换相失败期间风机虚拟惯性对送端过电压影响的分析方法

1.本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种换相失败期间风机虚拟惯性对送端过电压影响的分析方法。


背景技术：

2.为了响应国家能源可持续发展战略，以风电为代表的新能源已在我国得到了长足的发展。我国正逐步形成高比例新能源、高比例电力电子设备的双高电力系统。由于风机经变流器接入电网，大大降低了系统频率抗扰能力。在此背景下，虚拟惯性技术应运而生，并通过在风机中的应用有效改善了系统频率稳定问题。然而影响风机稳定运行的另一重要因素为交直流输电系统故障下的过电压问题。换相失败期间，送端交流系统会因整流器的无功消耗大量减小而产生过电压。由于风机在端电压超过1.3pu时即会脱网，而且由换相失败引起的送端过电压幅值大小与直流传输容量成正比，与送端交流系统短路比成反比，因此由换相失败引起的送端过电压问题严重制约着交直流输送能力的提升。
3.目前关于换相失败期间送端暂态过电压的机理分析，现有技术主要从整流器的暂态无功特性上展开。有学者在推导出送受端换流器消耗的无功功率方程的基础上，分析了换相失败期间及故障恢复期间换流器的暂态无功特性以及直流与送受端系统的无功交换情况；有学者描述了直流控制环节各参数对送端暂态过电压峰值的灵敏度关系，提出了在保证直流系统正常运行的前提下直流控制参数的优化方案；另有学者通过分析直流电压、电流的变化特点，给出了送端过电压峰值计算公式，并通过优化整流器无功特性给出了过电压抑制方法。
4.然而，换相失败发生后，送端交流系统不仅会因整流器无功消耗的变化而遭受无功冲击；由于换相失败期间逆变侧相当于被短路，在直流控制系统的作用下，直流传输的有功功率将迅速减小，进而导致送端交流系统频率突增。因此，风电场响应频率变化的虚拟惯性控制也会动作，风机有功出力的改变势必会对送端暂态过电压产生影响，进而影响风机的安全稳定运行。且随着风电接入电网的容量不断增大，这种影响势必越发明显。然而，目前关于风机虚拟惯性控制对换相失败期间送端暂态过电压的影响并未得到充分考虑和分析。


技术实现要素：

5.为了进一步阐明交直流输电系统场景下送端暂态过电压产生机理，本发明提供了一种风机虚拟惯性控制对送端暂态过电压的影响分析方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.换相失败期间风机虚拟惯性对送端过电压影响的分析方法，其特征为，包括如下步骤：
8.步骤100：在系统稳定运行情况下，建立整流侧换流母线电压与流入该节点有功、无功功率静态关系；
9.步骤200：在换相失败期间，根据直流控制系统动作逻辑，包括整流侧控制和逆变侧控制，分析整流侧直流电压与电流暂态变化过程；
10.步骤300：根据整流器无功消耗与风机有功输出暂态变化，分析换相失败期间送端暂态电压变化全过程；
11.步骤400：建立虚拟惯性控制与送端暂态过电压峰值的矢量关系。
12.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：
13.通过分析表明，换相失败引起的送端暂态过电压峰值与当前时刻风机发出的有功功率大小呈负相关。增大虚拟惯性阻尼系数，将明显减缓换相失败结束后风机有功恢复速率，进而恶化送端过电压。该发明综合考虑直流控制系统和虚拟惯性控制，能够全面且准确地分析换相失败期间风机虚拟惯性对送端过电压的影响。
附图说明
14.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例提供的换相失败期间风机虚拟惯性对送端过电压影响的分析方法的流程图；
16.图2为本发明实施例1中送端风火打捆等效模型图；
17.图3为本发明实施例1中直流控制系统逻辑图；
18.图4为本发明实施例1中换相失败期间直流运行曲线图；
19.图5为本发明实施例1中风机虚拟惯性控制框图；
20.图6为本发明实施例1中送端换流母线电压前后对比向量图；
21.图7(a)为本发明实施例1中换相失败期间火电机组有功输出的变化曲线图；
