CN103904659A - 基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法 - Google Patents

基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法，包含以下顺序的步骤：根据设定的风电场低电压穿越要求，制定n种故障组合情况；在电网内部设置三相短路故障，依次使并网点运行在步骤S1制定的n种故障组合情况下，分别获取故障后使风电场恢复正常运行的最小动态无功补偿容量Qi；选取Qi的最大值作为风电场动态无功补偿配置容量。本发明的方法，适用于现有并网风电场规划，有利于提高含风电场的区域电网的暂态电压稳定性和风电场的低电压穿越能力。

Description

基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法
技术领域
本发明涉及风电场动态无功补偿配置规划技术，特别涉及基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法。
背景技术
近些年来，风能作为一种洁净、储量极为丰富的可再生绿色能源，越来越受到重视。由于风能存在随机性和波动性，风电并网运行面临着诸多问题，如何对含风电的区域电网进行无功/电压调控是其中一个重要的问题。
目前变电站常用的无功补偿装置主要是并联电容器和并联电抗器，其补偿容量的调节是离散的，调节速度缓慢，只能提供分钟级别的无功支撑，当风电场波动迅速时，很容易发生欠补偿和过补偿。而且，并联电容器发出的无功功率与安装点的电压平方成正比，当系统发生故障导致电压下降时，并联电容器无功输出容量的减少将引起电压持续降低，不利于风电机组的低电压穿越。
我国2011年发布的GB_T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》中关于风电机组/风电场低电压穿越的定义为：当电力系统事故或扰动引起并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风电机组/风电场能够保证不脱网连续运行。
而如果采用动态无功补偿装置，考虑到动态无功补偿装置价格较高，如何确定其合理的配置容量，提高电网稳定性和风机的低电压穿越能力，保证电网运行的安全性和经济性，是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法，包含以下顺序的步骤：
S1.根据设定的风电场低电压穿越要求，制定n种故障组合情况；
S2.在电网内部设置三相短路故障，依次使并网点运行在步骤S1制定的n种故障组合情况下，分别获取故障后使风电场恢复正常运行的最小动态无功补偿容量Qi；
S3.选取Qi的最大值作为风电场动态无功补偿配置容量。
所述的步骤S1，具体如下：
根据GB/T-200《风电场接入电力系统技术规定》的风电场低电压穿越要求，制定n种故障组合情况，其中故障组合情况是指故障持续时间T和故障并网点电压U的组合，两者满足如下关系式：
U=0.509T-0.1180.625≤T≤2
式中T的单位为s；U的单位为p.u.；
所述的制定n种故障组合情况步骤具体如下：
A、定义ΔT表示故障持续时间的增量并初始化，0＜ΔT≤1.375s，则n=[1.375/ΔT]+1；
B、定义i表示故障组合情况的编号，令i＝1，故障持续时间T1＝0.625s；
C、根据式（1）计算故障并网点电压Ui，令i＝i＋1，Ti＝T1＋（i－1）×ΔT；
D、判断i是否大于n，是则执行步骤E，否则返回步骤C；
E、列出n种故障组合情况的故障持续时间Ti和故障并网点电压Ui。
所述的步骤S2，具体包含以下步骤：
A、定义ΔQ表示动态无功补偿装置配置容量的精度并初始化；
B、电网内部设置第i（i＝1～n）种故障组合情况下的三相短路故障，让动态无功补偿装置配置容量从零开始，依次增加ΔQ，直到使故障后风电场恢复正常运行，该容量即为第i种故障组合情况下的最小动态无功补偿容量Qi。
所述的动态无功补偿装置，为静止无功补偿器或静止同步补偿器。
所述的风电场恢复正常运行，是指故障后并网点电压、风机转速、风电场有功出力和风电场无功吸收参数恢复正常运行状态。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）本发明给出了具体的、量化的动态无功补偿装置容量配置方法，在保证电网稳定的前提下，合理地控制了动态无功补偿装置的数量，节约了成本，为风电场相关规划内容提供方便、有效的、可操作性强的参考依据。
