CN107069797A - 一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，采集风电场出口侧母线电压实际数据，以及风电场总的有功功率和无功功率并将其表示为P_i、Q_i；步骤2，计算无功功率的需求量；步骤3，根据不同情况，分别进行控制。本发明的方法克服分散式风电场在并网发电过程中由于过电压而脱网的问题，针对过电压问题，有效解决分散式风电并网安全的问题。

Description

一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网方法

技术领域

本发明属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域，涉及一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网方法。

背景技术

随着风力发电技术的飞速发展，风电渗透率也不断提高，分散式风电场因地制宜的就近接入配电网在改善配电线路末端电压质量问题的同时，也出现了因过电压而脱网的问题，对风电高效消纳产生影响。因此，确保风电场在风速变化导致风电出力波动的情况下能够安全稳定运行，具有重要的理论意义和工程价值。分散式风电场接入配电网后，传统单电源网络变为多电源网络，由于风电出力的随机波动性，风电场的有功输出对并网点电压产生影响，当风电场出力较大而配电线路中所带负荷较小时，并网点可能出现过电压现象而导致风机脱网，影响风电消纳。

目前，国内外对于双馈风电机组运行控制方式主要有两种：1)恒功率因数控制方式，在风电场有功出力变化时，保证功率因数恒定不变，风电机组输出端电压在一定范围内变化；2)恒电压控制方式，在风电场有功出力变化时，保持风电机组输出端电压恒定，风电机组功率因数在一定范围内可调。但是，第1)类控制方式不能发挥双馈风力发电机组的电压无功调节能力，进而使整个风电场参与电网电压无功调节的能力降低，不利于风电场和电网的电压稳定。第2)类控制方式，风速的随机波动使输电线路潮流频繁变化，给控制系统的稳定性带来了挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网方法，克服分散式风电场在并网发电过程中由于过电压而脱网的问题，针对过电压问题，有效解决分散式风电并网安全的问题。

本发明的技术方案是，一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采集风电场出口侧母线电压实际数据，以及风电场总的有功功率和无功功率并将其表示为P_i、Q_i；

步骤2，计算无功功率的需求量；

步骤3，根据不同情况，分别进行控制。

本发明的特征还在于，

所述的步骤2具体为，计算无功功率的需求量，将当前时刻的前两个控制周期测得的电气量做差，近似等于该控制周期QV曲线的斜率，乘以目标电压值V_tar与实际电压值V_i的差，即，

按照公式(1)计算出无功功率的需求量。

所述的步骤3具体按照以下步骤实施，

步骤3.1，根据风场集控运行平台，检测出并网点电压值V_i，

步骤3.2，判断并网点电压V_i是否在可稳态运行的电压区间内，若V_i在可稳态运行的电压区间内，则风场运行状况维持稳态运行；否则转入步骤3.3进行判定；

步骤3.3，判断V_i是否位于可短时运行需调控的电压区间内，如果V_i在可短时运行需调控的电压区间内，则以V₃ ^max为目标电压值，根据式(1)来求得无功需求量；若V_i并不位于电压区间(V₃ ^max，V₂ ^max)内，则转步骤3.4；

步骤3.4，判断V_i是否位于危险运行的电压区间中，若位于(V₁ ^min，V₂ ^min)中，则以V₃ ^min为目标电压值根据式(1)来求得无功需求量，

若V_i位于区间(V₂ ^max，V₁ ^max)中，则以V₃ ^max为目标电压值，求出所发无功功率；

步骤3.5，根据步骤3.4、3.3和3.2中风场所需要提供的无功功率补偿量，来调节DFIG无功输出，使得电压恢复至稳态运行区间，或直至DFIG自身对应的无功功率输出极限。

所述的可稳态运行的电压区间为(V₂ ^min，V₃ ^max)，其中，V₂ ^min表示并网点可安全运行的最低并网点电压，V₃ ^max表示可安全运行的最高并网点电压；

所述的可短时运行需调控的电压区间为(V₃ ^max，V₂ ^max)，其中，V₂ ^max表示并网点可短时运行但需要调控的最高电压；

所述的危险运行的电压区间为(V₁ ^min，V₂ ^min)∪(V₂ ^max，V₁ ^max)，其中，V₁ ^min和V₁ ^max分别表示由于电压偏差较大，风机需要切除的最低与最高电压；

