CN104578086B - 一种风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,所述方法由变电站控制中心实时测量风电和光伏发电集中接入变电站低压侧电压,当风速波动或/和光照变化引起低压侧电压波动时,首先根据并网点电压相对于电压参考值的偏差确定电网的无功需求,然后在风电场、光伏电站和动态无功补偿设备之间按照优先级进行无功分配,维持并网点母线电压恒定。本发明以风电/光伏发电集中接入变电站低压侧电压为控制目标进行无功分配,并且在无功分配过程中兼顾风电场有功功率损耗,与风电场、光伏逆变器单独控制方法相比,不仅减小了低压侧的电压波动,而且降低了风电场有功损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种风光互补发电系统的无功电压控制方法,属于发电技术领域。
背景技术
以风能、太阳能为代表的新能源发电因其无污染、可再生等优点受到世界各国广泛关注,然而风电、光伏发电的不确定性和波动性给电网电压的稳定性造成一定影响,风速波动会引起并网点电压波动,光伏电站有功出力的随机性与电网不友好的特征也使电网电压不稳定。风能和太阳能在时空上具有天然的互补性,风光互补发电系统并网运行虽然能减小并网点电压波动,但是当风速和光照变化较大时,并网点电压波动仍然较大。
针对风光互补发电系统无功电压问题,通过控制无功出力可以对电网电压进行调整。目前,对于由变速恒频风电机组组成的风电场,其无功电压控制主要由风电场的风力发电机组进行动态无功调节;对于光伏发电系统,通常在光伏电站母线上安装SVC等无功补偿装置以补偿光伏系统的无功需求,或利用光伏逆变器本身的无功输出能力向电网输出无功功率以维持局部电网电压稳定。显然,单一能源发电系统不能最大限度地利用风电场和光伏电站的无功潜能,投资成本较大,而风光互补发电系统不仅可以在有功功率方面互补,而且在无功方面也可以实现互补,因而可以降低并网点电压波动,减小动态无功补偿设备容量,节约投资成本。因此,如何协调控制风光互补系统无功出力就成为有关部门亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端,提供一种风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,以减小低压侧电压波动,节约投资成本。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的:
一种风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,所述方法由变电站控制中心实时测量风电和光伏发电集中接入变电站低压侧电压,当风速波动或/和光照变化引起低压侧电压波动时,首先根据并网点电压相对于电压参考值的偏差确定电网的无功需求,然后在风电场、光伏电站和动态无功补偿设备之间按照优先级进行无功分配,维持并网点母线电压恒定。
上述风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,所述方法包括以下步骤:
a.利用电压互感器测量变电站低压侧电压U pccmea ,根据其与电压参考值U pccref 的误差信号∆U pcc 得出无功功率需求量Q ref :
式中,K p 和K i 分别为比例系数和积分系数,s为控制器参数域;
b.根据风电场、光伏电站的无功出力极限,将无功需求Q ref 按照优先级分配方法分配给风电场、光伏电站和STATCOM(动态无功补偿设备):
① 当无功需求量Q ref 小于风电场无功出力极限Q wind 时,由风电场进行无功补偿,且风电场无功出力Q wref = Q ref ;
② 当无功需求量Q ref 大于风电场无功出力极限Q wind 而小于风电场无功出力极限Q wind 与光伏电站无功出力极限Q pv 之和时,由风电场和光伏电站进行无功补偿,风电场无功出力Q wref = Q wind ,光伏电站无功出力Q pvref =Q ref -Q wind ;
③ 当无功需求量Q ref 大于风电场无功出力极限Q wind 与光伏电站无功出力极限Q pv 之和时,由风电场、光伏电站和STATCOM共同进行无功补偿,风电场无功出力Q wref = Q wind ,光伏电站无功出力Q pvref =Q pv ,STATCOM无功出力Q statcom =Q ref -Q wind - Q pv 。
上述风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,风电场内无功功率的分配模型为:
目标函数:
约束条件:
式中:P i 为风电场第i台双馈发电机(DFIG)有功功率,Q i 为风电场第i台双馈发电机(DFIG)无功功率,U i 、U j 为节点的电压,R l 为节点之间线路的电阻,N s 为风电场内节点数,G ij 为风电场内节点i、j之间的电导,B ij 为风电场内节点i、j之间的电纳,Q wimin 为DFIG机组无功出力的最小极限, Q wimax 为DFIG机组无功出力的最大极限,U wimin 为DFIG机组机端电压最小值,U wimax 为DFIG机组机端电压最大值,θ ij 为风电场内节点i、j之间电压相角差。
