CN102868177A - 风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法 - Google Patents

Abstract

提供一种风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法，并网点(PCC)设置在风电场送出线路上，所述方法包括：检测PCC电压当前值；将PCC电压当前值与PCC电压期望值进行比较，确定PCC电压当前值是否偏离PCC电压期望值超过第一预定阈值；如果PCC电压当前值偏离PCC电压期望值超过第一预定阈值，则根据在PCC测量的电压和电流计算PCC系统阻抗当前值；将PCC系统阻抗当前值与PCC系统阻抗先前值进行比较，确定PCC系统阻抗当前值是否偏离PCC系统阻抗先前值超过第二预定阈值；如果PCC系统阻抗当前值偏离PCC系统阻抗先前值超过第二预定阈值，则用PCC系统阻抗当前值更新PCC系统阻抗先前值，以对PCC系统阻抗进行修正。

Description

风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法

技术领域

本发明属于风电场发电领域，涉及一种风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法。

背景技术

随着技术的发展，可再生能源的关注和利用程度日益增加，其中，风力发电是一种已经发展相对成熟的能源技术。然而，我国风电行业“建设大基地，融入大电网”的发展规划与欧洲“分散上网，就地消纳”不同，有着“大规模”、“高集中”等特点。间歇性风电造成电网电压波动、系统短路容量增加、暂态稳定性改变，特别在大规模风电集中接入电网情况下尤为突出。同时，电网末端电能质量也会影响风电场，例如电网扰动导致风机脱网、风电场解列，不平衡电压会造成机组振动、过热等。

研究风电场并网的技术关键，在于将风电场作为一个整体单元接入电网来分析，通过改善风电场并网点(Point of Common Coupling，PCC)的稳定性，以提高整个风电场的并网性能。

PCC的稳定性的最重要的指标为电压稳定性。电压波动直接影响了风机的安全稳定运行，危害甚至波及所接入的电力网络。根据潮流分析技术可知，PCC的电压主要受到PCC的无功功率影响：当消耗感性无功功率(即吸收无功功率)过多时电压将会下降；反之，当发出感性无功功率(即发出无功功率)过多时电压将会上升。通过一些技术控制PCC的无功功率动态平衡，即可达到控制PCC电压稳定的效果。

然而，在现有技术中，控制风电场PCC的无功功率平衡，会受到两个技术点制约：首先必须满足我国电力系统无功功率“分层分区”控制原则，其次必须充分考虑风电场无功功率源的控制机理。

风电场无功功率源主要有两种：风机和集中无功功率补偿装置。集中无功功率补偿装置，例如静止无功功率补偿装置(Static Var Compensator，SVC)对风电场的无功功率平衡起到了积极有效的作用，但也存在造价高、损耗大和稳定性差的缺陷，并且SVC与风机运行配合差。另一方面，风机具有额外发出无功功率的能力，但是单个风机的自由控制会引起风电场无功功率内耗，无法达到指定控制目标。风电场电压自动控制(Auto Voltage Control，AVC)系统可挖掘风电场内风机发出无功功率的能力，与SVC配合，使风电场无功功率达到更好的动态平衡，提高风电场的并网性能。

图1是示出根据现有技术的依靠集中无功功率补偿装置来实现PCC的电压控制的风电场AVC系统的示意性框图。风电场通过低压母线连接到并网变压器，并网变压器连接到大电网的高压母线，PCC设置在并网变压器和大电网的高压母线之间，即，PCC设置在风电场送出线路上，风电场送出线路连接到大电网。

具体地，如图1所示，在根据现有技术的风电场AVC系统中，多条风电汇集线路(每条风电汇集线路包括多个风机)以及设置有SVC的SVC线路接入到低压母线，低压母线上的电压经由并网变压器升压，通过风电场送出线路接入到大电网，从而实现风电场并网，其中，SVC根据低压母线和/或高压母线的电压变化，自动发出无功功率或吸收无功功率，进而控制PCC无功功率达到动态平衡，从而调节PCC的电压处于允许范围内。

控制SVC发出或吸收无功功率大小的合理性、准确性，直接决定了PCC电压稳定效果。通常有下面三种计算PCC无功功率的方法，现有技术主要采用了前两种方法。

1、根据PCC电压期望值及PCC系统阻抗，计算PCC无功功率期望值。计算公式为：

$Q_{\mathrm{ref}}=U_{\mathrm{ref}}\×(\frac{U_{\mathrm{ref}}-U_{\mathrm{now}}}{X}-\frac{Q_{\mathrm{now}}}{U_{\mathrm{now}}})---\left(1\right)$

其中，Q_ref为PCC无功功率期望值，Q_now为PCC无功功率当前值，U_ref为PCC电压期望值(PCC额定电压)，U_now为PCC电压当前值，X为PCC系统阻抗。

