CN105262112A - 风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法 - Google Patents

Abstract

为弥补现有技术不足，本发明提供了一种风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，包括以下步骤：S1通过SVC的数据采集与监视控制系统获取各个风电机组运行时实时的U、P、Q数据，并将获取的数据发送至集中控制端；S2集中控制端根据步骤S1获取的U、P、Q数据，计算得到无功功率的实时优化值Q_OPT；对比分析无功功率优化值Q_OPT与实时无功功率Q_ret，确定无功补偿设备的调节行为，并发送调节指令；S3SVC根据步骤S2发送的调节指令进行调控并重复步骤S1。本发明所述方法将整个系统的电压控制方式集中到一个控制系统中，动态优化各个风电场中的SVC的设置，统一协调具有动态调整能力的无功补偿设备，并根据在线信息发出综合控制指令。

Description

风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法

技术领域

本发明属于电网智能控制领域，涉及一种风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法。

背景技术

随着风电场并网容量的增加，风电的注入改变了局部电网的潮流分布，而风电的特点是波动性和间歇性，从而对局部电网的电压质量和稳定性产生很大的影响，并降低电压稳定性。为了维持电压稳定性，必须在每个风电场和变电站安装足够容量的动态无功补偿装置。

静止型无功补偿装置(以下称SVC)是一种广泛应用于风电场的无功补偿装置。单台SVC的基本控制方式包括定电压控制、定无功控制等。SVC在容性和感性范围内连续可调，响应速度快，从而能够实现电压和无功两个参数的综合控制。

SVC的基本原理和控制方式介绍如下:

1SVC的基本原理

SVC是一种并联无功发生器或吸收器，能够调节容性或感性无功功率，以维持或控制特定的电力系统参数(如母线电压)。SVC的主要功能是快速调节动态无功功率，以维持电压水平、消除电压闪变、抑制系统振荡等。常用的SVC有不同的形式，其中，晶闸管控制电抗器(TCR)型的SVC是应用最广泛的无功

TCR型SVC主要由滤波器组、晶闸管阀组和控制器等组成。当晶闸管的触发角改变时，流经电抗器的电流会相应地改变，以控制补偿功率。电抗器的基波电流为：

$B_R\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}\·X_R}$

其中，

α为触发角；

ω为电源的额定角频率；

X_R＝ωL为电抗器的基波电抗值，单位是Ω。

2.SVC的控制方式

单机SVC的常用控制方式包括定电压控制、定无功控制、定功率因数控制，以及辅助控制，例如慢速导纳控制、三相不平衡控制、过压欠压控制、TCR过流控制、附加阻尼控制等。

目前，对单台SVC的基本控制方式的研究已经相当成熟，但是，尚缺乏多台互联的SVC，即集群式SVC的综合控制方法。

发明内容

为弥补现有SVC控制方法的不足，本发明提出了一种风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，该方法包括以下步骤：

S1数据获取

通过SVC的数据采集与监视控制系统获取各个风电机组运行时实时的U、P、Q数据，并将获取的数据发送至集中控制端；

S2数据分析判断

集中控制端根据步骤S1获取的U、P、Q数据，计算得到无功功率的实时优化值Q_OPT；对比分析无功功率优化值Q_OPT与实时无功功率Q_ret，确定无功补偿设备的调节行为，并发送调节指令；

S3SVC调节

SVC根据步骤S2发送的调节指令进行调控并重复步骤S1。

步骤S2所述无功功率的实时优化值Q_OPT的计算方法为：

$Q_{OPT}=\min Q,Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_i,i=1,2,...,n$

