CN102354992B - 风电场无功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场无功功率控制方法，适用于对风电场变速恒频风电机组和无功功率补偿设备进行无功功率协调控制。所述的控制方法包括实时计算风电场的无功功率需求，根据无功功率补偿设备和风电机组的有效无功功率容量采取对应的分配方法。所述的控制方法充分发挥变速恒频风电机组的无功功率调节能力，实现了对多种无功源的协调控制，避免了调节振荡的情况。当电力系统故障时，闭锁无功功率调节，防止故障消除后系统无功功率富裕导致的系统过电压。当风电场自身的无功功率容量不足以维持并网点电压时，发出提示信号，限制风电场有功功率，实现有功功率和无功功率的协调。

Description

风电场无功功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电场无功功率控制方法，属于电力系统发电技术领域。

背景技术

近几年来，风力发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，以一种前所未有的速度迅猛发展。风力发电接入电网给电力系统带来了很多问题，其中电压无功问题就是最突出的问题之一。

随着风电机组技术的不断发展，变速恒频风电机组逐渐成为风电场的主流机型，主要包括双馈式异步风电机组和直驱式永磁同步风电机组。变速恒频风电技术实现了有功功率、无功功率的解耦控制，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率，变速恒频风电机组可以作为风电场的重要无功源。但是，受风机变流器发热的限制，风电机组并不能在宣称的功率因数范围内长期提供对应的无功功率。实际运行中，风电机组基本未参与无功功率调节，导致大容量的低成本无功功率容量闲置。

风电场一般都配备了无功功率补偿设备，其中静止型动态无功补偿器(简称SVC)和静止型动态无功发生器(SVG)目前应用最为广泛。SVC、SVG可以运行在恒电压的控制模式，控制风电场并网点电压恒定。但是，在分多期建设的风电场中，常常出现多个SVC、SVG并存的情况，由于多个无功功率补偿设备各自为政，缺乏协调，调节时极易出现电压振荡。而且，动态无功功率补偿设备在系统故障导致的低电压穿越过程中大量发出无功，导致故障消除后系统电压过高，风电机组因系统过电压保护动作而脱网。

此外，现有风电场中无功功率控制与有功功率控制各自为政，相互之间未建立协调关系。

发明内容

为解决现有技术存在的以上问题，本发明提出了一种风电场无功功率控制方法，实现风电场多个无功功率补偿设备和风电机组间的无功功率协调控制；根据风电场并网点的无功功率需求对风电场的无功功率统一规划，在风电场的无功源间进行无功功率分配；一方面充分发挥变速恒频风电机组的无功功率调节能力，另一方面对多个无功功率补偿设备进行协调控制，使得风电场并网点的无功功率输出满足系统负荷的变化，维持风电场并网点电压稳定，改善风电场对接入电网的影响。

本发明具体采用以下技术方案：

一种风电场无功功率控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

(1)根据风电场并网点的三相电流和三相电压实时采集数据进行风电场接入电网系统故障判别，当系统发生故障时闭锁无功功率调节，返回步骤(1)，否则进入步骤(2)；

(2)计算风电场并网点实时电压U_mea与并网点目标电压U_target的差值的绝对值ΔU，ΔU＝|U_mea-U_target|，如果ΔU大于电压调节死区设定值则进入步骤(3)，否则返回步骤(1)；

(3)计算每条集电线路上的风电机组的实发无功功率和无功功率损耗，所有集电线路的无功功率损耗和；

(4)计算风电场并网点目标电压U_target对应的无功功率Q_u；

(5)计算风电场目标无功功率Q_target，Q_target＝Q_u+Q_all-Q_mea，其中Q_all为所有正常运行的无功功率补偿设备和风电机组的实发无功功率，Q_mea是风电场并网点的无功功率采集值；

(6)根据无功功率补偿设备和风电机组的有效无功功率容量与风电场目标无功功率Q_target的关系采取预先设定的不同的分配方法在无功功率补偿设备和风电机组间进行无功功率分配；

