CN107465198B - 一种风电场自动电压控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风电场自动电压控制方法及系统，接收电网电压指令设定值，实时监测电网电压，当电网电压发生波动时，控制SVC/SVG设备输出无功功率进行无功补偿；实时检测SVC/SVG设备输出无功功率的大小，若SVC/SVG设备输出的无功功率大于设定值，则把SVC/SVG设备输出的无功功率超出所述设定值的部分分配给风机群，由风机群输出无功功率进行无功补偿。由于风机群无功容量大、设备数量多，通信数据量大，反应时间长，无功调节缓慢，因此，首先控制SVC/SVG设备输出无功功率，SVC/SVG设备和风机群协调运行，使AVC控制器的反应时间大幅减少，电压调节更平稳，满足电力系统无功功率快速调节的需求。

Description

一种风电场自动电压控制方法及系统
技术领域
本发明属于新能源发电控制技术领域，特别涉及一种风电场自动电压控制方法及系统。
背景技术
随着风力发电技术的快速发展和国家对可再生能源发电的高度重视，我国风力发电建设已逐渐进入了健康发展时期，风电场并网运行能力逐渐提升。作为一种经济、清洁的可再生新能源，风力发电越来越受到广泛应用。据相关数据统计，2008年我国当前新增风电装机容量超过600万千瓦，累计装置容量达到1200万千瓦以上，2009年新增装机容量达到1300万千瓦，累计装置容量达到2500万千瓦以上。在今后3-5年乃至10年中，预计我国每年新增装机容量将保持在500-800万千瓦。
由于风力发电厂安装地点都离负荷中心较远，一般都是通过220KV或500KV超高压线路与系统相连，加之风力发电的输出功率的随机性较强，因此其公共连接点的无功、电压和网损的控制就显得比较困难。目前风力发电厂为控制高压母线电压在一定波动范围内并对风电场所消耗的无功进行补偿。为保证电网安全稳定运行，目前风电场运营商已开始在风电场配置相关装置，目的是能够调节电网接入点的无功功率以及电压，进行无功功率补偿，以保证电网接入点的电压稳定，防止由于风速变化带来的接入点电压波动。
随着风力发电站的迅速发展，国家电网出台相关文件要求风电场必须无功调节设备才能并网，随着风电迅速发展，风电规模迅速扩大，近几年，辽宁、甘肃、新疆、青海等各省电力局要求风电场风机群参与电网无功调节，要求各风电场配备自动电压控制设备(Automatic Voltage Control，AVC)，否则不予并网。
但是随着AVC的额外加入，现有的风电场的控制策略需做出适当改变，且考虑网损最小化等因素。当前多数风电场AVC设备，风机与静止无功补偿器(Static VarCompensator，SVC)/静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)统一分配无功功率，或者SVC/SVG作为风机群无功容量的后备容量，将风机群无功容量作为风电场无功调节的首选，调节电网电压时AVC控制器首先投入风机群无功容量当控制器发现风机群无功容量不足以平衡电网电压时才调用SVC/SVG无功储备。因风电场设备众多，通讯数据信息量大，通信时间长，故AVC控制周期不能太小，所以风电场AVC设备反应时间比较长，无功负荷波动时控制器不能及时调节风电场无功功率，导致电网电压波动剧烈，特别是电网电压高频锯齿状波动更难消除。《风电场接入电力系统技术规定GB19663-2011》要求风电场无功功率反应时间不大于75ms。可是一般风电场AVC采集风机状态经过处理计算后再一一下发指令所需要的通讯时间通常不少于100ms。故风电场AVC反应时间难于满足电力系统相关要求，造成在电网电压波动时对电网电压平衡效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电场自动电压控制方法及系统，用于解决现有技术中风电场电压平衡控制效果差的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种风电场自动电压控制方法，包括如下步骤：
1)接收电网电压指令设定值，实时监测电网电压，当电网电压发生波动时，控制SVC/SVG设备输出无功功率进行无功补偿，以平衡电网电压；
2)实时检测SVC/SVG设备输出无功功率的大小，若SVC/SVG设备输出的无功功率大于设定值，则把SVC/SVG设备输出的无功功率超出所述设定值的部分分配给风机群，由风机群输出无功功率与SVC/SVG设备共同进行无功补偿，以平衡电网电压。
进一步地，当检测到电网电压指令设定值变化时，把新的电网电压指令设定值发送给SVC/SVG设备。
进一步地，所述设定值为SVC/SVG设备的额定无功容量的三分之一。
进一步地，步骤2)中，把SVC/SVG设备输出的无功功率超出设定值的部分按风机群中每台风机的额定无功容量成比例分配给每台风机。
进一步地，所述电网电压指令设定值包括电网电压调度指令值或工程师人工设定的指令值。
本发明还提供了一种风电场自动电压控制系统，该控制系统包括SVC/SVG内置的电压控制器及AVC控制器，所述SVC/SVG内置的电压控制器与AVC控制器通信连接；