其中，Q_i为各节点无功功率。

步骤S2还包括：对比分析变压器的实时电压U_ret和目标值U_ref之间的偏差±ΔU，确定SVC对所连接变压器分接头的调节行为。

步骤S2所述调节指令为：

当Q_OPT>Q_ret时，发出SVC增大无功输出量的指令，直至Q_ret＝Q_OPT；

当Q_OPT<Q_ret时，发出SVC减小无功输出量的指令，直至Q_ret＝Q_OPT。

步骤S2所述调节指令还包括：

当U_ret<U_ref时，发出SVC控制下调变压器的分接头的指令，直至U_ret≥U_ref；

当U_ret>U_ref时，发出SVC控制上调变压器的分接头的指令，直至U_ret≥U_ref。

其中，U_ref根据用户实际需要设定。

步骤S2还包括：对比分析实时电压Uret和实时功率Pret与它们的临界值Ucrit和Pcrit，确保在整个调节过程中，Uret和Pret不超过它们的临界值Ucrit和Pcrit。

本发明所述控制方法具有如下优点：

1.综合考虑了具有不同控制特性的设备，将整个系统的电压控制方式集中到一个控制系统中，动态优化各个风电场中的SVC的设置，统一协调具有动态调整能力的无功补偿设备，并根据在线信息发出综合控制指令；

2.对系统结构和负荷变化有很强的适应性，通过尽最大程度的优化电网的无功潮流，来提高安全和稳定极限已经输送能力，并降低网络损耗；

3.可以提高向外传输的能力极限，以充分发挥风电场的发电能力；

4.使SVC能够向电网提供必要的无功支持，以便于在电网故障时，帮助电网恢复。

附图说明

图1为风电场集群式SVC控制方法流程图；

图2为当SVC未投运时，在500kV变电站附近发生三相短路故障时的电压；

图3为当SVC以定电压控制方式投运时，在500kV变电站附近发生三相短路故障时的电压。

具体实施例

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请发明人根据经济电压差，创新性的提出了集群式SVC的思想、调节方式和过程，并以电网无功损耗最小为主要目标、以功率因数最大为次要目标、以电压的上下限为约束条件，建立了一个多目标优化模型。然后，发明人提出了风电场中集群式SVC的控制方式，集群式SVC根据整个系统的信息，同时控制多个地点的电压调节设备。最后，本申请针对并入电网的风电场中的集群式SVC进行了稳态潮流计算和暂态电压稳定性计算，分析了仿真结果，并得出了风电场中集群式SVC的集中控制的结论。

对于多台互联SVC，可以对上述的控制方式及其它控制策略和理论进行优化和组合，以形成综合优化控制策略。所述综合优化控制策略是指优先考虑受电压上下限约束的经济电压差的策略

集群式SVC的集中控制：

风电场中的集群式SVC的集中控制方式是指，根据整个系统的信息同时对多个地点的电压调节设备进行控制的方式。在这种情况下，要综合考虑具有不同控制特性的设备，将整个系统的电压控制方式集中到一个控制系统中，动态优化各个风电场中的SVC的设置，统一协调具有动态调整能力的无功补偿设备，并根据在线信息发出综合控制指令。集中控制系统的特点是对系统结构和负荷变化有很强的适应性，通过尽最大程度的优化电网的无功潮流，来提高安全和稳定极限已经输送能力，并降低网络损耗。

集群式SVC的控制调节方式为：

1)将定电压控制作为主控制目标，以维持变电站电压在合格的范围内；

2)在风电场的发电能力不受向外传输能力的限制时，应用无功网损优化的控制方式，发挥剩余的能力，以发出无功功率，并降低由无功不平衡引起的损耗。

基于经济电压差的无功功率和电压优化方法为：

集群式SVC的集中控制根据经济电压差对无功功率和电压进行优化。经济电压差是指维持输电线路的无功功率分点在线路中点时，线路两端的电压差值。在电压约束下，电网的每条线路都有无功功率分点，并保证每条线路的无功分点都位于中点处。在经济电压差ΔU_J的支持下，线路只服从由电阻中的有功功率引起的电压降，其中电压降为：

${\mathrm{\&Delta;U}}_J=\frac{P\&CenterDot;R+Q\&CenterDot;X}{U}=\frac{P\&CenterDot;R}{U}$