(7)根据风电场目标无功功率Q_target在无功功率补偿设备和风电机组间分配的结果向无功功率补偿设备和风电机组发出无功控制指令；

(8)等待无功功率补偿设备和风电机组接收到控制指令并执行指令动作完成后，返回步骤(1)。

本发明的有益效果如下：

1)本控制方法根据风电场的无功功率需求对多个无功源统一规划，实现了无功功率补偿设备和风电机组的协调控制，避免了调节的振荡；

2)当风电场的无功功率容量不足以维持并网点电压时，给出提示信号，限制风电场并网有功功率值，以减少风电场的无功功率需求来保证并网点电压稳定合格，提高电网的电压稳定水平；

3)对变速恒频风电机组的无功功率容量进行两级管理，正常情况下，以不会导致变流器过热的安全无功值参与调节，紧急情况下，以最大无功功率值参与调节，这种控制方法既充分利用了变速恒频风电机组自身的无功功率容量和调节能力，又可以减轻风电机组变流器的负担，延长风电机组的使用寿命；

4)故障闭锁无功功率调节，避免了系统故障消除后所导致的系统过电压；

5)本控制方法实用性强，可用于整个风电场的无功功率补偿设备和风电机组的无功功率协调控制、风电机组间的无功功率控制以及风电场多个无功功率补偿设备间的协调控制；

6)本控制方法只需要软件实现，无需增加硬件，经济成本低。

附图说明

图1为本发明风电场无功功率控制方法中的数据流图；

图2为本发明风电场无功功率控制方法流程图；

图3为本发明风电场无功功率控制方法中无功功率补偿设备和风电机组间分配无功功率的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：

本发明控制方法以风电场并网点的电压作为控制目标，当系统出现扰动或风电场风速、负荷变化引起电压波动时，通过对无功功率补偿设备和风电机组的协调控制，使并网点的电压跟踪电压目标值。如图1所示为本发明风电场无功功率控制方法中的数据流图，无功补偿设备和风电机组间的无功功率协调控制取决于无功功率补偿设备和风电机组的有效无功功率容量与风电场目标无功功率值的关系，而且当风电场接入电网系统故障时，闭锁无功功率补偿设备和风电机组的无功功率调节。

如图2所示，本控制方法包括以下步骤：

1)根据风电场并网点的三相电流和三相电压实时采集数据进行风电场接入电网系统故障判别，首先判断三相电流中的最大值是否大于1.2Ie，其中Ie为额定电流，如果三相电流中的最大值大于1.2Ie，则判定为风电场接入电网系统故障，闭锁无功功率调节，返回步骤1)；否则，按照公式(1)、(2)计算三相电压不平衡度UB，如果UB大于10％，则判定为风电场接入电网系统故障，闭锁无功功率调节，返回步骤1)，否则进入步骤2)；

如果Uav≥Ue，则

UB＝|Um-Uav|/Uav    (1)

如果Uav＜Ue，

UB＝|Um-Uav|/Ue     (2)

其中，Uav为三相平均电压，Um为最大或最小电压，Ue为并网点额定电压，UB为三相电压不平衡度；

2)计算风电场并网点实时电压U_mea与并网点目标电压U_target的差值的绝对值ΔU，ΔU＝|U_mea-U_target|，如果ΔU大于电压调节死区设定值则进入步骤3)，否则返回步骤1)；

3)利用下面的公式计算每条集电线路上的风电机组的实发无功功率和无功功率损耗，所有集电线路的无功功率损耗和Q_gwaste：

$Q_i^{\mathrm{real}}=\underset{j=1}{\overset{j=k}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

$Q_i^{\mathrm{waste}}=Q_i^{\mathrm{real}}-Q_i^g---\left(4\right)$

$Q_{\mathrm{gwaste}}=\underset{i=1}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{\mathrm{waste}}---\left(5\right)$

其中，

是第i条集电线路的风电机组的实发无功功率，Q_ij是第i条集电线路上的第j台风电机组的无功功率，

是第i条集电线路的无功功率损耗，

是第i条集电线路出口的无功功率；Q_gwaste所有集电线路的无功功率损耗和；

4)计算风电场并网点目标电压U_target对应的无功功率Q_u，优选计算方法如下：

采用逐步逼近法计算风电场送出线路的阻抗，然后根据阻抗计算并网点目标电压U_target对应的无功功率Q_u，计算公式如下：

$X=\frac{U_{+}-U_{-}}{\frac{Q_{+}}{U_{+}}-\frac{Q_{-}}{U_{-}}}---\left(6\right)$

$Q_u=\frac{(U_{t\arg \mathrm{et}}-U_{+})U_{t\arg \mathrm{et}}}{X}+\frac{Q_{+}{U}_{t\arg \mathrm{et}}}{U_{+}}---\left(7\right)$

