CN102377189B - 对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法，其技术特点是：包括以下步骤：（1）分析风电场的无功输出特性，在风电场中安装无功补偿进行装置并对无功补偿装置进行容量配置；（2）检测风机出口处及风电场并网点处的无功功率，对风电场进行静态无功补偿与动态无功补偿投切控制。本发明设计合理，实现了风电场的静态无功补偿与动态无功补偿结合运行，在风电场无功补偿装置投入最优情况下，保证风电场与电网的无功功率，以而达到维持电网稳定的效果，提高了风电场无功补偿性能，降低了无功补偿设备投资，满足了风电场无功补偿的经济和技术需求。

Description

对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，尤其是一种对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法。

背景技术

随着常规能源的日益减少，风电发电逐步成为一种势在必行的发展趋势。但是，风能作为一种间歇性能源受环境影响较大，由于风速等环境因素的变化，风电场的有功功率和无功功率都会随之变化，使得风电机组在运行时会吸收大量的无功功率，无功功率的变化将会引起电网中的电压波动，甚至影响电网的电压稳定性，同时增加区域电网的网络损耗。目前，风电场主要采用以下两种无功补偿方法：

一是在风电场中投入静态电容器动作补偿，从而使得累积无功功率满足电网公司要求，该方法存在的问题是：在风电场运行期间，由于电容器投切动作特性，不能很好地跟随风电场无功功率变化的需求，使得部分时间内的无功功率超出规定要求；二是在风电场中投入大量的动态无功补偿装置，如SVC或STATCOM等，该方法可以满足风电场无功功率的快速变化，但是，动态无功补偿装置造价较高，经济性较差，制约了动态无功补偿装置的实际使用。

综上所述，现有的无功补偿方法均存在不同的问题，难以满足风电场无功补偿的经济和技术需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、能够提高风电场无功补偿性能并能够降低无功补偿设备投资的对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法，包括以下步骤：

⑴分析风电场的无功输出特性，在风电场中安装无功补偿进行装置并对无功补偿装置进行容量配置,具体方法为：

①对于异步感应风机组成的风电场，在风机端加装无功补偿装置进行分散补偿，并在风电场并网点处安装集中无功补偿装置；风机端的分散无功补偿容量为单台风机额定容量的50%，风电场并网点处的集中无功补偿为风电场无功总需求与分散无功补偿的差值；在风电场中配备感性动态无功补偿和容性动态无功补偿，该感性动态无功补偿容量和容性动态无功补偿容量均为风电场总装机容量的10%；

②对于双馈风机组成的风电场，在风电场并网点处加装无功补偿装置，并在风电场并网点处安装动态无功补偿装置，在风电场中还应配备感性动态无功补偿和容性动态无功补偿，该感性动态无功补偿容量和容性动态无功补偿容量均为风电场总装机容量的4%；

③对于永磁风机组成的风电场，在风电场并网点处加装无功补偿装置，并在风电场并网点处安装动态无功补偿装置，在风电场中还应配备感性动态无功补偿和容性动态无功补偿，该感性动态无功补偿容量和容性动态无功补偿容量均为风电场总装机容量的4%。

⑵检测风机出口处及风电场并网点处的无功功率，对风电场进行静态无功补偿与动态无功补偿投切控制。

而且，所述风电场的无功输出特性包括风电场中的风力发电机组类型、风电场无功功率与有功功率的关系、风电场无功功率与并网点电压的关系和风电场动态无功特性。

而且，所述的风力发电机组类型包括：异步机组、双馈机组和永磁直驱机组；所述风电场无功功率与有功功率的关系为：无功功率均随有功功率的升高呈现上升趋势；所述风电场无功功率与并网点电压的关系为：随着并网点电压升高，从外部电网吸收的无功均呈现出逐渐减小的趋势；所述风电场动态无功特性为：风电场全天无功功率在各区间段内有围绕波动中心波动。