（2）采用SVC（Static var compensator，静止无功补偿器）和STATCOM（Staticsynchronous compensator，静止同步补偿器），具有以下优点：响应速度快，可连续平滑调节，无需安装滤波器，不存在谐振问题。另外，动态无功补偿装置在低电压下的输出特性好，控制特性稳定，能抑制电压波动，有利于提高电网的暂态电压稳定性，也有利于风机的低电压穿越。
（3）本发明考虑了风电场的低电压穿越要求，有利于提高电网的安全稳定运行。
（4）本发明增强了含风电场的电网的无功/电压调控能力，调节速度快，且不容易发生欠补偿或过补偿。
附图说明
图1为本发明所述的基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法的流程图；
图2为图1所述方法的计算实施例网架结构图；
图3为图1所述方法的计算实施例风速、桨距角控制和风力机仿真模型；
图4为图1所述方法的计算实施例25台并联的定速异步发电机仿真模型；
图5为图1所述方法的计算实施例风电场接入的110kV电网仿真模型；
图6为图1所述方法的计算实施例SVC控制系统仿真模型；
图7为图1所述方法的计算实施例一种故障组合情况下的风电场动态响应图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
风电场由25台单台额定功率为2MW的定速异步风电机组并联组成，风机机端出口电压为0.69kV，经过0.69/35kV变压器连到风电场内部电网，再接入35/110kV的升压站，并通过5公里的输电线路接入当地110kV电网，动态无功补偿装置接在35/110kV升压站低压侧母线。动态无功补偿装置可以为SVC或STATCOM，本实施例以SVC为例，该实施例的网架结构如图2所示。
结合图1规划流程，基于低电压穿越的风电场动态无功补偿容量配置方法包括以下步骤：
（1）采集风电场参数和风电场接入的110kV电网运行参数：本实施例中，风机台数为25台，风机单台额定功率为2MW，风机的额定风速为12.5m/s，风机机端电压为0.69kV，风电场内部电网变压器变比为0.69/35kV，风电场升压站变压器变比为35/110kV；风电场接入的110kV电网的拓扑结构如图2所示，220kV变电站的110kV母线的短路电抗为9.93Ω，各110kV线路参数如表1所示，各110kV变电站的最大负荷如表2所示；
表1110kV线路参数
线路代号 线路电阻（Ω） 线路电抗（Ω）
BW 0.5198 1.9992
AB 2.294 8.577
SA 1.5667 5.9684
SC 1.6885 6.4324
SD 9.404 31.3476
SE 2.2938 7.3984
EF 1.7476 6.5684
SG 1.857 7.074
SH 1.8477 7.0388
表2110kV变电站最大负荷
变电站代号 A B C D E F G H
最大负荷（MVA） 12+j2 9+j2 21+j4 8+j2 24+j3 8+j2 15+j2 21+j5
（2）在PSCAD/EMTDC软件中，完全按照图3～图6所示，分别搭建风电场动态仿真模型、风电场接入的110kV电网仿真模型和动态无功补偿（以SVC为例）控制仿真模型，其中
图3为风速、桨距角控制和风力机仿真模型：Wind Source Mean模块表示风速仿真模型，其输出为额定风速VW（m/s）；Wind Turbine Governor MOD2Type模块表示由风机机械功率P调节的桨距角控制仿真模型，其输出为桨距角Beta（rad）；Wind Turbine MOD2Type模块表示风力机仿真模型，有三个输入端，分别为风速VW、风机机械转速W和桨距角Beta，有两个输出端，分别为风力机机械转矩Tm和机械功率P；
图4为25台并联的定速异步发电机仿真模型，每一台异步发电机与风力机模型之间是利用控制信号传递能量信息的；
图5为风电场接入的110kV电网仿真模型，其网络拓扑参照图2网架结构，110kV线路参数和变电站最大负荷如表1和表2所示；
图6为SVC控制系统仿真模型，通过PI控制器来改变SVC的等效电纳值，进而对并网点电压进行恒压调节；
（3）根据GB/T-200《风电场接入电力系统技术规定》的风电场低电压穿越要求，制定n种故障组合情况，其中故障组合情况是指故障持续时间T和故障并网点电压U的组合，两者满足如下关系式：
U=0.509T-0.1180.625≤T≤2
式中T的单位为s；U的单位为p.u.；
所述的制定n种故障组合情况步骤具体如下：
A、定义ΔT表示故障持续时间的增量并初始化，0＜ΔT≤1.375s，则n=[1.375/ΔT]+1；
B、定义i表示故障组合情况的编号，令i＝1，故障持续时间T1＝0.625s；
C、根据式（1）计算故障并网点电压Ui，令i＝i＋1，Ti＝T1＋（i－1）×ΔT；
