CN104682437A - 一种风电场的有功/无功实时闭环下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电场的有功/无功实时闭环下垂控制方法，该方法包括如下步骤：a.检测风电场PCC点的频率，根据有功/频率下垂控制，给出风电场总有功功率参考值；b.根据有功功率分配策略给出每台风电机组的有功控制参考值，同时根据调度系统给出有功斜率控制的系数，控制每台风机的有功出力按一定斜率上升或下降；c.检测风电场PCC点的电压，根据无功/电压下垂控制策略，给出风电场总无功功率参考值；d.根据无功功率分配策略给出每台风电机组的无功控制参考值。本发明提出的风电场控制器的有功/无功控制方法可以实现风电场有功功率和无功功率的统一协调控制，改善风电场并网特性。

Description

一种风电场的有功/无功实时闭环下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种新能源发电技术，尤其是一种风电场控制器的有功/无功实时闭环下垂控制方法，具体讲涉及一种根据风电场PCC点电压/频率和风电场实时的有功/无功出力，统一协调控制风电场每台风电机组的有功功率和无功功率的方法。

背景技术

随着大规模风电接入电网，必然对电网的调度和控制带来影响，主要体现在有功功率调节和无功电压控制上，如备用的配置与调度问题，应对风电场并网点(point of commoncoupling，PCC)的无功/电压支撑、调频问题等。实现风电场有功功率调节和无功电压控制主要有两种途径：一是通过风电机组自身的控制功能实现，二是通过风电场控制器接收调度和检测信号，进行全场的统一控制。由于风电场内风机众多，单台风机只能对本机的有功功率和无功功率进行控制，风电场内缺乏对有功功率和无功功率的统一协调控制策略。通过第二种方法对全场的风电机组进行统一的管理和控制，可以达到更好的控制目的。

我国的风电场级控制器的研制也处在起步阶段，还没有实现大规模风电场级控制器的生产与应用，虽然有风电场安装了风电场控制器但采用的多是开环控制，稳定性较差。而国外的多数风电场已经安装了风电场级控制器，实现了发电自动控制和电压自动控制，并可像常规发电厂一样自动响应调度的指令。目前，欧洲有些国家制定了国标，要求新建风电场安装风电场控制器，并制定了相应的标准对安装的风电场控制器进行检测。另外，为进行风电场并网评估，也制定了风电场控制器的建模标准。

我国也制定了风电并网导则GB/T-19963，要求新建风电场必须安装风电场控制器。研究风电场级控制的控制策略不仅可以满足国标要求，还可以改善风电场的并网特性，提高风电场并网的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种风电场控制器的有功/无功实时闭环下垂控制技术，该技术可以使风电场“感受”到电网频率的变化，不需要在每一台风力发电机组增加额外的调频控制模块；在考虑有功功率输出和机组容量的前提下，充分利用每一台风力发电机组变流器的容量，减少无功补偿设备的投资。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种风电场控制器的有功/无功实时闭环下垂控制方法，所述方法依次完成下述步骤：检测风电机场的PCC点频率，给出风电场总有功功率参考值；根据每台风电机组的实时出力和调度部门的有功斜率指令，给出每台风电机组的有功控制参考值；检测风电机场的PCC点电压，给出风电场总无功功率参考值；结合每台风电机组的实时无功裕度，给出每台风电机组的无功控制参考值。

进一步的，根据每台风电机组的实时有功出力，计算出每台风电机组的有功控制参考值，实现有功闭环控制。

进一步的，根据每台风电机组的实时有功出力，计算出每台风电机组的实时无功裕度，实现有功和无功的协调控制。

进一步的依次获得：

Ⅰ、风电场总有功功率参考值，

Ⅱ、每台风电机组有功功率参考值，

Ⅲ、风电场总无功功率参考值，

Ⅳ、每台风电机组无功功率参考值。

进一步的，所述Ⅰ的获得方法包括以下步骤：

风电场控制器通过检测风电场并网点(PCC)的频率来进行不同控制模式的切换，当并网点的频率大于52Hz时，风电场控制器输入给每台风机的有功功率参考值为0；当并网点的频率介于50.2Hz和52Hz之间时，风电场控制器选择平衡控制模式，按照给定的频率/有功下垂系数减少风电场输出的有功功率，补偿电网频率的变化；当并网点的频率小于50.2Hz时，风电场控制器选择最大出力模式。由于考虑到经济性因素，为了最大限度的利用风资源，本文不考虑差值控制模式，即当风电场并网点(PCC)的频率低于50Hz时，风电场控制器仍将选择最大出力模式，各风电机组处于最大功率跟踪状态，不参与电网调频。