22.图7(b)为本发明实施例1中换相失败期间火电机组无功输出的变化曲线图；
23.图7(c)为本发明实施例1中换相失败期间整流侧换流母线电压的变化曲线图；
24.图8为本发明实施例1中加入虚拟惯性控制前后，换相失败期间送端换流母线暂态电压的变化情况；
25.图9为本发明实施例1中不同虚拟惯性参数下风机有功出力情况；
具体实施方式
26.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。
27.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。
28.图1为本发明换相失败期间风机虚拟惯性对送端过电压影响的分析方法流程示意图。如图1所示包括以下步骤：
29.步骤100：在系统稳定运行情况下，建立整流侧换流母线电压与流入该节点有功、无功功率静态关系，具体包括：
30.图2为送端风火打捆经直流送出系统等效模型，其中，p1、q1分别为火电机组发出的有功/无功功率；p2、p3、q2、q3分别为火电机组、风电机组传输至直流系统送端的有功/无功功率；p
dr
为直流系统传输的有功功率；q
dr
为整流器消耗的无功功率；qc为整流站交流滤波系统发出的无功功率；u
dr
为整流侧直流电压；id为直流电流；ug为整流侧换流母线电压；u1、u2分别为火电/风电机组并网电压；r1、x1分别为火电机组与直流系统间的等效电阻、电抗；r2、x2分别为风电机组与直流系统间的等效电阻、电抗。
31.所述分析整流侧换流母线电压稳态幅值，即给出稳态期间整流侧换流母线电压幅值与该节点有功、无功的数学关系，稳态运行时，整流侧换流母线节点满足如下功率平衡关系：
[0032][0033]
p
dr
与q
dr
的关系可表示为：
[0034][0035]
其中为整流器功率因数角，u
dr0
为整流侧空载直流电压。火电机组并网电压u1与整流侧换流母线电压ug的关系为：
[0036][0037]
其中δu、δu分别为线路压降纵、横分量。忽略线路电阻，可以得到u1与ug的关系为：
[0038][0039]
若认为火电机组为无穷大电源，即暂态期间u1基本不变，则在换相失败期间分析整流侧换流母线电压ug的变化情况时，根据式(4)，需重点考虑p1、q1的变化特点。由于传统火电机组产生了电力系统各个节点的电压、频率，而风机是在其并网节点处，通过该节点电压、频率的情况，调节风机自身的输出功率。因此，在分析换相失败期间ug的暂态变化时，将讨论风机的有功出力变化对火电机组出力p1的影响。
[0040]
步骤200：在换相失败期间，根据直流控制系统动作逻辑，包括整流侧控制和逆变侧控制，分析整流侧直流电压与电流暂态变化过程，具体内容为：
[0041]
所述直流控制系统如图3，其为cigre-hvdc标准模型下的直流控制系统逻辑框图。其中，id为直流电流；α为整流器触发角；i
d-order
为直流主控制级传递下来的直流电流指令值，pscad标准直流模型下其值为1pu；i
dref
为低压限流装置输出给整流侧/逆变侧定电流控制的直流电流参考值；u
di
为逆变侧直流电压；γ为逆变器最小关断角；γ
ref
为逆变侧关断角参考值；βi为逆变侧定电流控制输出超前触发角；βv为逆变侧定关断角控制输出超前触发角；β为逆变侧超前触发角，其值为βi、βv中的最大值。
[0042]
所述直流控制系统包括整流侧控制和逆变侧控制。整流侧设有定α
min
控制和定电流控制，其中定α
min
控制由图3整流侧控制中的pi限幅环节实现，其外特性方程为：
[0043]udr
＝1.3e
r cosα
min-(3/π)xridꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0044]
其中u
dr
为整流侧直流电压；er为整流侧换流变压器阀侧空载电压有效值；xr为整流侧等值换相电抗。
[0045]
整流侧定电流控制的直流电流参考值由逆变侧低压限流装置提供，参考值大小由逆变侧直流电压决定，关系式为：
[0046][0047]
整流侧定电流控制通过比较id和i
d-order
