CN102005765B - 一种适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法 - Google Patents

一种适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法。该方法能够协调大型风电场与接入电网之间的相互配合，根据计算得出接入地区电网向风电场提出的无功功率需求，对风电场的无功功率做统一规划；在各大风电场获得接入地区电网的无功需求之后，在风电场内各风电机组之间对无功功率需求进行统一分配，控制每台风电机组的无功功率输出，使得风电场并网点的无功输出满足系统负荷变化，抑制由于风速和负荷动态变化引起的母线电压波动，以满足电网对风电场提出的无功需求，具有维持风电场接入区域电网电压稳定的作用。

Description

一种适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法
技术领域
本发明涉及适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，属于大型风电场并网运行无功电压控制技术领域。
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，必将得到大力发展。风电的迅速发展给电力系统带来了很多新的问题，随着风电场的规模和单台风力发电机的容量不断增加，大型风电场接入对电网运行的影响日益突出。风电机组出力具有随机性、间歇性和不可控性，风电的大规模接入将对电网的电压无功特性带来很大的影响，风电场并网运行必然会影响到电网的电压质量和电网的电压稳定性，给电网正常运行的调压工作带来严峻考验。
早期并网型风电场主要选用恒速异步风力发电机，异步发电机的最大特点是需要从电网系统吸收相应的无功功率才可向外输出电能，不具备电压控制能力，这样会造成电网本身功率因数下降，无功损耗增加，甚至引起区域电网电压下降，供电网络崩溃。随着风电机组技术的不断发展，变速恒频风电机组（主要包括变速恒频双馈异步风电机组和直驱永磁同步风电机组）逐渐成为并网风电场的主流机型，这些机型通过大功率电力电子变流器与电网连接，通过变流器的控制实现有功无功的解耦控制，具备动态调节无功输出的能力。我国风电并网的特点是大规模集群式风电场接入电网，由于各种原因，我国风电场中的变速恒频风电机组通常以恒功率因数方式运行，其快速灵活的无功功率调节能力没有得到充分利用。因此，制定出合理的无功功率控制方法和调节策略，不但能保证风电机群最大限度地、安全地捕获风能，同时也能充分发挥风电机组的无功调节能力，使风电机群能够参与电网的无功调节，平衡无功扰动，提高风电机组接入系统的电压稳定性，实现全网的优化运行。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，从而能够协调大型风电场与接入电网之间的相互配合，根据计算得出接入地区电网向风电场提出的无功功率需求，对风电场的无功功率做统一规划；在各大风电场获得接入地区电网的无功需求之后，在风电场内各风电机组之间对无功功率需求进行统一分配，控制每台风电机组的无功功率输出，使得风电场并网点的无功输出满足系统负荷变化，抑制由于风速和负荷动态变化引起的母线电压波动，以满足电网对风电场提出的无功需求，具有维持风电场接入区域电网电压稳定的作用。
为实现上述目的，本发明的适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法步骤如下：
一种适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，该方法实现步骤如下：
（1）给定电网稳态运行时的风电场出口电压                                                
Figure 61312DEST_PATH_IMAGE001
，计算得到风电场接入点的初始稳态电压参考值
Figure 264760DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）测量得到风电场运行时的风电场出口实时电压值
Figure 451153DEST_PATH_IMAGE003
，计算得到风电场接入点的实时电压测量值
Figure 160483DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）计算电压参考值
Figure 298072DEST_PATH_IMAGE002
和实时电压测量值
Figure 118261DEST_PATH_IMAGE004
的差值，记为风电场接入点的电压偏差
Figure 88054DEST_PATH_IMAGE005
；
（4）设置风电场接入点电压偏差的控制死区阈值，若电压偏差
Figure 281586DEST_PATH_IMAGE005
落在控制死区阈值范围内，则按当前功率因数对风电场进行恒功率因数控制；若电压偏差
Figure 639887DEST_PATH_IMAGE005
超出控制死区阈值范围，则计算风电场所需的无功功率补偿参考量
