CN107332251A - 一种双馈风机风电场参与电力系统动态电压控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双馈风机风电场参与电力系统动态电压的控制的方法，属于电力系统运行和控制技术领域，该方法包括：建立双馈风机风电场参与动态电压控制架构；风电场测量并网点电压、有功与无功功率完成对外等值辨识；风电场生成输出无功功率参考值；依照潮流线性化方法，建立各双馈风机无功出力分配模型，实现各双馈风机无功出力快速计算，同时保证计算准确性。本发明方法充分利用双馈风机的无功调节能力，实现双馈风机风电场整体的电压动态无差调节，同时，能够实现双馈风机间无功功率的合理分配，保证系统的安全运行。另外，风电场通过周期性测量并网点数据完成与更新对外等值辨识，获取外部系统参数。

Description

一种双馈风机风电场参与电力系统动态电压控制的方法
技术领域
本发明涉及一种双馈风机风电场参与电力系统动态电压控制的方法，属于电力系统运行和控制技术领域。
背景技术
面对着日益严峻的环境问题，大力发展可再生能源是解决经济发展困境与优化能源结构的最有效措施之一。其中，风力发电被广泛认为是替代传统能源的有效方案之一，各国竞相发展风力发电，风电装机容量逐年上升，增长迅速。
在我国，风电场基本采用大规模风机形成集群，进而并网的路线,集中在固定电网区域。因为风能天然的随机性与波动性，大规模风电并网对于电力系统将形成巨大挑战，使得系统安全稳定运行有着庞大压力，对于系统频率和电压稳定性影响显著。其中最典型的问题就是大规模风电接入引起的并网点电压剧烈波动，严重情况下电压越限使得局部电网崩溃。
目前，风电场主要采用双馈风机发电。双馈电机可以实现有功、无功的解耦控制，基于双馈式感应发电机的变速风电机组在并网时，具有无功调节的能力；双馈式风电机组具有不同的控制策略，可以依据不同的系统运行方式进行调节，使得双馈风电机组并网时可以根据电压控制的需求吸收或发出相应的无功功率。
然而，目前大多数双馈风机风电场被设定在恒功率因数运行方式，没有较好利用其无功调节能力。部分地区虽采取借鉴变电站电压调整的九区图结构，拟合线性结构，类似下垂控制来实现风电机群电压自动控制。但是此类方法还不够灵活，且不能完全调动每个风电机组的无功调节能力，还不能适应实际使用中动态调压的快速与稳定要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种双馈风机风电场参与电力系统动态电压控制的方法，利用分解协调架构与通信技术，基于广域PI调节方法，以满足风电场整体参与系统动态电压调节的目标，使其实现电压的实时无差调节，且可按照不同双馈风机的调节能力在双馈风机之间合理分配功率，保证双馈风机的安全运行，改善风电场动态调压性能。
本发明提出的一种双馈风机风电场参与电力系统动态调压方法，包括两个流程，即对外戴维南等值电路辨识和动态调压流程，两个流程均按照一定周期循环执行，由风电场协调控制器完成。其中动态调压流程还将通过广播通信的方式将场站层的信息定时发送给双馈风机控制器同时也接收双馈风机的节点测量信息，该方法步骤如下：
(1)设定双馈风机风电场并网点状态采样周期Tu为0.5秒，设定双馈风机风电场的对外等值辨识周期Tp为10秒，记采样周期Tu中的任意时刻为的tu，记对外等值辨识周期Tp中的任意时刻为tp，初始化时，分别设tu、tp为零；
(2)采集双馈风机风电场并网点的电压Uc、有功功率Pc与无功功率Qc，在每个采样周期中对上述状态变量进行一次采样，记第t个采样周期中采样得到的双馈风机风电场并网点的电压为Uc t，有功功率为Pc t，无功功率为Qc t，初始化时，设t＝1；
(3)对tp进行判断，若tp≥Tp，则进行步骤(4)，若tp＜Tp，则进行步骤(6)；
(4)采用戴维南等值方法，进行双馈风机风电场对外等值辨识，得到双馈风机风电场外部等值电路的电阻R、电抗X和外部等值电势E，具体过程如下：
(4-1)建立双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场外部等值电势的关系如下：
其中，R为双馈风机风电场外部等值电路的电阻，X双馈风机风电场外部等值电路的电抗，E为双馈风机风电场外部等值电路的外部等值电势；
根据上述双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场外部等值电势的关系，得到一个双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场并网点有功功率和无功功率的映射关系如下：Uc＝Y(Uc,Pc,Qc)
(4-2)采用最小二乘法，得到双馈风机风电场进行对外等值辨识的目标函数如下：
其中，T为分析的采样点数，取值范围为6-10。
求解上述目标函数，得到双馈风机风电场外部等值电路的电阻R、电抗X和外部等值电势E；
(5)将tp重新设置为零；
(6)对tu进行判断，若tu＜Tu，则重复进行本步骤，直到tu≥Tu，进行步骤(7)；
(7)按照如下步骤，实现双馈风机风电场参与电力系统的动态电压控制：
(7-1)设定一个双馈风机风电场并网点的参考电压Ur，将采集到的双馈风机风电场并网点的电压Uc t与设定的参考电压Ur进行比较，得到差值ΔU＝Ur-Uc t；
(7-2)根据上述差值ΔU，利用下式进行比例积分计算，得到双馈风机风电场并网点无功功率增量的参考值ΔQr：
ΔQr＝KP·ΔU+KI·∫ΔUdt
其中，Kp为比例系数，取值为10，KI为积分系数，取值为0.5，；
(7-3)建立一个动态电压控制的优化模型，求解得到双馈风机风电场中各双馈风机的无功功率改变量，过程如下：
(7-3-1)建立各双馈风机电压控制的目标函数如下：