而且，该方法对风电场进行静态无功补偿与动态无功补偿投切控制包括以下步骤：

⑴将静态无功补偿等分为若干组；

⑵检测风机出口处未加无功补偿时的无功功率，如果无功功率过大，则使风机出口静态无功补偿装置投入工作输出无功；

⑶检测未加入无功补偿时风电场并网点的无功功率，如果达到静态无功补偿投切动作时间，则计算该时间段内的无功功率平均值；

⑷根据无功功率平均值及静态无功补偿装置分组情况，确定风电场静态无功补偿投切组数及容量，并将静态无功补偿装置分组投切运行；

⑸检测采用静态无功补偿后风电场并网点的无功功率；

⑹根据实际情况投入动态无功补偿装置，如果需要动态无功补偿的话，则计算动态无功补偿投切容量，并将动态无功补充装置投切运行；

⑺检测动态补偿后风电场并网点处的无功功率，分析其是否满足无功预定要求。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，根据风电场的无功输出特性，在风电场中安装无功补偿进行装置并对无功补偿装置进行容量配置，对风电场中静态无功补偿与动态无功补偿的投切控制，实现风电场的静态无功补偿与动态无功补偿结合运行，在风电场无功补偿装置投入最优情况下，保证风电场与电网的无功功率，以而达到维持电网稳定的效果，提高了风电场无功补偿性能，降低了无功补偿设备投资，满足了风电场无功补偿的经济和技术需求。

附图说明

图1是风电场结构示意图；

图2是三种风电机组结构示意图，其中图2（a）是异步风电机组，图2(b)是双馈风电机组，图3（c）是永磁直驱风电机组；

图3是异步发电机简化等值模型；

图4是风电场一日风速曲线示意图（单位：m/s）；

图5是异步风电场动态无功特性示意图（单位MVar）；

图6是双馈风电场动态无功特性示意图（单位MVar）；

图7是永磁风电场动态无功特性示意图（单位MVar）；

图8是异步风电场无功补偿方法示意图；

图9是双馈风电场无功补偿方法示意图；

图10是永磁风电场无功补偿方法示意图；

图11是动态静态无功补偿配合流程图；

图12是风电场无功功率曲线图；

图13是风电场静态无功补偿投切曲线图；

图14是风电场静态无功补偿后无功功率曲线图；

图15是风电场动态无功补偿投切曲线图；

图16是风电场动态无功补偿后无功功率曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法，通过分析风电场的无功输出特性，在风电场中安装无功补偿进行装置并对无功补偿装置进行容量配置，对风电场中静态无功补偿与动态无功补偿的投切控制，实现风电场的静态无功补偿与动态无功补偿结合运行功能。

现以图1所示的典型风电场为例进行说明。该典型风电场由33台1.5MW风力发电机构成，其中每11台风机为1组，共分为3组，总装机容量为49.5MW。每台风机通过0.69/35kV箱式变压器升压至35kV，风电场的汇流站选用容量为50MVA的升压变压器，集中升压至110kV并入电网。

基于上述风电场结构，一种对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法包括以下步骤：

1、分析风电场的无功输出特性，在风电场中安装无功补偿进行装置并对无功补偿装置进行容量配置。

在本步骤中，风电场的无功输出特性主要从风电场的风力发电机组的类型、风电场无功功率与有功功率的关系、风电场无功功率与并网点电压的关系以及风电场动态无功特性四个方面分析风电场的无功输出特性。下面分别进行说明：

（1）风电场中的风力发电机组类型

风电场中的风力发电机组类型有三种：异步机组、双馈机组和永磁直驱机组，其结构分别如图2所示。风电机组中采用异步发电机将风机吸收的风能转化为电能，其等值模型如图3所示，其中，x₁为定子电抗；x₂为转子电抗；x_m为励磁电抗；r₂为转子电阻；s为滑差率。异步发电机输出的有功、无功以及有功无功之间的关系分别为：

$P=\frac{U^2{r}_2/s}{{(r_2/s)}^2+{(x_1+x_2)}^2}---\left(1\right)$

$Q=\frac{U^2(x_1+x_2)}{{(r_2/s)}^2+{(x_1+x_2)}^2}+\frac{U^2}{x_m}---\left(2\right)$

