tm表示为：
Figure BDA0002829740910000093
其中ρ为空气密度，R为风轮半径。
在陆上区域电网发生有功缺额时，利用发电机调频特性估计海上机组电网在可承受频率跌落下的最大支援能力；以此为依据增加VSC-HVDC输送有功，让海上机组电网也参与调频，与陆上区域电网低频减载配合，尽可能少陆上区域电网负荷。考虑到海上机组电网规模，设定0.1Hz作为其可接受频率跌落幅度，同时留出20％的裕度，确定最大可支援有功Psupport。
Figure BDA0002829740910000094
当陆上区域电网频率降至49.8Hz且继续跌落时，启动频率控制措施，其方法流程如图2所示。首先测量陆上区域电网频率f及频率变化率df/dt，当陆上区域电网频率值f降至49.8以下且测量的陆上区域电网频率小于0时候，利用增量法算得惯性时间常数ξ，用来确定有功缺额Pshort。考虑陆上区域电网机组调频能力，并避免频率超调，按其有功缺额的80％，结合海上机组电网1有功功率调节能力，增加VSC-HVDC输送有功。为减小增输有功导致陆上区域电网频率和海上机组电网频率大幅波动，分三步调节换流器的有功参考值，功率支援过慢导致区域电网频率进一步跌落，故每步之间间隔时间定为0.02s。根据陆上区域电网频率跌幅是否采用自适应减载措施。实现海上机组电网有功功率支援后，再根据陆上区域电网频率跌幅确定是否启动低频减载措施。若频率仍然较低，延时启动区域电网自适应低频减载措施。上述频率控制方法具有以下优点：充分利用海上机组电网调频能力和陆上区域电网自适应减载策略以维持频率稳定；只需用到海上机组电网调节功率和有功裕度，易于实现。
在本发明中，采用鼠笼式异步电动机，因一般的感应电机转子电流不易测量。坐标变换为异步电机中，在三相静止绕组A，B，C和两相静止绕组之间的变换，变换的原则是三相绕组产生的合成磁势与两相绕组产生的合成磁势相等。其中abc2dq模块实现将abc坐标系中的三相电压转换为dq坐标系中的d轴和q轴电压，输入为线电压Uab，Ubc。
Figure BDA0002829740910000101
其中φs、φr为定转子与规定的静止αβ坐标系中α轴的夹角。dq2abc模块实现将dq坐标系中的d轴和q轴电流转换为abc坐标系中的三相电流输出：
Figure BDA0002829740910000102
电机正序和负序模型主要分为转子磁链电流，定子磁链电流和气隙磁链，其中气隙磁链是连接定子和转子的。通过数学计算，得出一些磁链方程和电流方程。以电机正序模型为例，其中转子磁链和电流为：
Figure BDA0002829740910000103
定子磁链和电流为：
Figure BDA0002829740910000104
Figure BDA0002829740910000111
其中Rs为定子电阻，Lls为定子电感，ω为dq轴相对于定子的角速度。气隙磁链为：
Figure BDA0002829740910000112
异步电机的电压方程为：
Figure BDA0002829740910000113
气隙磁链方程为：
Figure BDA0002829740910000114
其中Lm为定转子之间的互感，Lls为定子电感，Llr为转子电感。在分析了电机构造和运行等知识的基础上在Matlab/Simulink中搭建异步电机模型，描述电机的各个内部变量，包括转子在dq坐标系下的和abc坐标系下的电流、电压、磁链等，定子在dq坐标系下的和abc坐标系下的电流、电压、磁链等和转子机械角频率，电磁转矩等变量。可以在仿真过程中任意直观地观测内部各变量的动态变化，更加有利于对风力发电系统的仿真模拟，使得仿真结果更加精确。
模拟实际风力机的工作特性，利用风力机的模拟特性进行风力发电技术的试验。在MATLAB/Simulink中搭建的风力发电机模型主要有风轮模型，异步发电机模型和传动机构模型。如图3所示，v为定子三相电压，thr为转子机械角度，wr为转子机械角频率。其中转矩子系统输出电磁转矩Te。
深入研究风力发电系统以后，利用风力机的空气动力学特性和风能最大吸收等理论，分析风力发电系统的基本组成模块，总结包括风轮机，异步电机和传动机构等模块的数学模型，并在MATLAB/Simulink中进行初步建模，建立风力发电系统。
通过交流线路连接时，海上机组电网和陆上区域电网机组共同参与频率调节，陆上区域电网频率跌至49.86Hz左右。通过VSC-HVDC连接时，海上机组电网没有参与频率调节，陆上区域电网频率跌落到49.65Hz。显然，海上机组电网参与区域电网频率调节，能有效提升后者频率，而VSC-HVDC隔离了两个系统的频率联系。动态仿真结果还表明，海上机组电网和陆上区域电网中各节点频率都在各区域的等效惯性中心频率的附近，表明等效惯性中心频率能较好地描述区域中各节点频率特性。
为搭建变桨距风力发电系统，需要对风力发电机组技术和电机学等知识进行了解，从而得出风轮机，异步电机和传动机构等模块的数学模型，并在MATLAB/Simulink中进行建模，实现了风力发电机组模型，有利于本领域技术研究的进一步开展。
取0.5s时节点23负载增大50％。由仿真结果得到陆上区域电网的频率变化率为0.24，向陆上区域电网增加输电量0.1pu，频率变化率变为0.2324，可得陆上区域电网惯性时间常数ξ为6.58，从而估计系统有功缺额为3.1584。陆上区域电网最低频率在49.72Hz以上，稳定频率在49.95Hz左右；海上机组电网的最低频率在49.92Hz以上。
因此，海上机组电网通过VSC-HVDC增加有功支援，在保证自身频率安全同时提高了陆上区域电网频率。在改变有功参考值后，换流站快速调整有功出力，体现了VSC-HVDC参与调频的可行性。为了表明VSC-HVDC有功支援对陆上区域电网频率的影响，制定减载策略：方案一不依赖海上机组电网有功支援，当陆上区域电网频率跌落到49.8Hz时启动陆上区域电网自适应减载措施；方案二在频率跌落到49.8Hz时启动海上机组电网有功支援，延时0.1s后，频率跌落到49.75Hz时自适应低频减载动作。具体如表1所示，ΔP1为没有功率支援下的有功缺额，ΔP2为得到海上机组电网有功支援后的缺额)陆上区域电网频率跌落时，海上机组电网在保证自身频率安全的前提下，通过VSC-HVDC线路给陆上区域电网一定有功支援，有助于陆上区域电网维持频率稳定，减少低频减载量。
表1为自适应减载控制策略图，ΔP1为没有功率支援下的有功缺额结果，ΔP2为得到海上机组电网有功支援后的有功缺额结果。
表一 自适应减载控制策略图
Figure BDA0002829740910000121

