CN104362640A - 风电场场内无功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场场内无功功率控制方法，包括以下步骤：对风电场无功源的无功输出进行能力评估；根据上述的无功输出进行能力评估结果，判断风电场是否为紧急运行状况；当判断为非紧急运行状况时，优先考虑双馈风电机组的无功输出；当判断为紧急运行状况时，优先考虑无功补偿装置的无功功率调节；根据上述的判断对双馈感应风电机组间的无功功率进行分配。实现风电场场内无功电压控制，达到保障规模化风电接入时电力系统安全稳定运行，保障电网安全、提高新能源上网电量的目的。

Description

风电场场内无功功率控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电过程中无功电压控制技术领域，具体地，涉及一种风电场场内无功功率控制方法。

背景技术

我国风电进入规模化发展阶段以后所产生的大型新能源基地多数位于“三北地区”(西北、东北、华北)，大型新能源基地一般远离负荷中心，其电力需要经过长距离、高电压输送到负荷中心进行消纳。以甘肃电网为例，截至2014年4月，甘肃电网并网风电装机容量已达707万千瓦，约占甘肃电网总装机(3500万千瓦)容量的20.2％，成为仅次于火电的第二大主力电源；光伏发电装机容量已达到435万千瓦，约占甘肃电网总装机容量的12.4％，同时甘肃成为我国光伏装机规模最大的省份。目前，甘肃电网风电、光伏发电装机约占甘肃电网总装机容量的1/3。

大规模风电并入电网对电力系统的规划、调度、运行和分析控制等都带来了很大的影响，风电场在电网适应性上的缺陷也逐渐凸显，一定程度上制约着风电的发展。2011年甘肃酒泉风电基地和张家口地区2.24、4.17和4.25连续发生三次大规模风电机组脱网事故，为了保证风电并网系统的安全稳定，并网风电场的无功电压控制问题已成为并网风电场亟待解决的关键问题。

由于风、光资源的间歇性、随机性和波动性，风电出力的波动性会导致大型风电场电压出现相应波动。当风电场发生电压较大扰动时，若没有足够的动态无功支撑，将引起风电场电压跌落。目前，风机本身的低电压耐受能力十分有限，此时风电机组出于自身的保护，往往采取自动切除的方式，造成系统有功失衡，影响系统稳定；同时，异步发电机，不具备维持和调节机端电压水平的能力，在运行时还要从系统吸收无功功率，因此电压稳定性问题比较突出。由于交流联网系统的整个电网的电压和频率之间相互影响、酒泉地区风电出力大幅度变化必然引起整个系统的电压、频率波动，导致事故进一步扩大。当风电规模化集中接入时，要控制系统电压和频率，应首先从控制每个风电场自身的电压和频率入手。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种风电场场内无功功率控制方法，以实现保障规模化风电接入时电力系统安全稳定运行，保障电网安全、提高新能源上网电量的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种风电场场内无功功率控制方法，包括以下步骤：

步骤一、对风电场无功源的无功输出进行能力评估；

步骤二、根据上述的无功输出进行能力评估结果，判断风电场是否为紧急运行状况；

步骤三、当判断为非紧急运行状况时，优先考虑双馈风电机组的无功输出；

步骤四、当判断为紧急运行状况时，优先考虑无功补偿装置的无功功率调节；

步骤五、根据上述的判断对双馈感应风电机组间的无功功率进行分配。

优选的，所述步骤一具体为：设风电场的双馈感应风电机组网侧变流器的容量为S_c，网侧变流器的输出的有功功率为P_c，网侧变流器无功功率的极限范围是：

$-\sqrt{S_c^2-P_c^2}\≤Q_c\≤\sqrt{S_c^2-P_c^2}---\left(1\right)$

计及网侧变流器的双馈感应风电机组总无功功率范围为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\min }\≤Q\≤Q_{\max }\\ Q_{\min }=-\frac{3U_s^2}{2{\mathrm{\ω}}_0{L}_s}-\sqrt{{\left(\frac{3L_m}{2L_s}{U}_s{I}_{\mathrm{rc}\max }\right)}^2-P_s^2}-\sqrt{S_c^2-P_c^2}\\ Q_{\max }=-\frac{3U_s^2}{2{\mathrm{\ω}}_0{L}_s}+\sqrt{{\left(\frac{3L_m}{2L_s}{U}_s{I}_{\mathrm{rc}\max }\right)}^2-P_s^2}+\sqrt{S_c^2-P_c^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，U_s为定子端电压，L_m为励磁电感，L_s为定子电感，ω₀为定子电流角频率，I_rcmax为转子侧变流器的电流最大值；

