CN105207248A - 一种风电场恒定电压控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种风电场恒定电压控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电场恒定电压控制方法，包含以下步骤：采集有功功率实时值、无功功率实时值及电压实时值；获取电抗、电压给定值及无功功率输出额定值；根据有功功率实时值和电压实时值计算得到有功电流分量，根据无功功率实时值和电压实时值计算得到无功电流分量；根据电抗、电压给定值、有功电流分量及无功电流分量求取得到电压参考值；将所述电压参考值与电压实时值进行比较，得到电压差；根据电压差计算得到无功功率输出初始值；将无功功率输出初始值与无功功率输出额定值进行比较，得到无功功率补偿指令；根据无功功率补偿指令完成无功功率补偿。本发明结合风电场控制的特点，以提高风电场调度自动化控制水平，提高电网的电压稳定水平。

Description

一种风电场恒定电压控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及风电场控制技术，具体涉及一种风电场恒定电压控制系统及其控制方法。
背景技术
风能是随机和不可控的，风机输出的功率和电压也随机波动，对相对稳定的电力系统来说是一个干扰源。随着风电并网容量的不断增大，风速波动、电网强度和风电装机容量的大小都会给区域电网电压稳定带来一系列的问题，其中风电场引起的电压-无功问题是最早引起关注，也是实际运行中最为常见的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电场恒定电压控制系统及其控制方法，结合风电场控制的特点，以提高风电场调度自动化控制水平，提高电网的电压稳定水平。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种风电场恒定电压控制系统，用于风电场并网控制中，由一电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿，其中风电场的电能输出端通过一第一变压器连接至10kV母线，电池储能设备的电能输出端通过一第二变压器连接至10kV母线，10kV母线通过一第三变压器连接至35kV母线后接入电网，其特点是，该风电场恒定无功功率控制系统包含：
采集模块，用于采集当前时刻风电场出口端的有功功率实时值、无功功率实时值及电压实时值；
获取模块，用于获取第一变压器的电抗、风电场出口端的电压给定值及电池储能设备的无功功率输出额定值；
计算模块，与所述采集模块连接，用于根据有功功率实时值和电压实时值计算得到有功电流分量，根据无功功率实时值和电压实时值计算得到无功电流分量；
求取模块，分别与所述获取模块及计算模块连接，用于根据第一变压器的电抗、电压给定值、有功电流分量及无功电流分量求取得到风电场出口端的电压参考值；
差值求取模块，分别与所述采集模块及求取模块连接，用于将所述电压参考值与电压实时值进行比较，得到电压差；
PI调节器，与所述差值求取模块连接，用于根据电压差计算得到电池储能设备的无功功率输出初始值；
指令生成模块，分别与所述获取模块及PI调节器连接，用于将无功功率输出初始值与无功功率输出额定值进行比较，得到电池储能设备的无功功率补偿指令；
指令执行模块，与所述指令生成模块连接，用于根据无功功率补偿指令控制所述电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿。
所述的PI调节器包含一误差修正单元，分别连接所述差值求取模块及指令生成模块，用于完成对所述无功功率输出初始值进行误差修正。
所述的指令生成模块包含一判断单元，与所述PI调节器连接，用于判断所述无功功率输出初始值是否小于零；一比较单元，分别与所述获取模块及判断单元连接，用于比较无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小；选择单元，分别连接判断单元、比较单元及指令执行模块，用于根据无功功率输出初始值是否小于零及无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小关系，选择对应的无功功率补偿指令。
一种风电场恒定电压控制方法，其特点是，包含以下步骤：
S1、采集当前时刻风电场出口端的有功功率实时值、无功功率实时值及电压实时值；
S2、获取第一变压器的电抗、风电场出口端的电压给定值及电池储能设备的无功功率输出额定值；
S3、根据有功功率实时值和电压实时值计算得到有功电流分量，根据无功功率实时值和电压实时值计算得到无功电流分量；
S4、根据第一变压器的电抗、电压给定值、有功电流分量及无功电流分量求取得到风电场出口端的电压参考值；
S5、将所述电压参考值与电压实时值进行比较，得到电压差；
S6、根据电压差计算得到电池储能设备的无功功率输出初始值；
S7、将无功功率输出初始值与无功功率输出额定值进行比较，得到电池储能设备的无功功率补偿指令；
S8、根据无功功率补偿指令控制所述电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿。
所述的风电场恒定无功功率控制方法还包含一步骤S9，位于步骤S6与步骤S7之间；
S9、对所述无功功率输出初始值进行误差修正。
所述的步骤S7中包含：
