CN105226716A - 一种分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法，包括以下步骤：1)检测风电机组出口的电压值和电流值，计算风电机组实时有功功率和无功功率值；2)根据风电机组出口的电流值，计算出虚拟阻抗电压值，形成负反馈以获得新的电压参考值；3)计算出机组当前的无功功率能力，即当前机组无功功率的最大值和最小值；4)获得下垂系数k^Q的修正系数a，计算出最优的下垂控制系数；5)根据风电机组实时无功功率、公共连接点电压值，实现下垂控制，计算出分布式风电机组输出无功功率的参考值，用以机侧变流器无功功率控制，通过风电机组的无功功率控制，实现公共连接点电压的控制。本发明系统电压稳定性良好、具有动态电压调节能力。

Description

一种分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制方法，尤其是一种风力发电机组自动电压控制方法。

背景技术

近年来，我国风电集中式规模化发展渐趋饱和，并网难问题日益突出。风电产业发展经历了爆发式增长，以集中式“大风电”为主，随着电力系统扩容需要，分布式风力发电以其效率高、方便灵活、占地要求低、建设周期短、成本低等优点，受到广泛关注。分布式风电一般规模较小，适用于靠近用电负荷中心的地区，便于就近并网、就地消纳。接入电网与大规模风电集中接入电网相比，节省了远距离输送电能的输变电设施(包含风电场内的集电线路、升压站、送至系统的输电线路)建设及维护费用。

分布式风电场直接连接在配电网，为用户提供需要的电能，那么分布式发电系统对电网的影响以及分布式发电系统接入电网的问题受到重点关注。由于分布式风电多处于偏远地区，常接于电网的末端，这将使并网后系统的潮流发生改变，影响电网的稳定性。同时，由于分布式风电接入的电网较弱，那么风电场对电力系统的影响也随之增大，进而对供电负荷产生较大影响，对电网产生的影响主要包括电力系统稳定性、电网频率、电能质量等方面。

分布式风电就近接入电网,不新建升压站,因此大多数情况下无法集中安装无功补偿设备,需要风电机组具有一定的无功调节能力进行电压控制。不同的电压等级中，输电线路呈现不同的参数特点。一般高压输电线路呈感性，中压输电线路呈阻感性，低压输电线路呈阻性。由于分布式风电机组接入配电网，中低压电缆电阻不能忽略。那么传统的下垂控制会导致有功功率和无功功率的耦合，导致系统电压不稳定。

发明内容

为了克服分布式风电接入电网带来的系统电压不稳定、无电压调节能力的不足，本发明提供一种系统电压稳定性良好、具有动态电压调节能力的分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

1)检测风电机组出口的电压值和电流值，计算风电机组实时有功功率和无功功率值；

2)根据风电机组出口的电流值，通过虚拟阻抗模块，计算出虚拟阻抗电压值，形成负反馈以获得新的电压参考值；

3)根据风电机组出口的电压值和电流值，送入无功功率能力评估模块，此模块根据风电机组的运行特性，计算出机组当前的无功功率能力，即当前机组无功功率的最大值和最小值；

4)通过虚拟阻抗值的大小、风力发电机组出口的电压值、风电机组的无功功率极限能力，获得下垂系数k_Q的修正系数a，计算出最优的下垂控制系数

5)根据风电机组实时无功功率、公共连接点电压值，实现下垂控制，计算出分布式风电机组输出无功功率的参考值，用以机侧变流器无功功率控制，最终通过风电机组的无功功率控制，实现公共连接点电压的控制。

进一步，述步骤4)中，优化步骤如下：

4.1)利用下垂控制系数k_Q和虚拟阻抗压降系数K_L寻找到风电机组输出的无功功率值Q_i；

4.2)利用风力发电机组实时有功功率和机组的特性，计算出风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)；

4.3)判断风电机组输出的无功功率值Q_i是否满足风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)，若满足，下垂控制系数确定。(4)若不满足，分为两种情况：当Q_i>Q_imax时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imax；当Q_i<Q_imin时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imin。

