一種雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法，包括步驟有：（1）首先經(jīng)過PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生d、q軸的電流參考值；（2）提取出電網(wǎng)的并網(wǎng)接入點的瞬時有功電流、瞬時無功電流；（3）將（2）步的瞬時有功電流、瞬時無功電流與（1）步所得到的電流參考值相比較，使STATCOM輸出電流能夠跟蹤其參考值；利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖；（4）在PWM控制環(huán)節(jié)引入電壓空間矢量雙滯環(huán)控制；（5）精確輸出無功電流；（6）精確跟蹤控制參考電流的變化，滿足風(fēng)電場無功補償?shù)男枰１景l(fā)明方法具有跟蹤無過沖、動態(tài)性能好、控制簡單、便于實時控制等優(yōu)點，有效的滿足了風(fēng)電場無功補償?shù)男枰?br> 【專利說明】—種雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電低壓穿越能力【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及對于風(fēng)電并網(wǎng)點的穩(wěn)定性問題和對電力系統(tǒng)的無功功率補償?shù)膯栴}，具體是基于空間矢量雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場低電壓穿越無功支撐控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比重的大幅增加，系統(tǒng)對于風(fēng)電場的穩(wěn)定運行要求越來越高，而風(fēng)電場的低電壓穿越正是并網(wǎng)技術(shù)要求的關(guān)鍵一項。有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有比較明確的規(guī)定，風(fēng)電場電壓跌落到額定電壓的20%持續(xù)時間不超過625ms、在2s時間以內(nèi)電壓恢復(fù)到90%額定電壓的范圍內(nèi)風(fēng)電場不允許脫網(wǎng)，如超過此范圍風(fēng)電場允許脫網(wǎng)，但是這一標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力發(fā)電機制造企業(yè)的約束不足，絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機在出廠后都不具備該能力。因此，除了對單臺風(fēng)力發(fā)電機進行改造以外，還應(yīng)該在風(fēng)電接入點出接入STATCOM裝置，以保證風(fēng)電場達(dá)到并網(wǎng)的技術(shù)要求。
[0003]由于風(fēng)速的隨機變化容易導(dǎo)致風(fēng)電場輸出功率的波動，當(dāng)無功功率補償不足時，甚至?xí)痣妷洪W變；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，風(fēng)電場要能夠保持并網(wǎng)運行，甚至向電網(wǎng)提供無功功率，幫助系統(tǒng)恢復(fù)，避免風(fēng)電場脫網(wǎng)造成更大事故，即風(fēng)電場應(yīng)該具備一定的低壓穿越能力。以上兩個方面，都要求風(fēng)電場具有一定的無功補償能力，而現(xiàn)有的電容器組的補償方式很難滿足風(fēng)電場的動態(tài)補償要求，因此需要引入靜止同步補償器(STATCOM)應(yīng)用于風(fēng)電場，使其與風(fēng)電場原有的無功補償器件相配合，提高并網(wǎng)風(fēng)電場的穩(wěn)定性和低電壓穿越能力。
[0004]STATCOM與一般使用連續(xù)無功補償設(shè)備(SVC)比較起來，具有調(diào)節(jié)范圍大，響應(yīng)速度快，諧波含量小，占地面積小等特點，而且在電網(wǎng)電壓跌落時可以提供更多的無功功率支持。STATCOM的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)補償?shù)哪康?。又由于直流?cè)采用的電容和電壓的兩種儲能元件的不同，可以分為電壓型和電流型兩種。無論是電壓型還是電流型的STATCOM其動態(tài)補償機理是相同的，但是由于效率問題，常用電壓型STATCOM。