其中，Uri是双馈风机风电场中的第i个双馈风机端电压的预设值，取值为
其中，和分别为第i个双馈风机端电压的下限和上限，Ui为经参与电力系统动态电压控制后第i个双馈风机的端电压，N为双馈风机风电场中双馈风机的个数；
(7-3-2)建立双馈风机风电场中双馈风机的约束条件：
a、双馈风机风电场无功功率的平衡约束：
其中，ΔQi为第i个双馈风机的无功功率改变量，为待求解的第i个双馈风机的无功功率，Qri为第i个双馈风机当前的无功出力；
b、双馈风机风电场潮流约束：
双馈风机风电场内部的潮流约束：
其中，rij为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的电阻，xij为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的电抗，为第i个双馈风机单元当前的端电压，和为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij当前的有功和无功潮流，Pij和Qij为经参与电力系统动态电压控制后第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的有功和无功潮流，Pi G为第i个双馈风机的有功功率；
经参与电力系统动态电压控制后外部的潮流约束：
c、经参与电力系统动态电压控制后各支路的容量约束以及双馈风机的电压和容量约束：
其中，和分别为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij无功潮流的下限和上限，Si min和Si max分别为第i个双馈风机发电容量的下限和上限；
(7-3-3)采用内点法，求解上述步骤(7-3-1)和(7-3-2)中的优化模型，得到各双馈风机的无功功率Qi G，双馈风机风电场将得到的无功功率Qi G以广播形式发送至各双馈风机；
(8)将tu重新设置为零，返回步骤(2)，实现双馈风机风电场参与电力系统的动态电压控制。
本发明提出的双馈风机风电场参与电力系统动态电压控制的方法，其特点是，本发明通过广域比例积分控制，设计了一种双馈风机风电场整体参与动态调压的分解协调控制方法，通过比例积分控制，双馈风机风电场能够实现电压的无差实时跟踪，动态性能优越。一方面，引入线性化技术来松弛潮流约束使得双馈风机风电场协调层只需要进行简单的量测和计算，大大降低了其数据处理的负担，且该方法充分考虑双馈风机运行约束，能够合理分配各个双馈风机的无功出力，保证风电场安全稳定运行。另一方面，该方法充分利用双馈风机解耦控制特性，双馈风机通过与协调层通信获取参考无功出力参考值实现自动调节，从而使得整个风电场实现广域比例积分反馈控制。另外，风电场协调层还能充分利用采集数据实现对外等值辨识并定时更新，掌握外系统变化情况。综上所述，本发明能够在双馈风机风电场实际控制中扮演重要的角色。
本发明方法的优点是：
1、本方法建立了双馈风机风电场整体参与动态调压的控制框架，风电场能够实现对系统参考电压的快速跟踪与无差调节。
2、本方法通过线性化技术极大降低了优化问题求解难度，使得无功功率分配过程简单迅速高效。相比传统的潮流计算方法，该方法在尽量保证准确性的基础上松弛了潮流约束，使得问题求解变得非常容易。
3、本方法能够完成双馈风机风电场对外等值辨识并定时更新，以保证风电场能及时掌握外系统状况，实现方法简单高效。
附图说明
图1是本发明提出的双馈风机风电场参与电力系统动态电压控制的方法的流程框图。
图2是本发明方法中双馈风机风电场与双馈风机的控制关系图。
具体实施方式
本发明提出的一种双馈风机风电场参与电力系统电压控制的方法，其流程框图如图1所示，包括对外等值辨识流程以及基于广域比例积分控制的动态调压流程，两个流程均按照一定周期循环执行，由风电场协调层完成。其中动态调压流程将通过广播通信的方式将风电场协调层的信息定时发送给双馈风机，同时也接收双馈风机的测量信息，该方法包括以下步骤：
(1)设定双馈风机风电场并网点状态采样周期Tu为0.5秒，设定双馈风机风电场的对外等值辨识周期Tp为10秒，记采样周期Tu中的任意时刻为的tu，记对外等值辨识周期Tp中的任意时刻为tp，初始化时，分别设tu、tp为零；
(2)采集双馈风机风电场并网点的电压Uc、有功功率Pc与无功功率Qc，在每个采样周期中对上述状态变量进行一次采样，记第t个采样周期中采样得到的双馈风机风电场并网点的电压为Uc t，有功功率为Pc t，无功功率为Qc t，初始化时，设t＝1；
(3)对tp进行判断，若tp≥Tp，则进行步骤(4)，若tp＜Tp，则进行步骤(6)；
(4)采用戴维南等值方法，进行双馈风机风电场对外等值辨识，得到双馈风机风电场外部等值电路的电阻R、电抗X和外部等值电势E，具体过程如下：
(4-1)建立双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场外部等值电势的关系如下：
其中，R为双馈风机风电场外部等值电路的电阻，X双馈风机风电场外部等值电路的电抗，E为双馈风机风电场外部等值电路的外部等值电势；
根据上述双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场外部等值电势的关系，得到一个双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场并网点有功功率和无功功率的映射关系如下：Uc＝Y(Uc,Pc,Qc)
(4-2)采用最小二乘法，得到双馈风机风电场进行对外等值辨识的目标函数如下：
其中，T为分析的采样点数，取值范围为6-10。
求解上述目标函数，得到双馈风机风电场外部等值电路的电阻R、电抗X和外部等值电势E；
(5)将tp重新设置为零；
