CN104953600A - 一种基于风电接入的无功功率补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

通过对风电场中产生无功功率的设备进行分析，从而计算出风电场中的无功功率，并通过自动电压控制来消除风电场无功接入电网的电压波动，同时补偿风电场的无功，当风电场的无功超出风电场的补偿范围时，采用电力系统进行无功补偿。

Description

一种基于风电接入的无功功率补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统并网控制的技术领域，具体的来说，是一种基于风电接入的无功功率补偿控制方法。

背景技术

随着风电装机容量的不断增大和风电技术的快速发展，风电并网给我们带来经济效益的同时也会对电网的安全稳定运行产生诸多不利影响，其对电网的影响范围逐渐扩大。目前，风电场越来越多的以大规模、集中式接入到电网中，大量的风电注入对电网线路中传输的有功、无功大小和方向、系统损耗等产生影响，进而影响到电网稳态电压分布和电压稳定。其一，风电机组在变风速作用下，功率输出不可能像常规机组那样保持恒定，当风电并网容量相对较大时，风电功率的波动可能会导致系统关键母线电压的较大波动。对于异步机风力发电系统，当风电场输出的有功功率增长时，其吸收的无功功率也会增长，同时随着线路送出有功功率的增长，线路上电抗消耗的无功功率也会增长，且和线路电流的平方成正比，所以，包括风电场及等值线路在内的总的无功消耗在风电场出力较大时其数量是可观的。其二，由于我国风能分布大多集中在偏远地区，因此风电接入点也大多处在网络结构较为薄弱的电网末端，承受冲击能力有限。其三，风力发电机组具有自我保护装置，为了自身安全，当端电压过低时会主动脱网，这会使系统因突然失去电源而失稳。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供一种基于风电接入的无功功率补偿控制方法，在风电场中，需要吸收无功功率的器件主要分为三部分：变压器、输电线路和风电机组。变压器需要吸收无功功率，才能在变压器的一次线圈这端建立磁场，从而在二次线圈这端感应出电压。风电机组同样需要吸收无功功率来建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，产生有功功率。系统输电线路中有很多感性元件，它们同样需要吸收无功功率。因此，需要对风电场无功补偿容量的估算。

变压器的无功损耗

变压器所吸收的无功功率通常分为两部分：空载无功功率与负载无功功率。计算其无功功率的表达式如下：

式中—变压器所吸收总的无功功率；

—变压器的空载无功功率，即励磁损耗；

—变压器的负载无功功率，即漏抗中的损耗；

S—变压器的视在功率；

—变压器的额定容量；

—变压器空载电流百分值；

—变压器短路阻抗百分值；

风电场输电线路无功补偿容量的估算

输电线路所吸收的无功功率通常分为两部分：输电线路中电抗的无功功率和输电线路中电纳的无功功率。计算其无功功率的表达式如下：

式中—输电线路的无功功率；

—输电线路中电抗的无功功率；

—输电线路中电纳的无功功率；

—分别为输电线路输送的有功功率和无功功率；

—分别为输电线路两端的电压；

X—输电线路的电抗；

B—输电线路的等值电纳；

I—输电线路的电流；

风电机组无功补偿容量的估算

变速双馈感应风电机是一种绕线式异步风电机，其本身能够补偿自身一定的无功补偿容量。变速双馈感应风电机的转子绕组通过背靠背双PWM电压变频器与电网相连，这个背靠背双PWM电压变频器可以用来控制变速双馈感应风电机的频率和机端电压。在风电机运行时通过向转子施加变频电流来控制定子处的的机端电压和频率稳定。因此当其正常运行时，不会从电网中吸收无功功率。但是，对变速双馈感应风电机补偿的无功容量不仅要考虑其正常运行时，还要考虑风电场故障或低电压穿越状态下的需求，才能保证风电场电压的稳定性。此时，电网电压将会严重下降，从而定子回路会流过很大的故障电流，而转子回路则关闭转子侧变流器，并且将转子回路中的旁路保护装置投入风电机，此时变速双馈感应风电机会向电网吸收大量无功功率。考虑到变速双馈感应风电机在正常运行时不会向电网吸收有功功率，补偿的无功容量只是用来满足风电场故障或低电压穿越状态下的需求，因此，因此风电场所需的总的无功补偿容量估算值可以按风电场装机容量的10%-20%计算。