进一步的，所述Ⅱ的获得方法为：

首先检测每台风电机组当前的实时出力情况，然后以每台风电机组的实时出力占总出力的比例为系数，计算每台风电机组的有功功率指令，

$P_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WTi}}=\frac{P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}}}{P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WF}}}{P}_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WF}}---\left(1\right)$

其中，第i台风机的在某一个运行点的有功功率参考值，为第i台风机在某一个运行点的实际有功出力，为风电场在某一个运行点的实际有功出力的总和， $P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}},$ 风电场有功出力的参考值。

进一步的，所述Ⅲ的获得方法为：

风电场控制器以调度传来的风电场并网点的电压为基准，当并网点电压在0.99pu～1.01pu区间内时，风电场为保持功率因数为1，不发出或吸收无功功率，为接近0；当风电场并网点电压高于1.01pu时，风电场需要吸收的总无功功率与电压偏差ΔU_pcc呈下垂特性，电压升高越高，风电场需要吸收的总无功功率越多，按比例增加；当风电场并网点电压低于0.99pu时，风电场需要发出的总无功功率与电压偏差ΔU_pcc呈下垂特性，电压下降越低，风电场需要发出的总无功功率越多，按比例增加，但风电场吸收或发出的总无功功率受到风电场无功能力的限制，在一定的范围内。

进一步的，所述Ⅳ的获得方法为：

首先根据单台风电机组当前发出的实际有功功率计算出单台风电机组当前的无功能力，即单台风电机组当前可能发出或吸收的最大无功功率；其次，根据单台风电机组的最大无功能力计算出风电场的最大无功能力；最后，以单台风电机组的最大无功能力和风电场的最大无功能力的比值为系数，乘以风电场总的无功功率参考值，即为单台风电机组的无功功率参考值。

$Q_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WTi}}=\frac{Q_{\max }^{\mathrm{WTi}}}{Q_{\max }^{\mathrm{WF}}}{Q}_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WF}}$

$Q_{\max }^{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\max }^{\mathrm{WTi}}---\left(2\right)$

$Q_{\max }^{\mathrm{WTi}}=\sqrt{{1.2}^2-{\left(P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}}\right)}^2}$

其中，为第i台风电机组当前发出的实际有功功率；为第i台风电机组的最大无功能力；为风电场的总最大无功能力；第i台风电机组的无功功率参考值；为风电场无功功率参考值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过有功/频率下垂控制，本发明可以使风电场“感受”到电网频率的变化，不需要在每一台风力发电机组增加额外的调频控制模块。

(2)本发明在考虑有功功率输出和机组容量的前提下，充分利用每一台风力发电机组变流器的容量，减少无功补偿设备的投资。

(3)使每台风力发电机可以根据实时有功出力补偿电网电压的变化，同时不影响风电机组的正常运行，实现了有功/无功功率的协调控制。

(4)本发明实现了风电场有功/无功功率的闭环控制，控制性能高，稳定性好。

(5)本发明策略实用性强，易于工程实现，不需要增加额外的辅助设备。

(6)本发明有助于改善风电机组的并网特性，使风电更好的支撑电网运行。

附图说明

图1为风电场控制器的总体控制框图；

图2为风电场有功/频率控制曲线；

图3为风电场无功/电压控制曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

图1为说明本发明方法的整体控制框图，一种风电场控制器的有功/无功实时闭环下垂控制方法，包括如下步骤：

a、检测风电场PCC点的频率，通过有功/频率下垂控制，给出风电场总有功功率参考值；

b、根据风电场每台风电机组的实时有功出力，算出每台风电机组有功功率参考值；

c、根据调度部门的指令，调整每台风电机组的有功出力斜率；

d、检测风电场PCC点的电压，给出风电场总无功功率参考值；

e、根据风电场每台风电机组的实时有功出力，算出每台风电机组的实时无功裕度；

f、根据每台风电机组的实时无功裕度，算出每台风电机组的无功功率参考值。

其中，PCC点为风电场并网点。

图2为风电场有功/频率下垂控制曲线；

当并网点的频率大于52Hz时，风电场控制器输入给每台风机的有功功率参考值为0；当并网点的频率介于50.2Hz和52Hz之间时，风电场控制器选择平衡控制模式，按照给定的频率/有功下垂系数减少风电场输出的有功功率，补偿电网频率的变化；当并网点的频率小于50.2Hz时，风电场控制器选择最大出力模式。由于考虑到经济性因素，为了最大限度的利用风资源，本文不考虑差值控制模式，即当风电场并网点(PCC)的频率低于50Hz时，风电场控制器仍将选择最大出力模式，各风电机组处于最大功率跟踪状态，不参与电网调频。

