CN106130068B - 一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统及方法，属于风电场并网运行无功电压控制技术领域；该系统包括：无功电压控制模块、交换机、风电场数据处理模块、风机控制器、无功补偿设备控制器、风机参数采集装置和无功补偿设备无功功率采集装置；该方法首先计算风电场无功电压控制的无功功率，确定各风电场应发出的无功功率，其次对各风电场无功功率进行优化分配，得到优化后的各风机的无功功率和无功补偿设备的无功功率，最后通过调节各风机的转子侧电流和各无功补偿设备的开关，调节各风机和无功补偿设备的无功功率；本发明能够解决风机满发无功造成风机寿命降低的问题和风电场运行不经济和风机脱网的问题。

Description

一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统及方法
技术领域
本发明属于风电场并网运行无功电压控制技术领域，具体涉及一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统及方法。
背景技术
随着风电在电力系统中的并网容量日趋增长，针对风电场并网点电压控制的研究越来越深入，风电场无功电压的控制方法也越来越多。
在风电场并网点电压控制的方法中，充分利用双馈型风电机的无功能力进行无功电压控制可以减少无功补偿设备的投入及使用，在一定程度上能够降低风电场的投资。但对双馈型风电机的研究中发现，风电机满发无功的时间越长，风电机的使用寿命会比同类型、同工况下不满发无功的风电机的使用寿命降低。
针对满发无功影响风电机使用寿命的问题，国内外做了一些研究，在风电场无功电压的控制方法中，考虑风机的无功裕度，在风电场内的无功功率分配策略上采用按无功裕度分配到每台风机，每台风机发出的无功功率相等。这种方法虽然解决了风机无功满发的问题，但无法对风电场内的网损及节点电压进行优化，又会造成风电场运行不经济和风机脱网的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统及方法。
本发明的技术方案：
一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统，包括：
无功电压控制模块、交换机、位于不同风电场中的多个风电场无功电压控制装置，每个风电场无功电压控制装置包括：风电场数据处理模块、风机控制器、无功补偿设备控制器、风机参数采集装置和无功补偿设备无功功率采集装置；所述风机参数采集装置包括：用于采集风机线电压的电压传感器、用于采集风机线电流的电流传感器、用于采集风机有功功率的传感器、用于采集风机无功功率的传感器和用于采集风机电压频率传感器；
所述风电场数据处理模块的输出端分别与风机控制器的输入端、无功补偿设备控制器的输入端相连接；风电场数据处理模块的输入端分别与风机参数采集装置输出端、无功补偿设备无功功率采集装置的输出端相连接；风电场数据处理模块通过交换机与无功电压控制模块连接；所述无功电压控制模块通过交换机与变电站连接；风机控制器的输出端连接风机；无功补偿设备控制器的输出端连接无功补偿设备；
所述无功电压控制模块，用于根据风机参数采集装置采集的风机基本参数和无功补偿设备无功功率采集装置采集的无功补偿设备无功功率确定风电场应发出的无功功率，并对各风电场应发出的无功功率进行优化分配，将得到的优化后的各风机的无功功率和无功补偿设备的无功功率通过交换机发送给风电场无功电压控制装置。
所述风电场数据处理模块，包括数据采集处理器和信号传输器；
所述数据采集处理器，用于将风机参数采集装置采集的风机基本参数和无功补偿设备无功功率采集装置采集的无功补偿设备的无功功率进行数据处理，并通过信号传输器发送给交换机；通过信号传输器接收优化后的各风机的无功功率和优化后的无功补偿设备的无功功率，并通过风机控制器和无功补偿设备控制器调节各风机无功功率和各无功补偿设备无功功率。