S7.1、判断所述无功功率输出初始值是否小于零；
S7.2、比较无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小；
S7.3、根据无功功率输出初始值是否小于零及无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小关系，选择对应的无功功率补偿指令。
所述的步骤S7.3中包含：
若无功功率输出初始值大于等于零，且无功功率输出额定值大于等于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出初始值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值大于等于零，且无功功率输出额定值小于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出额定值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值小于零，且无功功率输出额定值大于等于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出初始值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值小于零，且无功功率输出额定值小于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出额定值的相反数设定为无功功率补偿指令。
本发明一种风电场恒定电压控制系统及其控制方法与现有技术相比具有以下优点：储能电池在有功出力的基础上，在变流器容量限制内通过发出或吸收无功保证10kV出口母线处的电压与给定值相同；结合风电场控制的特点，以提高风电场调度自动化控制水平，提高电网的电压稳定水平。
附图说明
图1为本发明一种风电场恒定电压控制系统的整体结构框图；
图2为本发明一种风电场恒定电压控制方法的流程图；
图3为平均风速为7m/s时，10kV母线电压控制效果图；
图4为平均风速在7m/s时，电池储能设备的无功出力示意图；
图5为需求无功出力均值与高压侧电压给定值的关系图；
图6为无功出力波动范围与高压侧电压给定值的关系图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种风电场恒定电压控制系统，用于风电场并网控制中，由一电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿，其中风电场的电能输出端通过一第一变压器连接至10kV母线，电池储能设备的电能输出端通过一第二变压器连接至10kV母线，10kV母线通过一第三变压器连接至35kV母线后接入电网，其特征在于，该风电场恒定无功功率控制系统包含：采集模块100，用于采集当前时刻风电场出口端的有功功率实时值、无功功率实时值及电压实时值；获取模块200，用于获取第一变压器的电抗、风电场出口端的电压给定值及电池储能设备的无功功率输出额定值；计算模块300，与所述采集模块100连接，用于根据有功功率实时值和电压实时值计算得到有功电流分量，根据无功功率实时值和电压实时值计算得到无功电流分量；求取模块400，分别与所述获取模块200及计算模块300连接，用于根据第一变压器的电抗、电压给定值、有功电流分量及无功电流分量求取得到风电场出口端的电压参考值；差值求取模块500，分别与所述采集模块100及求取模块400连接，用于将所述电压参考值与电压实时值进行比较，得到电压差；PI调节器600，与所述差值求取模块500连接，用于根据电压差计算得到电池储能设备的无功功率输出初始值；指令生成模块700，分别与所述获取模块200及PI调节器600连接，用于将无功功率输出初始值与无功功率输出额定值进行比较，得到电池储能设备的无功功率补偿指令；指令执行模块800，与所述指令生成模块700连接，用于根据无功功率补偿指令控制所述电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿。
在另外一些实施例中，所述的PI调节器600包含一误差修正单元601，分别连接所述差值求取模块500及指令生成模块700，用于完成对所述无功功率输出初始值进行误差修正。
在本实施例中，所述的指令生成模块700包含一判断单元701，与所述PI调节器600连接，用于判断所述无功功率输出初始值是否小于零；一比较单元27，分别与所述获取模块200及判断单元701连接，用于比较无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小；选择单元703，分别连接判断单元170、比较单元702及指令执行模块800，用于根据无功功率输出初始值是否小于零及无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小关系，选择对应的无功功率补偿指令。
如图2所示，一种风电场恒定电压控制方法，包含以下步骤：
S1、采集当前时刻风电场出口端的有功功率实时值、无功功率实时值及电压实时值；
S2、获取第一变压器的电抗、风电场出口端的电压给定值及电池储能设备的无功功率输出额定值；
S3、根据有功功率实时值和电压实时值计算得到有功电流分量，根据无功功率实时值和电压实时值计算得到无功电流分量；
