CN103001236A - 一种基于风电场aqc的风电机组无功调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种基于风电场AQC的风电机组无功调节方法及系统，该方法包括：下发无功设定指令；采集风电场并网点信息，并计算风电场并网点无功功率波动和需求；采集集中式无功补偿设备的投切状态、故障状态和投入容量数据；将上述数据实时下发给风场内所有的风电机组；风电机组的主控以整个风电场或单位主变升压侧的无功作为参考，实现单机无功闭环控制。该系统包括电网电力系统、升压站监控系统、风机监控系统以及风电场并网点无功功率测量装置。本发明可实现风电场内部无功调配以及给予电网无功支撑能力，最大限度的降低风电场集中式无功补偿设备的投入容量和减小设备的运行损耗，节约采购投入成本。

Description

一种基于风电场AQC的风电机组无功调节方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种基于风电场AQC的风电机组无功调节方法及系统。

背景技术

目前的风电场，大多处于比较偏远的地区，距离主干电网较远，需要通过长距离的输电线与电网相连。风电场的这种弱电网连接使风电场的电压控制、无功功率管理、动态功角稳定和电网扰动后风力发电机的行为等得到了广泛的关注。为保证电网安全稳定运行，对并网型风力发电机组运行的要求越来越高，目前电网运营商都要求在电网正常运行条件下风电场自身能够调节电网接入点的无功功率及电压，进行无功功率补偿，以保证电网接入点的电压稳定，防止由于风速变化带来的接入点电压波动。

双馈风力发电机是目前采用最广泛的机组类，双馈机型优点在于能够以较低的变换器成本实现机组的变速恒频运行，另外还可以实现有功无功的独立灵活控制，因此双馈风电机组在电力系统中既可以作为有功电源，也可以作为无功电源。电网电压受电网中所传输的无功功率的影响，通过控制电网中的无功功率可以对电网电压进行调整。双馈风电机组作为重要的无功源，在稳定电网电压方面应该发挥应有的作用，研究双馈风电机组的无功控制策略显得非常必要。为提高并网能力，电网要求风电场配置无功补偿装置，目前最为有效的无功补偿装置是SVG，以装机49.5MW（约合33台1.5MW）的风电场需要补偿20%无功计算，整个风场需要投入200万元左右的SVG设备。随着风场容量的增长，SVG设备投入费用也在成比例增加。我国每年预计装机12000MW，同样按补偿20%无功计算，SVG设备投入费用为4.8亿元。SVG投资大，而利用风电机组本身的无功输出能力可以降低风电场运行成本！

目前，风电场无功功率控制系统是在风电场监控系统下增设的AQC系统，风电场AQC系统的构建，需增加硬件成本，且周期较长。现有模式下，风电场内参与无功调节的风电机组均是被动的执行者，风电场AQC系统经过控制器计算出机组机群需输出的无功功率，风电机组被动的执行该无功分配值，这其中包括风场内的其他无功补偿设备。由于AQC的核心算法是在中控上位机服务器上实现，上位机服务器控制的实时性较差，闭环调节滞后严重。

由此可见，现有技术中无功功率的调节系统存在着明显的不足和缺陷，因此，如何创设一种能够降低风电场运行成本、可实现实时闭环调节的基于风电场AQC的风电机组无功调节方法及系统，实属当前重要的研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于风电场AQC的风电机组无功调节方法及系统，使其节约上位机硬件成本、实现实时性闭环调节，风电场无功补偿设备与机组运行之间的协调控制，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于风电场AQC的风电机组无功调节方法，包括以下步骤：

A、下发无功设定指令；

B、采集风电场并网点信息，并计算风电场并网点无功功率波动和需求；

C、采集集中式无功补偿设备的投切状态、故障状态和投入容量数据；

D、接受步骤A的无功设定指令，并同步骤B得到的风电场并网点无功功率波动和需求、步骤C采集的集中式无功补偿设备的投切状态、故障状态和投入容量数据，实时下发给风场内所有的风电机组；

E、风电机组的主控以整个风电场或单位主变升压侧的无功作为参考，实现单机无功闭环控制。

作为本发明的进一步改进，所述步骤B中无功功率的计算公式为：

$Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^T[U_a{I}_a(t-\frac{T}{4})+U_b{I}_b(t-\frac{T}{4})+U_c{I}_c(t-\frac{T}{4})]\mathrm{dt},$

其中，U_a、I_a、U_b、I_b、U_c、I_c分别是采集到的风电场并网点三相电路中各相电路的电压、电流有效值，T为采样周期。

所述采样周期满足：1ms≤T＜1s。

所述步骤B中的风电场并网点信息采集于PCC点PT传感器和CT传感器的有效数据。

此外，本发明还提供一种基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，包括电网电力系统、升压站监控系统、风机监控系统以及风电场并网点无功功率测量装置，其中：电网电力系统、升压站监控系统、风电场并网点无功功率测量装置和风机监控系统之间通讯连接。