实时测量双馈感应风电机组的有功功率，根据式(2)计算各个双馈感应风电机组的无功功率极限[Q_imin,Q_imax]，得到风电场内所有双馈感应风电机组的总无功功率极限SVC输出的无功功率调节范围STATCOM输出的无功功率调节范围 $[Q_{\min }^{\mathrm{STATCOM}},Q_{\max }^{\mathrm{STATCOM}}].$

优选的，所述步骤三具体为：

设Q_REF为电网总的无功需求，则当时，仅由风电机组提供无功功率；当时，由风电机组和无功补偿装置联合提供无功功率，其中风电机组提供其无功功率的极限其余无功由无功补偿装置提供；根据风电场无功补偿装置配置的原则，其无功源应能满足该运行状况下的无功需求，即应满足 $Q_{\mathrm{REF}}<Q_{\mathrm{total}\max }^{\mathrm{DFIG}}+Q_{\max }^{\mathrm{VC}}.$

优选的，所述步骤四具体为：

由于Crowbar将转子绕组短接，双馈感应风电机组转子侧变流器不具备有功无功功率解耦控制功能，不计双馈感应风电机组的定子侧输出的无功功率[Q_ismin,Q_ismax]，只考虑其网侧变流器输出无功的能力[Q_icmin,Q_icmax]；设Q_REF为电网总无功需求，当时，仅由无功补偿装置提供无功功率；当时，由双馈感应风电机组的网侧变流器和无功补偿装置联合提供无功功率，其中，无功补偿装置提供其无功功率的极限并留取一定裕度，其余无功由双馈感应风电机组的网侧变流器提供；当要求风电场的无功源全部投入，提供其最大输出无功功率极限。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过对对风电场无功源的无功输出进行能力评估，并根据评估结构制定具体的调控策略，实现风电场场内无功电压控制，达到保障规模化风电接入时电力系统安全稳定运行，保障电网安全、提高新能源上网电量的目的。

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

图1为本发明实施例所述的风电场场内无功功率控制方法流程图。

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。

风电场内无功功率控制和分配应满足如下要求：

(1)在非紧急运行状况下，风电机组的Crowbar保护未动作时，应优先考虑风电机组的无功输出能力，当风电机组的无功输出不能满足系统要求时，再采用SVC或STATCOM提供无功功率。

(2)在紧急运行状况下，风电机组Crowbar动作，处于低电压穿越过程，此时，风电机组只有网侧变流器可提供无功功率，为了保证电压的尽快恢复，应优先考虑SVC或者STATCOM的无功电压输出能力。

如图1所示，

步骤一、风电场无功源的无功输出能力评估：

设双馈感应风电机组网侧变流器的容量为S_c，网侧变流器的输出的有功功率为P_c，网侧变流器无功功率的极限范围是：

$-\sqrt{S_c^2-P_c^2}\&le;Q_c\&le;\sqrt{S_c^2-P_c^2}---\left(1\right)$

计及网侧变流器的双馈感应风电机组总无功功率范围为

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\min }\&le;Q\&le;Q_{\max }\\ Q_{\min }=-\frac{3U_s^2}{2{\mathrm{\&omega;}}_0{L}_s}-\sqrt{{\left(\frac{3L_m}{2L_s}{U}_s{I}_{\mathrm{rc}\max }\right)}^2-P_s^2}-\sqrt{S_c^2-P_c^2}\\ Q_{\max }=-\frac{3U_s^2}{2{\mathrm{\&omega;}}_0{L}_s}+\sqrt{{\left(\frac{3L_m}{2L_s}{U}_s{I}_{\mathrm{rc}\max }\right)}^2-P_s^2}+\sqrt{S_c^2-P_c^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，U_s为定子端电压，L_m为励磁电感，L_s为定子电感，ω₀为定子电流角频率，I_rcmax为转子侧变流器的电流最大值。

实时测量双馈感应风电机组的有功功率，根据式(2)计算各个双馈感应风电机组的无功功率极限(Q_imin,Q_imax)，得到风电场内所有双馈感应风电机组的总无功功率极限SVC输出的无功功率调节范围STATCOM输出的无功功率调节范围通常情况下，考虑到SVC和STATCOM的相互影响，单一风电场升压变低压侧不会同时配备SVC和STATCOM。这样统一表示为无功补偿装置的无功功率调节范围

步骤二、判断是否为紧急运行状况

定义Crowbar动作为紧急运行状况，Crowbar不动作为非紧急运行状况。

步骤三、当为非紧急运行状况时，优先考虑双馈风电机组的无功输出能力

设Q_REF为电网总的无功需求，则当时，仅由风电机组提供无功功率；当时，由风电机组和无功补偿装置联合提供无功功率，其中风电机组提供其无功功率的极限(应留取一定裕度)，其余无功由无功补偿装置提供。由于为非紧急运行状况，相对紧急运行状况而言，其无功需求较小，根据风电场无功补偿装置配置的原则，其无功源应能满足该运行状况下的无功需求，即应满足