[0005]STATCOM的控制目標(biāo)為:調(diào)節(jié)其輸出的有功功率，以保證直流側(cè)的電壓穩(wěn)定；同時控制輸出無功功率，從而改善系統(tǒng)功率因數(shù)，或者調(diào)節(jié)并網(wǎng)點電壓，改善其電壓水平。這個控制目標(biāo)可以通過調(diào)節(jié)STATCOM輸出電流的d、q分量實現(xiàn)。STATCOM控制器一般包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)兩層PI控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)包括直流電壓控制環(huán)節(jié)、無功功率或者并網(wǎng)點電壓控制環(huán)節(jié)，主要產(chǎn)生d、q軸的電流參考值。內(nèi)環(huán)控制將得到的參考值與瞬時無功功率檢測技術(shù)得到、比較之后解耦，控制PWM出發(fā)脈沖，從而達(dá)到控制目的。
[0006]傳統(tǒng)的STATCOM控制方法主要有PWM技術(shù)和滯環(huán)控制兩種方式，PWM技術(shù)可以獲得恒定的開關(guān)頻率，裝置安全性較高，但響應(yīng)速度受閉環(huán)穩(wěn)定性要求影響，即便是在穩(wěn)態(tài)也會出現(xiàn)明顯的滯后誤差。滯環(huán)控制可以獲得較好的控制性能，精確度較高且響應(yīng)快，屬于實時控制，硬件電路簡單，理論上無需系統(tǒng)參數(shù)，但開關(guān)頻率可能波動較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0009]一種雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法，電力系統(tǒng)通過配電網(wǎng)變壓器與風(fēng)電場相連，靜止同步補償器STATC0M，接入配電網(wǎng)變壓器，保證風(fēng)電場與電力系統(tǒng)接入點的電壓穩(wěn)定，其特征在于包括方法如下:
[0010](I)首先根據(jù)STATCOM直流側(cè)的電壓控制環(huán)節(jié)、無功功率或者并網(wǎng)點電壓控制環(huán)節(jié)，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生d、q軸的電流參考值；
[0011]( 2 )利用瞬時無功檢測技術(shù)，提取出電網(wǎng)的并網(wǎng)接入點的瞬時有功電流、瞬時無功電流；
[0012](3)將(2)步的瞬時有功電流、瞬時無功電流與(I)步所得到的電流參考值相比較，使STATCOM輸出電流能夠跟蹤其參考值；利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖；
[0013](4)在PWM控制環(huán)節(jié)引入電壓空間矢量雙滯環(huán)控制；
[0014](5)精確輸出無功電流；參考電壓u*所在的復(fù)平面區(qū)間由電流變化率5和當(dāng)前換流器的開關(guān)狀態(tài)確定，從而選取最佳的電壓矢量控制，精確輸出無功電流；
[0015](6)將原有的PWM技術(shù)和滯環(huán)控制的優(yōu)點相互結(jié)合，精確跟蹤控制參考電流的變化，滿足風(fēng)電場無功補償?shù)男枰?br> [0016]而且，所述步驟(3)的利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖的具體方法為:由于STATCOM各電壓、電流量在d、q軸之間存在耦合，因此通過解耦得到參考電壓ud*、uq*，再利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖。
[0017]而且，所述步驟(4)在PWM控制環(huán)節(jié)引入電壓空間矢量雙滯環(huán)控制的具體方法是:將控制變量u*在復(fù)平面上分為內(nèi)滯環(huán)控制和外滯環(huán)控制兩個區(qū)間，外環(huán)滯環(huán)控制用于系統(tǒng)受擾動后的暫態(tài)過程或電流變化率S超過系統(tǒng)設(shè)定值的情況下的控制；內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制用于參考電流的變化率S在設(shè)計范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)控制。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:
[0019]對于傳統(tǒng)滯環(huán)控制的中存在的IGBT動作頻率過快，諧波含量較多的問題，本專利結(jié)合了 PWM控制技術(shù)，引入了空間矢量，在復(fù)平面上實現(xiàn)實時控制，具有跟蹤無過沖、動態(tài)性能好、控制簡單、便于實時控制等優(yōu)點。能夠有效的滿足風(fēng)電場無功補償?shù)膶嶋H需要，達(dá)到低壓穿越的技術(shù)要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為風(fēng)電場并網(wǎng)點的系統(tǒng)框圖；