风电场接入地区的电网，所以风电场的无功与电网电压波动相关。

风电场i所需调节的无功与负荷节点j的电压波动的关系为：

式中、分别为节点i注入的无功功率对节点j电压变化的灵敏度和节点j的电压变化量；

如果风电场所接电网的电压波动超出所规定的范围时根据上式对所需的无功补偿量进行计算。同时考虑到风电场发出无功的能力即输出的无功功率不能超出风电场无功功率的上下限，有

其中为风电场能够发出的无功功率的上下限，为风电场已发出的无功功率。

如果所需补偿量超出风电场发出无功功率的能力，则按下式取其无功补偿量：

然后判断补偿后电压波动是否在允许的范围内；

其中为将电压恢复到初始值所需的无功补偿量。如果无功补偿后电压仍然超出所允许的电压波动范围则需投入无功补偿装置对其进行补偿。

基于风电场无功功率带来的电压波动，采用自动电压控制系统进行电压的管控，自动电压控制系统基于无功“分层分区、就地平衡”的原则，采集电网实时运行数据，在确保电力系统安全稳定运行的前提下，对无功电压设备进行在线优化闭环控制，保证电网电压质量合格，实现无功分层分区平衡，降低网损。针对多风电场分布式接入区域电网的实际情况，根据无功电压分级递阶控制原则，自动电压控制负责网内无功电压的实时数据处理、在线分区、控制与优化策略计算、运行监视等；各变电站作为控制的执行者，承担站内的调压和无功补偿设备的自动控制任务，同时将站内的状态信息反馈给主站；风电场自动电压控制子系统作为自动电压控制子站，根据主站下达的优化控制目标和风电场当前的运行状态，协调控制场内的调压装置、无功补偿设备和各风电机组的无功出力，同时将场内的状态信息反馈给主站。

风电场SCADA系统主要包含通信接口模块、数据采集模块(包括并网点及场内各监测点的电压、电流、有功功率、无功功率、风速等)、风电功率预测模块、控制参数整定模块、功率控制模块等。风电功率预测模块主要实现风电功率的超短期预测、短期预测；参数整定模块主要是根据风电场运行状态、主站控制指令、风功率超短期预测曲线等，计算风电场内各设备的优化控制目标；风电控制模块将风电机组的无功控制目标进行分配并下达至各风电机组。

当风电场无法提供足够的无功功率进行补偿时，通过电力系统进行无功补偿。

电力系统无功优化问题的数学模型一般包括功率平衡约束、控制变量约束、状态变量约束以及目标函数。

(1)约束条件

等式约束：

电力系统中任意节点i的有功功率和无功功率满足功率平衡方程：

式中，分别为节点i注入的有功、无功及电压；为节点i的发电机有功和无功出力；为节点i的负荷功率；为节点i的补偿电容容量；为节点i和j之间的电导和电纳，及两者间的电压相位差；N为系统节点总数。

不等式约束：

为了保证电网的安全运行和电能质量，电网电压等必须运行在额定范围内，同时发电机的输出也是有限制的，这些限制构成了电网运行的状态变量约束。与之相对，发电机端电压调节、变压器档位调节以及补偿电容量都受到了设备本身或者其它客观调节约束，这些限制则构成了电网运行的控制变量。