(6)对tu进行判断，若tu＜Tu，则重复进行本步骤，直到tu≥Tu，进行步骤(7)；
(7)按照如下步骤，实现双馈风机风电场参与电力系统的动态电压控制：
(7-1)设定一个双馈风机风电场并网点的参考电压Ur，将采集到的双馈风机风电场并网点的电压Uc t与设定的参考电压Ur进行比较，得到差值ΔU＝Ur-Uc t；
(7-2)根据上述差值ΔU，利用下式进行比例积分计算，得到双馈风机风电场并网点无功功率增量的参考值ΔQr：
ΔQr＝KP·ΔU+KI·∫ΔUdt
其中，Kp为比例系数，取值为10，KI为积分系数，取值为0.5，可视实际双馈风机风电场情况进行调节；
(7-3)建立一个动态电压控制的优化模型，求解得到双馈风机风电场中各双馈风机的无功功率改变量，过程如下：
(7-3-1)为保证较为均匀分配各双馈风机承担无功出力，同时使得各双馈风机端电压变化较为平均，建立各双馈风机电压控制的目标函数如下：
其中，Uri是双馈风机风电场中的第i个双馈风机端电压的预设值，取值为
其中，和分别为第i个双馈风机端电压的下限和上限，Ui为经参与电力系统动态电压控制后第i个双馈风机的端电压，N为双馈风机风电场中双馈风机的个数；
(7-3-2)建立双馈风机风电场中双馈风机的约束条件：
a、双馈风机风电场无功功率的平衡约束：
其中，ΔQi为第i个双馈风机的无功功率改变量，为待求解的第i个双馈风机的无功功率，Qri为第i个双馈风机当前的无功出力；
b、双馈风机风电场潮流约束：
双馈风机风电场内部的潮流约束：
其中，rij为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的电阻，xij为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的电抗，为第i个双馈风机单元当前的端电压，和为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij当前的有功和无功潮流，Pij和Qij为经参与电力系统动态电压控制后第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的有功和无功潮流，Pi G为第i个双馈风机的有功功率；
经参与电力系统动态电压控制后外部的潮流约束：
c、经参与电力系统动态电压控制后各支路的容量约束以及双馈风机的电压和容量约束：
其中，和分别为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij无功潮流的下限和上限，Si min和Si max分别为第i个双馈风机发电容量的下限和上限；
(7-3-3)采用内点法，求解上述步骤(7-3-1)和(7-3-2)中的优化模型，得到各双馈风机的无功功率双馈风机风电场将得到的无功功率以广播形式发送至各双馈风机，双馈风机风电场与双馈风机间的控制关系如附图2所示；
(8)将tu重新设置为零，返回步骤(2)，实现双馈风机风电场参与电力系统的动态电压控制。

Claims (1)

1.一种双馈风机风电场参与电力系统动态电压控制的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)设定双馈风机风电场并网点状态采样周期Tu为0.5秒，设定双馈风机风电场的对外等值辨识周期Tp为10秒，记采样周期Tu中的任意时刻为的tu，记对外等值辨识周期Tp中的任意时刻为tp，初始化时，分别设tu、tp为零；
(2)采集双馈风机风电场并网点的电压Uc、有功功率Pc与无功功率Qc，在每个采样周期中对上述状态变量进行一次采样，记第t个采样周期中采样得到的双馈风机风电场并网点的电压为Uc t，有功功率为Pc t，无功功率为Qc t，初始化时，设t＝1；
(3)对tp进行判断，若tp≥Tp，则进行步骤(4)，若tp＜Tp，则进行步骤(6)；
(4)采用戴维南等值方法，进行双馈风机风电场对外等值辨识，得到双馈风机风电场外部等值电路的电阻R、电抗X和外部等值电势E，具体过程如下：
(4-1)建立双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场外部等值电势的关系如下：
<mrow> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <msup> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>RP</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>XQ</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>X</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow>
其中，R为双馈风机风电场外部等值电路的电阻，X双馈风机风电场外部等值电路的电抗，E为双馈风机风电场外部等值电路的外部等值电势；
根据上述双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场外部等值电势的关系，得到一个双馈风机风电场并网点电压与双馈风机风电场并网点有功功率和无功功率的映射关系如下：Uc＝Y(Uc,Pc,Qc)
(4-2)采用最小二乘法，得到双馈风机风电场进行对外等值辨识的目标函数如下：
