CN105262099A - 风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法，属于风电场电压无功自动调节技术领域，该方法包括：根据并网点母线电压和调度要求的电压上限值、下限值确定总无功调节量；根据总无功调节量的方向和风机当前所发无功的方向确定优先调节风机无功还是优先调节调压式无功补偿器档位；调节风机无功时根据无功向上可调量、向下可调量、调节步长和总无功调节量确定最终的调节量；调节调压式无功补偿器档位时检验调档范围。本发明方法通过优先调节风机无功扩大了风电场整体无功调节能力，减少了调压式无功补偿器档位调整的次数，两者配合最大限度减少了无功环流，提高了风电场运行的安全性和可靠性。

Description

风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法

技术领域

本发明属于风电场电压无功自动调节技术领域，特别涉及风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法。

背景技术

国标GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》指出：风电场的无功电源包括风电机组及风电场无功补偿装置。风电场要充分利用风电机组的无功容量及其调节能力；当风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置(如固定电容器)，必要时加装动态无功补偿装置。

按照该国标要求，风电场应配置无功电压控制系统(AVC子站)，具备无功功率调节及电压控制能力。根据电力系统调度机构(AVC主站)指令，AVC子站自动调节风电场内发出(或吸收)的无功功率，实现对风电场并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应能满足电力系统电压调节的要求。

该国标还规定，风电场的电压控制目标为：当公共电网电压处于正常范围内时，通过110(66)kV电压等级接入电网的风电场应能够控制风电场并网点电压在标称电压的97％～107％范围内，通过220kV及以上电压等级接入电网的风电场应能够控制风电场并网点电压在标称电压的100％～110％范围内。

固定电容器(CP)利用CP所在的开关进行投切操作可实现对CP无功输出的操作，但固定电容器开关的投切次数是有限的，CP退出运行后必须放电后方能重新投入使用，需要足够的延时，且投切过程会产生严重的操作过电压和合闸涌流，影响供电可靠性。

调压式无功补偿器的工作原理是在CP开关和CP之间串接一台特制的有载自耦调压器，通过调节调压器的有载分接开关档位改变CP电压，从而改变CP注入母线的无功量。调压式无功补偿器的使用寿命不小于50000次(国家标准)，可以满足20年～25年的使用时间。

基于上述调压式无功补偿器的工作特点，目前容性无功不足的风电场常会装设调压式无功补偿器进行无功调节。但是各地风电场调压式无功补偿器普遍不能同时兼顾风机无功出力，实际上没有充分利用好风电场整体无功调节能力。如何利用AVC子站的控制策略实现风机与调压式无功补偿器协调配合是急需解决的问题。

电气设备的无功输出分容性无功和感性无功，一般用正数表示容性无功、用负数表示容性无功。电气设备增加发出容性无功会提高并网点电压，电气设备增加发出感性无功会降低并网点电压。若有多个设备发出不同向的无功，反映在在并网点的总无功将是它们的代数和，且会在这些设备之间产生无功环流。比如两台风机A风机发出0.1MVar无功，B风机发出-0.1MVar无功，两者汇集到并网点的无功总和就是0MVar，实际上是A风机的0.1MVar无功流向了B风机，也就产生了无功环流。若A风机发出0.2MVar无功，B风机发出-0.2MVar无功，两者汇集到并网点的无功总和仍是0MVar，但A风机的0.2MVar无功流向了B风机，无功环流增加了。无功环流越大电网损耗也越大。若A风机发出0.1MVar无功，B风机发出0.01MVar无功，两者汇集到并网点的无功总和就是0.11MVar，A风机和B风机的无功都流向了并网点，两者之间没有无功流动，也就没有了无功环流。

由于调压式无功补偿器只能发出正向无功(容性无功)，当风机无功出力为负时，两者方向不一致，必然会有无功环流。此时如何协调两者的无功调节既保证并网点电压达到调度要求，又能尽量减少两者之间的无功环流，也是风机与调压式无功补偿器的协调配合策略需要重点解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法，本发明方法优先使用风机的无功调节能力，扩大了风电场无功调节能力，减少了调压式无功补偿器调档的次数；风机与调压式无功补偿器无功方向不一致且电压过高时优先降低调压式无功补偿器档位，可以最大限度减少无功环流，提高了风电场运行的安全性、可靠性和经济性。