信号传输器，用于与交换机进行通信。
采用基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统的基于无功裕度的风电场集群无功电压控制的方法，包括以下步骤：
步骤1：在无功电压控制模块中的设定死区阈值，并通过交换机获取变电站发送的风电场并网点参考电压幅值和风电场并网点当前电压幅值；
步骤2：无功电压控制模块计算并网点电压偏差值，若并网点电压偏差值大于死区阈值，则执行步骤3，否则，返回步骤1；
步骤3：无功电压控制模块根据存储的上一次风电场无功电压控制前后的并网点电压及风电场的无功功率，计算此次风电场无功电压控制的无功功率；
步骤4：风机参数采集装置和无功补偿设备无功功率采集装置实时采集风机基本参数和无功补偿设备的无功功率并传输至无功电压控制模块，无功电压控制模块确定无功补偿设备当前无功调节范围和风机的当前无功调节范围；
步骤4.1：风机参数采集装置实时采集风机基本参数，无功补偿设备无功功率采集装置实时采集无功补偿设备的无功功率，并发送给风电场数据处理模块；
步骤4.2：风电场数据处理模块将风机基本参数和无功补偿设备的无功功率进行数据处理，并通过交换机传送至无功电压控制模块；
步骤4.3：无功电压控制模块确定各风电场无功补偿设备当前无功调节范围和各风机的当前无功调节范围；
步骤5：在无功电压控制模块中设定各风电场风机总无功裕度，根据各风电场中风机发出的最大无功功率，无功补偿设备的最大无功功率，对此次风电场无功电压控制的无功功率在各风电场间进行分配，确定各风电场应发出的无功功率：
其中，Ql为各风电场应发出的无功功率；Q为此次风电场无功电压控制的无功功率；Qlmax为各风电场中风机发出最大无功功率Qlimax为各风机的当前可调无功功率最大值；Qlyd为各风电场风机总无功裕度；QlBmax为无功补偿设备当前的可调无功功率最大值；1≤l≤p，1≤i≤n，n为各风电场中风机的个数，p为风电场个数。
步骤6：无功电压控制模块对各风电场无功功率进行优化分配，得到优化后的各风机的无功功率和优化后的无功补偿设备的无功功率；
步骤6.1：在无功电压控制模块中设定风电机无功裕度，各风机当前可调无功功率最大值变为各风机发出的无功功率最大值减去风机无功裕度；
步骤6.2：无功电压控制模块将风电场中节点电压偏差最小、网损最小及无功裕度偏差最小作为无功优化的目标函数，将潮流方程等式约束和风机无功调节量上下限不等式约束作为各风电场无功优化的约束条件，对各风电场进行优化，得到优化后的各风机的无功功率；
所述风电场中节点电压偏差最小、网损最小和无功裕度偏差最小的无功优化的目标函数为：
F＝λ1F1+λ2F2+λ3F3；
其中，F2＝min Ploss；m为风电场中节点个数；Ujref、Uj为风电场中各节点参考电压和当前电压；Ploss为风电场的网损；Qli为优化后的各风机的无功功率；λ1、λ2、λ3为F1、F2、F3的权重系数。
步骤6.3：无功电压控制模块判断优化后的各风机无功功率的总和是否大于各风电场应发出的无功功率，若是，令优化后的无功补偿设备的无功功率为零，并执行步骤7，否则，执行步骤6.4；
步骤6.4：无功电压控制模块根据优化后的各风机的无功功率计算优化后的无功补偿设备的无功功率；
步骤6.5：无功电压控制模块判断优化后的无功补偿设备的无功功率是否在无功补偿设备的调节范围内，若是，执行步骤7；否则，将无功补偿设备当前的可调无功功率最大值作为优化后的无功补偿设备的无功功率；
步骤7：将优化后的各风机的无功功率和优化后的无功补偿设备的无功功率通过交换机传送至各风电场的风电场数据处理模块；
步骤8：各风电场数据处理模块通过控制风机控制器调节各风机的转子侧电流，进而调节各风机的无功功率，通过控制无功补偿设备控制器，控制各无功补偿设备的开关，进而调节各无功补偿设备的无功功率。