的大小，调节α角，控制直流电流。
[0048]
逆变侧设有定电流控制、定关断角控制和电流偏差控制。稳态时逆变侧运行在定关断角控制模式，为防止换相失败发生，定关断角控制欲将关断角γ稳定在15
°
左右，其外特性方程为：
[0049]udi
＝1.3eicosγ-(3/π)xiidꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0050]
逆变侧定电流控制的电流参考值较整流侧小0.1pu，且由于逆变侧定电流控制下的pi环节设有最小限幅参数，因此当直流电流大于定电流参考值时，定电流控制无法响应。仅当直流电流小于定电流控制电流参考值时，逆变器通过增大β角来减小逆变侧直流电压u
di
，进而增大直流电流。
[0051]
电流偏差控制主要用于实现逆变侧定电流控制与定关断角控制间的平滑切换。当直流电流处于直流两侧定电流控制电流参考值之间时，电流偏差控制将根据当前电流偏差增大γ角，以增大直流电流。其外特性方程为：
[0052]
γ＝γ
ref
k(i
dref-id)/i
dref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0053]
其中k为一正实系数。
[0054]
步骤300：根据整流器无功消耗与风机有功输出暂态变化，分析换相失败期间送端暂态电压变化全过程，具体包括：
[0055]
根据式(2)，可以推导出整流器消耗的无功功率与整流侧直流电压u
dr
、直流电流id之间的关系为：
[0056][0057]
可以看出，换相失败期间整流器消耗的无功功率q
dr
与u
dr
、id密切相关。根据换相失败期间直流电压、电流以及有功传输变化特点，可将整流侧交流母线暂态电压变化过程分
为4个阶段，图4给出单次换相失败期间直流运行曲线图，图中u
di
为逆变侧直流电压。
[0058]
所述阶段1：直流系统稳态时运行在a点。当逆变侧发生短路故障，逆变侧换流母线电压下降引发逆变器换相失败。此时直流逆变侧相当于被短路，因此u
di
将迅速减小到0，而整流侧定电流控制来不及动作，导致id增大，根据图4，直流系统将运行到暂态运行点b。根据式(8)，在此过程中q
dr
将持续增加，进而导致q1增大。同时在换相失败时，直流有功传输p
dr
减小，火电机组相应减小其有功输出p1，同时由于送端系统频率突增，虚拟惯性控制将减小风机有功输出p2。根据式(4),该阶段整流侧换流母线电压u
lr
将持续减小。
[0059]
所述阶段2：由于u
di
减小到0，根据式(5)，此时vdcol控制输出的直流电流参考值i
dref
将减小到最小限值，但当前直流电流id大于i
dref
，逆变侧定电流控制无法响应，此时整流侧定电流控制起作用，整流侧通过增大α角，减小u
dr
，使id减小并接近直流电流参考值，系统由b点向c点运行。根据式(9)，在该阶段q
dr
将大幅减小，进而导致q1减小。同时，随着u
dr
与id的减小，直流传输有功p
dr
继续降低到接近0，火电机组有功输出p1相应减小到最低值。因此在该阶段，u
lr
将减小到极小值然后逐渐增大。
[0060]
所述阶段3：当直流电流被减小到某水平时，逆变器恢复正常换相，u
di
迅速增大，将导致id进一步减小。整流侧定电流控制通过减小α，增大u
dr
，以此抑制id的减小。如果id减小到小于逆变侧定电流控制参考电流时，逆变器将从定关断角控制切换为定电流控制。在此过程中，系统将从c点向d点运行，整流侧直流电压u
dr
增大，直流电流id减小，根据式(9)，整流器消耗的无功功率q
dr
将持续减小，q1相应减小。与此同时，直流有功传输开始恢复，p
dr
逐渐增大，送端火电机组有功输出p1与风电机组有功输出p2相应恢复。根据式(4)，在该阶段u
lr
将继续增大并达到最大值。
[0061]
所述阶段4：u
di
持续恢复，且随着整流侧与逆变侧定电流控制的作用，直流电流id开始逐渐增大，当直流电流增大到等于逆变侧定电流控制电流参考值时，逆变侧进入电流偏差控制，并过渡到定关断角控制，最终直流系统回到稳定运行点a。在该阶段，整流器消耗的无功功率q