[0021]圖2為本發(fā)明方法的STATCOM控制框圖；
[0022]圖3為實例中算例系統(tǒng)示意圖；
[0023]圖4為實例中采用電壓空間矢量雙滯環(huán)控制參考電壓u*的運動軌跡圖；[0024]圖5為實例中采用電壓空間矢量雙滯環(huán)控制參考電流的變化率5的暫態(tài)分布圖；
[0025]圖6為實例中風(fēng)電機組機端電壓仿真結(jié)果圖，橫坐標(biāo)為仿真時間，縱坐標(biāo)為機端電壓；
[0026]圖7為實例中風(fēng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果圖，橫坐標(biāo)為仿真時間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；
[0027]圖8為實例中STATCOM發(fā)出的無功功率仿真結(jié)果圖，橫坐標(biāo)為仿真時間，縱坐標(biāo)為STATCOM發(fā)出的無功功率。
【具體實施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述，需要強調(diào)的是，以下實施方式是說明性的，而不是限定性的，不能以此實施方式作為對本發(fā)明的限定。
[0029]一種雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法，如圖1或2所示，電力系統(tǒng)通過配電網(wǎng)變壓器與風(fēng)電場相連，靜止同步補償器STATC0M，接入配電網(wǎng)變壓器，保證風(fēng)電場與電力系統(tǒng)接入點的電壓穩(wěn)定。
[0030](I)首先根據(jù)STATCOM直流側(cè)的電壓控制環(huán)節(jié)、無功功率或者并網(wǎng)點電壓控制環(huán)節(jié)，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生d、q軸的電流參考值；
[0031 ] ( 2 )利用瞬時無功檢測技術(shù)，提取出電網(wǎng)的并網(wǎng)接入點的瞬時有功電流、瞬時無功電流；
[0032](3)將(2)步的瞬時有功電流、瞬時無功電流與(I)步所得到的電流參考值相比較，使STATCOM輸出電流能夠跟蹤其參考值，由于STATCOM各電壓、電流量在d、q軸之間存在耦合，因此通過解耦得到參考電壓ud*、uq*，再利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖；
[0033](4)在PWM控制環(huán)節(jié)引入電壓空間矢量雙滯環(huán)控制，其具體方法是:將控制變量u*在復(fù)平面上分為內(nèi)滯環(huán)控制和外滯環(huán)控制兩個區(qū)間，外環(huán)滯環(huán)控制主要用于系統(tǒng)受擾動后的暫態(tài)過程或電流變化率S超過系統(tǒng)設(shè)定值的情況下的控制；內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制主要用于穩(wěn)態(tài)控制，這時參考電流的變化率S在設(shè)計范圍內(nèi)，應(yīng)采用更為精確的控制；
[0034](5)參考電壓u*所在的復(fù)平面區(qū)間由電流變化率8和當(dāng)前換流器的開關(guān)狀態(tài)確定，從而選取最佳的電壓矢量控制，精確的輸出無功電流；
[0035](6)將原有的PWM技術(shù)和滯環(huán)控制的優(yōu)點相互結(jié)合，精確跟蹤控制參考電流的變化，滿足風(fēng)電場無功補償?shù)男枰?br> [0036]實例
[0037]以雙饋異步風(fēng)電機組為例來進行仿真分析，本算例中風(fēng)電機組為兩臺容量為
1.5MW的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，發(fā)電機機端電壓為690V，然后通過電纜與一臺0.69/35KV的變壓器相連，后通過一條25Km長的輸電線路送到風(fēng)電場的升壓站，升至110KV，最后接入電網(wǎng)。STATCOM安裝在風(fēng)電場升壓變壓器的高壓側(cè)，安裝容量為101^&1~，電網(wǎng)電壓在2.08跌落至20%且持續(xù)625ms，2.625s后故障切除，仿真期間，風(fēng)速始終為恒定風(fēng)速10m/S，附圖3-8分別給出了實例中算例系統(tǒng)的示意結(jié)構(gòu)；實例中采用電壓空間矢量雙滯環(huán)控制參考電壓u*的運動軌跡；實例中采用電壓空間矢量雙滯環(huán)控制參考電流的變化率5的暫態(tài)分布；實例中風(fēng)電機組機端電壓仿真結(jié)果，橫坐標(biāo)為仿真時間，縱坐標(biāo)為機端電壓；實例中風(fēng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果，橫坐標(biāo)為仿真時間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；實例中STATCOM發(fā)出的無功功率仿真結(jié)果，橫坐標(biāo)為仿真時間，縱坐標(biāo)為STATCOM發(fā)出的無功功率。