其中，X为风电场送出线路的阻抗，U_-、Q_-分别为前一次计算系统阻抗时的风电场并网点电压和无功功率；U₊、Q₊分别为本次计算系统阻抗时的风电场并网点电压和无功功率；

5)计算风电场目标无功功率Q_target，计算公式如下：

Q_target＝Q_u+Q_all-Q_mea    (8)

其中，Q_all为所有正常运行的无功功率补偿设备和风电机组的实发无功功率，Q_mea是风电场并网点的无功功率采集值；

6)在无功功率补偿设备和风电机组间进行风电场目标无功功率Q_target的分配，如图3所示，具体步骤如下：

a)判断是否存在正常运行的无功功率补偿设备，如果不存在，进入步骤b)，否则进入步骤c)；

b)判断所有风电机组的无功功率容量是否大于Q_target，如果大于Q_target，采用等比例法在风电机组间分配风电场目标无功功率Q_target，计算公式采用公式(9)；否则，每台风电机组的目标无功功率值为该台风电机组的最大无功功率值，同时发出限制风电场并网有功功率值的信号，以减少风电场的无功功率需求；进入步骤7)；

$Q_j^{\mathrm{turTar}}=\frac{Q_j^{\max }}{\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j^{\max }}{Q}_{t\arg \mathrm{et}}---\left(9\right)$

其中，

为第j台风电机组的目标无功功率值，

为第j台风电机组的最大无功功率值；

c)判断正常运行的无功功率补偿设备的无功功率容量是否大于风电场目标无功功率Q_target，如果大于Q_target，进入步骤d)，否则，进入步骤e)；

d)根据无功就地补偿的原则，以每条集电线路呈现纯阻性作为控制目标，由每条集电线路上的风电机组来满足该条集电线路上的无功功率需求，风电机组间采用等比例法进行无功功率分配，计算公式采用公式(10)，其中

$Q_{\mathrm{ij}}^{t\arg \mathrm{et}}=\frac{Q_{\mathrm{ij}}^{s\max }}{\underset{j=1}{\overset{j=k}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}^{s\max }}{Q}_i^{t\arg \mathrm{et}}---\left(10\right)$

其中，

为第i条集电线路上的第j台风电机组的目标无功功率值，

为第i条集电线路上的第j台风电机组的安全无功功率值，

为第i条集电线路呈现纯阻性所需要的无功功率；

正常运行的无功功率补偿设备的目标无功功率为Q_target1，Q_target1＝Q_target-Q_gwaste，正常运行的无功功率补偿设备间采用等比例法进行无功功率分配，计算公式采用公式(11)；进入步骤7)；

$Q_i^{\mathrm{devTar}}=\frac{Q_i^{d\max }}{\underset{i=1}{\overset{i=l}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{d\max }}{Q}_{t\arg \mathrm{et}1}---\left(11\right)$

其中，

为第i个无功功率补偿设备的目标无功功率值，

为第i个无功功率补偿设备的有效无功功率容量；e)判断正常运行的无功功率补偿设备和风电机组的总无功功率容量是否大于风电场目标无功功率Q_target，如果大于Q_target，进入步骤f)，否则，进入步骤g)；

f)首先，采用等比例法在正常运行的无功功率补偿设备和风电机组间进行无功功率分配，计算公式采用公式(12)、(13)：

$Q_i^{\mathrm{devTar}}=\frac{Q_i^{d\max }}{\underset{i=1}{\overset{i=l}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{d\max }+\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j^{\max }}{Q}_{t\arg \mathrm{et}1}---\left(12\right)$

$Q_{\mathrm{turTar}}=\frac{\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j^{\max }}{\underset{i=1}{\overset{i=l}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{d\max }+\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j^{\max }}{Q}_{t\arg \mathrm{et}}---\left(13\right)$