当风电场控制器计算出给定风电场有功出力目标后，风电场控制器需要对各台风力发电机组进行有功出力的目标分配。本文采取的具体分配策略如下：

$P_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WTi}}=\frac{P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}}}{P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WF}}}{P}_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WF}}---\left(3\right)$

其中，第i台风机的在某一个运行点的有功功率参考值，为第i台风机在某一个运行点的实际有功出力，为风电场在某一个运行点的实际有功出力的总和， $P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}},$ 风电场有功出力的参考值。

综上所述，风电场控制器接受风电场并网点的频率信号以及每台风电机组的实际有功出力，按照选定的控制模式，计算出风电场的总有功出力参考值，然后再经过功率分配策略分配给每台风力发电机，同时根据调度系统给出有功斜率控制的系数，风电场控制控制风机的有功出力按一定斜率上升或下降。

图3为风电场无功/电压下垂控制曲线；

当并网点电压在0.99pu～1.01pu区间内时，风电场为保持功率因数为1，不发出或吸收无功功率，为接近0；当风电场并网点电压高于1.01pu时，风电场需要吸收的总无功功率与电压偏差ΔU_pcc呈下垂特性，电压升高越高，风电场需要吸收的总无功功率越多，按比例增加；当风电场并网点电压低于0.99pu时，风电场需要发出的总无功功率与电压偏差ΔU_pcc呈下垂特性，电压下降越低，风电场需要发出的总无功功率越多，按比例增加，但风电场吸收或发出的总无功功率受到风电场无功能力的限制，在一定的范围内。

风电场控制器根据调度传来的风电场并网点电压算出风电场需要吸收/发出的总无功功率参考值后，需要按一定的比例分配给每台风电机组。分配的方法如下：首先根据单台风电机组当前发出的实际有功功率计算出单台风电机组当前的无功能力，即单台风电机组当前可能发出或吸收的最大无功功率；其次，根据单台风电机组的最大无功能力计算出风电场的最大无功能力，最后，以单台风电机组的最大无功能力和风电场的最大无功能力的比值为系数，乘以风电场总的无功功率参考值，即为单台风电机组的无功功率参考值。

$Q_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WTi}}=\frac{Q_{\max }^{\mathrm{WTi}}}{Q_{\max }^{\mathrm{WF}}}{Q}_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WF}}$

$Q_{\max }^{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\max }^{\mathrm{WTi}}---\left(4\right)$

$Q_{\max }^{\mathrm{WTi}}=\sqrt{{1.2}^2-{\left(P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}}\right)}^2}$

其中，为第i台风电机组当前发出的实际有功功率；为第i台风电机组的最大无功能力；为风电场的总最大无功能力；为第i台风电机组的无功功率参考值；为风电场无功功率参考值。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风电场的有功/无功实时闭环控制方法，所述方法依次完成下述步骤：检测风电场的并网点(PCC点)频率，当并网点的频率介于50.2Hz和52Hz之间时，风电场控制器选择平衡控制模式，按照给定的频率/有功下垂控制给出风电场总有功功率的参考值，补偿电网频率的变化；根据每台风电机组的实时出力和调度部门的有功固定斜率变化指令，以每台风电机组的实时有功出力占总有功出力的比例为系数给出每台风电机组的有功控制参考值；检测风电场的并网点(PCC点)电压，当风电场并网点电压高于1.01pu或低于0.99pu时，按照给定的斜率给出风电场总无功功率的参考值，支持电网电压；根据每台风电机组的有功功率，计算出每台风电机组的实时无功裕度，进而给出每台风电机组的无功控制参考值，实现了有功/无功功率的协调闭环控制。