本发明提出的风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)风电场调压式无功补偿器档位最小为1、最大记为T_{svc_max}；每档容量记为Q_{svc_i}；风机无功调节步长为Q_{gen_step}；

2)在调节周期到来时，从风电场监控系统可获取风机的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，分别记为Q_gen、Q_{gen_up}、Q_{gen_down}；获取调压式无功补偿器的当前无功和档位分别记为Q_svc和T_svc；获取并网点母线电压U_poc；获取风电场无功调节对并网点电压的灵敏度S_poc；从调度获取并网点母线电压上限值U_{poc_up}和下限值U_{poc_down}；

3)若并网点母线电压U_poc在上限值U_{poc_up}和下限值U_{poc_down}之间，表明电压合格，不必进行无功调节，则转步骤6)；

4)若U_poc＞U_{poc_up}，即并网点母线电压高于上限值，则需要降无功，无功下调量为：

Q_{set_down}＝(U_poc-U_{poc_up})/S_poc

4-1)若风机无功Q_gen≤0且调压式无功补偿器当前档位不为1，则优先执行调压式无功补偿器降档操作，转步骤6)；

4-2)若风机无功Q_gen≤0且调压式无功补偿器当前档位为1，表示已降到头，只能降风机无功，转步骤4-4)；

4-3)若风机无功Q_gen＞0，则优先降风机无功，转步骤4-4)；

4-4)检验风机无功调节步长和向下可调量后执行降风机无功操作：

若Q_{set_down}≥Q_{gen_step}，则无功下调量修正为Q_{set_down}＝Q_{gen_step}

若Q_{set_down}≥Q_{gen_down}，则无功下调量修正为Q_{set_down}＝Q_{gen_down}

风机无功设定值Q_{gen_set}为：Q_{gen_set}＝Q_gen–Q_{set_down}

转步骤6)；

5)若U_poc＜U_{poc_down}，即并网点母线电压低于下限值，则需要升无功，无功上调量为：

Q_{set_up}＝(U_{poc_down}-U_poc)/S_poc

5-1)若风机向上可调量Q_{gen_up}＞0，检验风机无功调节步长和向上可调量后优先执行升风机无功操作：

若Q_{set_up}≥Q_{gen_step}，则无功上调量修正为Q_{set_up}＝Q_{gen_step}

若Q_{set_up}≥Q_{gen_up}，则无功上调量修正为Q_{set_up}＝Q_{gen_up}

风机无功设定值Q_{gen_set}为：Q_{gen_set}＝Q_gen+Q_{set_up}

转步骤6)；

5-2)若风机向上可调量Q_{gen_up}＝0且调压式无功补偿器当前档位T_svc＜T_{svc_max}，则执行调压式无功补偿器升档操作；

若风机向上可调量Q_{gen_up}＝0且调压式无功补偿器档位为T_{svc_max}，表示已升到头，至此，风电场风机和调压式无功补偿器无功输出都调至最大值；

转步骤6)；

6)等待下一个调节周期，返回步骤2)。

本发明的特点及优点是：

本发明实现了风电场风机与调压式无功补偿器在无功调节时的协调配合。由于优先使用风机的无功调节能力，扩大了风电场无功调节能力，减少了调压式无功补偿器调档的次数。降压时若风机与调压式无功补偿器无功方向不一致则优先降调压式无功补偿器档位，升压时则一律优先升风机无功，两者配合最大限度减少了无功环流，提高了风电场运行的安全性、可靠性和经济性。

具体实施方式

下面结合一个具体实施例，介绍本发明的风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法。

本发明提出的风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)风电场调压式无功补偿器档位最小为1、最大记为T_{svc_max}；每档容量记为Q_{svc_i}；风机无功调节步长为Q_{gen_step}；