其中：P为线路负荷；

电压维持最好的质量，由线路中无功功率传输引起的有功损耗最小，是无功分点在首端或末端时的有功损耗的四分之一，同时连接线路两端的主变压器的有功损耗之和最小或接近最小。

由于变电站中的集群式SVC的控制系统只能控制相邻几个风电场中的SVC，所以必须对网络计算进行简化，以便于计算部分网络中优化的无功功率和电压。

根据本发明的一个实施例，一种如图1所示的风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，该方法包括以下步骤：

S1数据获取

通过SVC的数据采集与监视控制系统获取各个风电机组运行时实时的U、P、Q数据，并将获取的数据发送至集中控制端；发送的方式可以是有线网络通讯或无线网络通讯或通讯线连接方式。

S2数据分析判断

集中控制端根据步骤S1获取的U、P、Q数据，通过公式：

$Q_{OPT}=\min Q,Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{Q}_i,i=1,2,...,n$

计算得到无功功率的实时优化值Q_opt；

对比分析无功功率优化值Q_OPT与实时无功功率Q_ret：

当Q_OPT>Q_ret时，发出SVC增大无功输出量的指令。

当Q_OPT<Q_ret时，发出SVC减小无功输出量的指令。

对比分析变压器的实时电压U_ret和目标值U_ref之间的偏差±ΔU：

当U_ret<U_ref时，发出SVC控制下调变压器的分接头的指令，直至U_ret≥U_ref；

当U_ret>U_ref时，发出SVC控制上调变压器的分接头的指令，直至U_ret≥U_ref。

对比分析实时电压U_ret和实时功率P_ret与它们的临界值U_crit和P_crit，确保在整个调节过程中，U_ret和P_ret不超过它们的临界值U_crit和P_crit。

S3SVC调节

SVC根据步骤S2发送的调节指令进行调控并重复步骤S1，直至Q_ret＝Q_OPT，U_crit>U_ret≥U_ref，P_crit>P_ret。

根据上述实施例所述控制方法进行仿真实验及分析，结果如下：

应用BPA仿真软件，对并入一个500kV变电站的十个风电场进行仿真实验分析，以研究SVC对相关风电场的电压调节作用。在上述风电场中，风力发电机包括双馈机组和异步机组，并对异步机组考虑进行一定容量的电容器补偿。每个风电场的35kV升压站配备一台一定容量的SVC，容量为风电场容量的-12.5％(感性)～25％(容性)。SVC的控制策略包括定功率因数方式和定电压(升压站的220kV电压)方式。在变电站的低压侧，安装两组60Mvar的电容器进行无功补偿。

仿真实验包括稳态潮流计算和暂态稳定性计算。稳态潮流计算分析和比较了风电场在最大和最小运行方式下，SVC未投运、以定功率因数控制方式投运和以定电压控制方式投运等三种运行条件，进而提出了SVC的功能和控制方式的比较和选择建议。暂态电压稳定性计算分析了在升压站的SVC投运和未投运时，在变电站附近发生电网瞬时三相短路故障时，相关母线的电压波动情况，以进一步研究SVC的功能和控制方式。