$Q=\frac{2P^2{(x_1+x_2)}^2}{r_2^2{x}_m[-U^2{r}_2+\sqrt{U^4{r}_2^2-4P^2{(x_1+x_2)}^2{r}_2^2]}}---\left(3\right)$

（2）风电场无功功率与有功功率的关系

将风电场并网点处设为平衡节点，控制其电压水平保持在1p.u.，调节风电场的有功功率输出。记录风电场无功功率随有功功率的变化情况，如表1所示。由表1可以看出，不同类型的风电场，其无功功率均随有功功率的升高呈现上升趋势，当有功出力为100%时，风电机组从电网吸收的无功最大。

（3）风电场无功功率与并网点电压的关系

考虑风电场处于满发状态时，当风电场并网点的电压水平在国家电网规定的110kV电压偏差-3%～+7%的范围内变化，风电场有功功率和无功功率随着并网点电压水平的变化情况，如表2所示。从表中可以看出，在不同类型风电机组组建的风电场中，随着并网点电压升高，从外部电网吸收的无功均呈现出逐渐减小的趋势。实际中应根据各风电场实际并网点电压确定无功补偿容量。

（4）风电场动态无功特性

针对某日的风速及风电场并网点的无功功率变化情况，进行分析，其风速变化曲线如图4所示。在此风速下不同类型风电场的无功特性分别如图5至图7所示，可以看出，（1）异步机组组成的风电场全天无功功率在-15～-35MVar之间波动，在0：00～7：00风电场无功功率约在-20～-30MVar之间波动；7：00～11：00风电场无功功率约在-15～-25MVar之间波动；11：00～16：00风电场无功功率约在-25～-35MVar之间波动；16:00～23:00风电场无功功率约在-15～-20MVar之间波动，各区间段内有围绕波动中心5MVar的波动。（2）双馈和永磁机组组成的风电场动态无功特性相近，全天无功在0～-8MVar之间波动，在0：00～5：00风电场无功功率约在-2～-6MVar之间波动；5：00～11：00风电场无功功率约在-1～-4MVar之间波动；11：00～13：00风电场无功功率约在-4～-8MVar之间波动；13:00～16:00双馈风电场无功功率约在-2～-6MVar之间波动；16:00～23:00风电场无功功率约在0～-2MVar之间波动，各区间段内有围绕波动中心2MVar的波动。

通过上述分析，针对风电场的无功输出特性，风电场无功补偿时也可分为静态补偿和动态补偿两个部分。静态无功补偿容量应根据风电场有功出力为满出力时的无功功率的数值确定，考虑到静止电容器投切的无功功率不能连续调节，故需要配有一定容量的动态无功补偿装置，其容量配置为短期内无功功率变化的差值，取单组电容器组的容量。

在电力系统中常用的静态无功补偿有电力电容器投切无功补偿和调压调容无功补偿，常用的动态无功补偿有STATCOM动态无功补偿和SVC动态无功补偿。其无功补偿配置表达式如下所示：

Q=Q₁+Q₂            (4)

其中，Q为风电场总的无功补偿容量，Q₁和Q₂分别为风电场静态和动态无功补偿容量。

针对风电场中的发电机组，加入无功补偿进行装置的方式和容量配置有所区别，下面分别进行说明：

（1）异步感应风机组成的风电场

由于风机本身需要较多的无功功率，因此，可先在风机端加装无功补偿装置进行分散补偿，并在风电场并网点处安装集中无功补偿装置，如图8所示。由于异步风机在满出力时，无功的需求约占有功的57.6%，因此，风机端的分散无功补偿容量建议为单台风机额定容量的50%；在风电场并网点处集中无功补偿为风电场无功总需求与分散无功补偿的差值，集中无功补偿的容量为表2中风电场的无功功率需求与风机端无功补偿的差值。此外，为弥补风电场无功功率的快速波动，在风电场中还应配备5MVar的感性动态无功补偿和5MVar的容性动态无功补偿，其感性和容性动态无功补偿容量均约为风电场总装机容量的10%。