2.如权利要求1所述的一种风电场的有功/无功实时闭环下垂控制方法，其特征在于根据每台风电机组的实时有功出力，计算出每台风电机组的有功控制参考值和每台风电机组的实时无功裕度，实现风电场有功/无功功率的实时闭环控制。

3.如权利要求1所述的一种风电场的有功/无功实时闭环下垂控制方法，其特征在于：根据电力系统的有功/频率和无功/电压下垂特性，实现风电场有功/无功功率的下垂控制。

4.如权利要求1所述的一种风电场的有功/无功实时闭环下垂控制方法，其特征在于：所述每台风电机组的有功/无功功率控制依次获得：

Ⅰ、风电场总有功功率参考值；

Ⅱ、每台风电机组有功功率参考值；

Ⅲ、风电场总无功功率参考值；

Ⅳ、每台风电机组无功功率参考值。

5.如权利要求4所述的一种风电场的有功/无功实时闭环下垂控制方法，其特征在于：所述Ⅰ的获得方法包括以下步骤：

风电场控制器通过检测风电场并网点(PCC)的频率来进行不同控制模式的切换，当并网点的频率大于52Hz时，风电场控制器输入给每台风机的有功功率参考值为0；当并网点的频率介于50.2Hz和52Hz之间时，风电场控制器选择平衡控制模式，按照给定的频率/有功下垂系数减少风电场输出的有功功率，补偿电网频率的变化；当并网点的频率小于50.2Hz时，风电场控制器选择最大出力模式，当风电场并网点(PCC)的频率低于50Hz时，风电场控制器仍将选择最大出力模式，各风电机组处于最大功率跟踪状态，不参与电网调频。

6.如权利要求5所述的一种风电场的有功/无功实时闭环控制方法，其特征在于：所述Ⅱ的获得方法为：

首先检测每台风电机组当前的实时出力情况，然后以每台风电机组的实时出力占总出力的比例为系数，计算每台风电机组的有功功率指令，形成有功功率的闭环控制：

$P_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WTi}}=\frac{P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}}}{P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WF}}}{P}_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WF}}---\left(1\right)$

其中，为第i台风机的在某一个运行点的有功功率参考值，为第i台风机在某一个运行点的实际有功出力，为风电场在某一个运行点的实际有功出力的总和， 为风电场有功出力的参考值。

7.如权利要求6所述的一种风电场的有功/无功实时闭环控制方法，其特征在于：所述Ⅲ的获得方法为：

风电场控制器以调度传来的风电场并网点的电压为基准，当并网点电压在0.99pu～1.01pu区间内时，风电场为保持功率因数为1，不发出或吸收无功功率，为接近0(为风电场在某一个运行点的实际无功出力的总和)；当风电场并网点电压高于1.01pu时，风电场需要吸收的总无功功率与电压偏差ΔU_pcc呈下垂特性，电压升高越高，风电场需要吸收的总无功功率越多，按比例增加；当风电场并网点电压低于0.99pu时，风电场需要发出的总无功功率与电压偏差ΔU_pcc呈下垂特性，电压下降越低，风电场需要发出的总无功功率越多，按比例增加，但风电场吸收或发出的总无功功率受到风电场无功能力的限制，在一定的范围内。

8.如权利要求7所述的一种风电场的有功/无功实时闭环控制方法，其特征在于：所述Ⅳ的获得方法为：

首先根据单台风电机组当前发出的实际有功功率计算出单台风电机组当前的无功能力，即单台风电机组当前可能发出或吸收的最大无功功率；其次，根据单台风电机组的最大无功能力计算出风电场的最大无功能力；最后，以单台风电机组的最大无功能力和风电场的最大无功能力的比值为系数，乘以风电场总的无功功率参考值，即为单台风电机组的无功功率参考值，

$Q_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WTi}}=\frac{Q_{\max }^{\mathrm{WTi}}}{Q_{\max }^{\mathrm{WF}}}{Q}_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{WF}}$

$Q_{\max }^{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\max }^{\mathrm{WTi}}---\left(2\right)$

$Q_{\max }^{\mathrm{WTi}}=\sqrt{{1.2}^2-{\left(P_{\mathrm{av}}^{\mathrm{WTi}}\right)}^2}$

其中，为第i台风电机组当前发出的实际有功功率；为第i台风电机组的最大无功能力；为风电场的总的最大无功能力；为第i台风电机组的无功功率参考值；为风电场无功功率参考值。