在含风电机组的配电网系统中，状态变量的不等式约束为：

式中，分别为PQ节点i电压及其上下限电压，m为PQ节点数。

控制变量约束为：

式中，分别为电容组i的实际投入容量及其上下限。为电容组数。

(2)目标函数

电力系统无功优化的目标函数通常从几个方面因素进行考虑：

(a)网损最小；

(b)电压水平最好；

(c)综合经济效益最大；

考虑网损最小，第k个断面下的目标函数可以表示为：

为断面k下的网损。对于状态变量约束，采用了罚函数的形式进行了处理，则

为违反电压约束的惩罚因子，分别为节点电压及其上限和下限；

全断面下的无功优化目标函数可以表示为：

式中，n为所选断面总数；为第k个断面的发生概率；为第k个断面下的目标函数值。

求解并根据无功补偿值投入无功补偿设备进行无功补偿。

通过对风电场中产生无功功率的设备进行分析，从而计算出风电场中的无功功率，并通过自动电压控制来消除风电场无功接入电网的电压波动，同时补偿风电场的无功，当风电场的无功超出风电场的补偿范围时，采用电力系统进行无功补偿。

附图说明

图1是风电场的无功补偿的控制流程。

图2是自动电压控制系统的结构原理图。

具体实施方式

一种基于风电接入的无功功率补偿控制方法，在风电场中，需要吸收无功功率的器件主要分为三部分：变压器、输电线路和风电机组。变压器需要吸收无功功率，才能在变压器的一次线圈这端建立磁场，从而在二次线圈这端感应出电压。风电机组同样需要吸收无功功率来建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，产生有功功率。系统输电线路中有很多感性元件，它们同样需要吸收无功功率。因此，需要对风电场无功补偿容量的估算。

变压器的无功损耗

变压器所吸收的无功功率通常分为两部分：空载无功功率与负载无功功率。计算其无功功率的表达式如下：

式中—变压器所吸收总的无功功率；

—变压器的空载无功功率，即励磁损耗；

—变压器的负载无功功率，即漏抗中的损耗；

S—变压器的视在功率；

—变压器的额定容量；

—变压器空载电流百分值；

—变压器短路阻抗百分值；

风电场输电线路无功补偿容量的估算；

输电线路所吸收的无功功率通常分为两部分：输电线路中电抗的无功功率和输电线路中电纳的无功功率。计算其无功功率的表达式如下：

式中—输电线路的无功功率；

—输电线路中电抗的无功功率；

—输电线路中电纳的无功功率；

—分别为输电线路输送的有功功率和无功功率；

—分别为输电线路两端的电压；

X—输电线路的电抗；

B—输电线路的等值电纳；

I—输电线路的电流；

风电机组无功补偿容量的估算：

变速双馈感应风电机是一种绕线式异步风电机，其本身能够补偿自身一定的无功补偿容量。变速双馈感应风电机的转子绕组通过背靠背双PWM电压变频器与电网相连，这个背靠背双PWM电压变频器可以用来控制变速双馈感应风电机的频率和机端电压。在风电机运行时通过向转子施加变频电流来控制定子处的的机端电压和频率稳定。因此当其正常运行时，不会从电网中吸收无功功率。但是，对变速双馈感应风电机补偿的无功容量不仅要考虑其正常运行时，还要考虑风电场故障或低电压穿越状态下的需求，才能保证风电场电压的稳定性。此时，电网电压将会严重下降，从而定子回路会流过很大的故障电流，而转子回路则关闭转子侧变流器，并且将转子回路中的旁路保护装置投入风电机，此时变速双馈感应风电机会向电网吸收大量无功功率。考虑到变速双馈感应风电机在正常运行时不会向电网吸收有功功率，补偿的无功容量只是用来满足风电场故障或低电压穿越状态下的需求，因此，因此风电场所需的总的无功补偿容量估算值可以按风电场装机容量的10%-20%计算。

风电场接入地区的电网，所以风电场的无功与电网电压波动相关；

风电场i所需调节的无功与负荷节点j的电压波动的关系为：

式中、分别为节点i注入的无功功率对节点j电压变化的灵敏度和节点j的电压变化量；

如果风电场所接电网的电压波动超出所规定的范围时根据上式对所需的无功补偿量进行计算。同时考虑到风电场发出无功的能力即输出的无功功率不能超出风电场无功功率的上下限，有:

其中为风电场能够发出的无功功率的上下限，为风电场已发出的无功功率。

如果所需补偿量超出风电场发出无功功率的能力，则按下式取其无功补偿量：

然后判断补偿后电压波动是否在允许的范围内；

其中为将电压恢复到初始值所需的无功补偿量。如果无功补偿后电压仍然超出所允许的电压波动范围则需投入无功补偿装置对其进行补偿。

基于风电场无功功率带来的电压波动，采用自动电压控制系统进行电压的管控，自动电压控制系统基于无功“分层分区、就地平衡”的原则，采集电网实时运行数据，在确保电力系统安全稳定运行的前提下，对无功电压设备进行在线优化闭环控制，保证电网电压质量合格，实现无功分层分区平衡，降低网损。针对多风电场分布式接入区域电网的实际情况，根据无功电压分级递阶控制原则，自动电压控制负责网内无功电压的实时数据处理、在线分区、控制与优化策略计算、运行监视等；各变电站作为控制的执行者，承担站内的调压和无功补偿设备的自动控制任务，同时将站内的状态信息反馈给主站；风电场自动电压控制子系统作为自动电压控制子站，根据主站下达的优化控制目标和风电场当前的运行状态，协调控制场内的调压装置、无功补偿设备和各风电机组的无功出力，同时将场内的状态信息反馈给主站。

风电场SCADA系统主要包含通信接口模块、数据采集模块(包括并网点及场内各监测点的电压、电流、有功功率、无功功率、风速等)、风电功率预测模块、控制参数整定模块、功率控制模块等。风电功率预测模块主要实现风电功率的超短期预测、短期预测；参数整定模块主要是根据风电场运行状态、主站控制指令、风功率超短期预测曲线等，计算风电场内各设备的优化控制目标；风电控制模块将风电机组的无功控制目标进行分配并下达至各风电机组。

当风电场无法提供足够的无功功率进行补偿时，通过电力系统进行无功补偿。

电力系统无功优化问题的数学模型一般包括功率平衡约束、控制变量约束、状态变量约束以及目标函数。

(1)约束条件

等式约束：

电力系统中任意节点i的有功功率和无功功率满足功率平衡方程：

式中，分别为节点i注入的有功、无功及电压；为节点i的发电机有功和无功出力；为节点i的负荷功率；为节点i的补偿电容容量；为节点i和j之间的电导和电纳，及两者间的电压相位差；N为系统节点总数。

不等式约束：

为了保证电网的安全运行和电能质量，电网电压等必须运行在额定范围内，同时发电机的输出也是有限制的，这些限制构成了电网运行的状态变量约束。与之相对，发电机端电压调节、变压器档位调节以及补偿电容量都受到了设备本身或者其它客观调节约束，这些限制则构成了电网运行的控制变量。

在含风电机组的配电网系统中，状态变量的不等式约束为：

式中，分别为PQ节点i电压及其上下限电压，m为PQ节点数。

控制变量约束为

式中，分别为电容组i的实际投入容量及其上下限。为电容组数。．

(2)目标函数

电力系统无功优化的目标函数通常从几个方面因素进行考虑：

(a)网损最小；

(b)电压水平最好；

(c)综合经济效益最大；

考虑网损最小，第k个断面下的目标函数可以表示为

为断面k下的网损。对于状态变量约束，采用了罚函数的形式进行了处理，则

为违反电压约束的惩罚因子，分别为节点电压及其上限和下限；

全断面下的无功优化目标函数可以表示为：

式中，n为所选断面总数；为第k个断面的发生概率；为第k个断面下的目标函数值。

求解并根据无功补偿值投入无功补偿设备进行无功补偿。

通过对风电场中产生无功功率的设备进行分析，从而计算出风电场中的无功功率，并通过自动电压控制来消除风电场无功接入电网的电压波动，同时补偿风电场的无功，当风电场的无功超出风电场的补偿范围时，采用电力系统进行无功补偿。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于风电接入的无功功率补偿控制方法，其特征在于，在风电场中，需要吸收无功功率的器件分为三部分：变压器、输电线路和风电机组，变压器吸收无功功率，在变压器的一次线圈建立磁场，从而在二次线圈感应出电压，风电机组吸收无功功率来建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，产生有功功率，输电线路中有很多感性元件，也需要吸收无功功率。