有益效果：一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统及方法与现有技术相比，具有如下优势：
(1)能够解决风机满发无功造成风机寿命降低的问题；
(2)能够解决风电场运行不经济和风机脱网的问题。
附图说明
图1为本发明一种实施方式中基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式中基于无功裕度的风电场集群无功电压控制方法的流程图；
图3为本一种实施方式中无功电压控制模块对当前各风电场中风电机的无功功率进行优化计算的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
本实施方式中，以国内某风电场集群为例，该风电场集群有4个风电场，每个风电场中有32台1.5MW的双馈感应风机，总容量192MW。各风电场中有4条支路，每条支路连接有8台风机。风机的出口电压为690V，经2MWVA的箱式变压器升至35kV连接至风电场联结点，再经主变压器汇总到220kV母线，对外输送电能。
如图1所示，本实施方式的基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统，包括：
无功电压控制模块、交换机、位于不同风电场中的多个风电场无功电压控制装置，每个风电场无功电压控制装置包括：风电场数据处理模块、风机控制器、无功补偿设备控制器、风机参数采集装置和无功补偿设备无功功率采集装置；所述风机参数采集装置包括：用于采集风机线电压的电压传感器、用于采集风机线电流的电流传感器、用于采集风机有功功率的传感器、用于采集风机无功功率的传感器和用于采集风机电压频率传感器；
所述风电场数据处理模块的输出端分别与风机控制器的输入端、无功补偿设备控制器的输入端相连接；风电场数据处理模块的输入端分别与风机参数采集装置输出端、无功补偿设备无功功率采集装置的输出端相连接；风电场数据处理模块通过交换机与无功电压控制模块连接；所述无功电压控制模块通过交换机与变电站连接；风机控制器的输出端连接风机；无功补偿设备控制器的输出端连接无功补偿设备；
所述无功电压控制模块，用于根据风机参数采集装置采集的风机基本参数和无功补偿设备无功功率采集装置采集的无功补偿设备无功功率确定风电场应发出的无功功率，并对各风电场应发出的无功功率进行优化分配，将得到的优化后的各风机的无功功率和无功补偿设备的无功功率通过交换机发送给风电场无功电压控制装置。本实施方式中，无功电压控制模块，包括处理器和存储器；处理器型号为S7-400CPU416-3PN/DN，集成了以太网接口，无须以太网模块就可以建立以太网通信；交换机型号为SCALANCEX208。
本实施方式中，存储器采用Flash存储，用于存储风电场中各风机的基本属性参数、风机基本参数、各风机有功功率、各风机无功功率、无功补偿设备的无功功率、风电场中的节点电压和风电场的整个网络拓扑图，上一次风电场无功电压控制前后并网点电压及上一次风电场无功电压控制前后风电场的无功功率。
所述的风电场中各风机的基本属性参数包括：风电场各线路的阻抗值、各线路的导纳值、各风机箱变阻抗值、各风机定子电阻、各风机转子电阻、各风机励磁感抗、各风机定子漏抗和各风机转子侧变流器最大电流。
所述风电场数据处理模块，包括数据采集处理器和信号传输器；
本实施方式中，数据采集处理器采用型号为C8051F120，用于将风机参数采集装置采集的风机基本参数和无功补偿设备无功功率采集装置采集的无功补偿设备的无功功率进行数据处理，并通过信号传输器发送给交换机；通过信号传输器接收优化后的各风机的无功功率和优化后的无功补偿设备的无功功率，并通过风机控制器和无功补偿设备控制器调节各风机无功功率和各无功补偿设备无功功率。
本实施方式中，信号传输器采用该型号为RTL8019AS，用于与交换机进行通信。