上述风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,光伏电站内第i台光伏逆变器分配的无功功率Q pvrefi 为:
式中,Q pvi 为第i台光伏逆变器的无功功率极限,Q pvref 为分配至光伏电站的无功功率参考值,Q pv 为光伏电站的无功功率极限。
本发明以风电/光伏发电集中接入变电站低压侧电压为控制目标进行无功分配,并且在无功分配过程中兼顾风电场有功功率损耗,与风电场、光伏逆变器单独控制方法相比,不仅减小了低压侧的电压波动,而且降低了风电场有功损耗,如附图4仿真分析可知,本发明与单独控制方法相比,风电场内有功损耗减小2KW,电压下降比单独控制方法小0.002pu。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为风电/光伏发电集中接入无功协调控制结构;
图2为无功需求整定控制结构图;
图3为第一层无功分配结构图;
图4为本发明仿真系统图;
图5为依据本发明在风速光照变化情况下,风电场和光伏逆变器单独控制和采用无功协调控制时接入点电压、各个无功源无功出力和风电场有功功率损耗仿真结果对比示意图。
图中和文中各符号为:U pccmea 为变电站低压侧电压,U pccref 为电压参考值,∆U pcc 为电压误差信号,U wimin 为DFIG机组机端电压最小值,U wimax 为DFIG机组机端电压最大值,U i 、U j 为节点的电压,R l 为节点之间线路的电阻,Q ref 为无功需求量,Q wind 为风电场无功出力极限,Q pv 为光伏电站无功出力极限,Q wref 为分配至风电场的无功功率,Q pvref 为分配至光伏电站的无功功率,Q statcom 为分配至动态无功补偿设备的无功功率,Q wimin 为DFIG机组无功出力的最小极限, Q wimax 为DFIG机组无功出力的最大极限,P i 为风电场第i台双馈发电机(DFIG)有功功率,Q i 为风电场第i台双馈发电机(DFIG)无功功率, N s 为风电场内节点数,G ij 为风电场内节点i、j之间的电导,B ij 为风电场内节点i、j之间的电纳,θ ij 为风电场内节点i、j之间电压相角差,Q pvrefi 为光伏电站内第i台光伏逆变器分配的无功功率,Q pvi 为第i台光伏逆变器的无功功率极限,Q pvref 为分配至光伏电站的无功功率参考值,Q pv 为光伏电站的无功功率极限。
具体实施方式
本发明是以风电/光伏发电集中接入变电站低压侧电压为控制目标并且兼顾风电场有功功率损耗,其协调控制结构包括无功需求整定和两级无功功率分配,当风速波动/光照变化引起低压侧电压波动时,由变电站控制中心实时测量接入点电压,与目标电压进行比较,根据电压偏差确定无功需求,然后进行两层无功分配,第一层在风电场、光伏电站和动态无功补偿设备之间按照优先级原则进行无功分配,第二层在风电场内双馈机组之间和光伏逆变器之间进行分配,在风电场内分配时,建立以有功损耗最小为目标的分配模型,在光伏逆变器之间进行无功分配时,按照等无功容量极限进行分配。
图1为本发明中无功协调控制整体结构图,其控制结构包括无功功率整定和无功功率分配。
图2为图1中无功功率整定部分,通过变电站低压侧电压互感器实时测量接入点的电压U pccmea ,根据和接入点参考电压U pccref 的误差信号∆U pcc ,通过惯性环节,PI控制器得到无功需求量Q ref 。
式中,K p 为比例系数,K i 为积分系数,s为控制器参数域。
图3为图1中无功功率分配部分,即第一层无功功率分配结构图,根据风电场、光伏电站无功出力极限信号将无功需求Q ref 按照优先级分配方法分配给风电场、光伏电站和STATCOM。当无功需求量Q ref 小于风电场无功出力极限时,由风电场进行无功补偿,且风电场无功出力Q wref = Q ref ;当无功需求量Q ref 大于风电场无功出力极限而小于风电场和光伏电站无功出力极限之和时,由风电场和光伏电站进行无功补偿,风电场无功出力Q wref = Q wind ,光伏电站无功出力Q pvref =Q ref -Q wind ;当无功需求量Q ref 大于风电场和光伏电站无功出力极限之和时,由风电场、光伏电站和STATCOM共同进行无功补偿,风电场无功出力Q wref =Q wind ,光伏电站无功出力Q pvref =Q pv ,STATCOM无功出力Q statcom =Q ref -Q wind - Q pv 。
第二层无功功率分配在风电场和光伏电站内部进行,根据风电场无功出力整定值Q wref ,以风电场有功损耗最小为目标建立无功分配模型将无功功率分配给各台双馈风力发电机,无功分配模型为:
目标函数:
约束条件:
式中:P i 为风电场第i台双馈发电机(DFIG)有功功率,Q i 为风电场第i台双馈发电机(DFIG)无功功率,U i 、U j 为节点的电压,R l 为节点之间线路的电阻,N s 为风电场内节点数,G ij 为风电场内节点i、j之间的电导,B ij 为风电场内节点i、j之间的电纳,Q wimin 为DFIG机组无功出力的最小极限, Q wimax 为DFIG机组无功出力的最大极限,U wimin 为DFIG机组机端电压最小值,U wimax 为DFIG机组机端电压最大值,θ ij 为风电场内节点i、j之间电压相角差。