（2）双馈风机组成的风电场

由于风机本身特性，能够调整风机出口的功率因数，因此只需要在风电场并网点处加装无功补偿装置，即分散无功补偿为零，集中无功补偿容量参考表2中风电场在不同电压等级下的无功需求情况，宜采用动态无功补偿装置，如图9所示。此外，在风电场中还应配备不少于2MVar的感性动态无功补偿和不少于2MVar的容性动态无功补偿，其感性和容性动态无功补偿容量均约为风电场总装机容量的4%。

（3）永磁风机组成的风电场

由于风机本身特性，能够调整风机出口的功率因数，因此，只需要在风电场并网点处加装无功补偿装置，即分散无功补偿为零，集中无功补偿容量参考表2中风电场在不同电压等级下的无功需求情况，如图10所示。此外风电场中还应配备不少于2MVar的感性动态无功补偿和不少于2MVar的容性动态无功补偿。其感性和容性动态无功补偿容量均约为风电场总装机容量的4%。

2、检测风机出口处及风电场并网点处的无功功率，对风电场进行静态无功补偿与动态无功补偿投切控制。

根据风电场中的无功补偿装置及其采用的静态无功补偿与动态无功补偿的容量，将风电场出口处的无功功率为零作为无功补偿的控制目标，该投切控制方法，如图11所示，包括以下步骤：

（1）将静态无功补偿等分为若干组；

（2）检测风机出口处未加无功补偿时的无功功率，如果无功功率过大，则使风机出口静态无功补偿装置投入工作输出无功；

（3）检测未加入无功补偿时风电场并网点的无功功率，如果达到静态无功补偿投切动作时间，则计算该时间段内的无功功率平均值；

（4）根据无功功率平均值及静态无功补偿装置分组情况，确定风电场静态无功补偿投切组数及容量，并将静态无功补偿装置分组投切运行；

（5）检测采用静态无功补偿后风电场并网点的无功功率；

（6）根据实际情况投入动态无功补偿装置，如果需要动态无功补偿的话，则计算动态无功补偿投切容量，并将动态无功补充装置投切运行；

（7）检测动态补偿后风电场并网点处的无功功率，分析其是否满足无功预定要求。

在第（3）步中，将静态无功补偿投切动作时间设定为1小时，即每小时进行一次预判，确定电容器是否进行投切动作。进行静态无功投切容量预判时，受到采集数据为10分钟一次的限制，设定预判时间为30分钟，即计算前30分钟内无功功率的平均值作为本次无功补偿动作应投入容量，防止采样点为尖峰时刻，影响预判容量。

本投切控制方法还可通过下述手段进一步提高无功补偿效果：

（1）缩短采样时间。缩短采样时间，可以根据更近时间段内的无功功率确定电容器应投切的组数，从而实现无功功率补偿与实际无功拟合。

（2）减小无功补偿投切动作时间。静态无功补偿若为半小时或者更短时间投切，对无功能够快速响应，从而降低无功补偿部分时间不足或者过剩的现象。

（3）增加投切电容器组数，减少各组电容器容量。通过增加电容器组数减小各组容量的方法，能够使得无功功率更为贴近实际无功的投入与切除。

（4）适量增加动态无功比例。增加动态无功补偿比例，能够减小无功快速变化的影响。

（5）增强风电场功率预测水平。应用先进的风电场功率预测系统，能过对风电场未来无功功率得到一个预先判断，而不是仅靠历史数据投切，能够适应未来一段时间内无功功率的快速变化。

（6）适当人工操作。当出现无功功率在预定动作之前发生过大变化的情况，可以加入人工操作，确定投入和切除无功补偿设备容量，保证风电场无功功率在可控范围之内。

（7）采用风机出口分散无功补偿与风电场出口动态无功补偿配合方式。对风机出口加入分散无功补偿，并加以控制，减小风电场出口处的无功功率水平，从而降低风电场出口动态无功补偿配置，实现风电场无功功率的优化控制。