当为紧急运行状况时，优先考虑无功补偿装置的无功功率调节

由于Crowbar将转子绕组短接，双馈感应风电机组转子侧变流器不具备有功无功功率解耦控制功能，不计双馈感应风电机组的定子侧输出的无功功率(Q_ismin,Q_ismax)，只考虑其网侧变流器输出无功的能力(Q_icmin,Q_icmax)。设Q_REF为电网总无功需求，当时，仅由无功补偿装置提供无功功率；当

时，由双馈感应风电机组的网侧变流器和无功补偿装置联合提供无功功率，其中，无功补偿装置提供其无功功率的极限(留取一定裕度)，其余无功由双馈感应风电机组的网侧变流器提供；当要求风电场的无功源全部投入，提供其最大输出无功功率极限。

对双馈感应风电机组间的无功功率进行分配

各个双馈感应风电机组的无功功率参考值为 $Q_{\mathrm{iref}}=\min \{Q_{i\max },(Q_{i\max }/Q_{\mathrm{total}\max }^{\mathrm{DFIG}})Q^{\mathrm{DFIG}}\},$ 另外，定子侧与网侧变流器的无功功率参考，优先考虑定子侧。

其中权利要求中的[]符号表示取值范围。

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 (4)

1.一种风电场场内无功功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对风电场无功源的无功输出进行能力评估；

步骤二、根据上述的无功输出进行能力评估结果，判断风电场是否为紧急运行状况；

步骤三、当判断为非紧急运行状况时，优先考虑双馈风电机组的无功输出；

步骤四、当判断为紧急运行状况时，优先考虑无功补偿装置的无功功率调节；

步骤五、根据上述的判断对双馈感应风电机组间的无功功率进行分配。

2.根据权利要求1所述的风电场场内无功功率控制方法，其特征在于，所述步骤一具体为：设风电场的双馈感应风电机组网侧变流器的容量为S_c，网侧变流器的输出的有功功率为P_c，网侧变流器无功功率的极限范围是：

$-\sqrt{S_c^2-{P_c}^2}\&le;Q_c\&le;\sqrt{S_c^2-{P_c}^2}---\left(1\right)$

计及网侧变流器的双馈感应风电机组总无功功率范围为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\min }\&le;Q\&le;Q_{\max }\\ Q_{\min }=-\frac{3U_s^2}{2{\mathrm{\&omega;}}_0{L}_s}-\sqrt{{\left(\frac{3L_m}{2L_s}{U}_s{I}_{\mathrm{rc}\max }\right)}^2-{P_s}^2}-\sqrt{S_c^2-{P_c}^2}\\ Q_{\max }=-\frac{3U_s^2}{2{\mathrm{\&omega;}}_0{L}_s}+\sqrt{{\left(\frac{3L_m}{2L_s}{U}_s{I}_{\mathrm{rc}\max }\right)}^2-{P_s}^2}+\sqrt{S_c^2-{P_c}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，U_s为定子端电压，L_m为励磁电感，L_s为定子电感，ω₀为定子电流角频率，I_rcmax为转子侧变流器的电流最大值；

实时测量双馈感应风电机组的有功功率，根据式(2)计算各个双馈感应风电机组的无功功率极限[Q_imin,Q_imax]，得到风电场内所有双馈感应风电机组的总无功功率极限SVC输出的无功功率调节范围STATCOM输出的无功功率调节范围 $[Q_{\min }^{\mathrm{STATCOM}},Q_{\max }^{\mathrm{STATCOM}}].$

3.根据权利要求2所述的风电场场内无功功率控制方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

设Q_REF为电网总的无功需求，则当时，仅由风电机组提供无功功率；当时，由风电机组和无功补偿装置联合提供无功功率，其中风电机组提供其无功功率的极限其余无功由无功补偿装置提供；根据风电场无功补偿装置配置的原则，其无功源应能满足该运行状况下的无功需求，即应满足 $Q_{\mathrm{REF}}<Q_{\mathrm{total}\max }^{\mathrm{DFIG}}+Q_{\max }^{\mathrm{VC}}.$

4.根据权利要求3所述的风电场场内无功功率控制方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

由于Crowbar将转子绕组短接，双馈感应风电机组转子侧变流器不具备有功无功功率解耦控制功能，不计双馈感应风电机组的定子侧输出的无功功率[Q_ismin,Q_ismax]，只考虑其网侧变流器输出无功的能力[Q_icmin,Q_icmax]；设Q_REF为电网总无功需求，当时，仅由无功补偿装置提供无功功率；当时，由双馈感应风电机组的网侧变流器和无功补偿装置联合提供无功功率，其中，无功补偿装置提供其无功功率的极限,并留取一定裕度，其余无功由双馈感应风电机组的网侧变流器提供；当要求风电场的无功源全部投入，提供其最大输出无功功率极限。