Figure 237090DEST_PATH_IMAGE006
；
（5）将电压偏差
Figure 36025DEST_PATH_IMAGE005
代入公式
Figure 898939DEST_PATH_IMAGE007
，得到风电场所需的无功功率补偿参考量
Figure 310198DEST_PATH_IMAGE006
，公式中
Figure 997793DEST_PATH_IMAGE008
是被控风电场出口与接入点的电压/无功灵敏度系数；
（6）考虑风电场的无功功率输出限制和出口电压限制，对被控风电场无功功率补偿参考量
Figure 219827DEST_PATH_IMAGE006
进行校验与整定，得到风电场无功功率实际补偿量
Figure 819305DEST_PATH_IMAGE009
；
（7）根据风电场内各台风电机组实时运行工况和不同类型风电机组的
Figure 476332DEST_PATH_IMAGE010
特性曲线，按照公式
Figure 595598DEST_PATH_IMAGE011
得到分配到各台风电机组上的无功功率补偿量
Figure 909904DEST_PATH_IMAGE012
，公式中的调整系数
Figure 498143DEST_PATH_IMAGE013
，其中，
Figure 1936DEST_PATH_IMAGE014
是第i台风电机组无功功率容量，
Figure 490555DEST_PATH_IMAGE015
是风电场中风电机组无功功率容量总和。
本发明的适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，所述步骤（1）计算时，将风电场出口电压
Figure 788813DEST_PATH_IMAGE001
代入公式
Figure 861418DEST_PATH_IMAGE016
得到风电场接入点的初始稳态电压参考值
Figure 168902DEST_PATH_IMAGE017
，公式中
Figure 246448DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 669602DEST_PATH_IMAGE019
分别是风电场出口的有功功率和无功功率，风电场出口与接入点之间的联络线阻抗为
Figure 216121DEST_PATH_IMAGE020
。
本发明的适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，所述步骤（2）计算时，将实时电压值代入公式
Figure 524928DEST_PATH_IMAGE021
，得到风电场接入点的实时电压测量值
Figure 195948DEST_PATH_IMAGE004
，公式中
Figure 229763DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 128318DEST_PATH_IMAGE019
分别是风电场出口的有功功率和无功功率，风电场出口与接入点之间的联络线阻抗为
Figure 931189DEST_PATH_IMAGE020
。
所述步骤（6）中，风电场无功功率实际补偿量ΔQ ref’，是在考虑风电场的无功功率输出限制和出口电压限制的前提下，对被控风电场无功功率补偿参考量ΔQ ref进行校验与整定而得出的，校验与整定过程为：
（6-1）计算风场无功功率补偿
Figure 758462DEST_PATH_IMAGE006
；
（6-2）判断风电场出口电压是否越限，如果越限，执行步骤（6-3）；如果未越限，则执行步骤（6-4）；
（6-3）对风电场出口电压偏差按照公式进行校正，返回步骤（6-2）；
（6-4）判断风电场无功功率是否越限，如果越限，执行步骤（6-5）；如果未越限，即得到风电场无功功率补偿
Figure 653923DEST_PATH_IMAGE009
；
（6-5）则对风电场无功功率越限按照公式进行校正，返回步骤（6-4）。
本发明的有益效果是：以大型风电场并网接入点为电压控制点，以初始稳态运行电压为控制目标，对并网运行风电场的无功功率做统一规划，同时实现在风电场内各风电机组之间对无功功率需求进行统一分配，控制每台风电机组的无功功率输出，实现整个风电场的动态无功功率可控可调，使风电场具有良好的功率因数调节功能，抑制由于风速和负荷动态变化引起的母线电压波动，有利于改善风电场对接入电网的影响。
附图说明
图1是本发明的风电场并网运行无功功率可控可调方法的原理框图；
图2是本发明的风电场无功功率补偿校验与整定流程图。
具体实施方式
本发明的风电场并网运行无功功率可控可调方法从整个电网入手，研究风电场并网无功电压控制技术。
大规模集群式风电场接入电网是我国风电并网的特点， 由于各种原因，我国风电场中的变速恒频风电机组通常以恒功率因数方式运行，其快速灵活的无功功率调节能力没有得到充分利用。因此，制定出合理的无功功率控制方法和调节策略，不但能保证风电机群最大限度地、安全地捕获风能，同时也能充分发挥风电机组的无功调节能力，使风电机群能够参与电网的无功调节，平衡无功扰动，提高风电机组接入系统的电压稳定性，实现全网的优化运行。