本发明的有益效果是：与现有单位功率因数和恒电压控制方式相比，1)本发明不需要配置无功补偿装置，可以减少设备投资，经济性好；2)对双馈感应型风力发电机组的无功输出进行控制，解决分散式风电场并网运行中的过电压脱网问题，实现分散式风电场连续、稳定运行。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是双馈感应型风力发电机静态功率容量曲线图；

图3是本发明分散式风电场母线电压区间示意图；

图4是本发明仿真验证模型的系统接线图；

图5(a)是本发明各周期节点电压分布图；

图5(b)是本发明各周期节点电压分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2所示为双馈感应型风力发电机运行在功率因数为±0.95范围内，不同风速下双馈感应型风力发电机的容量曲线。工程实际中，风电场功率因数应保持在±0.95之间。同时，图中给出了转差率为0.25，0.1，-0.05，-0.15和-0.25时的容量曲线。双馈风电场实现按容量曲线控制运行，既可以促使降低系统损耗，又改善扰动后故障电压的恢复，改善系统的性能，特别是在风电场低输出功率水平时。

2013年修订的《分布式电源接入配电网相关技术规范》中规定分布式电源与公共电网连接处功率因数应在1～滞后0.95之间。对于风电场运行电压，《风电场接入电网技术规定》中规定风电场并网点电压偏差在-10％～10％时，风电场应能正常运行，电压偏差在-10％～15％或者10％～15％之间时，风电场至少能够运行10s，而且风力机检有压定值一般整定为85％U_N。在《国家电网公司风电场接入电网技术规定(修订版)》中，将风电场并网点电压的理想运行区间设定为额定电压的-3％～7％。

如图3所示为分散式风电场母线电压区间示意图。当风电场出力较小时，风电场有功功率对配电网的电压支撑不足，利用风电场发出感性无功来提升电压，风电场功率因数则难以保证。

本文中出于对风电场功率因数和风电场内部电气连接上电压降落的考虑，设定V₁ ^min＝85％U_N，V₁ ^max＝115％U_N，V₂ ^min＝90％U_N，V₂ ^max＝110％U_N，V₃ ^min＝93％U_N，V₃ ^max＝107％U_N。文中提到的控制策略依据风电场并网点电压值划分为以下3个区域。

(1)可稳态运行的电压区间(V₂ ^min，V₃ ^max)；

(2)可短时运行需调控的电压区间(V₃ ^max，V₂ ^max)；

(3)危险运行的电压区间(V₁ ^min，V₂ ^min)∪(V₂ ^max，V₁ ^max)；

采用上述针对双馈风电机组并网有功最大控制策略，其包括以下步骤：

步骤1：采集风电场出口侧母线电压实际数据，以及风电场总的有功功率和无功功率并将其表示为P_i、Q_i。

步骤2：将当前时刻的前两个控制周期测得的电气量做差，近似等于该控制周期QV曲线的斜率，乘以目标电压值V_tar与实际电压值V_i的差，根据式(1)计算出无功功率的需求量。其具体数学表达式如式(1)所示。

步骤3：

步骤3.1，根据风场集控运行平台，检测出并网点电压值V_i。

步骤3.2，通过判断并网点电压是否在(V₂ ^min，V₃ ^max)之间。若满足，则风场运行状况维持稳态运行；否则进行下一次判定。

步骤3.3，若V_i满足(V₃ ^max，V₂ ^max)，判定处于可短时运行需调控区间，以V₃ ^max为目标电压值，根据式(1)来求得无功需求量。若V_i不在区间内，则判定处于危险运行电压区间。

步骤3.4，若V_i满足(V₁ ^min，V₂ ^min)，以V₃ ^min为目标电压值，根据式(1)来求得无功需求量，否则，以V₂ ^max为目标电压值，求出所需无功。

步骤3.5，根据风场所需要提供的无功补偿量，通过所提控制策略来调节无功输出，使得电压恢复至稳态运行区间，或直至DFIG无功输出能力耗尽。

实施例：

1)以图4狼尔沟风电场仿真模型为例，其中，图5(a)系统负荷偏重，导致系统整体电压较低。图5(b)系统负荷偏小，风电场出力较大，系统整体电压水平整体较高，风电场母线侧电压运行在短时运行需调控区间。