再进一步，所述步骤2)中，虚拟阻抗引入产生电压降，

虚拟阻抗产生的压降关系如下：

$K_L=\frac{\mathrm{\&Delta;}U}{Q_i}=\frac{X_i}{U_i}$

其中：K_L为虚拟阻抗压降系数；

ΔU为虚拟阻抗上产生电压降；

Q_i为风电机组实际无功功率输出值；

X_i为单台分布式风电机组的虚拟阻抗值；

U_i为单台分布式风电机组出口端电压值；

i为风电机组编号。

本发明的技术构思为：采用虚拟电抗的方法，防止中低压线路中有功功率和无功功率的耦合，并且充分利用双馈风力发电机组具有的无功功率能力；采用修正系数计算模块进行下垂系数修正，避免了虚拟阻抗带来的静态电压偏差以及防止风电机组无功功率能力不足，保证电压控制的精度以及电压控制的稳定性。

本发明的有益效果主要表现在：1、虚拟电抗采用实现分布式风电机组在中低压配电网中，通过无功功率调节实现公共连接点电压有效控制；2、修正系数计算避免了虚拟阻抗产生的电压误差；3、修正系数计算充分考虑了虚拟阻抗压降、风电机组无功功率能力等因素，系数需要根据风机的运行情况(风电机组机端电压、风电机组有功功率)进行动态调节。

附图说明

图1是风电机组分布式接入电力系统示意图

图2是单台风电机组分布式接入电网等值电路图。

图3是分布式风电机组控制图。

图4是分布式风电机组控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

1)检测风电机组出口的电压值和电流值，计算风电机组实时有功功率和无功功率值；

2)根据风电机组出口的电流值，通过虚拟阻抗模块，计算出虚拟阻抗电压值，形成负反馈以获得新的电压参考值；

3)根据风电机组出口的电压值和电流值，送入无功功率能力评估模块，此模块根据风电机组的运行特性，计算出机组当前的无功功率能力，即当前机组无功功率的最大值和最小值；

4)通过虚拟阻抗值的大小、风力发电机组出口的电压值、风电机组的无功功率极限能力，获得下垂系数k_Q的修正系数a，计算出最优的下垂控制系数

5)根据风电机组实时无功功率、公共连接点电压值，实现下垂控制，计算出分布式风电机组输出无功功率的参考值，用以机侧变流器无功功率控制，最终通过风电机组的无功功率控制，实现公共连接点电压的控制。

进一步，述步骤4)中，优化步骤如下：

4.1)利用下垂控制系数k_Q和虚拟阻抗压降系数K_L寻找到风电机组输出的无功功率值Q_i；

4.2)利用风力发电机组实时有功功率和机组的特性，计算出风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)；

4.3)判断风电机组输出的无功功率值Q_i是否满足风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)，若满足，下垂控制系数确定。(4)若不满足，分为两种情况：当Q_i>Q_imax时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imax；当Q_i<Q_imin时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imin。

参照图3，本发明主要通过改进双馈机组的机侧变流器控制实现。双馈风力发电机组通过坐标变换使得有功分量和无功分量解耦、调节，机侧变流器的无功功率参考值由恒功率因数控制方式变为由下垂控制模块给定。虚拟阻抗引入的电压叠加在机侧变流器电流控制器输出的q轴电压上，作为机侧变流器交流侧q轴电压参考值。

由于风电机组分布式接入电网，那么机组的地理位置较为分散，若采用通讯线的方法实现各个机组时间的协调控制，会大大限制机组地理位置的分布。根据机组分布式接入电网的结构特点以及机组的控制要求，采用无互联通讯线的下垂控制才能适应机组分布式接入电网的控制要求。

风力发电机组分布式接入配电网，接线示意图见图1。配电网的线路不同于高压线路中的感性阻抗特性，特别是电缆线路的使用，使得线路等效阻抗主要为阻感混合型。传统的下垂控制不适用于既有阻性线路又有感性线路的配电网，不能满足分布式机组的控制要求，由于中低压电路的特性以及机组的运行安全性要求，对各个分布式机组之间的无功分配效果以及机组的控制稳定性都会产生很大影响。

