CN102361324A - 双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法及其系统，该方法包括：系统初始化；测量机端电压，并计算误差e；判断误差e是否在死区之间，并计算无功给定Q_PI；计算此时双馈风电机组的最大无功容量Q_max；根据Q_PI和Q_max确定无功控制指令Q_out；根据无功控制指令Q_out，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率。该系统包括电能质量模块、死区滞回比较器、PI控制器、无功容量计算模块以及变流器和双馈风电机组。本发明充分发挥了双馈风电机组有功功率和无功功率的解耦控制特性，实现了双馈风电场电压的动态调节，提高电网的质量，同时降低了现有无功调节设备SVC和SVG的容量，降低了成本。

Description

双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电领域，特别是涉及一种双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法及其系统。

背景技术

近年来随着风力发电不断地发展，风电场装机容量逐年上升，风力发电所占的比例越来越大，已逐渐成为了一种常规能源。然而风能的随机性使得风电机组输出的功率和电压具有一定的随机波动性，对电网质量会造成一定的影响。随着我国单台风电机组容量的扩大和总装机容量在国家电网中所占比例的升高，风电机组并网运行时对电网的影响范围也逐渐扩大并且影响程度也在加深。因此国家电网公司对风电机组的运行能力提出了较高的要求，即风电场并网点电压在0.9-1.1倍额定电压(含边界值)范围内时，场内并网机组应能正常连续运行，并且具有一定的过压能力(额定电压的1.3倍)。然而风电机组内部所有电气零部件，其能够承受的工作电压范围通常为0.9-1.1倍额定电压。

对于这一问题，目前有两种解决方案：一种是提高风电机组内部所有电气零部件的工作电压水平，将其更换为可以承受1.3倍额定电压的电气设备，这将耗费大量的人力物力，且是一种被动满足要求的方法，无法适应未来的可能的新变化；二是投放更多的SVC和SVG等无功补偿设备实现电压的调节功能，通过无功支撑将机端电压调节到0.9-1.1倍额定电压范围内，但这会增加投入成本，且难以实现机端电压的动态调节。因此，对于双馈风电场，积极发挥风电机组的无功能力，研究基于无功支撑的机端电压的动态调节方法，具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，使其利用双馈风电机组的无功支撑能力实现机端电压的闭环调节，以保证当机端电压波动时，通过无功支撑将电压调节到(100±10)％额定电压范围之内，使得风电机组仍可以正常连续运行。

为解决上述技术问题，本发明一种双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，包括以下步骤：A.系统初始化，累计误差e_sum清零，给定参考电压U_ref，设置死区(-δ，δ)，死区滞回系数K_th设置为1；B.测量机端电压，并与U_ref比较计算出误差e；C.判断误差e是否在-δU_refK_th与δU_refK_th之间，C1.如果-δU_refK_th≤e≤δU_refK_th，则无功给定Q_PI为零，同时将累计误差e_sum清零，并设置死区滞回系数K_th为1，C2.如果e＜-δU_refK_th，则以容性无功对机端电压进行调节，e_sum＝e_sum+e，并根据PI算法计算无功给定Q_PI，同时，设定K_th＝k，(0＜k＜1)，C3.如果e＞δU_refK_th，则以感性无功对机端电压进行调节，e_sum＝e_sum+e，并根据PI算法计算无功给定Q_PI，同时，设定K_th＝k，(0＜k＜1)；D.计算此时双馈风电机组的最大无功容量Q_max；E.如果Q_PI的绝对值小于或等于Q_max，则无功控制指令Q_out＝Q_PI；如果Q_PI的绝对值大于Q_max，则采用容性无功控制时Q_out＝Q_max，采用感性无功控制时Q_out＝-Q_max；F.根据无功控制指令Q_out，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率。

作为本发明的一种改进，所述的步骤C2中Q_PI的计算公式为Q_PI＝K_Cpe+K_Cie_sum，其中，K_Cp、K_Ci为容性无功的PI参数；所述的步骤C3中Q_PI的计算公式为Q_PI＝K_Lpe+K_Lie_sum，其中，K_Lp、K_Li为感性无功的PI参数。

所述的步骤D中Q_max的计算公式为

其中，S为视在功率容量，P为现在时刻的有功功率。

所述的δ为10％。

所述的给定参考电压设置为690V。

所述的步骤B中，测量机端电压由电能质量模块完成；所述的步骤C中，判断误差e是否在-δU_refK_th与δU_refK_th之间，以及设置死区滞回系数K_th，由死区滞回比较器完成；所述的步骤C中，无功给定Q_PI由PI控制器计算；所述的步骤D中最大无功容量Q_max的计算，以及步骤E中Q_out的确定，由无功容量计算模块完成；所述的步骤F中，变流器根据无功控制指令Q_out，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率对机端电压进行调节。