仿真实验结果：

1稳态分析；

稳态潮流计算用于比较SVC未投运、以定功率因数控制方式投运和以定电压控制方式投运等三种运行条件下的电压波动情况。

SVC未投运时的电压：

当SVC未投运，十个风电场以最大运行方式运行时，风电场和变电站的电压如下：

表1SVC未投运时，十个风电场以最大运行方式运行时的电压

当SVC未投运，十个风电场以最小运行方式运行时，风电场和变电站的电压如下：

表2SVC未投运时，十个风电场以最小运行方式运行时的电压

SVC以定功率因数(0.98)控制方式运行时的电压：

当SVC以定功率因数(0.98)控制方式运行，十个风电场以最大运行方式运行时，风电场和变电站的电压如下：

表3SVC以定功率因数(0.98)控制方式运行，十个风电场以最大运行方式运行时的电压

当SVC以定功率因数(0.98)运行，十个风电场以最小运行方式运行时，风电场和变电站的电压如下：

表4SVC以定功率因数(0.98)运行，十个风电场以最小运行方式运行时的电压

SVC以定电压控制方式运行时的电压：

当SVC以定电压控制方式运行，十个风电场以最大运行方式运行时，风电场和变电站的电压如下：

表5SVC以定电压控制方式运行，十个风电场以最大运行方式运行时的电压

当SVC以定电压控制方式运行，十个风电场以最小运行方式运行时，风电场和变电站的电压如下：

表6SVC以定电压控制方式运行，十个风电场以最小运行方式运行时的电压

由表可知，未采用本发明所述集群式SVC集中控制方法的风电场和变电站电压差值为14.7，而采用了本发明所述集群式SVC集中控制方法-定功率因数时的电压差值为7.0，采用了本发明所述集群式SVC集中控制方法-定电压时的电压差值为2.9。可见，本发明所述集群式SVC集中控制方法可以有效降低电网电压偏差，提高电网静态电压稳定性。

2.暂态电压稳定性分析

当SVC未投运，十个风电场以最大运行方式运行时，在500kV变电站附近发生三相短路故障时的电压稳定性如图2所示；

当SVC以定电压控制方式投运，十个风电场以最大运行方式运行时，500kV变电站附近发生三相短路故障时的电压稳定性如图3所示。

对比分析图2和图3可知，在500kV变电站附近发生三相短路故障时，未投运SVC时，故障前，母线电压(标幺值)在0.97附近，在故障消除后，母线电压(标幺值)恢复到0.97附近。在风电场接入了采用了本发明所述集群式SVC后，故障前，母线电压(标幺值)在1附近，在故障消除后，母线电压(标幺值)恢复到1附近。可见，采用本发明所述集群式SVC可以很好的提高系统的暂态电压稳定性。

应该注意到并理解，在不脱离本发明权利要求所要求的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (5)

1.风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1数据获取

通过SVC的数据采集与监视控制系统获取各个风电机组运行时实时的U、P、Q数据，并将获取的数据发送至集中控制端；

S2数据分析判断

集中控制端根据步骤S1获取的U、P、Q数据，通过优化模型计算得到无功功率的实时优化值Q_OPT；对比分析无功功率优化值Q_OPT与实时无功功率Q_ret，确定无功补偿设备的调节行为，并发送调节指令；

S3SVC调节

SVC根据步骤S2发送的调节指令进行调控并重复步骤S1。

2.根据权利要求1所述风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，其特征在于，步骤S2所述调节指令为：

当Q_OPT>Q_ret时，发出SVC增大无功输出量的指令，直至Q_ret＝Q_OPT；

当Q_OPT<Q_ret时，发出SVC减小无功输出量的指令，直至Q_ret＝Q_OPT。

当U_ret<U_ref时，发出SVC控制下调变压器的分接头的指令，直至U_ret≥U_ref；

当U_ret>U_ref时，发出SVC控制上调变压器的分接头的指令，直至U_ret≥U_ref。

3.根据权利要求1所述风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，其特征在于，所述无功功率的实时优化值Q_OPT的优化模型为：minQ， $Q={\&Sigma;}_{i=1}^n{Q}_i,$ i＝1,2,…,n。

4.根据权利要求3所述风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，其特征在于，目标值U_ref根据用户实际需要设定。

5.根据权利要求1～5任一所述风电场集群式静止型无功补偿装置控制方法，其特征在于，步骤S2还包括：对比分析实时电压U_ret和实时功率P_ret与它们的临界值U_crit和P_crit，确保在整个调节过程中，U_ret和P_ret不超过它们的临界值U_crit和P_crit。