2)在调节周期到来时(调节周期为5～30秒可设)，从风电场监控系统可获取风机的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，分别记为Q_gen、Q_{gen_up}、Q_{gen_down}；获取调压式无功补偿器的当前无功和档位分别记为Q_svc和T_svc；获取并网点母线电压U_poc；获取风电场无功调节对并网点电压的灵敏度S_poc；从调度获取并网点母线电压上限值U_{poc_up}和下限值U_{poc_down}；

3)若并网点母线电压U_poc在上限值U_{poc_up}和下限值U_{poc_down}之间，表明电压合格，不必进行无功调节，则转步骤6)；

4)若U_poc＞U_{poc_up}，即并网点母线电压高于上限值，则需要降无功，无功下调量为：

Q_{set_down}＝(U_poc-U_{poc_up})/S_poc

4-1)若风机无功Q_gen≤0且调压式无功补偿器当前档位不为1，则优先执行调压式无功补偿器降档操作，转步骤6)；

4-2)若风机无功Q_gen≤0且调压式无功补偿器当前档位为1，表示已降到头，只能降风机无功，转步骤4-4)；

4-3)若风机无功Q_gen＞0，则优先降风机无功，转步骤4-4)；

4-4)检验风机无功调节步长和向下可调量后执行降风机无功操作：

若Q_{set_down}≥Q_{gen_step}，则无功下调量修正为Q_{set_down}＝Q_{gen_step}

若Q_{set_down}≥Q_{gen_down}，则无功下调量修正为Q_{set_down}＝Q_{gen_down}

风机无功设定值Q_{gen_set}为：Q_{gen_set}＝Q_gen–Q_{set_down}

转步骤6)；

5)若U_poc＜U_{poc_down}，即并网点母线电压低于下限值，则需要升无功，无功上调量为：

Q_{set_up}＝(U_{poc_down}-U_poc)/S_poc

5-1)若风机向上可调量Q_{gen_up}＞0，检验风机无功调节步长和向上可调量后优先执行升风机无功操作：

若Q_{set_up}≥Q_{gen_step}，则无功上调量修正为Q_{set_up}＝Q_{gen_step}

若Q_{set_up}≥Q_{gen_up}，则无功上调量修正为Q_{set_up}＝Q_{gen_up}

风机无功设定值Q_{gen_set}为：Q_{gen_set}＝Q_gen+Q_{set_up}

转步骤6)；

5-2)若风机向上可调量Q_{gen_up}＝0且调压式无功补偿器当前档位T_svc＜T_{svc_max}，则执行调压式无功补偿器升档操作；

若风机向上可调量Q_{gen_up}＝0且调压式无功补偿器档位为T_{svc_max}，表示已升到头，至此，风电场风机和调压式无功补偿器无功输出都调至最大值；

转步骤6)；

6)等待下一个调节周期，返回步骤2)。

本实施例的风电场风机装机容量为49.5MW(33台1.5MW风机)，风机总无功可调范围为±9.9MVar，调节步长为2MVar；调压式无功补偿装置容量为8MVar，分9档位调节，其中1档时输出无功为2MVar，9档时输出无功为8MVar，每档调节无功量为0.75MVar。采用了本发明提出的风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法，调节周期为30秒，具体调节过程通过以下三个典型案例来说明。

案例一：

1-1)(2015年9月16日21时23分0秒，案例一第一个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值-2.6MVar、无功向上可调量12.5MVar、向下可调量7.3MVar；调压式无功补偿器当前档位为1档；并网点母线电压223.23kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值224.5kV、下限值223.5kV。

1-2)由于223.23＜223.5，即并网点母线电压低于下限值，则需要升无功，总无功上调量为：(223.5–223.23)/0.1＝2.7(MVar)

优先升风机无功。由于总无功上调量2.7MVar＞风机无功调节步长2MVar，则风机无功上调量修正为2MVar，风机无功设定值为：(-2.6+2)＝-0.6(MVar)

