CN101938131A - 基于电气原理的风电场群无功分配方法 - Google Patents

Abstract

基于电气原理的风电场群无功分配方法包括如下步骤：计算中枢节点的实时电压；计算中枢节点的电压偏差；计算中枢节点的无功功率需求量；根据区域潮流信息及风电场接入线路参数计算风电场至中枢节点的等效电气阻抗；计算风电场的无功分配量；向风电场监控系统下发无功调节指令，进入下一次控制。本方法以风电场接入区域中枢节点电压作为调控对象，考虑风电场接入区域的实际情况，利用局部区域运行信息，依据基本电气原理对风电场功率流经线路阻抗进行等效，并以接入区域有功网损最小为目标对无功进行优化，使风电场群在提供无功支撑的同时，也考虑到电网运行和无功调节的经济效益，有助于改善风电场群的无功协调分配控制。

Description

基于电气原理的风电场群无功分配方法

技术领域

本发明涉及一种用于实现风电场群无功分配的电气原理分配方法，属于新能源发电技术中的风电场无功控制技术领域。

背景技术

风电作为最具规模化开发和商业化发展前景的新能源技术之一，越来越受到各国的重视。大规模集群式风电场集中接入电网是我国风力发电的主要应用模式。风电场接入对电网的最直接影响是接入点的电压无功问题，包括风力变化引起的电压波动、闪变，工况变化引起的电压幅值超标、功率因数不合格等等。

随着风电的发展，一个区域内通常有多个风电场与电网相连，当中枢节点的电压出现波动或异常时，需要对风电接入区域内的无功进行补偿。风电接入区域内各风电场的无功补偿方案可以通过系统分析完成，常用方法是根据静态潮流分析和优化方法，其中，静态潮流分析方法的补偿原理是根据电网的全局信息，进行静态潮流计算，提取相关节点无功功率对于中枢节点的电压/无功灵敏度信息，由此选取最佳无功补偿点并计算相应的无功补偿容量进行补偿；优化方法则是根据电网的全局信息，对全网进行优化潮流计算，以此确定最佳无功补偿点及相应的无功补偿容量进行补偿。上述两种方法的缺点是需要以电网全局信息可知为基础。

但在风电场接入地区，通常只能够获取局部运行信息，因此上述方法并无法适用于实际运行风电场。考虑到中枢节点电压波动会反映为风电场出口的电压波动，可以在各风电场出口采集实时电压值，通过各风电场自治控制完成，当采集的实时电压低于设定值时，根据电压偏差值整定风电场的容性无功调节量，通过调节风电机组容性无功输出或投入相当数量的电容器发出容性无功，补充系统缺乏的无功，使电压升高；反之，当采集的电压高于设定值时，根据电压偏差值整定需风电场的感性无功调节量，通过调节风电机组的感性无功输出或投入相当数量的电抗器发出感性无功，吸收系统过剩无功，使电压降低。以此实现对系统的无功补偿，维持电压的稳定性。但采用该方法各风电场自治控制时，当中枢节点电压波动，各风电场的调节缺乏配合，此时无功补偿产生的电压支撑是各风电场无功输出对中枢节点电压支撑的叠加，因此，有可能会使无功补偿量过大，导致中枢节点电压调节量过大。

综上所述，根据中枢节点的电压波动，合理利用风电接入电网局部信息整定区域无功补偿量并在各风电场之间合理分配，对于风电接入电网局部无功优化、各风电场之间的相互协调具有重要意义，有利于各风电场更好地配合系统运行，提高风电场接入地区的无功支撑能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是多风电场接入区域的无功控制问题，提供一种能够对多风电场无功控制进行协调的基于电气原理的风电场群无功分配方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：基于电气原理的风电场群无功分配方法，运行于多风电场接入区域中枢节点的变电站自动化系统，通过与各风电场监控系统通讯实现控制，其特征是包括如下步骤：

一、结合中枢节点变电站的实际电压采样时间(1～2s)将测量周期分成5个0.4s的采样时段，采集中枢节点电压，并根据式(1)计算中枢节点的实时电压，

$V_I=\frac{1}{10}\underset{t=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{V}_t---\left(1\right)$

式(1)中，V_I为风电场接入节点实时电压折算值；V_t为第t个采样时段的电压采样值；

二、根据式(2)计算中枢节点的电压偏差，

ΔV＝V_I-V_B                 (2)

式(2)中，ΔV为中枢节点电压偏差；V_B为中枢节点基准电压；

三、根据式(3)计算中枢节点的无功功率需求量，

ΔQ＝ΔV(Q₂-Q₁)/(V₂-V₁)        (3)