S4、根据第一变压器的电抗、电压给定值、有功电流分量及无功电流分量求取得到风电场出口端的电压参考值；
S5、将所述电压参考值与电压实时值进行比较，得到电压差；
S6、根据电压差计算得到电池储能设备的无功功率输出初始值；
S7、将无功功率输出初始值与无功功率输出额定值进行比较，得到电池储能设备的无功功率补偿指令；
S8、根据无功功率补偿指令控制所述电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿。
在另外一些实施例中，较佳地，还包含一步骤S9，位于步骤S6与步骤S7之间；
S9、对所述无功功率输出初始值进行误差修正，以抵消变压器无功损耗。
在本实施例中，所述的步骤S7中包含：
S7.1、判断所述无功功率输出初始值是否小于零；
S7.2、比较无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小；
S7.3、根据无功功率输出初始值是否小于零及无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小关系，选择对应的无功功率补偿指令。
步骤S7.3中包含：
若无功功率输出初始值大于等于零，且无功功率输出额定值大于等于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出初始值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值大于等于零，且无功功率输出额定值小于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出额定值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值小于零，且无功功率输出额定值大于等于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出初始值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值小于零，且无功功率输出额定值小于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出额定值的相反数设定为无功功率补偿指令。
具体应用：在一具体实施例中，考虑到电池储能设备和变流器的额定容量，电池储能设备最多能响应2Mvar的无功指令。由于还需兼顾风电场有功出力的平滑，电池储能设备实际能完成的无功补偿更少。
该风电场的年平均风速在7m/s，故以平均风速为7m/s的随机风作为基本风速模型，以10m/s的随机风作为较高风速的模型对比储能的无功容量。
有功电流分量的计算公式为Ip＝Pw/Vw，式中Ip表示发电机有功电流分量，Pw表示风电场出口端的有功功率实时值，Vw表示风电场出口端的端电压；无功电流分量的计算公式为Iq＝Qw/Vw，式中Iq表示发电机无功电流分量，Qw表示风电场出口端的无功功率实时值，Vw表示风电场出口端的端电压；风电场出口端的电压参考值的计算公式为式中Vwref表示风电场出口端的电压参考值，VHref表示风电场出口端的电压给定值，恒电压控制下一般取为1，Xt表示第一变压器电抗，Ip表示发电机有功电流分量，Iq表示发电机无功电流分量。风电场出口端的端电压Vw与风电场出口端的电压参考值Vwref的差值经PI调节器输出电池储能设备的无功功率输出初始值，计算公式，Qbref＝KpΔV+ΔQbxt，式中Qbref表示电池储能设备的无功功率输出初始值，Kp取值为147，ΔV表示风电场出口端的端电压Vw与风电场出口端的电压参考值Vwref的差值，ΔV＝Vwref-Vw，ΔQbxt表示对无功功率输出初始值误差修正。
恒定电压控制采用高压侧电压控制方法，即只需对由风电场出口处的有功功率、无功功率及端电压生成的低压侧电压给定值进行控制即可保证变压器高压母线处电压保持恒定，具有很好的经济性。所用PI调节器传递函数中Kp取147，Ki取0.0014，控制流程中所有物理量均换算为标称值。国标规定系统的电压偏差不超过±5％，由于变压器低压侧连风电场，电压不适宜过低，所以35kv母线处电压偏差应保持在0～5％。
以高压侧电压给定值为1（p.u.）为例，在7m/s随机风速下的恒定电压控制效果和电池储能设备的无功出力如图3及图4所示。可见在风速波动的情况下母线电压仍然保持了恒定，而电池储能设备所需无功出力均小于1Mvar，在对应的无功容量范围内，所以此时电池储能设备可以兼顾风功率平滑和母线电压控制。
当高压侧电压给定值逐步提高时，由于补偿前的母线电压与给定值差值逐渐变大，电池储能设备需要补偿的无功出力也会增加。如图5所示，需求无功出力均值与高压侧电压给定值的关系图，其中线1表示平均风速在7m/s时，线2表示平均风速在10m/s时；如图6所示，无功出力波动范围与高压侧电压给定值的关系图，其中线3表示平均风速在7m/s时，线4表示平均风速在10m/s时。