该方法直接以电压期望值为控制目标，因此控制效果最精确。从计算公式(1)可见，PCC系统阻抗X直接决定了电压控制精度。

2、根据PCC功率因数期望值以及PCC有功功率，计算无功功率期望值。该方法可间接实现风电场PCC电压稳定，存在一定的偏差。该方法较为简单，是最常用的方法。

3、直接输入PCC无功功率期望值。在该方法中，PCC电压调节效果和期望值偏差较大，因此通常不作为首选的控制方法。

现有技术还处于较为简单的阶段，由于在风电接入电网区域，往往运行方式复杂多变，而且附近其他风电场接入或退出电网运行十分频繁，因此系统阻抗随时可能发生变化。第一种方法没有实时计算当前系统阻抗值，因此计算的无功功率有很大误差，导致风电场并网点电压稳定效果变差。

如果不采用通过电压期望值计算无功功率期望值的第一种方法，而采用第二种方法或第三种方法，则在保障PCC功率因数/无功功率期望值同时，无法同时保障PCC电压达到期望值。

因此，需要提供一种风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法，通过修正的PCC系统阻抗来准确控制PCC无功功率达到动态平衡，使得PCC电压稳定，从而提高风电场并网性能。

发明内容

本发明提供一种风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法，能够快速识别PCC系统阻抗突变，实时修正PCC系统阻抗，在风电场运行方式改变后，可更新准确的PCC系统阻抗，从而计算出高精度的无功功率控制量，达到更加动态而精准地实现风电场PCC的电压稳定控制，从而提高风电场并网性能。

根据本发明的一方面，提供一种风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法，并网点设置在风电场送出线路上，所述方法包括：检测并网点(PCC)电压当前值；将PCC电压当前值与PCC电压期望值进行比较，确定PCC电压当前值是否偏离PCC电压期望值超过第一预定阈值；如果PCC电压当前值偏离PCC电压期望值超过第一预定阈值，则根据在PCC测量的电压和电流计算PCC系统阻抗当前值；将PCC系统阻抗当前值与PCC系统阻抗先前值进行比较，确定PCC系统阻抗当前值是否偏离PCC系统阻抗先前值超过第二预定阈值；如果PCC系统阻抗当前值偏离PCC系统阻抗先前值超过第二预定阈值，则用PCC系统阻抗当前值更新PCC系统阻抗先前值，以对PCC系统阻抗进行修正。

第一预定阈值可以是1％至3％。

可在预定时间段期间多次计算PCC系统阻抗值，并且取所述多次计算PCC系统阻抗值的平均值作为PCC系统阻抗当前值。

第二预定阈值可以是30％至50％。

所述方法还可包括：使用PCC电压期望值、PCC电压当前值、PCC无功功率当前值以及PCC系统阻抗当前值来计算PCC无功功率期望值；设置在风电场中的电压自动控制(AVC)装置根据计算的PCC无功功率期望值，控制风电场中的风机的端口的电流和电压之间存在相位差，使得风机发出无功功率或吸收无功功率，从而使得PCC无功功率当前值接近于PCC无功功率期望值，进而使得PCC电压当前值接近于PCC电压期望值。

当PCC无功功率当前值小于PCC无功功率期望值时，AVC装置可控制风机发出无功功率。

当风机端口的电流的相位领先于电压的相位时，风机可发出无功功率。

当PCC无功功率当前值大于PCC无功功率期望值时，AVC装置了控制风机吸收无功功率。

当风机端口的电流的相位滞后于电压的相位时，风机可吸收无功功率。

当风机发出或吸收的无功功率不足以改变PCC无功功率当前值以稳定PCC电压时，AVC装置控制设置在风电场中的集中无功补偿装置(例如静止无功功率补偿装置)发出或吸收无功功率，使得PCC无功功率当前值接近于PCC无功功率期望值，进而使得PCC电压当前值接近于PCC电压期望值。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是示出根据现有技术的依靠集中无功功率补偿装置来实现PCC的电压控制的风电场AVC系统的示意性框图；

图2是示出根据本发明实施例的风电场AVC系统的示意性框图；

图3是示出根据本发明实施例的风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法的流程图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图2是示出根据本发明实施例的风电场AVC系统的示意性框图。

如图2所示，根据本发明实施例的风电场AVC系统可包括AVC装置，设置在多个风机(可以是永磁直驱风机)上的多个风机主控系统，SVC以及设置在风电场送出线路、风电汇集线路、SVC线路、高压母线以及低压母线上的多个电压互感器和电流互感器，AVC装置通过光纤网络与各个风机主控系统通信，并且电连接到所述多个电压互感器和电流互感器。PCC可设置在风电场送出线路上。