式(3)中，ΔQ为中枢节点无功需求量；Q₁为前一个测量周期的无功注入量；Q₂为当前测量周期的无功注入量；V₁为前一个测量周期的电压；V₂为当前测量周期的电压；

四、根据区域潮流信息及风电场接入线路参数计算风电场至中枢节点的等效电气阻抗；

五、计算风电场的无功分配量；

六、向风电场监控系统下发无功调节指令，返回步骤一。

其中，步骤四的具体步骤是：

a、根据式(4)和式(5)计算风电场i在功率流过的送出线路上的功率损耗，

$P_{i,\mathrm{loss}}=\frac{P_i^2+Q_i^2}{V_i^2}{R}_i---\left(4\right)$

$Q_{i,\mathrm{loss}}=\frac{P_i^2+Q_i^2}{V_i^2}{X}_i---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中，P_i，jloss和Q_i，jloss分别为风电场i在送出线路上的有功损耗和无功损耗，P_i和Q_i分别为风电场i的有功功率和无功功率，V_i为风电场i的出口电压，R_i和X_i分别为风电场i送出线路的电阻和电抗，

进入步骤b；

b、设区域内接有m个风电场，则根据式(6)和式(7)计算所有风电场注入中枢节点的功率总和，

$P=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(P_i-P_{i,\mathrm{loss}})---\left(6\right)$

$Q=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i-Q_{i,\mathrm{loss}})---\left(7\right)$

式(6)和式(7)中，P和Q分别为所有风电场注入中枢节点的有功功率和无功功率总和，

进入步骤c；

c、根据式(8)和式(9)计算相邻风电场i₁和i₂的接入线路之间的交换功率，

ΔP_x＝Q(P_i2Q_i1-P_i1Q_i2)/(P²+Q²)      (8)

ΔQ_x＝P(P_i2Q_i1-P_i1Q_i2)/(P²+Q²)      (9)

式(8)和式(9)中，ΔP_x和ΔQ_x为相邻风电场i₁和i₂的接入线路之间的交换功率，

进入步骤d；

d、根据式(10)计算风电场i的输出功率流经线路的等效阻抗，

$Z_i^{\′}={\mathrm{PZ}}_I/(P_i-{\mathrm{\ΔP}}_x)+Z_i---\left(10\right)$

式(10)中，Z′_i为风电场i的输出功率流经线路的等效阻抗，Z_I为中枢节点所连接的风电场功率注入线路阻抗，Z_i为风电场i送出线路阻抗，

进入步骤e；

e、得到风电场功率流经线路的等效阻抗，进入步骤五。

其中，步骤五的具体步骤是：

a、设无功调节后的中枢节点电压为V′，风电场i的无功为Q′_i，根据式(11)和式(12)计算所有风电场功率引起的有功功率损耗，

$Q_i^{\′}=Q_i+\mathrm{\Δ}{Q}_i---\left(12\right)$

式(11)和式(12)中，P_loss为所有风电场引起的有功功率损耗之和，

为风电场i的功率因数角，R′_i为风电场i输出功率流经线路的等效电阻，

进入步骤b；

b、设λ为拉格朗日乘子，构造拉格朗日函数

$L=P_{\mathrm{loss}}-\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i^{\′}+Q_{i,\mathrm{loss}})-\mathrm{\ΔQ})---\left(13\right)$

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\Δ}{Q}_i+Q_{i,\mathrm{loss}})-\mathrm{\ΔQ}=0---\left(14\right)$

进入步骤c；

c、对式(13)求关于Q′_i的导数，

$\mathrm{\λ}=\frac{{2Q}_i^{\′}\·R_i^{\′}}{1+2Q_i^{\′}\·X_i^{\′}}---\left(15\right)$

式(15)中，X′_i为风电场i输出功率流经线路的等效电抗，

进入步骤d；

d、综合式(14)和式(15)求取风电场i的无功分配量ΔQ_i，则进入步骤e；

e、根据式(16)修正风电场i的无功输出，

$Q_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{Q}_i^{\max }-Q_{i,\mathrm{loss}}& Q_i^{\&prime;}+Q_{i,\mathrm{loss}}>Q_i^{\max }\\ Q_i^{\min }-Q_{i,\mathrm{loss}}& Q_i^{\&prime;}+Q_{i,\mathrm{loss}}<Q_i^{\min }\end{array}\right.---\left(16\right)$