本发明的大型风电场并网运行无功功率可控可调方法以风电场接入点作为无功电压控制点，当系统出现扰动引起电压波动时，无功功率控制的目标是将接入点电压恢复到扰动前的初始电压值。其包括两个方面的内容，大型风电场与接入电网之间的相互协调配合，根据接入地区电网向风电场提供无功功率需求，对风电场的无功功率做统一规划；在各大风电场获得接入地区电网的无功功率需求之后，在风电场内各风电机组之间对无功功率需求进行统一分配，以满足电网对风电场提出的无功需求。该无功功率可控可调方法流程图如图1所示。其包括以下步骤（1）不妨设电网稳态运行时的风电场出口电压
Figure 759074DEST_PATH_IMAGE001
，根据公式
Figure 767482DEST_PATH_IMAGE016
计算得到风电场接入点的初始稳态电压参考值
Figure 509304DEST_PATH_IMAGE002
；（2）测量得到风电场运行时的风电场出口实时电压值，根据公式
Figure 954378DEST_PATH_IMAGE021
计算得到风电场接入点的实时电压测量值
Figure 184502DEST_PATH_IMAGE004
；（3）计算电压参考值
Figure 670628DEST_PATH_IMAGE002
和实时电压测量值
Figure 489548DEST_PATH_IMAGE004
的差值，记为风电场接入点的电压偏差
Figure 829525DEST_PATH_IMAGE005
；（4）设置风电场接入点电压偏差
Figure 812524DEST_PATH_IMAGE005
的控制死区阈值，若电压偏差
Figure 394684DEST_PATH_IMAGE005
落在控制死区阈值范围内，则按当前功率因数对风电场进行恒功率因数控制；若电压偏差
Figure 566646DEST_PATH_IMAGE005
超出控制死区阈值范围，则计算风电场所需的无功功率补偿参考量
Figure 779322DEST_PATH_IMAGE006
；（5）将电压偏差代入公式
Figure 809037DEST_PATH_IMAGE007
，得到风电场所需的无功功率补偿参考量
Figure 336970DEST_PATH_IMAGE006
，公式中是被控风电场出口与接入点的电压/无功灵敏度系数；（6）考虑风电场的无功功率输出限制和出口电压限制，对被控风电场无功功率补偿参考量
Figure 154503DEST_PATH_IMAGE006
进行校验与整定，得到风电场无功功率实际补偿量
Figure 829198DEST_PATH_IMAGE009
；（7）根据风电场内各台风电机组实时运行工况和不同类型风电机组的
Figure 165632DEST_PATH_IMAGE010
特性曲线，按照公式
Figure 533160DEST_PATH_IMAGE011
得到分配到各台风电机组上的无功功率补偿量
Figure 194692DEST_PATH_IMAGE012
，公式中的调整系数
Figure 673078DEST_PATH_IMAGE013
，其中，
Figure 441182DEST_PATH_IMAGE014
是第i台风电机组无功功率容量，
Figure 464764DEST_PATH_IMAGE015
是风电场中风电机组无功功率容量总和。
其中，上述步骤（6）中，风电场无功功率实际补偿量
Figure 318320DEST_PATH_IMAGE009
，是在考虑风电场的无功功率输出限制和出口电压限制的前提下，对被控风电场无功功率补偿参考量
Figure 334817DEST_PATH_IMAGE006
进行校验与整定而得出的，如图2所示，校验与整定过程为：（6-1）计算风场无功功率补偿
Figure 524140DEST_PATH_IMAGE006
；（6-2）判断风电场出口电压是否越限，如果越限，执行步骤（6-3）；如果未越限，则执行步骤（6-4）；（6-3）对风电场出口电压偏差按照公式
Figure 967891DEST_PATH_IMAGE022
进行校正，返回步骤（6-2）；（6-4）判断风电场无功功率是否越限，如果越限，执行步骤（6-5）；如果未越限，即得到风电场无功功率补偿
Figure 371059DEST_PATH_IMAGE009
；（6-5）则对风电场无功功率越限按照公式
Figure 879663DEST_PATH_IMAGE023
进行校正，返回步骤（6-4）。

Claims (3)

1.一种适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：
（1）给定电网稳态运行时的风电场出口电压                                                
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE001
，计算得到风电场接入点的初始稳态电压参考值
Figure 721484DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）测量得到风电场运行时的风电场出口实时电压值