dr
及直流传输有功p
dr
均逐渐恢复至稳态运行情况。因此，在该阶段u
lr
将随直流系统的恢复而逐渐恢复至稳态。
[0062]
步骤400：建立虚拟惯性控制与送端暂态过电压峰值的矢量关系，具体包括：
[0063]
所述风机虚拟惯性控制框图如图5所示，图中*号表示对应变量的参考值；ωs表示风机转子角速度；i
sq
、i
sd
分别表示有功电流、无功电流；δiq为虚拟惯性控制输出的有功电流控制增量。k
p
为虚拟惯性控制阻尼系数；kd为虚拟惯性控制惯性系数。
[0064]
稳态时，直驱风机运行于最大功率跟踪模式，无功电流参考值通常被设置为0，以使风机运行于单位功率因数模式。在图5控制逻辑下，稳态时直驱风机有功、无功并网功率满足式(10)：
[0065][0066]
其中pw、qw分别表示风机并网有功、无功功率。
[0067]
换相失败期间，由于送端系统有功功率盈余，风机虚拟惯性控制将根据并网频率变化，相应调节有功电流i
sq
的大小，以改变风机有功输出情况。
[0068]
在一次换相失败期间，整流侧换流母线电压将经历上述4个阶段的变化过程，其中
过电压形成于阶段2与阶段3，尤其是在逆变器刚刚恢复正常换相的阶段3，整流器无功消耗q
dr
的减小与火电机组有功输出p1的增大将同时导致u
lr
的增大。本发明研究重点集中在阶段3中p1的大小上。根据式(4)可知，在该阶段p1越大，将导致u
lr
越大。由于p1满足式(1)，而在阶段1、2中为抑制送端频率升高，风机有功输出p2被减小，在阶段3中风机有功输出来不及恢复，将导致火电机组输出有功p1变大，进而恶化送端暂态过电压。风机虚拟惯性控制对送端过电压峰值的影响效果如图6所示。
[0069]
所述图6中，p1’
为风机加入虚拟惯性控制后火电机组发出无功功率；u
g’为风机加入虚拟惯性控制后整流侧换流母线电压向量。
[0070]
具体实施例：
[0071]
基于公知pscad平台下的cigre-hvdc标准直流测试系统，验证以上理论分析方法的正确性，具体包括：
[0072]
基于pscad平台下的cigre-hvdc标准直流模型，在送端加入直驱风电场，风机的机/网侧变流器采用图5所示控制策略；稳态时风机有功出力200mw，直流稳态传输功率1000mw。
[0073]
在逆变侧换流母线节点施加三相短路，过渡电阻为150ω，故障发生时刻为2.5秒，故障持续时间0.1秒。虚拟惯性控制比例系数取40，微分系数取10。图7(a)～(c)分别为换相失败期间火电机组有功输出p1、无功输出q1以及整流侧换流母线电压u
lr
仿真波形。由图7可以看出，整流侧换流母线电压u
lr
在换相失败期间的暂态变化仿真结果随火电机组输出功率p1、q1的关系与理论分析一致。
[0074]
为验证虚拟惯性对送端暂态过电压的影响，在直驱风电场中加入虚拟惯性控制，其中比例环节系数取40，微分环节系数取10。图8为加入虚拟惯性控制前后，换相失败期间送端换流母线暂态电压ug的变化情况。由图8可以看出，直驱风机在加入虚拟惯性控制后，当系统发生换相失败时，风机的虚拟惯性控制将恶化整流侧换流母线暂态过电压，仿真结果与理论分析一致。
[0075]
由图9可知，在单次换相失败场景下，增大虚拟惯性控制微分系数kd，加快了风机有功响应速度，但由于风机功率输出幅值几乎不被影响，因此，微分系数kd的大小对送端过电压幅值影响不大；而增大虚拟惯性控制比例系数k
p
，为抑制送端频率突增，换相失败期间风机发出的有功将被大量减小，且在逆变器恢复正常换相时，风机有功输出不能快速恢复，导致k
p
越大，过电压峰值形成时风机有功输出p2越小，进而导致p1变大，即会使送端过电压更严重。
[0076]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。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。
[0077]
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。