若满足要求，进入步骤f，否则，修正ΔQ_i，进入步骤a，对非越限风电场进行进一步分配，进入步骤f；

f、输出无功分配指令，进入步骤六。

本发明的有益效果如下：

(1)本方法适用于多个风电场接入区域电网的风电场群无功控制；

(2)在风电场群进行无功分配时，基于基本电气原理对整个区域的无功补偿量进行分配，使各风电场的无功调节相互协调，避免了各风电场自治控制的弊端；

(3)本方法充分考虑分配的实用性，即实际控制时无法获取全网的运行信息，利用接入区域局部潮流信息对中枢节点的无功需求量进行整定；

(4)本方法以局部电网有功功率损耗最小为目标，考虑了无功调节的经济性。

(5)本方法实用性强，既可以用于具备动态无功调节能力的变速恒频风电机组组成的风电场，也可以用于加装常规无功补偿装置的定桨距异步风电机组组成的风电场。

(6)本方法只需软件实现，无需增加硬件，经济成本低。

附图说明

图1为本发明方法的总控制流程图。

图2为图1中步骤四计算风电场功率流经线路等效阻抗的算法流程图。

图3为图1中步骤五风电场无功分配方案制定的算法流程图。

图4为实施例风电场接入地区系统示意图。

图5为实施例基于电气原理的风电场群无功分配与按无功容量比例分配方法的Q-V曲线图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实例：

本发明用于包含多个风电场区域的风电场群无功控制。系统为国内包含风电的某实际区域电网。它包含3个风电场，其接线如图4所示。3个风电场经同一接入点接入主网。其中，风电场1和3的总装机容量均为200MW，由134台单机容量1.5MW的双馈风电机组构成，风电场2的总装机容量为100MW，由67台单机容量为1.5MW的双馈风电机组构成，3个风电场额定运行时的功率因数范围为-0.95～+0.95，中枢节点基准电压为220kV。根据相关风电场运行导则，当风电场在非额定状态下运行时，其功率因数应在-0.835～+0.835范围内可变，采用如图1、图2和图3所示的控制步骤进行无功分配。电网初始稳态运行时，中枢节点电压为200kV，注入总无功功率为30MVar；3个风电场的输出功率及线路损耗分别为：风电场1的输出有功功率为150MW，无功功率为19.36MVar；风电场2的输出有功功率为75MW，无功功率为3.04MVar；风电场3的输出有功功率为150MW，无功功率为9.49MVar；总有功网损为11.1MW。中枢节点在上一采样周期的电压为210kV，无功功率为80MVar。可得中枢节点电压偏差为10kV，需要提供50MVar的容性无功。经计算各风电场的无功分配量为：风电场1输出25.5MVar，风电场2输出12MVar，风电场3输出12.5MVar，调整后各风电场的输出的无功功率为：风电场1为44.86MVar，风电场2为15.04MVar，风电场3为21.99MVar。此时，接入区域的总有功网损为9.93MW，中枢节点的电压可以准确调至220kV。与常规的等无功容量比例分配方法的无功调节效果进行比较，如图5所示，基于电气原理的分配方法对中枢节点的电压支撑效果更加明显，随着对中枢节点提供的无功增加，中枢节点的电压也随之升高。综上可见，采用电气原理的风电场群无功分配方法既可以满足对中枢节点的电压支撑，同时，也可以减少接入区域的有功网损。

Claims (3)

1.基于电气原理的风电场群无功分配方法，其特征是包括如下步骤：

一、结合中枢节点变电站的实际电压采样时间，将测量周期分成5个0.4s的采样时段，采集中枢节点电压，并根据式(1)计算中枢节点的实时电压，

$V_I=\frac{1}{10}\underset{t=1}{\overset{10}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_t---\left(1\right)$

式(1)中，V_I为风电场接入节点实时电压折算值；V_t为第t个采样时段的电压采样值；

二、根据式(2)计算中枢节点的电压偏差，

ΔV＝V_I-V_B            (2)

式(2)中，ΔV为中枢节点电压偏差；V_B为中枢节点基准电压；

三、根据式(3)计算中枢节点的无功功率需求量，

ΔQ＝ΔV(Q₂-Q₁)/(V₂-V₁)     (3)