作为本发明的进一步改进，所述的升压站监控系统通讯连接有集中式无功补偿设备SVC或SVG。

所述的电网电力系统、升压站监控系统和风机监控系统之间采用国际通用的以太网通讯协议，升压站监控系统和集中式无功补偿设备之间采用RS232/RS485通讯协议。

所述的风机监控系统还连接有电容组和/或电抗器。

所述风电场并网点无功功率测量装置通过RS232串口通讯线路连接风机监控系统的服务器主机；所述风电场并网点无功功率测量装置通过Modbus串口数据报文解包之后，读取风电场并网点无功功率信息。

所述的风电场并网点无功功率测量装置采用高精度电能质量模块采集信号。

采用以上设计后，与现有技术相比有以下有益效果：

1、本发明依托现有风电场框架，风场AQC软件算法和硬件平台均在下位机实现，无需风电场建设方购置AQC软件控制系统，节约了风电场AQC系统二次开发时间和软件系统购置成本；

2、本发明中优先使用双馈风电机的无功调节能力，在补偿容量不足时投入集中式无功补偿设备，实现了风电场无功补偿设备与机组运行之间的协调控制，实现风电场内部无功调配以及给予电网无功支撑能力，最大限度的降低风电场集中式无功补偿设备的投入容量和减小设备的运行损耗；

3、本发明基于风场内单台风电机组无功功率控制系统充分发挥自身闭环调节能力，最大程度的节约上位机的硬件成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明基于风电场AQC的风电机组无功调节系统组成示意图。

图2是采用周期为1s时风电场并网点的无功功率测量波动示意图。

图3是采用周期为1ms时风电场并网点的无功功率测量波动示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，主要是在风电场原有监控系统——电网电力系统、升压站监控系统、风机监控系统结构以及通讯环网络（例如现有风电场的光纤环网）的基础上，增加了风电场并网点无功功率测量装置和集中式无功补偿设备，以整个风电场或单位主变升压侧无功作为无功调节的参考值。其中，在风电机组无功调节完善的情况下，还可去除集中式无功补偿设备，单独增设风电场并网点无功功率测量装置，同样可达到本发明的技术效果。

电网电力系统、升压站监控系统和风机监控系统之间采用国际通用的以太网通讯协议，升压站监控系统和集中式无功补偿设备间采用RS232/RS485通讯协议。

风电场并网点无功功率测量装置的功能是实现对风电无功功率的实时采集，将从PCC点PT传感器和CT传感器获取的信号，通过Modbus TCP协议经串口发布到SCADA服务器，采集数据经风电场风机监控系统（SCADA）发布到风场内各台机组。风电场无功功率测量装置通讯协议为RS485或TCP/IP通讯模式，信息的读取是通过Modbus串口数据报文解包之后得到。

具体来说，风电场并网点无功功率测量装置，可选用的装置型号为JaNitZa UMG 604，该型号的装置具有以下特性：

精度0.5S级（…/5A；…/1A）；

采样速度每周波400次，20kHz/通道；

通讯方式：以太网、Modbus、RS485、Profibus；

根据EN50160和IEC 61000-4-2在线自动生成电能质量报告；

谐波监测1～40次；

监测短时中断、电压暂降、骤升、瞬态事件、总谐波畸变率、不平衡度、有功、无功、视在功率、电能（容性&感性）、谐波功率等；

运行状态监测，事件记录仪，支持高速Modbus通讯协议。

本发明的风电场并网点无功功率测量装置，采用高精度电能质量模块对风场并网点相关信息数据读取，但无功调节的监控数据不限于此，例如还可包括：电能质量谐波分析，电压闪变记录等。工作时，风电场并网点无功功率测量装置中的电能质量模块在ms级采样周期内采集PCC点PT传感器和CT传感器的有效数据，并通过模块内部计算获取风电场并网点无功功率波动和需求，这也是调节过程中反馈的调节目标，调节目标数据经过RS232串口通讯线路送至风机监控系统的后台服务器主机，并通过SCADA服务器的visual studio显示控件完成并网点调节目标、控制曲线等的显示。

本发明基于风电场AQC的风电机组无功调节方法，具体步骤为：风机监控系统接收电网电力系统调度下发的无功设定指令；风电场并网点无功功率测量装置采集风电场并网点信息，并计算风电场并网点无功功率波动和需求；由升压站监控系统采集集中式无功补偿设备的投切状态、故障状态和投入容量数据；风机监控系统将接收到的无功设定指令（测量值或调度指令），以及无功功率实时测量数据（即风电场并网点无功功率波动和需求）、集中式无功补偿设备的投切状态、故障状态和投入容量等，实时下发给风场内所有的风电机组；风电机组的主控，以整个风电场或单位主变升压侧无功为参考，实现单机无功闭环控制，控制算法采用业内熟知的比例积分（PI control）算法。

传统计算无功功率的方法如下：

首先计算瞬时无功功率，

对瞬时功率q在一周内积分，再除以T，即得

式中，q为瞬时无功功率，

U、I是电压、电流有效值，

Q为无功功率，

T为采样周期。

再利用三相无功功率的计算的近似式，得到三相线路的无功功率，即

式中：

为U_ab和I_c之间夹角，

为U_bc和I_c之间夹角。

上述算法特别强调三相电路必须是一个平衡电路，否则计算结果会带来一定的误差。而无功功率测量误差在一定时间周期内，会出现累积，在风电场无功电压控制要求快速响应的条件下，最终影响控制电压效果。