由图5及图6所示，需求无功出力均值与高压侧电压给定值近似呈线性关系，而无功出力的波动性与风速大小正相关，由于高风速下电池储能设备无功容量容易偏小，故综合来看低风速时电池储能设备可以取得更好的恒电压控制效果。对照同时刻的电池储能设备无功容量，可知电压给定值小于1.02pu时无论平均风速为7m/s还是10m/s，电池储能设备均可以维持35kV母线电压恒定。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种风电场恒定电压控制系统，用于风电场并网控制中，由一电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿，其中风电场的电能输出端通过一第一变压器连接至10kV母线，电池储能设备的电能输出端通过一第二变压器连接至10kV母线，10kV母线通过一第三变压器连接至35kV母线后接入电网，其特征在于，该风电场恒定无功功率控制系统包含：
采集模块，用于采集当前时刻风电场出口端的有功功率实时值、无功功率实时值及电压实时值；
获取模块，用于获取第一变压器的电抗、风电场出口端的电压给定值及电池储能设备的无功功率输出额定值；
计算模块，与所述采集模块连接，用于根据有功功率实时值和电压实时值计算得到有功电流分量，根据无功功率实时值和电压实时值计算得到无功电流分量；
求取模块，分别与所述获取模块及计算模块连接，用于根据第一变压器的电抗、电压给定值、有功电流分量及无功电流分量求取得到风电场出口端的电压参考值；
差值求取模块，分别与所述采集模块及求取模块连接，用于将所述电压参考值与电压实时值进行比较，得到电压差；
PI调节器，与所述差值求取模块连接，用于根据电压差计算得到电池储能设备的无功功率输出初始值；
指令生成模块，分别与所述获取模块及PI调节器连接，用于将无功功率输出初始值与无功功率输出额定值进行比较，得到电池储能设备的无功功率补偿指令；
指令执行模块，与所述指令生成模块连接，用于根据无功功率补偿指令控制所述电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿。
2.如权利要求1所述的风电场恒定电压控制系统，其特征在于，所述的PI调节器包含一误差修正单元，分别连接所述差值求取模块及指令生成模块，用于完成对所述无功功率输出初始值进行误差修正。
3.如权利要求1或2所述的风电场恒定电压控制系统，其特征在于，所述的指令生成模块包含一判断单元，与所述PI调节器连接，用于判断所述无功功率输出初始值是否小于零；一比较单元，分别与所述获取模块及判断单元连接，用于比较无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小；选择单元，分别连接判断单元、比较单元及指令执行模块，用于根据无功功率输出初始值是否小于零及无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小关系，选择对应的无功功率补偿指令。
4.一种风电场恒定电压控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、采集当前时刻风电场出口端的有功功率实时值、无功功率实时值及电压实时值；
S2、获取第一变压器的电抗、风电场出口端的电压给定值及电池储能设备的无功功率输出额定值；
S3、根据有功功率实时值和电压实时值计算得到有功电流分量，根据无功功率实时值和电压实时值计算得到无功电流分量；
S4、根据第一变压器的电抗、电压给定值、有功电流分量及无功电流分量求取得到风电场出口端的电压参考值；
S5、将所述电压参考值与电压实时值进行比较，得到电压差；
S6、根据电压差计算得到电池储能设备的无功功率输出初始值；
S7、将无功功率输出初始值与无功功率输出额定值进行比较，得到电池储能设备的无功功率补偿指令；
S8、根据无功功率补偿指令控制所述电池储能设备完成对风电场的无功功率补偿。
5.如权利要求4所述的风电场恒定无功功率控制方法，其特征在于，进一步包含一步骤S9，位于步骤S6与步骤S7之间；
S9、对所述无功功率输出初始值进行误差修正。
6.如权利要求4或5所述的风电场恒定无功功率控制方法，其特征在于，所述的步骤S7中包含：
S7.1、判断所述无功功率输出初始值是否小于零；
S7.2、比较无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小；
S7.3、根据无功功率输出初始值是否小于零及无功功率输出额定值与无功功率输出初始值的绝对值的大小关系，选择对应的无功功率补偿指令。
7.如权利要求6所述的风电场恒定无功功率控制方法，其特征在于，所述的步骤S7.3中包含：
若无功功率输出初始值大于等于零，且无功功率输出额定值大于等于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出初始值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值大于等于零，且无功功率输出额定值小于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出额定值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值小于零，且无功功率输出额定值大于等于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出初始值设定为无功功率补偿指令；
若无功功率输出初始值小于零，且无功功率输出额定值小于无功功率输出初始值的绝对值，则将无功功率输出额定值的相反数设定为无功功率补偿指令。
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