2.如权利要求1所述的基于风电接入的无功功率补偿控制方法，其特征在于，变压器所吸收的无功功率分为两部分：空载无功功率与负载无功功率，无功功率的表达式如下：

式中—变压器所吸收总的无功功率；

—变压器的空载无功功率；

—变压器的负载无功功率；

S—变压器的视在功率；

—变压器的额定容量；

—变压器空载电流百分值；

—变压器短路阻抗百分值；

输电线路所吸收的无功功率分为两部分：输电线路中电抗的无功功率和输电线路中电纳的无功功率，无功功率的表达式如下：

式中—输电线路的无功功率；

—输电线路中电抗的无功功率；

—输电线路中电纳的无功功率；

—分别为输电线路输送的有功功率和无功功率；

—分别为输电线路两端的电压；

X—输电线路的电抗；

B—输电线路的等值电纳；

I—输电线路的电流；

风电场所需的无功补偿容量值按风电场装机容量的10%-20%计算。

3.如权利要求2所述的基于风电接入的无功功率补偿控制方法，其特征在于，风电场i所需调节的无功与负荷节点j的电压波动的关系为：

式中、分别为节点i注入的无功功率对节点j电压变化的灵敏度和节点j的电压变化量；

如果风电场所接电网的电压波动超出所规定的范围时，根据上式对所需的无功补偿量进行计算，同时考虑到风电场发出无功的能力即输出的无功功率不能超出风电场无功功率的上下限；

其中为风电场能够发出的无功功率的上下限，为风电场已发出的无功功率；

如果所需补偿量超出风电场发出无功功率的能力，则按下式取其无功补偿量：

并判断补偿后电压波动是否在允许的范围内；

其中为将电压恢复到初始值所需的无功补偿量，如果无功补偿后电压仍然超出所允许的电压波动范围则需投入无功补偿装置对其进行补偿。

4.如权利要求3所述的基于风电接入的无功功率补偿控制方法，其特征在于，风电场SCADA系统主要包含通信接口模块、数据采集模块、风电功率预测模块、控制参数整定模块、功率控制模块，风电功率预测模块实现风电功率的超短期预测、短期预测；参数整定模块根据风电场运行状态、主站控制指令、风功率超短期预测曲线，计算风电场内各设备的优化控制目标；风电控制模块将风电机组的无功控制目标进行分配并下达至各风电机组。

5.如权利要求4所述的基于风电接入的无功功率补偿控制方法，其特征在于，电力系统无功优化问题的数学模型包括功率平衡约束、控制变量约束、状态变量约束以及目标函数；

(1)约束条件

等式约束：

电力系统中任意节点i的有功功率和无功功率满足功率平衡方程

式中，分别为节点i注入的有功、无功及电压；为节点i的发电机有功和无功出力；为节点i的负荷功率；为节点i的补偿电容容量；为节点i和j之间的电导和电纳，及两者间的电压相位差；N为系统节点总数；

不等式约束：

在含风电机组的配电网系统中，状态变量的不等式约束为：

式中，分别为PQ节点i电压及其上下限电压，m为PQ节点数；

控制变量约束为

式中，分别为电容组i的实际投入容量及其上下限，为电容组数。

6.如权利要求5所述的基于风电接入的无功功率补偿控制方法，其特征在于，考虑网损最小，第k个断面下的目标函数表示为：

为断面k下的网损，对于状态变量约束，采用了罚函数处理，则

为违反电压约束的惩罚因子，分别为节点电压及其上限和下限；

全断面下的无功优化目标函数可以表示为：

式中，n为所选断面总数；为第k个断面的发生概率；为第k个断面下的目标函数值；解并根据无功补偿值投入无功补偿设备进行无功补偿。