本发明的无功功率计算方法，采用PT和CT采集三相线路的电压和电流，对同一相的电流，取同一相的电压，电流要比电压提前1/4周期取样，计算公式为：

$Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^T[U_a{I}_a(t-\frac{T}{4})+U_b{I}_b(t-\frac{T}{4})+U_c{I}_c(t-\frac{T}{4})]\mathrm{dt}---\left(\text{4}\right)$

其中，U_a、I_a、U_b、I_b、U_c、I_c分别是采集到的风电场并网点三相电路中各相电路的电压、电流有效值，T为采样周期。

在PT和CT测量环节，本专利中采用的是电子测量法——时域数字移相法，同步采样完成之后，对得到的两种信号的离散序列，然后将电流离散序列提前（或滞后）平移T/4周期（对应90°相移），再与电压信号做积分运算。

本发明的风电场并网点电流和电压信号采样周期可在1ms——1s范围内。请参阅图2所示，在测量初期，将测量设备的采样周期设置为1s时，得到的风电场并网点无功功率---主变高压Q（蓝色曲线）曲线计算值输出不稳定，有较大测量误差波动，直接影响调节控制过程。

请配合参阅图3所示，在后期，将测量设备电流和电压信号采样时间提高到1ms，根据得到的风电场并网点无功功率---主变高压Q（蓝色曲线）曲线，风电机组无功经过迅速调节完成主变高压侧无功功率，到达调节目标0Kvar（控制死区为±200Kvar），整个过程并网点无功功率---主变高压Q（蓝色曲线）输出平滑，大幅波动情况消失。

可见，本发明通过提高对PCC点PT传感器和CT传感器模拟信号的采样频率，可有效提高电压和电流信号的精度，避免采集环节的误差。

在风电机组投入前集中式无功补偿设备不投入，风电机组无功调节平稳之后，集中式无功补偿设备再投入，从而可最大限度的降低风电场集中式无功补偿设备的投入容量，并减小设备的运行损耗。

本发明提供了一种基于单机无功功率的控制模式，风电机组基于整个风电场或单位主变升压侧无功作为参考，实现单机无功闭环控制。风场内各单台风电机组均是风场AQC系统的核心，通过化整为零控制策略实现风电场恒功率因数，相当于风电机组具备了风电场AQC功能。风电机组自身构成闭环控制，主控参与整个风电场或单位主变升压侧无功调节，风机主控程序内含有闭环调节控制器和软件算法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于风电场AQC的风电机组无功调节方法，其特征在于包括以下步骤：

A、下发无功设定指令；

B、采集风电场并网点信息，并计算风电场并网点无功功率波动和需求；

C、采集集中式无功补偿设备的投切状态、故障状态和投入容量数据；

D、接受步骤A的无功设定指令，并同步骤B得到的风电场并网点无功功率波动和需求、步骤C采集的集中式无功补偿设备的投切状态、故障状态和投入容量数据，实时下发给风场内所有的风电机组；

E、风电机组的主控以整个风电场或单位主变升压侧的无功作为参考，实现单机无功闭环控制。

2.根据权利要求1所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节方法，其特征在于所述步骤B中无功功率的计算公式为：

$Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^T[U_a{I}_a(t-\frac{T}{4})+U_b{I}_b(t-\frac{T}{4})+U_c{I}_c(t-\frac{T}{4})]\mathrm{dt},$

其中，U_a、I_a、U_b、I_b、U_c、I_c分别是采集到的风电场并网点三相电路中各相电路的电压、电流有效值，T为采样周期。

3.根据权利要求2所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节方法，其特征在于所述采样周期满足：1ms≤T＜1s。

4.根据权利要求1所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节方法，其特征在于所述步骤B中的风电场并网点信息采集于PCC点PT传感器和CT传感器的有效数据。

5.一种基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，其特征在于包括电网电力系统、升压站监控系统、风机监控系统以及风电场并网点无功功率测量装置，其中：

电网电力系统、升压站监控系统、风电场并网点无功功率测量装置和风机监控系统之间通讯连接。

6.根据权利要求5所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，其特征在于所述的升压站监控系统通讯连接有集中式无功补偿设备SVC或SVG。

7.根据权利要求6所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，其特征在于所述的电网电力系统、升压站监控系统和风机监控系统之间采用国际通用的以太网通讯协议，升压站监控系统和集中式无功补偿设备之间采用RS232/RS485通讯协议。

8.根据权利要求5所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，其特征在于所述的风机监控系统还连接有电容组和/或电抗器。

9.根据权利要求5所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，其特征在于：

所述风电场并网点无功功率测量装置通过RS232串口通讯线路连接风机监控系统的服务器主机；

所述风电场并网点无功功率测量装置通过Modbus串口数据报文解包之后，读取风电场并网点无功功率信息。

10.根据权利要求3所述的基于风电场AQC的风电机组无功调节系统，其特征在于所述的风电场并网点无功功率测量装置采用高精度电能质量模块采集信号。

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