2)在以上两种情况下，可得控制策略结果如下

表1场景模式1的控制结果

表中可以看出，采取改控制方式后，风力机电压和风电场母线电压均可在两个周期内达到合格水平，也能够尽量保持风电场的功率因数在一个较高水平。

表2场景模式2的控制结果

由表中可以看出，在边缘电压区间，该控制策略根据实测电压与电压的理想运行区间上限，发出容性无功，在两个周期内使风电场母线侧电压恢复到理想运行区间。

本发明的方法，在满足风电场可连续运行的约束条件下，我们提出一种尽可能利用风能的并网有功最大控制策略，即考虑双馈感应型风力发电机自身的无功输出能力，使风场出口侧母线电压分为三个不同电压区间，根据不同的运行状况，来进行风机自身无功输出的调节，实现风机安全并网。同时，省去了无功补偿装置，从而实现经济运行。

充分利用双馈感应型风力发电机自身的无功输出能力，在并网点过电压时，进行持续无功输出，来维持风机安全并网。减去了无功补偿装置，所需投资少，有较好的经济性。

本发明目的是提供一种分散式风电场并网有功最大控制策略，该控制方式充分利用双馈感应型风力发电机的无功输出能力调整电压，具有控制灵活、投资成本低的优点。本发明所采用的技术方案是，对双馈感应型风力发电机的无功输出特性进行了研究，提出了并网有功最大控制策略的分散式风电场并网发电控制方式，根据风电场出口侧母线电压，将其分为稳态运行区间、短时运行需调控区间、危险运行电压区间；然后在短时运行需调控区间或危险运行电压区间时，对电压进行微调，尽量在短的时间内由边缘工作电压过渡到稳态运行区间。最后通过对调控量无功功率和调控目标合格的风电场出口侧电压的整定来进行控制策略的设计。

一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网策略，属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域。本发明包括以下步骤：利用双馈型风电场的无功能力，在满足风电场可连续运行的约束条件下，设置风电场出口侧母线电压运行控制区间，通过当个控制周期内采样点的平均值得到出口侧母线电压，判断电压所处区间，以此来使双馈型风力机进行不同控制方式下的无功输出，保证电压合格不越限。本发明提供的方法可以在运行约束条件下实现风机安全并网，并且最大可能避免风电场弃风限电，尽可能实现风能的完全利用。

Claims (4)

1.一种含双馈型风力发电机的分散式风电场并网方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采集风电场出口侧母线电压实际数据，以及风电场总的有功功率和无功功率并将其表示为P_i、Q_i；

步骤2，计算无功功率的需求量；

步骤3，根据不同情况，分别进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特点在于，所述的步骤2具体为，计算无功功率的需求量，将当前时刻的前两个控制周期测得的电气量做差，近似等于该控制周期QV曲线的斜率，乘以目标电压值V_tar与实际电压值V_i的差，即，

<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>Q</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>V</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

按照公式(1)计算出无功功率的需求量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特点在于，所述的步骤3具体按照以下步骤实施，

步骤3.1，根据风场集控运行平台，检测出并网点电压值V_i，

步骤3.2，判断并网点电压V_i是否在可稳态运行的电压区间内，若V_i在可稳态运行的电压区间内，则风场运行状况维持稳态运行；否则转入步骤3.3进行判定；

步骤3.3，判断V_i是否位于可短时运行需调控的电压区间内，如果V_i在可短时运行需调控的电压区间内，则以V₃ ^max为目标电压值，根据式(1)来求得无功需求量；若V_i并不位于电压区间(V₃ ^max，V₂ ^max)内，则转步骤3.4；

步骤3.4，判断V_i是否位于危险运行的电压区间中，若位于(V₁ ^min，V₂ ^min)中，则以V₃ ^min为目标电压值根据式(1)来求得无功需求量，

若V_i位于区间(V₂ ^max，V₁ ^max)中，则以V₃ ^max为目标电压值，求出所发无功功率；

步骤3.5，根据步骤3.4、3.3和3.2中风场所需要提供的无功功率补偿量，来调节DFIG无功输出，使得电压恢复至稳态运行区间，或直至DFIG自身对应的无功功率输出极限。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的可稳态运行的电压区间为(V₂ ^min，V₃ ^max)，其中，V₂ ^min表示并网点可安全运行的最低并网点电压，V₃ ^max表示可安全运行的最高并网点电压；

所述的可短时运行需调控的电压区间为(V₃ ^max，V₂ ^max)，其中，V₂ ^max表示并网点可短时运行但需要调控的最高电压；

所述的危险运行的电压区间为(V₁ ^min，V₂ ^min)∪(V₂ ^max，V₁ ^max)，其中，V₁ ^min和V₁ ^max分别表示由于电压偏差较大，风机需要切除的最低与最高电压。