具体地讲，AVC装置接收通过电压互感器和电流互感器检测的电压数据和电流数据，并且接收风机主控系统提供的风机自身的各种数据(例如，风机端口的电压数据、电流数据、有功功率、风机的温度以及故障信息等)。此外，AVC装置将控制信号发送到各个风机主控系统，各个风机主控系统根据控制信号控制相应风机中的变流器，以使相应风机端口的电流和电压之间存在相位差，从而相应风机能够发出无功功率或吸收无功功率，其中，当电流的相位领先于电压的相位时，风机发出无功功率，当电流的相位滞后于电压的相位时，风机吸收无功功率。

根据本发明实施例的风电场AVC系统还可包括用于执行远程控制的AVC主站，所述AVC主站的数量不受限制，可设置在远离风电场的任何位置(例如，市级电力控制中心、省级电力控制中心等)，并且通过有线或无线通信方式与AVC装置通信并对AVC装置进行远程控制。AVC主站可以由计算机来实现。此外，根据本发明实施例的风电场AVC系统还可包括用于监控AVC运行状态的AVC监控装置。AVC监控装置可以由计算机来实现。

AVC装置可首先获取高压母线的电压数据。高压母线的电压数据反映了PCC的实际电压。随后，AVC装置将高压母线的电压与风电场的目标电压进行比较，并根据电压差值确定需要风电场发出无功功率或吸收无功功率的总值。其后，AVC装置可根据风电汇集线路的电压数据和电流数据确定每条风电汇集线路能够发出或吸收的无功功率的总值，并根据风机主控系统提供的电压数据和电流数据确定相应风机能够发出或吸收的无功功率。最后，AVC装置将与每台风机需要发出或吸收的无功功率对应的控制信号发送到相应的风机主控系统。这样，风机主控系统就可以根据控制信号控制相应风机中的变流器，以使相应风机端口的电流和电压之间存在相位差，从而相应风机能够发出无功功率或吸收无功功率。最终，通过使风机发出无功功率或吸收无功功率，可以提高或降低PCC的实际电压，使得PCC的电压稳定，从而保证并网的稳定性。

可选择地，当各个风机发出或吸收的无功功率不足以将PCC的实际电压提高或降低到目标值时，AVC装置控制设置在风电场中的集中无功补偿装置(例如SVC)投入运行以发出或吸收无功功率，从而进一步提高或降低PCC的电压，使得PCC的电压稳定，从而保证并网的稳定性。

下面描述根据本发明实施例的风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法。

可根据PCC电压期望值计算风电场并网点无功功率，关键的参数为PCC系统阻抗。PCC系统阻抗反映了风电场和电网的电气联系强弱性，可以长时间稳定不变。但是，随着风机运行方式的改变，PCC系统阻抗将发生突变。获取精确的系统阻抗决定着控制精度和效率。因此，需要实时计算并更新系统阻抗，以使无功功率控制精度更高。

图3是示出根据本发明实施例的风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法的流程图。

在步骤301，检测PCC电压当前值。在步骤302，将PCC电压当前值与PCC电压期望值(即，PCC额定电压)进行比较，确定PCC电压当前值是否偏离PCC电压期望值超过第一预定阈值(例如，第一预定阈值可以是1％至3％)。

如果PCC电压当前值偏离PCC电压期望值超过第一预定阈值，则表示需要调整PCC无功功率期望值，以使得PCC电压当前值接近于PCC电压期望值。因此，在步骤303，根据在PCC测量的电压和电流(例如，三相电压和三相电流)计算PCC系统阻抗当前值。

优选地，可在预定时间段期间(例如10秒)多次(例如10次)计算PCC系统阻抗值，并且取多次计算PCC系统阻抗值的平均值作为PCC系统阻抗当前值。

在步骤304，将PCC系统阻抗当前值与PCC系统阻抗先前值进行比较，确定PCC系统阻抗当前值是否偏离PCC系统阻抗先前值超过第二预定阈值(例如，第二预定阈值可以是30％至50％)。

PCC系统阻抗在风电场运行方式不变时变化很小。当风电场发生短路、甩负荷等故障时，PCC系统阻抗会突然发生大幅度变化，也可称为风电场运行方式变化。因此，PCC系统阻抗有着突然变化的特点。

如果PCC系统阻抗当前值偏离PCC系统阻抗先前值超过第二预定阈值，则表示PCC系统阻抗发生了突变，因此，在步骤305，用PCC系统阻抗当前值更新PCC系统阻抗先前值，以对PCC系统阻抗进行修正。