本实施方式中，所有硬件系统默认自带电源管理模块。
如图2所示，本实施方式的采用基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统的基于无功裕度的风电场集群无功电压控制的方法，包括以下步骤：
步骤1：在处理器中的设定死区阈值，并通过交换机获取变电站发送的风电场并网点参考电压幅值Uref和风电场并网点当前电压幅值Umea；
本实施方式中，设定并网点死区阈值为0.01，获取的风电场并网点电压幅值Uref为1.0p.u.，风电场并网点当前电压幅值Umea为0.91053p.u.。
步骤2：处理器计算并网点电压偏差值ΔU，若ΔU大于死区阈值，则执行步骤3，否则，返回步骤1；
本实施方式中，计算并网点电压偏差ΔU方式如(1)所示：
ΔU＝|Umea-Uref| (1)
步骤3：处理器根据存储的上一次风电场无功电压控制前后的并网点电压U1、U1'及风电场的无功功率Q1、Q1'，计算此次风电场无功电压控制的无功功率Q；本实施方式中无功功率Q如式(2)所示：
计算得到的风电场并网点当前所需无功补偿量Q为5.167Mvar。
步骤4：传感器实时采集风机基本参数和无功补偿设备的无功功率并传输至无功电压控制模块，处理器确定无功补偿设备当前无功调节范围和各风机的当前无功调节范围；
步骤4.1：各风机参数传感器实时采集风机基本参数，无功补偿设备传感器实时采集无功补偿设备的无功功率，并发送给各风电场子模块；
步骤4.2：数据采集处理器将风机基本参数和无功补偿设备的无功功率进行数据处理，并通过交换机传送至处理器；
步骤4.3：处理器确定各风电场无功补偿设备当前无功调节范围[QlBmim,QlBmax]和各风机的当前无功调节范围[Qlimim,Qlimax]，其中，QlBmim为无功补偿设备当前的可调无功功率最小值，QlBmax为无功补偿设备当前的可调无功功率最大值，Qlimin为各风机的当前可调无功功率最小值，Qlimax为各风机的当前可调无功功率最大值；其中，1≤l≤p，1≤i≤n，n为风电场中风机的个数，p为风电场个数，本实施方式中，风电场个数为4。
本实施方式中，各风机的当前时刻无功调节范围[Qlimim,Qlimax]是根据各风机的定子侧电压、定子侧电抗、励磁电抗和转子侧变流器最大电流确定的。
各风机的当前时刻可调无功功率最大值Qlimax的公式如式(3)所示：
其中，1≤l≤4，1≤i≤32，Usi＝690V为风机定子侧电压，Xsi＝0.07Ω为风机定子侧电抗，Xmi＝1.033Ω为风机励磁感抗，Irimax为风机转子侧变流器最大电流，Pwi为风机输出功率，s为转差率。
各风机的当前时刻可调无功功率最小值Qlimin的公式如式(4)所示：
本实施方式中，确定的无功补偿设备当前调节范围为[QlBmim,QlBmax]＝[0,8Mvar]，各风机的当前无功调节范围为[Qlimim,Qlimax]＝[0,0.22Mvar]。
步骤5：在处理器中设定各风电场风机总无功裕度Qlyd，根据各风电场中风机发出的最大无功功率Qlmax，无功补偿设备的最大无功功率QlBmax，对Q在各风电场间进行分配，确定各风电场应发出的无功功率Ql；
所述各风电场应发出的无功功率Ql的计算公式如下：
其中，设定各风电场风机总无功裕度Qlyd为5.7Mvar，各风电场应发出的无功功率Ql为1.3Mvar。
步骤6：处理器对各风电场无功功率进行优化分配，得到优化后的各风机的无功功率Qli，并确定优化后的无功补偿设备的无功功率QlB，如图3所示，具体为：
步骤6.1：在处理器中设定风电机无功裕度Qlfjyd，各风机的当前可调无功功率最大值变为各风机发出的无功功率最大值减去风机无功裕度，即Q'limax＝Qlimax-Qlfjyd；本实施方式中，设定风电机无功裕度Qlfjyd为0.05Mvar。