本发明一方面提高了风电场无功补偿效果，另一方面降低了无功补偿设备投资。以潍坊地区某运行风电场（采用双馈风电机组）为例进行分析，其某日风电场无功功率如图12所示，可见不采用无功补偿设备将对电网造成极大影响。采用如图13所示的静态无功补偿后，风电场出口处的无功功率如图14所示，可见无功功率得到了很好的抑制作用，但由于风电场内点静态无功补偿不能很好的跟随风电场无功功率的快速变化，其仍将有一定范围的无功功率波动存在，为此采用如图15所示的动态无功补偿装备后能够很好的解决该问题的存在，其风电场出口处的无功功率如图16所示，可以看出有效地提高了风电场无功补偿效果。

按照静态无功补偿3万元/MVar，动态无功补偿10万元/MVar进行分析，上述风电场中若仅用动态无功补偿，其投资约为80万元。采用本无功补偿控制方法，无功补偿总投资为44万元（其中静态无功补偿投资为24万元，动态无功补偿投资为20万元），为仅采用动态无功补偿方案投资的55%。若该方法应用于异步风电场其无功补偿投资收益更为可观。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴分析风电场的无功输出特性，在风电场中安装无功补偿进行装置并对无功补偿装置进行容量配置,具体方法为：

①对于异步感应风机组成的风电场，在风机端加装无功补偿装置进行分散补偿，并在风电场并网点处安装集中无功补偿装置；风机端的分散无功补偿容量为单台风机额定容量的50%，风电场并网点处的集中无功补偿为风电场无功总需求与分散无功补偿的差值；在风电场中配备感性动态无功补偿和容性动态无功补偿，该感性动态无功补偿容量和容性动态无功补偿容量均为风电场总装机容量的10%；

②对于双馈风机组成的风电场，在风电场并网点处加装无功补偿装置，并在风电场并网点处安装动态无功补偿装置，在风电场中还应配备感性动态无功补偿和容性动态无功补偿，该感性动态无功补偿容量和容性动态无功补偿容量均为风电场总装机容量的4%；

③对于永磁风机组成的风电场，在风电场并网点处加装无功补偿装置，并在风电场并网点处安装动态无功补偿装置，在风电场中还应配备感性动态无功补偿和容性动态无功补偿，该感性动态无功补偿容量和容性动态无功补偿容量均为风电场总装机容量的4%；

⑵检测风机出口处及风电场并网点处的无功功率，对风电场进行静态无功补偿与动态无功补偿投切控制。

2.根据权利要求1所述的对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法，其特征在于：所述风电场的无功输出特性包括风电场中的风力发电机组类型、风电场无功功率与有功功率的关系、风电场无功功率与并网点电压的关系和风电场动态无功特性。

3.根据权利要求2所述的对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法，其特征在于：所述的风力发电机组类型包括：异步机组、双馈机组和永磁直驱机组；所述风电场无功功率与有功功率的关系为：无功功率均随有功功率的升高呈现上升趋势；所述风电场无功功率与并网点电压的关系为：随着并网点电压升高，从外部电网吸收的无功均呈现出逐渐减小的趋势；所述风电场动态无功特性为：风电场全天无功功率在各区间段内有围绕波动中心波动。

4.根据权利要求1所述的对风电场进行无功补偿优化配置及运行的方法，其特征在于：该方法对风电场进行静态无功补偿与动态无功补偿投切控制包括以下步骤：

⑴将静态无功补偿等分为若干组；

⑵检测风机出口处未加无功补偿时的无功功率，如果无功功率过大，则使风机出口静态无功补偿装置投入工作输出无功；

⑶检测未加入无功补偿时风电场并网点的无功功率，如果达到静态无功补偿投切动作时间，则计算该时间段内的无功功率平均值；

⑷根据无功功率平均值及静态无功补偿装置分组情况，确定风电场静态无功补偿投切组数及容量，并将静态无功补偿装置分组投切运行；

⑸检测采用静态无功补偿后风电场并网点的无功功率；

⑹根据实际情况投入动态无功补偿装置，如果需要动态无功补偿的话，则计算动态无功补偿投切容量，并将动态无功补充装置投切运行；

⑺检测动态补偿后风电场并网点处的无功功率，分析其是否满足无功预定要求。

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