风力发电机组发出的功率通过并网点(或公共连接点)向电网输送功率，单台风电机组分布式接入电网等值电路图2。风电机组送入电网的功率如下：

$S=P+jQ=U_1{I}^{*}=U_1\left(\frac{U_1-U_2{e}^{j\mathrm{\&delta;}}}{{\mathrm{Ze}}^{-j\mathrm{\&theta;}}}\right)=\frac{U_1^2}{Z}{e}^{j\mathrm{\&theta;}}-\frac{U_1{U}_2}{Z}{e}^{j(\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&delta;})}$

$P=\frac{U_1^2}{Z}cos\mathrm{\&theta;}-\frac{U_1{U}_2}{Z}cos(\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&delta;})$

$Q=\frac{U_1^2}{Z}\sin \mathrm{\&theta;}-\frac{U_1{U}_2}{Z}\sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&delta;})$

其中：S为风电机组输送到公共连接点的复功率；

P为风电机组输送到公共连接点的有功功率；

Q为风电机组输送到公共连接点的无功功率；

I^*为风电机组输送到公共连接点的电流相量共轭值；

U₁为公共连接点电压值；

U₂为风电机组出口电压值；

δ为风电机组出口电压值相角；

Z为风电机组到公共连接点之间的阻抗值；

θ为风电机组到公共连接点之间的阻抗角。

当Z＝R+jX时，风电机组送入电网的有功功率和无功功率表达如下：

$P=\frac{U_1}{R^2+X^2}\&lsqb;R(U_1-U_{2}cos\mathrm{\&delta;})+{\mathrm{XU}}_2\sin \mathrm{\&delta;}\&rsqb;$

$Q=\frac{U_1}{R^2+X^2}\&lsqb;-{\mathrm{RU}}_2\sin \mathrm{\&delta;}+X(U_1-U_{2}cos\mathrm{\&delta;})\&rsqb;$

其中：P为风电机组输送到公共连接点的有功功率；

Q为风电机组输送到公共连接点的无功功率；

U₁为公共连接点电压值；

U₂为风电机组出口电压值；

δ为风电机组出口电压值相角；

R为风电机组到公共连接点之间的电阻值；

X为风电机组到公共连接点之间的电阻值；

θ为风电机组到公共连接点之间的阻抗角。

为了避免有功功率和无功功率的耦合，引入等效阻抗。风力发电机组有功功率追求最大化输出，那么希望利用风力发电机组具有的无功功率能力以实现电压的调节，因此将等效阻抗设计为纯感性。通过调节分布式风力发电机组输出的无功功率，实现多台分布式风电机组公共连接点电压的控制。那么设计下垂系数并计算出分布式风电机组需要输出的无功功率参考值，如下