Claims (5)

1.一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，其特征在于：基于VSC-HVDC有功支援和自适应减载措施的方法维持风电系统的频率稳定，当连接陆上区域电网时发生功率缺额时候，利用增量法估计有功缺额，在保证海上机组电网频率安全的前提下向其输送有功功率，为陆上区域电网提供有功支援，然后根据陆上区域电网频率跌落幅度，采取自适应减载措施；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、海上风电机组进行风能转换；根据海上风力气流的规律，分析海上风电机组风轮吸收功率、风力机的能量转化过程，进而得出：虽然风速可以无限增大，但在各种物理因素和机械强度的限制下，输出功率却只能在一定的范围内，且转化为电能的风能的效率与叶尖速比2和与桨距角B有关；
步骤2、陆上区域电网频率跌落时，海上机组电网增加VSC-HVDC输送有功，向陆上区域电网提供有功支援；
步骤3、陆上区域电网频率跌落时采取自适应减载措施，包括：通过风力发电机摇摆方程和有功缺额方程，计算陆上区域电网有功缺额；当陆上区域电网频率降至极限值且继续跌落时，启动频率控制措施。
2.根据权利要求1所述的一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，其风力发电机将风能转化成电能时，最大的风能利用系数为0.593。
3.根据权利要求1所述的一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，陆上区域电网频率的下降极限值为49.8Hz。
4.根据权利要求1所述的一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，其特征在于，所述的步骤2，包括：分别分析当交流线路连接和采用VSC-HVDC交流线路连接时，海上机组电网和陆上区域电网频率跌落值、两种连接方式下陆上区域电网的跌落频率比值；由此得出：海上风电机组电网装机容量一般远大于区域电网；相同有功缺额下，通过VSC-HVDC线路连接陆上区域电网频率跌幅将远大于通过交流线路连接时，可能导致陆上区域电网大量失负荷，甚至全部停电。
5.根据权利要求1所述的一种VSC-HVDC海上风电系统的功率控制方法，其特征在于，所述的步骤3，包括：
在陆上区域电网存在有功缺额时，利用增量法在线估计等效惯性时间常数；陆上区域电网故障时，测量频率变化率dfc/dt；然后增加海上机组电网输往陆上区域电网的有功，即VSC-HVDC增加输送有功ΔPHVDC，测量区域电网此时频率变化率dfc/dt；利用陆上区域电网有功缺额和频率变化率dfc/dt计算陆上区域电网有功缺额；但该缺额能否完全由VSC-HVDC线路提供，取决于海上机组电网有功支援能力以及VSC-HVDC线路输电裕度；
在陆上区域电网发生有功缺额时，利用发电机调频特性估计海上机组电网在可承受频率跌落下的最大支援能力；以此为依据增加VSC-HVDC输送有功，让海上机组电网也参与调频，与陆上区域电网低频减载配合，尽可能少陆上区域电网负荷；考虑到海上机组电网规模，设定0.1Hz作为其可接受频率跌落幅度，同时留出20％的裕度，确定最大可支援有功Psupport；
当陆上区域电网频率降至49.8Hz且继续跌落时，启动频率控制措施：首先测量陆上区域电网频率f和频率变化率df/dt；当陆上区域电网频率值f降至49.8以下且测量的陆上区域电网频率小于0时，利用增量法算得惯性时间常数ξ，来确定有功缺额Pshort；考虑陆上区域电网机组调频能力，并避免频率超调，按其有功缺额的80％，结合海上机组电网1有功功率调节能力，增加VSC-HVDC输送有功；为减小增输有功导致陆上区域电网频率和海上机组电网频率大幅波动，分三步调节换流器的有功参考值；由于功率支援过慢会导致区域电网频率进一步跌落，故每步之间间隔时间定为0.02s；根据陆上区域电网频率跌幅是否采用自适应减载措施；实现海上机组电网有功功率支援后，再根据陆上区域电网频率跌幅确定是否启动低频减载措施；若频率仍然较低，延时启动区域电网自适应低频减载措施。
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鲍正杰等: ""基于VSC-HVDC有功支援和自适应低频减载的区域电网频率控制"", 《电力系统保护与控制》 *

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