其中，

为第i个无功功率补偿设备的目标无功功率值，Q_turTar为风电机组的总目标无功功率值，为第i个无功功率补偿设备的有效无功功率容量，

为第j台风电机组的最大无功功率值；

然后，将风电机组的总目标无功功率值Q_turTar在风电机组间采用等比例法进行无功功率分配，计算公式采用公式(14)；进入步骤7)；

$Q_j^{\mathrm{turTar}}=\frac{Q_j^{\max }}{\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j^{\max }}{Q}_{\mathrm{turTar}}---\left(14\right)$

其中，

为第j台风电机组的目标无功功率值，

为第j台风电机组的最大无功功率值；

g)每个正常运行的无功功率补偿设备的目标无功功率值为该设备的最大容量；每台风电机组的目标无功无功值为该台风电机组的最大无功功率值；同时发出限制风电场并网有功功率值的信号，以减少风电场的无功功率需求；进入步骤7)；

7)以无功功率补偿设备和风电机组的目标无功功率值作为其无功控制指令，向无功功率补偿设备和风电机组发出无功控制指令；

8)等待无功功率补偿设备和风电机组接收到控制指令，指令执行完成后，返回步骤1)。

Claims (3)

1.一种风电场无功功率控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

（1）根据风电场并网点的三相电流和三相电压实时采集数据进行风电场接入电网系统故障判别，当系统发生故障时闭锁无功功率调节，返回步骤（1），否则进入步骤（2）；

（2）计算风电场并网点实时电压U_mea与并网点目标电压U_target的差值的绝对值ΔU，ΔU=|U_mea-U_target|，如果ΔU大于电压调节死区设定值则进入步骤（3），否则返回步骤（1）；

（3）计算每条集电线路上的风电机组的实发无功功率和无功功率损耗，所有集电线路的无功功率损耗和；

（4）计算风电场并网点目标电压U_target对应的无功功率Q_u；

（5）计算风电场目标无功功率Q_target，Q_target=Q_u+Q_all-Q_mea，其中Q_all为所有正常运行的无功功率补偿设备和风电机组的实发无功功率，Q_mea是风电场并网点的无功功率采集值；

（6）根据无功功率补偿设备和风电机组的有效无功功率容量与风电场目标无功功率Q_target的关系采取预先设定的不同的分配方法在无功功率补偿设备和风电机组间进行无功功率分配：

针对变速恒频风电机组的运行特性，对其无功功率容量进行两级管理，即在正常情况下，风电机组以不影响变流器发热的安全无功功率值参与无功功率分配；紧急情况下，风电机组以其最大无功功率值参与无功功率分配；

如果不存在正常运行的无功功率补偿设备，判断所有风电机组的最大无功功率值之和是否大于风电场目标无功功率Q_target，如果大于风电场目标无功功率Q_target，采用等比例法在风电机组间分配风电场目标无功功率Q_target；否则，每台风电机组的目标无功功率值为该台风电机组的最大无功功率值，同时发出限制风电场并网有功功率值的信号，以减少风电场的无功功率需求；

如果正常运行的无功功率补偿设备的无功功率容量大于风电场目标无功功率Q_target，则首先依据就地补偿的原则，以每条集电线路呈现纯阻性作为控制目标，由每条集电线路上的风电机组来满足该条集电线路上的无功功率需求，风电机组间采用等比例法进行无功功率分配；

如果正常运行的无功功率补偿设备的无功功率容量小于风电场目标无功功率Q_target，但正常运行的无功功率补偿设备和风电机组的总无功功率容量大于风电场目标无功功率Q_target时，则采用等比例法在正常运行的无功功率补偿设备和风电机组间进行无功功率分配；

（7）根据风电场目标无功功率Q_target在无功功率补偿设备和风电机组间分配的结果向无功功率补偿设备和风电机组发出无功控制指令；

（8）等待无功功率补偿设备和风电机组接收到控制指令并执行指令动作完成后，返回步骤（1）。

2.根据权利要求1所述的风电场无功功率控制方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，风电场接入电网系统故障闭锁判据包括三相电流过流判据，即当风电场三相电流中的最大值超过1.2Ie时，判定为风电场接入电网系统故障，闭锁无功功率调节，其中，Ie为额定电流。

3.根据权利要求1所述的风电场无功功率控制方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，风电场接入电网系统故障闭锁判据包括三相电压不平衡度判据，即当风电场三相电压不平衡度超过10%时，判定为系统故障，闭锁无功功率调节。

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