2-1)(2015年9月16日21时23分30秒，案例一第二个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值-0.5MVar、无功向上可调量10.4MVar、向下可调量9.4MVar；调压式无功补偿器当前档位为1档；并网点母线电压223.42kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值224.5kV、下限值223.5kV。

2-2)由于223.42＜223.5，即并网点母线电压低于下限值，则需要升无功，总无功上调量为：(223.5–223.42)/0.1＝0.8(MVar)

优先升风机无功。风机无功设定值为：(-0.5+0.8)＝0.3(MVar)

3-1)(2015年9月16日21时24分0秒，案例一第三个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值0.2MVar、无功向上可调量9.7MVar、向下可调量10.1MVar；调压式无功补偿器当前档位为1档；并网点母线电压223.51kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值224.5kV、下限值223.5kV。

3-2)并网点母线电压223.51kV在上限值224.5kV和下限值223.5kV之间，表明电压合格，不必进行无功调节；

案例二：

1-1)(2015年9月16日23时12分0秒，案例二第一个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值9.9MVar、无功向上可调量0MVar、向下可调量19.8MVar；调压式无功补偿器当前档位为1档；并网点母线电压224.45kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值225.5kV、下限值224.5kV。

1-2)由于224.45＜224.5，即并网点母线电压低于下限值，则需要升无功，总无功上调量为：(224.5–224.45)/0.1＝0.5(MVar)

由于风机无功向上可调量为0MVar，无法再增加，只能选择升调压式无功补偿器档位；

2-1)(2015年9月16日23时12分30秒，案例二第二个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值9.9MVar、无功向上可调量0MVar、向下可调量19.8MVar；调压式无功补偿器当前档位为2档；并网点母线电压224.52kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值225.5kV、下限值224.5kV。

2-2)并网点母线电压224.52kV在上限值225.5kV和下限值224.5kV之间，表明电压合格，不必进行无功调节；

案例三：

1-1)(2015年9月17日6时43分0秒，案例三第一个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值1.8MVar、无功向上可调量8.1MVar、向下可调量11.7MVar；调压式无功补偿器当前档位为2档；并网点母线电压224.79kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值224.5kV、下限值223.5kV。

1-2)由于224.79＞224.5，即并网点母线电压高于上限值，则需要降无功，总无功下调量为：(224.79–224.5)/0.1＝2.9(MVar)

风机无功1.8MVar＞0，优先降风机无功。由于总无功下调量2.9MVar＞风机无功调节步长2MVar，则风机无功下调量修正为2MVar，风机无功设定值为：(1.8-2)＝-0.2(MVar)

2-1)(2015年9月17日6时43分30秒，案例三第二个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值-0.1MVar、无功向上可调量10.0MVar、向下可调量9.8MVar；调压式无功补偿器当前档位为2档；并网点母线电压224.61kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值224.5kV、下限值223.5kV。

2-2)由于224.61＞224.5，即并网点母线电压高于上限值，则需要降无功，总无功下调量为：(224.61–224.5)/0.1＝1.1(MVar)

风机无功-0.1MVar＜0，优先降调压式无功补偿器档位；

3-1)(2015年9月17日6时44分0秒，案例三第三个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值-0.1MVar、无功向上可调量10.0MVar、向下可调量9.8MVar；调压式无功补偿器当前档位为1档；并网点母线电压224.53kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值224.5kV、下限值223.5kV。

3-2)由于224.53＞224.5，即并网点母线电压高于上限值，则需要降无功，总无功下调量为：(224.53–224.5)/0.1＝0.3(MVar)

风机无功-0.1MVar＜0，调压式无功补偿器档位为1，已到头无法再降档位。只能降风机无功为(-0.1-0.3)＝-0.4(MVar)

4-1)(2015年9月17日6时44分30秒，案例三第四个调节周期)从风电场监控系统获取风机的当前无功值-0.5MVar、无功向上可调量10.4MVar、向下可调量9.4MVar；调压式无功补偿器当前档位为1档；并网点母线电压224.49kV，风电场无功调节对并网点电压的灵敏度(单位无功调节导致并网点电压变化的效果)0.1kV/MVar；从调度AVC主站获取并网点母线电压上限值224.5kV、下限值223.5kV。