所述SVC/SVG内置的电压控制器用于接收电网电压指令设定值，并实时监测电网电压，当电网电压发生波动时，控制SVC/SVG设备输出无功功率进行无功补偿，以平衡电网电压；
所述AVC控制器用于实时检测SVC/SVG设备输出无功功率的大小，若SVC/SVG设备输出的无功功率大于设定值，则把SVC/SVG设备输出的无功功率超出所述设定值的部分分配给风机群，由风机群输出无功功率与SVC/SVG设备共同进行无功补偿，以平衡电网电压。
进一步地，当检测到电网电压指令设定值变化时，把新的电网电压指令设定值发送给SVC/SVG设备。
进一步地，所述设定值为SVC/SVG设备的额定无功容量的三分之一。
进一步地，将SVC/SVG设备输出的无功功率超出设定值的部分按风机群中每台风机的额定无功容量成比例分配给每台风机。
进一步地，所述电网电压指令设定值包括电网电压调度指令值或工程师人工设定的指令值。
本发明的有益效果是：
本发明对风电场自动电压控制采用两级控制技术，设置SVC/SVG设备、风机群、SVC/SVG内置的电压控制器及AVC控制器。SVC/SVG内置的电压控制器在电网电压发生波动时，控制SVC/SVG设备输出无功功率平衡电网电压；AVC控制器用于将下发的电网电压指令发送给SVC/SVG设备，并实时检测SVC/SVG设备输出无功功率的大小，若SVC/SVG设备输出的无功功率大于设定值，则把SVC/SVG设备输出的无功功率超出设定值的部分分配给风机群。由于风机群无功容量大、设备数量多，通信数据量大，反应时间长，无功调节缓慢，因此，首先控制SVC/SVG设备输出无功功率，然后再由风机群输出无功功率，SVC/SVG设备和第二级无功调节设备协调运行，使AVC控制器的反应时间大幅减少，电压调节更平稳，满足电力系统无功功率快速调节的需求。
附图说明
图1为风电场AVC两级控制原理图；
图2为风电场AVC两级控制系统原理修正图；
图3为基于两级控制机构的风电场AVC结构示意图；
图4为自动电压控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
一般风电场自动电压控制系统只有一级调节设备，风机群和SVC/SVG同等对待，都作为无功功率调节单位由AVC控制器统一分配无功功率，或者SVC/SVG设备作为后备电源用以扩充风机群的无功容量，由于风电场有几十台到数百台风机，AVC控制器采集每一台风机的数据，然后把采集的数据经过计算处理后，得到每台风机的无功功率指令，随后把指令一一分发下去，其通讯时间较长，影响风电场AVC控制器的反应时间，当无功负荷突然变化时，电网电压波动厉害，当电网无功负荷存在高频波动时，AVC控制器的反应时间是影响AVC控制器控制性能的主要因素。
因此，本发明的风电场自动电压控制系统采用了两级控制，如图1、图2、图3所示，包括第一级无功调节设备、第二级无功调节设备、第一级控制器及第二级控制器，其中，第一级无功调节设备为SVC/SVG，第二级无功调节设备为风机群，第一级控制器为自动电压控制(AVC)器，第二级控制器为SVC/SVG内置电压控制器，自动电压控制(AVC)器与风机群连接，自动电压控制(AVC)器与SVC/SVG连接，第一级无功调节设备和第二级无功调节设备并联在电网上。本发明的风机群和SVC/SVG不统一分配无功功率，由于SVC/SVG的无功功率调节速度快，当电压波动时首先投入SVC/SVG设备，控制SVC/SVG设备输出无功容量用以快速平衡电网电压，AVC控制器检测到SVC/SVG无功功率超出功率设定值时才调节风机群的无功功率。
AVC控制器用于实时监测电网电压，电网中枢点有电压表，电压表测量得到的中枢点电压实时传送给自动电压控制器，自动电压控制器根据此电压数据可以判断电网电压是否发生波动。当电网稳定时，电网中枢点电压等于电厂电压自动控制系统的电压设定值，当电网中枢点电压偏离此设定值时即意味着电网电压发生波动。当电网电压发生波动时，控制SVC/SVG设备输出无功功率进行无功补偿，以平衡电网电压；SVC/SVG控制器用于将下发的电网电压指令发送给SVC/SVG设备，并用于SVC/SVG调节设备在平衡电网电压的过程中，实时检测SVC/SVG设备输出无功功率的大小，若SVC/SVG设备输出的无功功率大于设定值，则把SVC/SVG设备输出的无功功率超出设定值的部分分配给风机群。
电网无功负荷波动引起电网电压波动，电网无功负荷波动包括两种：分别是小负荷波动和大负荷波动。小负荷波动指负荷波动频率大，幅值低；大负荷波动指波动周期长，幅值大。由于SVG/SVC价格昂贵，风电场配置的SVG/SVC容量一般有限，不能实现无功功率大幅度调节，风机群无功容量大，但风机群设备多，通信数据量大，无功调节缓慢，不能满足电力系统无功功率快速调节的需求，在基于两级控制机构的风电场AVC控制下，风机群与SVC/SVG设备协调运行，因此，基于两级控制机构的风电场AVC控制系统中第一级无功调节设备(SVC/SVG)反应迅速，用来应对高频小幅值无功负荷波动，第二级无功调节设备(风机群)反应缓慢，可控无功容量大，主要应对高幅值大周期无功负荷波动，既解决了SVC/SVG容量的不足的问题也可以弥补风机群无功调节反应慢的缺陷。