式(3)中，ΔQ为中枢节点无功需求量；Q₁为前一个测量周期的无功注入量；Q₂为当前测量周期的无功注入量；V₁为前一个测量周期的电压；V₂为当前测量周期的电压；

四、根据区域潮流信息及风电场接入线路参数计算风电场至中枢节点的等效电气阻抗；

五、计算风电场的无功分配量；

六、向风电场监控系统下发无功调节指令，返回步骤一。

2.根据权利要求1所述的基于电气原理的风电场群无功分配方法，其特征是：

步骤四的具体步骤是：

a、根据式(4)和式(5)计算风电场i在功率流过的送出线路上的功率损耗，

$P_{i,\mathrm{loss}}=\frac{P_i^2+Q_i^2}{V_i^2}{R}_i---\left(4\right)$

$Q_{i,\mathrm{loss}}=\frac{P_i^2+Q_i^2}{V_i^2}{X}_i---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中，P_i，jloss和Q_i，jloss分别为风电场i在送出线路上的有功损耗和无功损耗，P_i和Q_i分别为风电场i的有功功率和无功功率，V_i为风电场i的出口电压，R_i和X_i分别为风电场i送出线路的电阻和电抗，进入步骤b；

b、设区域内接有m个风电场，则根据式(6)和式(7)计算所有风电场注入中枢节点的功率总和，

$P=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(P_i-P_{i,\mathrm{loss}})---\left(6\right)$

$Q=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Q_i-Q_{i,\mathrm{loss}})---\left(7\right)$

式(6)和式(7)中，P和Q分别为所有风电场注入中枢节点的有功功率和无功功率总和，进入步骤c；

c、根据式(8)和式(9)计算相邻风电场i₁和i₂的接入线路之间的交换功率，

ΔP_x＝Q(P_i2Q_i1-P_i1Q_i2)/(P²+Q²)        (8)

ΔQ_x＝P(P_i2Q_i1-P_i1Q_i2)/(P²+Q²)        (9)

式(8)和式(9)中，ΔP_x和ΔQ_x为相邻风电场i₁和i₂的接入线路之间的交换功率，进入步骤d；

d、根据式(10)计算风电场i的输出功率流经线路的等效阻抗，

$Z_i^{\&prime;}={\mathrm{PZ}}_I/(P_i-{\mathrm{\&Delta;P}}_x)+Z_i---\left(10\right)$

式(10)中，Z′_i为风电场i的输出功率流经线路的等效阻抗，Z_I为中枢节点所连接的风电场功率注入线路阻抗，Z_i为风电场i送出线路阻抗，进入步骤e；

e、得到风电场功率流经线路的等效阻抗，进入步骤五。

3.根据权利要求1所述的基于电气原理的风电场群无功分配方法，其特征是：

步骤五的具体步骤是：

a、设无功调节后的中枢节点电压为V′，风电场i的无功为Q′_i，根据式(11)和式(12)计算所有风电场功率引起的有功功率损耗，

$Q_i^{\&prime;}=Q_i+\mathrm{\&Delta;}{Q}_i---\left(12\right)$

式(11)和式(12)中，P_loss为所有风电场引起的有功功率损耗之和，

为风电场i的功率因数角，R′_i为风电场i输出功率流经线路的等效电阻，进入步骤b；

b、设λ为拉格朗日乘子，构造拉格朗日函数

$L=P_{\mathrm{loss}}-\mathrm{\&lambda;}(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Q_i^{\&prime;}+Q_{i,\mathrm{loss}})-\mathrm{\&Delta;Q})---\left(13\right)$

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{\&Delta;}{Q}_i+Q_{i,\mathrm{loss}})-\mathrm{\&Delta;Q}=0---\left(14\right)$

进入步骤c；

c、对式(13)求关于Q′_i的导数，

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{{2Q}_i^{\&prime;}\&CenterDot;R_i^{\&prime;}}{1+2Q_i^{\&prime;}\&CenterDot;X_i^{\&prime;}}---\left(15\right)$

式(15)中，X′_i为风电场i输出功率流经线路的等效电抗，进入步骤d；

d、综合式(14)和式(15)求取风电场i的无功分配量ΔQ_i，则进入步骤e；

e、根据式(16)修正风电场i的无功输出，

$Q_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{Q}_i^{\max }-Q_{i,\mathrm{loss}}& Q_i^{\&prime;}+Q_{i,\mathrm{loss}}>Q_i^{\max }\\ Q_i^{\min }-Q_{i,\mathrm{loss}}& Q_i^{\&prime;}+Q_{i,\mathrm{loss}}<Q_i^{\min }\end{array}\right.---\left(16\right)$

若满足要求，进入步骤f，否则，修正ΔQ_i，进入步骤a，对非越限风电场进行进一步分配，进入步骤f；

f、输出无功分配指令，进入步骤六。

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