如果PCC系统阻抗当前值偏离PCC系统阻抗先前值没有超过第二预定阈值，则表示PCC系统阻抗没有发生大幅度变化，因此不修正PCC系统阻抗，即，将PCC系统阻抗先前值作为PCC系统阻抗当前值。

在修正了PCC系统阻抗之后，可计算PCC无功功率期望值。具体地，可根据前面所述的公式(1)，使用PCC电压期望值、PCC电压当前值、PCC无功功率当前值以及PCC系统阻抗当前值来计算PCC无功功率期望值。接着，设置在风电场中的AVC装置根据计算的PCC无功功率期望值，控制风电场中的风机端口的电流和电压之间存在相位差，使得风机发出无功功率或吸收无功功率，从而使得PCC无功功率当前值接近于PCC无功功率期望值，进而使得PCC电压当前值接近于PCC电压期望值。由此，可使得PCC电压稳定，从而提高风电场并网性能。

当PCC无功功率当前值小于PCC无功功率期望值时，AVC装置控制风机发出无功功率。当风机端口的电流的相位领先于电压的相位时，风机发出无功功率。

当PCC无功功率当前值大于PCC无功功率期望值时，AVC装置控制风机吸收无功功率。当风机端口的电流的相位滞后于电压的相位时，风机吸收无功功率。

另外，当各个风机发出或吸收的无功功率不足以改变PCC无功功率当前值以稳定PCC电压时，AVC系统控制设置在风电场中的集中无功补偿装置(例如SVC)发出或吸收无功功率，使得PCC无功功率当前值接近于PCC无功功率期望值，进而使得PCC电压当前值接近于PCC电压期望值，使得PCC的电压稳定，从而保证并网的稳定性。

类似地，当PCC无功功率当前值小于PCC无功功率期望值时，AVC装置控制风机发出无功功率。当PCC无功功率当前值大于PCC无功功率期望值时，AVC装置控制风机吸收无功功率。

如上所述，通过根据本发明的风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法，能够快速识别PCC系统阻抗突变，实时修正PCC系统阻抗，在风电场运行方式改变后，可更新准确的PCC系统阻抗，可计算出高精度的无功功率控制量，达到更好的PCC电压稳定效果。此外，风电场的AVC装置能够充分释放风机额外发出无功功率的能力，减小SVC的建设投资、运行损耗，达到风机发出或吸收无功功率和SVC发出或吸收无功功率的配合效果，并且更加动态而精准地实现风电场PCC的电压稳定控制，从而保证并网的稳定性。

虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种风电场并网点系统阻抗自动辨识及修正方法，并网点设置在风电场送出线路上，所述方法包括：

检测并网点电压当前值；

将并网点电压当前值与并网点电压期望值进行比较，确定并网点电压当前值是否偏离并网点电压期望值超过第一预定阈值；

如果并网点电压当前值偏离并网点电压期望值超过第一预定阈值，则根据在并网点测量的电压和电流计算并网点系统阻抗当前值；

将并网点系统阻抗当前值与并网点系统阻抗先前值进行比较，确定并网点系统阻抗当前值是否偏离并网点系统阻抗先前值超过第二预定阈值；

如果并网点系统阻抗当前值偏离并网点系统阻抗先前值超过第二预定阈值，则用并网点系统阻抗当前值更新并网点系统阻抗先前值，以对并网点系统阻抗进行修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一预定阈值是1％至3％。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在预定时间段期间多次计算并网点系统阻抗值，并且取所述多次计算并网点系统阻抗值的平均值作为并网点系统阻抗当前值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第二预定阈值是30％至50％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，所述方法还包括：

使用并网点电压期望值、并网点电压当前值、并网点无功功率当前值以及并网点系统阻抗当前值来计算并网点无功功率期望值；

设置在风电场中的电压自动控制装置根据计算的并网点无功功率期望值，控制风电场中的风机的端口的电流和电压之间存在相位差，使得风机发出无功功率或吸收无功功率，从而使得并网点无功功率当前值接近于并网点无功功率期望值，进而使得并网点电压当前值接近于并网点电压期望值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，当并网点无功功率当前值小于并网点无功功率期望值时，电压自动控制装置控制风机发出无功功率。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，当风机端口的电流的相位领先于电压的相位时，风机发出无功功率。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，当并网点无功功率当前值大于并网点无功功率期望值时，电压自动控制装置控制风机吸收无功功率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，当风机端口的电流的相位滞后于电压的相位时，风机吸收无功功率。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，当风机发出或吸收的无功功率不足以改变并网点无功功率当前值以稳定并网点电压时，电压自动控制装置控制设置在风电场中的静止无功功率补偿装置发出或吸收无功功率，使得并网点无功功率当前值接近于并网点无功功率期望值，进而使得并网点电压当前值接近于并网点电压期望值。

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