根据光伏逆变器无功需求整定值Q pvref ,按照等无功功率极限的原则将Q pvref 分配给各台光伏逆变器,分配方法为:
式中,Q pvi 为第i台光伏逆变器的无功功率极限,Q pvref 为分配至光伏电站的无功功率参考值,Q pv 为光伏电站的无功功率极限。
将风电机组和光伏逆变器无功需求整定值送到对应的控制器进行无功功率控制。
通过电力系统仿真软件DigSILENT/Power Factory15.0建立风电和光伏发电接入电网仿真模型,验了证本专利所提控制策略的有效性及经济性。
图4为在美国西部电网WSCC 3机9节点系统中接入风光互补发电系统构建仿真系统。风电场接入母线3,总装机容量为120MW,由2MW 双馈风电机组构成,光伏电站总容量为30MW,然后分别通过两级升压变压器接入电网。在变电站低压侧接入集中无功补偿设备STATCOM,额定容量为20MVar。
图5为风速光照变化时,采用风电场和光伏逆变器单独控制和采用无功协调控制情况下接入点电压和风电场光伏电站无功出力,以及风电场有功功率损耗仿真结果对比示意图。
通过仿真可以看出,风速增大到18 m/s ,风电场有功出力增大,风电场内集电线路有功损耗增加,当采用单独控制方法时,集中接入点电压降低0.005pu,风电场无功出力为1MVar,光伏电站无功出力为0.3 Mvar,风电场内集电线路有功损耗为25KW,采用无功协调控制方法时,接入点电压降低0.004pu,风电场无功出力约为1.4MVar,光伏电站无功出力为0 Mvar,比单独控制方法无功出力增加约0.1Mvar,风电场内集电线路有功损耗为24.5KW,比单独控制效果要好;在20-60s期间,由于基本风速为9 m/s,风电场出力比初始运行状态要大,场内有功损耗约为15KW,在60-80s期间,最大风速22 m/s,已接近切出风速,风电场有功出力增大,采用单独控制方法时,接入点电压降低0.008pu,风电场无功出力为1.8MVar,光伏电站无功出力为0.4Mvar, 风电场内集电线路有功损耗约为27KW, 采用协调控制方法时,接入点电压降低0.006pu,风电场无功出力已达到极限,无功出力约为1.4MVar,光伏电站无功出力为0.45 Mvar,风电场内集电线路有功损耗为25KW,比单独控制方法有功损耗小2KW,电压下降小0.002pu。
由仿真结果分析可以得出,采用本专利所提无功协调控制方法不仅可以减小低压侧电压波动,而且能降低风电场有功损耗,具有较好的控制效果和较好的经济性。
Claims (2)
1.一种风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,其特征是,所述方法由变电站控制中心实时测量风电和光伏发电集中接入变电站低压侧电压,当风速波动或/和光照变化引起低压侧电压波动时,首先根据并网点电压相对于电压参考值的偏差确定电网的无功需求,然后在风电场、光伏电站和动态无功补偿设备之间按照优先级进行无功分配,维持并网点母线电压恒定;
所述方法按以下步骤处理:
a.利用电压互感器测量变电站低压侧电压Upccmea,根据其与电压参考值Upccref的误差信号ΔUpcc得出无功功率需求量Qref:
式中,Kp和Ki分别为比例系数和积分系数,s为控制器参数域;
b.根据风电场、光伏电站的无功出力极限,将无功需求Qref按照优先级分配方法分配给风电场、光伏电站和STATCOM:
①当无功需求量Qref小于风电场无功出力极限Qwind时,由风电场进行无功补偿,且风电场无功出力Qwref=Qref;
②当无功需求量Qref大于风电场无功出力极限Qwind而小于风电场无功出力极限Qwind与光伏电站无功出力极限Qpv之和时,由风电场和光伏电站进行无功补偿,风电场无功出力Qwref=Qwind,光伏电站无功出力Qpvref=Qref-Qwind;
③当无功需求量Qref大于风电场无功出力极限Qwind与光伏电站无功出力极限Qpv之和时,由风电场、光伏电站和STATCOM共同进行无功补偿,风电场无功出力Qwref=Qwind,光伏电站无功出力Qpvref=Qpv,STATCOM无功出力Qstatcom=Qref-Qwind-Qpv;
风电场内无功功率的分配模型为:
目标函数:
约束条件:Qwimin≤Qi≤Qwimax,Uwimin≤Ui≤Uwimax
式中:Pi为风电场第i台双馈感应发电机(DFIG)有功功率,Qi为风电场第i台双馈感应发电机(DFIG)无功功率,Ui、Uj为节点的电压,Rl为节点之间线路的电阻,Ns为风电场内节点数,Gij为风电场内节点i、j之间的电导,Bij为风电场内节点i、j之间的电纳,Qwimin为DFIG机组无功出力的最小极限,Qwimax为DFIG机组无功出力的最大极限,Uwimin为DFIG机组机端电压最小值,Uwimax为DFIG机组机端电压最大值,θij为风电场内节点i、j之间电压相角差。
2.根据权利要求1所述的风电和光伏发电接入电网的无功电压控制方法,其特征是,光伏电站内第i台光伏逆变器分配的无功功率Qpvrefi为:
式中,Qpvi为第i台光伏逆变器的无功功率极限,Qpvref为分配至光伏电站的无功功率参考值,Qpv为光伏电站的无功功率极限。
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