[0038]結(jié)論:在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，STATCOM裝置能為風(fēng)電場快速的提供無功支撐，有助于風(fēng)電機組機端電壓快速恢復(fù)，有效抑制轉(zhuǎn)子加速，能大大改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。
[0039]本專利通過圖形化仿真軟件PSCAD/EMTDC進行驗證，仿真參數(shù)由實際檢測所得，經(jīng)驗證，能夠滿足風(fēng)電場實際運行的需要，有效的提供無功功率，保證風(fēng)電場與系統(tǒng)并網(wǎng)點的電壓穩(wěn)定，達(dá)到低壓穿越的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法，電力系統(tǒng)通過配電網(wǎng)變壓器與風(fēng)電場相連，靜止同步補償器STATCOM，接入配電網(wǎng)變壓器，保證風(fēng)電場與電力系統(tǒng)接入點的電壓穩(wěn)定，其特征在于包括方法如下: (1)首先根據(jù)STATCOM直流側(cè)的電壓控制環(huán)節(jié)、無功功率或者并網(wǎng)點電壓控制環(huán)節(jié)，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生d、q軸的電流參考值； (2)利用瞬時無功檢測技術(shù)，提取出電網(wǎng)的并網(wǎng)接入點的瞬時有功電流、瞬時無功電流； (3)將(2)步的瞬時有功電流、瞬時無功電流與(I)步所得到的電流參考值相比較，使STATCOM輸出電流能夠跟蹤其參考值；利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖； (4)在PWM控制環(huán)節(jié)引入電壓空間矢量雙滯環(huán)控制； (5)精確輸出無功電流；參考電壓u*所在的復(fù)平面區(qū)間由電流變化率5和當(dāng)前換流器的開關(guān)狀態(tài)確定，從而選取最佳的電壓矢量控制，精確輸出無功電流； (6)將原有的PWM技術(shù)和滯環(huán)控制的優(yōu)點相互結(jié)合，精確跟蹤控制參考電流的變化，滿足風(fēng)電場無功補償?shù)男枰?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法，其特征在于:所述步驟(3)的利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖的具體方法為:由于STATCOM各電壓、電流量在d、q軸之間存在耦合，因此通過解耦得到參考電壓ud*、uq*，再利用電壓空間雙滯環(huán)控制得到PWM控制的觸發(fā)脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙滯環(huán)控制的風(fēng)電場無功支撐方法，其特征在于:所述步驟(4)在PWM控制環(huán)節(jié)引入電壓空間矢量雙滯環(huán)控制的具體方法是:將控制變量u*在復(fù)平面上分為內(nèi)滯環(huán)控制和外滯環(huán)控制兩個區(qū)間，外環(huán)滯環(huán)控制用于系統(tǒng)受擾動后的暫態(tài)過程或電流變化率S超過系統(tǒng)設(shè)定值的情況下的控制；內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制用于參考電流的變化率5在設(shè)計范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)控制。
【文檔編號】H02J3/18GK103501010SQ201310438865
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】劉云, 李曉輝, 李國棟, 王旭東, 劉亞麗, 胡曉輝 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)天津市電力公司