D、判断i是否大于n，是则执行步骤E，否则返回步骤C；
E、列出n种故障组合情况的故障持续时间Ti和故障并网点电压Ui。
选取故障持续时间的增量ΔT取0.2s，制定出7种故障组合情况，结果如表3所示：
表37种不同故障组合情况
故障组合情况编号i 1 2 3 4 5 6 7
故障持续时间Ti/s 0.625 0.825 1.025 1.225 1.425 1.625 1.825
故障并网点电压Ui/p.u. 0.2 0.3 0.4 0.51 0.61 0.71 0.81
（4）定义ΔQ表示动态无功补偿装置配置容量的精度并初始化为1Mvar，在110kV电网内部分别设置这7种三相短路故障，让动态无功补偿装置配置容量从零开始，依次增加1Mvar，直到使故障后风电场恢复正常运行，结果显示，最小的SVC补偿容量为112Mvar，第1种故障组合情况的风电场动态响应如图7所示；
图7中，（a）、（b）、（c）和（d）图分别表示在第1种故障组合情况下，并网点电压、风机转速、风电场有功出力、风电场无功吸收这四个参数随时间变化的规律，其中实线代表投入配置容量为112Mvar的SVC的情况，虚线表示不投入SVC的情况；图7的（e）图表示此时SVC发出无功功率随时间变化的规律：由此可看出，配置112Mvar的SVC可使第1种故障组合情况下的风电场在故障后恢复正常运行状态；；
7种不同故障组合情况的最小SVC补偿容量如表4所示；
表47种不同故障组合情况的最小SVC补偿容量
故障组合情况编号i 1 2 3 4 5 6 7
故障持续时间Ti/s 0.625 0.825 1.025 1.225 1.425 1.625 1.825
故障并网点电压Ui/p.u. 0.2 0.3 0.4 0.51 0.61 0.71 0.81
最小SVC补偿容量Qi/Mvar 112 120 112 86 35 11 0
（5）选取Qi的最大容量，即120Mvar，作为风电场SVC配置容量。
可见，采用本发明所提出的基于低电压穿越的风电场动态无功补偿容量配置方法，能有效地指导风电场的规划，有助于提高风电场的低电压穿越能力和含风电场的区域电网的暂态电压稳定性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
S1.根据设定的风电场低电压穿越要求，制定n种故障组合情况；
S2.在电网内部设置三相短路故障，依次使并网点运行在步骤S1制定的n种故障组合情况下，分别获取故障后使风电场恢复正常运行的最小动态无功补偿容量Qi；
S3.选取Qi的最大值作为风电场动态无功补偿配置容量。
2.根据权利要求1所述的基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法，其特征在于，所述的步骤S1，具体如下：
根据GB/T-200《风电场接入电力系统技术规定》的风电场低电压穿越要求，制定n种故障组合情况，其中故障组合情况是指故障持续时间T和故障并网点电压U的组合，两者满足如下关系式：
U=0.509T-0.1180.625≤T≤2
式中T的单位为s；U的单位为p.u.；
所述的制定n种故障组合情况步骤具体如下：
A、定义ΔT表示故障持续时间的增量并初始化，0＜ΔT≤1.375s，则n=[1.375/ΔT]+1；
B、定义i表示故障组合情况的编号，令i＝1，故障持续时间T1＝0.625s；
C、根据式（1）计算故障并网点电压Ui，令i＝i＋1，Ti＝T1＋（i－1）×ΔT；
D、判断i是否大于n，是则执行步骤E，否则返回步骤C；
E、列出n种故障组合情况的故障持续时间Ti和故障并网点电压Ui。
3.根据权利要求1或2所述的基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法，其特征在于，所述的步骤S2，具体包含以下步骤：
A、定义ΔQ表示动态无功补偿装置配置容量的精度并初始化；
B、电网内部设置第i（i＝1～n）种故障组合情况下的三相短路故障，让动态无功补偿装置配置容量从零开始，依次增加ΔQ，直到使故障后风电场恢复正常运行，该容量即为第i种故障组合情况下的最小动态无功补偿容量Qi。
4.根据权利要求1所述的基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法，其特征在于，所述的动态无功补偿装置，为静止无功补偿器或静止同步补偿器。
5.根据权利要求1所述的基于低电压穿越的风电场动态无功补偿装置容量配置方法，其特征在于，所述的风电场恢复正常运行，是指故障后并网点电压、风机转速、风电场有功出力和风电场无功吸收参数恢复正常运行状态。
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