本发明还提供了一种应用上述方法的双馈风电机组无功支撑的机端电压调节系统，包括：对机端电压进行实时测量，并产生反馈信号的电能质量模块；判断机端电压误差e是否在死区区间内，当在死区区间内时，无功支撑不进行调节，并在死区的阈值处设置K_th的滞回环节的死区滞回比较器；当e不在死区区间内时，计算风电机组调节机端电压所需的无功给定Q_PI的PI控制器；计算当前有功功率下的最大无功容量Q_max，并根据Q_PI、Q_max确定无功控制指令Q_out的无功容量计算模块；以及根据无功指令，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率对机端电压进行调节的变流器。

采用这样的设计后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果

1、充分发挥了双馈风电机组无功支撑的优势，实现了机端电压的闭环调节；

2、降低了双馈风电场SVC和SVG等无功补偿设备的容量，降低了投入成本；

3、实现了双馈风电场的无功动态支撑，有利于电网质量的提高。

如上所述，本发明根据无功功率对机端电压具有调节能力的原理，充分发挥了双馈风电机组有功功率和无功功率的解耦控制特性，通过采集机端电压作为系统反馈信号，实现对风电机组机端电压的自动闭环调节，本发明的应用能够有效的实现双馈风电场电压的动态调节，提高电网的质量，同时降低了现有无功调节设备SVC和SVG的容量，降低了成本。

附图说明

图1是本发明双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法的流程框图。

图2是本发明双馈风电机组无功支撑的机端电压调节系统的组成框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，本发明双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，包括以下步骤：系统初始化；测量机端电压，并计算误差；判断误差是否在死区之间，并计算无功给定Q_PI；计算此时双馈风电机组的最大无功容量Q_max；根据Q_PI和Q_max确定无功控制指令Q_out；根据无功控制指令Q_out，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率。

具体来说，步骤一系统初始化包括：累计误差e_sum清零，给定参考电压U_ref，根据需要设置死区(-δ，δ)，并将死区滞回系数K_th设置为1(没有滞回)。

例如，通常将给定参考电压U_ref设置为690V，δ可设置为10％。

需要说明的是：由于国家电网公司规定的电压在(100±10)％波动范围内时，风电机组必须连续稳定的运行，风电机组在设计时已具备在(100±10)％额定电压范围内稳定运行的能力。因此本发明可以将机端电压闭环调节的偏差设置一个死区(比如设为±10％，考虑系统无功支撑的滞后环节，可以将死区设置小一些)，当偏差在死区范围内时，控制器不需要发出无功对电网进行支撑指令，风电机组便能稳定运行。同时，为了防止在误差死区阈值附近频繁启动和停止风电机组无功功率，可以在阈值附近设置一个滞回区间。在后续的控制中，可以通过调节误差死区阈值的大小以调节机端电压的稳定水平，即死区越小，机端电压越接近于给定的参考电压，稳定性越高；通过设置死区滞回的大小，可以降低风电机组无功能力的启停频次。

步骤二，测量机端电压，并与U_ref比较计算出电压误差e。

步骤三，判断误差e是否在-δU_refK_th与δU_refK_th之间：如果-δU_refK_th≤e≤δU_refK_th，则无功给定Q_PI为零，同时将累计误差e_sum清零，并设置死区滞回系数K_th为1；如果e＜-δU_refK_th，则以容性无功对机端电压进行调节，e_sum＝e_sum+e，并根据PI算法计算无功给定Q_PI，同时，设定K_th＝k，(0＜k＜1)；如果e＞δU_refK_th，则以感性无功对机端电压进行调节，e_sum＝e_sum+e，并根据PI算法计算无功给定Q_PI，同时，设定K_th＝k，(0＜k＜1)。

较佳的，本发明的PI控制算法采用变形后的位置式PI控制算法，计算式为：

$u_k=K_p\·e_k+K_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j.$

由于容性无功和感性无功对机端电压的影响存在差异性，因此容性无功的PI参数K_Cp、K_Ci和感性无功PI参数K_Lp、K_Li是两组不同的控制参数。以容性无功对机端电压进行调节时，Q_PI的计算公式为Q_PI＝K_Cpe+K_Cie_sum。以感性无功对机端电压进行调节时，Q_PI的计算公式为Q_PI＝K_Lpe+K_Lie_sum。

步骤四，计算此时双馈风电机组的最大无功容量Q_max。

其中，Q_max的计算公式为视在功率公式

其中，S为视在功率容量，P为现在时刻的有功功率。

步骤五，判断调节机端电压所需的无功容量Q_PI是否超出Q_max：如果没超出，即Q_PI的绝对值小于或等于Q_max，则按照需求指令控制双馈风电机组发出相应的无功功率Q_PI，即无功控制指令Q_out＝Q_PI；如果超出了无功功率容量，则按照最大值Q_max控制双馈风电机组发出无功功率，即Q_PI＝±Q_max，容性无功功率为正，感性无功功率为负。