步骤6.2：处理器建立风电场集群无功电压控制的数学模型，将风电场中节点电压偏差最小、网损最小及无功裕度偏差最小作为无功优化的目标函数，将潮流方程等式约束和风机无功调节量上下限不等式约束作为各风电场无功优化数学模型的约束条件，对各风电场进行优化，得到优化后的各风机的无功功率Qli；
本实施方式中，风电场各条支路电压偏差最小、网损最小和无功裕度偏差最小的无功优化的目标函数为：
F＝λ1F1+λ2F2+λ3F3 (6)
其中，F2＝min Ploss；m为风电场中节点个数；Ujref、Uj为风电场中各节点参考电压和当前电压；Ploss为风电场的网损如式(7)所示；λ1、λ2、λ3为F1、F2、F3的权重系数。
本实施方式中，λ1、λ2、λ3分别为0.33、0.33、0.34。
本实施方式中，潮流方程等式约束条件如式(8)所示：
其中，Pj为各节点注入的有功功率，Qj为各节点注入的无功功率，Uk为支路中k节点当前电压幅值，Uj为支路中j节点当前电压幅值，Gjk和Bjk为支路中j节点和k节点的互导纳，Gjj和Bjj为支路中j节点的自导纳，θjk为支路中节点j和节点k的电压相角差。
本实施方式中，各风机的无功调节量上下限不等式约束如式(9)所示：
Qlimim≤Qli≤Q'limax (9)
步骤6.3：处理器判断优化后的各风机的无功功率的总和∑Qli是否大于各风电场应发出的无功功率Ql，若是，令优化后的无功补偿设备的无功功率QlB＝0，并执行步骤7，否则，执行步骤6.4；
步骤6.4：处理器根据优化后的各风机的无功功率Qli计算优化后的无功补偿设备无功功率QlB：
步骤6.5：处理器判断优化后的无功补偿设备的无功功率QlB是否在无功补偿设备的调节范围[QlBmim,QlBmax]内，若是，将QlB作为优化后的无功补偿设备的无功功率，否则，将无功补偿设备当前的可调无功功率最大值QlBmax作为优化后的无功补偿设备的无功功率；
本实施方式中，以其中一个风电场为例，使用粒子群算法求解，得到此风电场中的风机的无功功率如表1所示。将各风机无功优化后的无功功率累加，得到风电场无功功率为1.32Mvar，大于风电场应发无功功率Ql＝1.3Mvar，满足风电场无功功率的需求。
表1风电场中风机所发的无功功率
步骤7：将优化后的各风机的无功功率Qli和优化后的无功补偿设备的无功功率QlB通过交换机传送至各数据采集处理器；
步骤8：各数据采集处理器通过控制风机控制器调节各风机的转子侧电流，进而调节各风机的无功功率，通过控制无功补偿设备控制器，控制各无功补偿设备的开关，进而调节各无功补偿设备的无功功率。

Claims (4)

1.一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制的方法，采用一种基于无功裕度的风电场集群无功电压控制系统，包括：
无功电压控制模块、交换机、位于不同风电场中的多个风电场无功电压控制装置，每个风电场无功电压控制装置包括：风电场数据处理模块、风机控制器、无功补偿设备控制器、风机参数采集装置和无功补偿设备无功功率采集装置；所述风机参数采集装置包括：用于采集风机线电压的电压传感器、用于采集风机线电流的电流传感器、用于采集风机有功功率的传感器、用于采集风机无功功率的传感器和用于采集风机电压频率传感器；
所述风电场数据处理模块的输出端分别与风机控制器的输入端、无功补偿设备控制器的输入端相连接；风电场数据处理模块的输入端分别与风机参数采集装置输出端、无功补偿设备无功功率采集装置的输出端相连接；风电场数据处理模块通过交换机与无功电压控制模块连接；所述无功电压控制模块通过交换机与变电站连接；风机控制器的输出端连接风机；无功补偿设备控制器的输出端连接无功补偿设备；
该方法包括以下步骤：
步骤1：在无功电压控制模块中的设定死区阈值，并通过交换机获取变电站发送的风电场并网点参考电压幅值和风电场并网点当前电压幅值；
步骤2：无功电压控制模块计算并网点电压偏差值，若并网点电压偏差值大于死区阈值，则执行步骤3，否则，返回步骤1；