利用本发明的风电场电网自动电压控制系统对电网电压进行控制的方法流程为：
1)AVC控制器接收并下发电网电压指令给SVC/SVG，该电网电压指令包括电网电压调度指令或工程师指令，AVC控制器接收电网电压调度指令或工程师指令值，并把接收到的电网电压调度指令或工程师指令发送给SVC/SVG设备，SVC/SVG内置电压控制器被激活，SVC/SVG内置电压控制器实时监测电网电压，当电网电压发生波动时，SVC/SVG内置电压控制器控制SVC/SVG设备输出无功功率平衡电网电压，在这里，电力电压指令值指电力局发送给电站电压自动控制器的电压指令值，工程师指令值指电站操作人员给电压电动控制系统手动设置的电压设定值。
2)自动电压控制器巡回监测调度指令，一旦发现调度指令变化，立刻把新的调度指令——电网电压设定值——发送给SVC/SVG，随后每个控制周期监测SVC/SVG的无功功率，SVC/SVG只有保留一定的无功调节裕度才能有效平衡电网电压波动。为了让SVC/SVG保留出足够的无功调节裕度。AVC控制器实时监控第一级无功调节设备SVC/SVG的工作状态，一旦发现SVC/SVG无功功率超过其额定容量的三分之一即调节风机群的无功功率，把SVC/SVG当前无功功率超过功率阈值(额定容量的1/3)的部分按每台风机的额定无功容量成比例分配给每台风机，随着风机群无功功率输送给电网，SVC/SVG的无功功率会自动减小，直至减少至其额定容量的三分之一以内，从而使SVC/SVG保留出充足的无功调节裕度。这样SVC/SVG就保留出充足的无功调节容量来应对无功负荷的高频小幅变化。自动电压控制器软件流程图见图4，控制周期为程序代码执行时间，经测试不大于1秒。额定容量在SVC/SVG设备铭牌上都有标注。风机不分直驱、双馈发电机，只要变流器可以接收无功指令并按指令调节无功功率就可以。
本发明采用两级控制，SVC/SVG内置电压控制器一旦监测到电网电压发生波动时，迅速做出反应而无需等待AVC控制器下达指令，通过这种方法，风电场AVC控制器反应时间缩小至75ms。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风电场自动电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)接收电网电压指令设定值，实时监测电网电压，当电网电压发生波动时，SVC/SVG设备调节无功功率进行无功补偿，以平衡电网电压；
2)实时检测SVC/SVG设备输出无功功率的大小，若SVC/SVG设备输出的无功功率大于设定值，则把SVC/SVG设备输出的无功功率超出所述设定值的部分分配给风机群，由风机群输出无功功率与SVC/SVG设备共同进行无功补偿，以平衡电网电压。
2.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，当检测到电网电压指令设定值变化时，把新的电网电压指令设定值发送给SVC/SVG设备。
3.根据权利要求2所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述设定值为SVC/SVG设备的额定无功容量的三分之一。
4.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，步骤2)中，把SVC/SVG设备输出的无功功率超出设定值的部分按风机群中每台风机的额定无功容量成比例分配给每台风机。
5.根据权利要求1-4任一项所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述电网电压指令设定值包括电网电压调度指令值或工程师人工设定的指令值。
6.一种风电场自动电压控制系统，其特征在于，该控制系统包括SVC/SVG内置的电压控制器及AVC控制器，所述SVC/SVG内置的电压控制器与AVC控制器通信连接；
所述SVC/SVG内置的电压控制器用于接收电网电压指令设定值，并实时监测电网电压，当电网电压发生波动时，SVC/SVG设备调节无功功率进行无功补偿，以平衡电网电压；
所述AVC控制器用于实时检测SVC/SVG设备输出无功功率的大小，若SVC/SVG设备输出的无功功率大于设定值，则把SVC/SVG设备输出的无功功率超出所述设定值的部分分配给风机群，由风机群输出无功功率与SVC/SVG设备共同进行无功补偿，以平衡电网电压。
7.根据权利要求6所述的风电场自动电压控制系统，其特征在于，当检测到电网电压指令设定值变化时，把新的电网电压指令设定值发送给SVC/SVG设备。
8.根据权利要求7所述的风电场自动电压控制系统，其特征在于，所述设定值为SVC/SVG设备的额定无功容量的三分之一。
9.根据权利要求6所述的风电场自动电压控制系统，其特征在于，将SVC/SVG设备输出的无功功率超出设定值的部分按风机群中每台风机的额定无功容量成比例分配给每台风机。
10.根据权利要求6-9任一项所述的风电场自动电压控制系统，其特征在于，所述电网电压指令设定值包括电网电压调度指令值或工程师人工设定的指令值。
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