$k_Q=\frac{U_{PCC}^{*}-U_{PCC\_min}}{-Q_{i\_\max }}$

$U_{Gi}-U_{PCC}^{*}=-k_Q(Q^{*}-Q_i)$

$Q^{*}=Q_i-\frac{U_{Gi}-U_{PCC}^{*}}{k_Q}$

其中，U_Gi为分布式风电机组出口电压值；

为公共连接点电压期望值；

Q^*为风电机组输出无功功率参考值；

Q_i为风电机组实际无功功率输出值；

k_Q为下垂控制比例系数。

U_{PCC_min}为公共连接点电压值最小值；

Q_{i_max}为最大有功功率输出情况下对应的最大无功功率值；

i为风电机组的编号。

由于虚拟阻抗的引入，会在虚拟阻抗上产生一定的电压降。为了弥补虚拟阻抗上产生的静态电压误差，那么需要对下垂控制系数k_Q进行修正。

虚拟阻抗产生的压降关系如下：

$K_L=\frac{\mathrm{\&Delta;}U}{Q_i}=\frac{X_i}{U_i}$

其中：K_L为虚拟阻抗压降系数；

ΔU为虚拟阻抗上产生电压降；

Q_i为风电机组实际无功功率输出值；

X_i为单台分布式风电机组的虚拟阻抗值；

U_i为单台分布式风电机组出口端电压值；

i为风电机组编号。

利用下垂控制系数k_Q、虚拟阻抗压降系数K_L、风电机组实时无功功率极限值、公共连接点电压允许波动范围进行下垂控制系数k_Q优化，提出下垂控制系数k_Q优化的修正系数a，计算出最优的下垂控制系数具体优化步骤如下：4.1)利用下垂控制系数k_Q和虚拟阻抗压降系数K_L寻找到风电机组输出的无功功率值Q_i；4.2)利用风力发电机组实时有功功率和机组的特性，计算出风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)；4.3)判断风电机组输出的无功功率值Q_i是否满足风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)，若满足，下垂控制系数确定；若不满足，分为两种情况：当Q_i>Q_imax时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imax；当Q_i<Q_imin时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imin。

参照图3，一种分布式双馈风力发电机组自动电压控制系统，包括：风电机组电气量检测模块、功率计算模块、虚拟阻抗模块、下垂控制模块、无功功率能力评估模块、修正系数计算模块,所述风电机组电气量检测模块采集分布式风电机组出口端的电压信号和电流信号；所述功率计算模块，通过风电机组出口端的电压信号和电流信号计算风电机组输出的有功功率和无功功率值；所述功率计算模块与下垂控制模块相连接；所述虚拟阻抗模块与风电机组电气量检测模块相连接，用来引入虚拟电抗；所述下垂控制模块加入到双馈风电机组机侧变流器的功率控制环，通过电压偏差确定无功功率的输出；所述无功功率能力评估模块通过机组的实时电压值、电流值和机组的固有运行特性，获得机组当前运行状态下无功功率极限能力(即机组无功功率的最大值及最小值)；所述修正系数计算模块是根据虚拟阻抗值的大小、风力发电机组出口的电压值、风电机组的无功功率极限能力，对下垂控制的比例系数进行修正。

Claims (3)

1.一种分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

1)检测风电机组出口的电压值和电流值，计算风电机组实时有功功率和无功功率值；

2)根据风电机组出口的电流值，通过虚拟阻抗模块，计算出虚拟阻抗电压值，形成负反馈以获得新的电压参考值；

3)根据风电机组出口的电压值和电流值，送入无功功率能力评估模块，此模块根据风电机组的运行特性，计算出机组当前的无功功率能力，即当前机组无功功率的最大值和最小值；

4)通过虚拟阻抗值的大小、风力发电机组出口的电压值、风电机组的无功功率极限能力，获得下垂系数k_Q的修正系数a，计算出最优的下垂控制系数

5)根据风电机组实时无功功率、公共连接点电压值，实现下垂控制，计算出分布式风电机组输出无功功率的参考值，用以机侧变流器无功功率控制，最终通过风电机组的无功功率控制，实现公共连接点电压的控制。

2.如权利要求1所述的分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，优化步骤如下：

4.1)利用下垂控制系数k_Q和虚拟阻抗压降系数K_L寻找到风电机组输出的无功功率值Q_i；

4.2)利用风力发电机组实时有功功率和机组的特性，计算出风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)；

4.3)判断风电机组输出的无功功率值Q_i是否满足风电机组当前输出无功功率的能力范围(Q_imin,Q_imax)，若满足，下垂控制系数确定；若不满足，分为两种情况：当Q_i>Q_imax时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imax；当Q_i<Q_imin时，计算修正系数a用以调节k_Q，使得风电机组输出无功功率值为Q_imin。

3.如权利要求1或2所述的分布式双馈风力发电机组自动电压控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，虚拟阻抗引入产生电压降，

虚拟阻抗产生的压降关系如下：

$K_L=\frac{\mathrm{\&Delta;}U}{Q_i}=\frac{X_i}{U_i}$

其中：K_L为虚拟阻抗压降系数；

ΔU为虚拟阻抗上产生电压降；

Q_i为风电机组实际无功功率输出值；

X_i为单台分布式风电机组的虚拟阻抗值；

U_i为单台分布式风电机组出口端电压值；

i为风电机组编号。