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE003
，计算得到风电场接入点的实时电压测量值
Figure 190511DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）计算电压参考值
Figure 360592DEST_PATH_IMAGE002
和实时电压测量值
Figure 132239DEST_PATH_IMAGE004
的差值，记为风电场接入点的电压偏差
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE005
；
（4）设置风电场接入点电压偏差
Figure 269828DEST_PATH_IMAGE005
的控制死区阈值，若电压偏差
Figure 355596DEST_PATH_IMAGE005
落在控制死区阈值范围内，则按当前功率因数对风电场进行恒功率因数控制；若电压偏差
Figure 708080DEST_PATH_IMAGE005
超出控制死区阈值范围，则计算风电场所需的无功功率补偿参考量
Figure 572000DEST_PATH_IMAGE006
；
（5）将电压偏差
Figure 213197DEST_PATH_IMAGE005
代入公式
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE007
，得到风电场所需的无功功率补偿参考量，公式中是被控风电场出口与接入点的电压/无功灵敏度系数；
（6）考虑风电场的无功功率输出限制和出口电压限制，对被控风电场无功功率补偿参考量
Figure 202773DEST_PATH_IMAGE006
进行校验与整定，得到风电场无功功率实际补偿量
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE009
；
该步骤中，风电场无功功率实际补偿量
Figure 439589DEST_PATH_IMAGE009
，是在考虑风电场的无功功率输出限制和出口电压限制的前提下，对被控风电场无功功率补偿参考量
Figure 460634DEST_PATH_IMAGE006
进行校验与整定而得出的，校验与整定过程为：
（6-1）计算风场无功功率补偿；
（6-2）判断风电场出口电压是否越限，如果越限，执行步骤（6-3）；如果未越限，则执行步骤（6-4）；
（6-3）对风电场出口电压偏差按照公式
Figure 681848DEST_PATH_IMAGE010
进行校正，返回步骤（6-2）；
（6-4）判断风电场无功功率是否越限，如果越限，执行步骤（6-5）；如果未越限，即得到风电场无功功率补偿
Figure 94375DEST_PATH_IMAGE009
；
（6-5）则对风电场无功功率越限按照公式
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE011
进行校正，返回步骤（6-4）；
（7）根据风电场内各台风电机组实时运行工况和不同类型风电机组的
Figure 702467DEST_PATH_IMAGE012
特性曲线，按照公式
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE013
得到分配到各台风电机组上的无功功率补偿量
Figure 946367DEST_PATH_IMAGE014
，公式中的调整系数
Figure 2010105489694100001DEST_PATH_IMAGE015
，其中，
Figure 683510DEST_PATH_IMAGE016
是第i台风电机组无功功率容量，是风电场中风电机组无功功率容量总和。
2.如权利要求1所述的适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，其特征在于，所述步骤（1）计算时，将风电场出口电压
Figure 911229DEST_PATH_IMAGE001
代入公式
Figure 477339DEST_PATH_IMAGE018
得到风电场接入点的初始稳态电压参考值，公式中
Figure 887330DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure DEST_PATH_IMAGE021
分别是风电场出口的有功功率和无功功率，风电场出口与接入点之间的联络线阻抗为。
3.如权利要求1所述的适用于大型风电场并网运行无功功率可控可调方法，其特征在于，所述步骤（2）计算时，将实时电压值
Figure 11854DEST_PATH_IMAGE003
代入公式
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，得到风电场接入点的实时电压测量值，公式中
Figure 852344DEST_PATH_IMAGE020
和分别是风电场出口的有功功率和无功功率，风电场出口与接入点之间的联络线阻抗为。
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