步骤六，根据控制器计算结果，将无功控制指令Q_out发送给变流器，变流器驱动双馈风电机组发出相应的无功功率，实现机端电压的闭环动态调节。

请配合参阅图2所示，本发明双馈风电机组无功支撑的机端电压调节系统，包括电能质量模块、死区滞回比较器、PI控制器、无功容量计算模块以及变流器和双馈风电机组。

其中，电能质量模块对机端电压进行实时测量，并产生反馈信号。

死区滞回比较器实现(-δ，δ)区间内时，无功支撑不进行调节，同时在δ的阈值处设置K_th的滞回环节。

PI控制器实现控制过程的核心算法，当e不在死区区间内时，计算出所风电机组调节机端电压所需的无功给定Q_PI。

无功容量计算模块通过视在功率的计算公式，计算出在当前有功功率下的最大无功容量Q_max，并根据Q_PI、Q_max确定无功控制指令Q_out，以实现有功优先的控制策略。

变流器根据无功指令，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率对机端电压进行调节，从而实现机端电压闭环控制。

在本发明的系统中，通过实时测量机端电压值，与给定的参考电压比较，得到电压偏差。控制器根据电压偏差和PI控制算法进行计算得到无功指令。变流器根据无功指令驱动双馈风电机组发出相应的无功功率调节机端电压，实现机端电压的闭环动态调节。

本发明双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法及其系统，利用双馈风电机组有功功率和无功功率的解耦控制特性构建机端电压闭环，实现了双馈风电机组机端电压的动态调节，提高了风电机组在电网电压波动时的适应能力。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，其特征在于包括以下步骤：

A.系统初始化，累计误差e_sum清零，给定参考电压U_ref，设置死区(-δ，δ)，死区滞回系数K_th设置为1；

B.测量机端电压，并与U_ref比较计算出误差e；

C.判断误差e是否在-δU_refK_th与δU_refK_th之间，

C1.如果-δU_refK_th≤e≤δU_refK_th，则无功给定Q_PI为零，同时将累计误差e_sum清零，并设置死区滞回系数K_th为1，

C2.如果e＜-δU_refK_th，则以容性无功对机端电压进行调节，e_sum＝e_sum+e，并根据PI算法计算无功给定Q_PI，同时，设定K_th＝k，(0＜k＜1)

C3.如果e＞δU_refK_th，则以感性无功对机端电压进行调节，e_sum＝e_sum+e，并根据PI算法计算无功给定Q_PI，同时，设定K_th＝k，(0＜k＜1)；

D.计算此时双馈风电机组的最大无功容量Q_max；

E.如果Q_PI的绝对值小于或等于Q_max，则无功控制指令Q_out＝Q_PI；如果Q_PI的绝对值大于Q_max，则采用容性无功控制时Q_out＝Q_max，采用感性无功控制时Q_out＝-Q_max；

F.根据无功控制指令Q_out，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率。

2.根据权利要求1所述的双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，其特征在于：

所述的步骤C2中Q_PI的计算公式为Q_PI＝K_Cpe+K_Cie_sum，其中，K_Cp、K_Ci为容性无功的PI参数；

所述的步骤C3中Q_PI的计算公式为Q_PI＝K_Lpe+K_Lie_sum，其中，K_Lp、K_Li为感性无功的PI参数。

3.根据权利要求1所述的双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，其特征在于所述的步骤D中Q_max的计算公式为

其中，S为视在功率容量，P为现在时刻的有功功率。

4.根据权利要求1所述的双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，其特征在于所述的δ为10％。

5.根据权利要求1所述的双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，其特征在于所述的给定参考电压设置为690V。

6.根据权利要求1所述的双馈风电机组无功支撑的机端电压调节方法，其特征在于：

所述的步骤B中，测量机端电压由电能质量模块完成；

所述的步骤C中，判断误差e是否在-δU_refK_th与δU_refK_th之间，以及设置死区滞回系数K_th，由死区滞回比较器完成；

所述的步骤C中，无功给定Q_PI由PI控制器计算；

所述的步骤D中最大无功容量Q_max的计算，以及步骤E中Q_out的确定，由无功容量计算模块完成；

所述的步骤F中，变流器根据无功控制指令Q_out，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率对机端电压进行调节。

7.一种应用权利要求1-6中任一项所述方法的双馈风电机组无功支撑的机端电压调节系统，其特征在于包括：

对机端电压进行实时测量，并产生反馈信号的电能质量模块；

判断机端电压误差e是否在死区区间内，当在死区区间内时，无功支撑不进行调节，并在死区的阈值处设置K_th的滞回环节的死区滞回比较器；

当e不在死区区间内时，计算风电机组调节机端电压所需的无功给定Q_PI的PI控制器；

计算当前有功功率下的最大无功容量Q_max，并根据Q_PI、Q_max确定无功控制指令Q_out的无功容量计算模块；以及

根据无功指令，驱动双馈风电机组发出相应的无功功率对机端电压进行调节的变流器。

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