步骤3：无功电压控制模块根据存储的上一次风电场无功电压控制前后的并网点电压及风电场的无功功率，计算此次风电场无功电压控制的无功功率；
步骤4：风机参数采集装置和无功补偿设备无功功率采集装置实时采集风机基本参数和无功补偿设备的无功功率并传输至无功电压控制模块，无功电压控制模块确定无功补偿设备当前无功调节范围和风机的当前无功调节范围；
步骤5：在无功电压控制模块中设定各风电场风机总无功裕度，根据各风电场中风机发出的最大无功功率，无功补偿设备的最大无功功率，对此次风电场无功电压控制的无功功率在各风电场间进行分配，确定各风电场应发出的无功功率；
步骤6：无功电压控制模块对各风电场无功功率进行优化分配，得到优化后的各风机的无功功率和优化后的无功补偿设备的无功功率；
步骤7：将优化后的各风机的无功功率和优化后的无功补偿设备的无功功率通过交换机传送至各风电场的风电场数据处理模块；
步骤8：各风电场数据处理模块通过控制风机控制器调节各风机的转子侧电流，进而调节各风机的无功功率，通过控制无功补偿设备控制器，控制各无功补偿设备的开关，进而调节各无功补偿设备的无功功率；
其特征在于，步骤6具体包括：
步骤6.1：在无功电压控制模块中设定风机无功裕度，各风机当前可调无功功率最大值变为各风机发出的无功功率最大值减去风机无功裕度；
步骤6.2：无功电压控制模块将风电场中节点电压偏差最小、网损最小及无功裕度偏差最小作为无功优化的目标函数，将潮流方程等式约束和风机无功功率调节量上下限不等式约束作为各风电场无功优化的约束条件，对各风电场进行优化，得到优化后的各风机的无功功率；
步骤6.3：无功电压控制模块判断优化后的各风机无功功率的总和是否大于各风电场应发出的无功功率，若是，令优化后的无功补偿设备的无功功率为零，并执行步骤7，否则，执行步骤6.4；
步骤6.4：无功电压控制模块根据优化后的各风机的无功功率计算优化后的无功补偿设备的无功功率；
步骤6.5：无功电压控制模块判断优化后的无功补偿设备的无功功率是否在无功补偿设备的调节范围内，若是，执行步骤7；否则，将无功补偿设备当前的可调无功功率最大值作为优化后的无功补偿设备的无功功率。
2.根据权利要求1所述的基于无功裕度的风电场集群无功电压控制的方法，其特征在于：步骤4具体包括：
步骤4.1：风机参数采集装置实时采集风机基本参数，无功补偿设备无功功率采集装置实时采集无功补偿设备的无功功率，并发送给风电场数据处理模块；
步骤4.2：风电场数据处理模块将风机基本参数和无功补偿设备的无功功率进行数据处理，并通过交换机传送至无功电压控制模块；
步骤4.3：无功电压控制模块确定各风电场无功补偿设备当前无功调节范围和各风机的当前无功调节范围。
3.根据权利要求1所述的基于无功裕度的风电场集群无功电压控制的方法，其特征在于：
所述各风电场应发出的无功功率计算公式如下：
其中，Ql为各风电场应发出的无功功率；Q为此次风电场无功电压控制的无功功率；Qlmax为各风电场中风机发出最大无功功率Qlimax为各风机的当前可调无功功率最大值；Qlyd为各风电场风机总无功裕度；QlBmax为无功补偿设备当前的可调无功功率最大值；1≤l≤p，1≤i≤n，n为各风电场中风机的个数，p为风电场个数。
4.根据权利要求1所述的基于无功裕度的风电场集群无功电压控制的方法，其特征在于，步骤6.2中无功优化的目标函数为：
F＝λ1F1+λ2F2+λ3F3；
其中，F2＝minPloss；m为风电场中节点个数；Ujref、Uj为风电场中各节点参考电压和当前电压；Ploss为风电场的网损；Qli为优化后的各风机的无功功率；λ1、λ2、λ3为F1、F2、F3的权重系数，Qlimax为各风机的当前可调无功功率最大值；Qlyd为各风电场风机总无功裕度。
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