4-2)并网点母线电压224.49kV在上限值224.5kV和下限值223.5kV之间，表明电压合格，不必进行无功调节；

从上述实施例可以看出，采用了本发明提出的风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法以后，实施例一仅调节风机无功出力就使电压上升到调度要求的范围，实施例二是在风机没有向上调节能力的情况下才采取升档措施，实施例三是先降低风机无功略小于0时再执行降档措施。实施例一和二由于优先使用风机的无功调节能力，减少了调压式无功补偿器调档的次数。实施例三在执行降档措施时虽然风机也有无功向下可调量，但由于优先执行降档，与下调风机无功相比，无功环流更小。可见风机与调压式无功补偿器两者协调配合能提高风电场电压调节能力，减少调压式无功补偿器调档次数，最大限度减少无功环流。

以上对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均作出的改变不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种风机与调压式无功补偿器协调配合的风电场电压调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)风电场调压式无功补偿器档位最小为1、最大记为T_{svc_max}；每档容量记为Q_{svc_i}；风机无功调节步长为Q_{gen_step}；

2)在调节周期到来时，从风电场监控系统可获取风机的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，分别记为Q_gen、Q_{gen_up}、Q_{gen_down}；获取调压式无功补偿器的当前无功和档位分别记为Q_svc和T_svc；获取并网点母线电压U_poc；获取风电场无功调节对并网点电压的灵敏度S_poc；从调度获取并网点母线电压上限值U_{poc_up}和下限值U_{poc_down}；

3)若并网点母线电压U_poc在上限值U_{poc_up}和下限值U_{poc_down}之间，表明电压合格，不必进行无功调节，则转步骤6)；

4)若U_poc＞U_{poc_up}，即并网点母线电压高于上限值，则降无功，无功下调量为：

Q_{set_down}＝(U_poc-U_{poc_up})/S_poc

4-1)若风机无功Q_gen≤0且调压式无功补偿器当前档位不为1，则优先执行调压式无功补偿器降档操作，转步骤6)；

4-2)若风机无功Q_gen≤0且调压式无功补偿器当前档位为1，表示已降到头，只能降风机无功，转步骤4-4)；

4-3)若风机无功Q_gen＞0，则优先降风机无功，转步骤4-4)；

4-4)检验风机无功调节步长和向下可调量后执行降风机无功操作：

若Q_{set_down}≥Q_{gen_step}，则无功下调量修正为Q_{set_down}＝Q_{gen_step}

若Q_{set_down}≥Q_{gen_down}，则无功下调量修正为Q_{set_down}＝Q_{gen_down}

风机无功设定值Q_{gen_set}为：Q_{gen_set}＝Q_gen–Q_{set_down}

转步骤6)；

5)若U_poc＜U_{poc_down}，即并网点母线电压低于下限值，则升无功，无功上调量为：

Q_{set_up}＝(U_{poc_down}-U_poc)/S_poc

5-1)若风机向上可调量Q_{gen_up}＞0，检验风机无功调节步长和向上可调量后优先执行升风机无功操作：

若Q_{set_up}≥Q_{gen_step}，则无功上调量修正为Q_{set_up}＝Q_{gen_step}

若Q_{set_up}≥Q_{gen_up}，则无功上调量修正为Q_{set_up}＝Q_{gen_up}

风机无功设定值Q_{gen_set}为：Q_{gen_set}＝Q_gen+Q_{set_up}

转步骤6)；

5-2)若风机向上可调量Q_{gen_up}＝0且调压式无功补偿器当前档位T_svc＜T_{svc_max}，则执行调压式无功补偿器升档操作；

若风机向上可调量Q_{gen_up}＝0且调压式无功补偿器档位为T_{svc_max}，表示已升到头，至此，风电场风机和调压式无功补偿器无功输出都调至最大值；

转步骤6)；

6)等待下一个调节周期，返回步骤2)。