<mrow> <mi>min</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mi>t</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <msub> <mi>U</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>t</mi> </msup> <mo>-</mo> <mi>Y</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msup> <msub> <mi>U</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>t</mi> </msup> <mo>,</mo> <msup> <msub> <mi>P</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>t</mi> </msup> <mo>,</mo> <msup> <msub> <mi>Q</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>t</mi> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
其中，T为分析的采样点数，取值范围为6-10。
求解上述目标函数，得到双馈风机风电场外部等值电路的电阻R、电抗X和外部等值电势E；
(5)将tp重新设置为零；
(6)对tu进行判断，若tu＜Tu，则重复进行本步骤，直到tu≥Tu，进行步骤(7)；
(7)按照如下步骤，实现双馈风机风电场参与电力系统的动态电压控制：
(7-1)设定一个双馈风机风电场并网点的参考电压Ur，将采集到的双馈风机风电场并网点的电压Uc t与设定的参考电压Ur进行比较，得到差值ΔU＝Ur-Uc t；
(7-2)根据上述差值ΔU，利用下式进行比例积分计算，得到双馈风机风电场并网点无功功率增量的参考值ΔQr：
ΔQr＝KP·ΔU+KI·∫ΔUdt
其中，Kp为比例系数，取值为10，KI为积分系数，取值为0.5；
(7-3)建立一个动态电压控制的优化模型，求解得到双馈风机风电场中各双馈风机的无功功率改变量，过程如下：
(7-3-1)建立各双馈风机电压控制的目标函数如下：
<mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> 1
其中，Uri是双馈风机风电场中的第i个双馈风机端电压的预设值，取值为
<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>i</mi> <mi>min</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msubsup> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
其中，和分别为第i个双馈风机端电压的下限和上限，Ui为经参与电力系统动态电压控制后第i个双馈风机的端电压，N为双馈风机风电场中双馈风机的个数；
(7-3-2)建立双馈风机风电场中双馈风机的约束条件：
a、双馈风机风电场无功功率的平衡约束：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;Q</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>&amp;Delta;Q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>Q</mi> <mi>i</mi> <mi>G</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，ΔQi为第i个双馈风机的无功功率改变量，为待求解的第i个双馈风机的无功功率，Qri为第i个双馈风机当前的无功出力；
b、双馈风机风电场潮流约束：
双馈风机风电场内部的潮流约束：
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其中，rij为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的电阻，xij为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的电抗，为第i个双馈风机单元当前的端电压，和为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij当前的有功和无功潮流，Pij和Qij为经参与电力系统动态电压控制后第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij的有功和无功潮流，Pi G为第i个双馈风机的有功功率；
经参与电力系统动态电压控制后外部的潮流约束：
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c、经参与电力系统动态电压控制后各支路的容量约束以及双馈风机的电压和容量约束：
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其中，和分别为第i个双馈风机与第j个双馈风机之间的支路ij无功潮流的下限和上限，Si min和Si max分别为第i个双馈风机发电容量的下限和上限；
(7-3-3)采用内点法，求解上述步骤(7-3-1)和(7-3-2)中的优化模型，得到各双馈风机的无功功率双馈风机风电场将得到的无功功率以广播形式发送至各双馈风机；
(8)将tu重新设置为零，返回步骤(2)，实现双馈风机风电场参与电力系统的动态电压控制。
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