CN109256783A - 一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，包括：S1、采集电网运行状态参数；S2、判断是否存在电压越限，若存在电压越限，则执行步骤S3，否则保持当前运行状态；S3、选取控制目标节点；S4、由电压控制器计算无功指令并分配至各无功源；S5、重新判断电压越限情况，若越限，则执行步骤S6，否则保持当前运行状态；S6、判断OLTC分接头是否达到极限位置，若未达到，则改变分接头位置，否则保持当前运行状态。本发明提高了一般交直流混合配电网下的电压调节范围，能够提高系统电压稳定性，并在配电网中充分利用分散式风电与VSC的无功输出能力，减少无功补偿装置的配备，延缓配电网的改造与扩建，提高运行经济性。

Description

一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统新能源发电技术领域，特别是一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法。

背景技术

我国利用风电的形式主要有集中式风电与分散式风电。集中式风电接入电网通常采用无功补偿装置、有载调压变压器(on-load tap changer,OLTC)及风电机组本身的无功调节进行电压调整。其中，OLTC并不属于无功电源，即不能向电力系统输送无功功率，只是起到调节电力系统中的潮流分布的作用。另外，OLTC虽然调压范围大，但分接头不能频繁切换，调节速度慢，调节能力有限。而对分散式风电来说，它以“本地平衡、就近消纳”为原则，接入配电网的方式灵活多样，分布范围广，易导致配电网无功潮流变化，严重影响电压质量，甚至影响电网的稳定运行，但是考虑到投资和运行成本，分散式风电场通常不增加无功补偿设备或新建变电站，而是主要借助风电机组自身的无功输出能力调节电压，风电机组自身无功调节迅速，但调节能力受机组位置和风速限制。

直流配电系统在满足用户需要，提高电能质量上的优势相较交流配电系统愈发明显。但是由于电网规划、建设问题，短时间内交流配电网仍是占主要地位。因此，在现有的交流配电网基础上，建设交直流混合配电网成为了现在的一个发展趋势。交、直流配电网一般由电压源型变换器(voltage source converter,VSC)连接，在交直流电网中，VSC同风机一样具有一定的无功输出能力，可以用于改善电能质量。

基于投资和运行成本，分散式风电接入交直流配电网中，如何充分充分挖掘现有设备电压调节能力，减少无功补偿设备的投入，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，旨在解决现有技术中分散式风电场电压质量低，稳定性低的问题，实现提高电压调节范围，提高系统电压稳定性，减少无功补偿装置的配备。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、采集电网运行状态参数；

S2、判断是否存在电压越限，若存在电压越限，则执行步骤S3，否则保持当前运行状态；

S3、选取控制目标节点；

S4、由电压控制器计算无功指令并分配至各无功源；

S5、重新判断电压越限情况，若越限，则执行步骤S6，否则保持当前运行状态；

S6、判断OLTC分接头是否达到极限位置，若未达到，则改变分接头并执行步骤S1，否则保持当前运行状态。

优选地，所述无功指令在不同节点之间按照灵敏度来确定分配权重，计算公式如下：

式中，Q_jref为分配给接入节点j的风机或VSC的无功指令，K_ij表示节点i的电压U_i对接入点j的风机或VSC无功输出量的灵敏度，Q_ref为电压控制器输出的无功功率指令。

优选地，所述无功指令在在同一节点之间按无功容量来确定分配权重：

Q_jqref＝(Q_jqmax/Q_jmax)Q_jref

式中，Q_jqref为分配给接在节点j的第q个无功设备的无功指令值，Q_jqmax为该无功设备的无功容量极限，Q_jmax为该节点所有的无功设备无功容量极限之和，Q_jref为分配给接入节点j的风机或VSC的无功指令。

优选地，所述VSC的无功输出范围计算公式如下：

VSC满足的功率方程为：

P_c+P_dc＝0

换流桥两侧电压关系为：

式中，μ为直流电压利用率，与脉宽调制方式有关；M为调制比；G_c、B_c分别为变流器等值电导、电纳；P_s、Q_s分别为交流系统吸收的有功功率和无功功率；P_c、Q_c为VSC向交流侧输出的有功功率和无功功率；U_s、U_c分别为交流系统、VSC交流侧电压幅值，θ_s、θ_c为其对应的相角；P_dc为VSC向直流侧输出的有功功率；U_dc为直流侧电压，为计算VSC向配电网输送无功的范围，令Δθ＝θ_s-θ_c、带入Q_s的计算公式，得到：

将上式进行变形得到：

设所采用PWM技术的直流电压利用率为1，则0≤M≤1，可知Q_s范围为：

优选地，所述步骤S6具体为：

OLTC在电压调节过程中，首先将负荷侧测得的电压与电压指令值进行比较，通过测量单元检测电压偏差是否超出允许范围，若超出范围则启动延时单元，经过一定的延时，触发机械调节机构，改变分接头位置；当电压恢复到允许范围内或分接头达到极限位置时，本次分接头调整结束，OLTC的测量单元和延时单元得以复位，准备下一次调整。

优选地，所述测量单元输出为：

式中，DB代表测量单元的死区，DB₁＝0.07pu.，DB₂＝-0.03pu。

优选地，所述延时单元输出为：

式中，T_d为延时单元的延时时间。

优选地，所述分接头调整值为：

式中，Δn等于1或-1，分别代表高压侧分接头需增大或减小单位步长；T_m为机械机构的延时时间。

优选地，所述OLTC的变比数学表达式为：

式中：Δα为分接头调节步长，a₀、α分别为调整前、后OLTC的变比。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明通过提供一种分散式风电接入交直流混合配电网的电压协调控制方法，考虑到风电机组，VSC的无功输出能力以及OLTC的电压调节能力的特点，使分散式风电机组、VSC以及OLTC相互协调来进行电压控制，控制节点电压在允许范围内运行。本发明提高了一般交直流混合配电网下的电压调节范围，能够提高系统电压稳定性，并在配电网中充分利用分散式风电与VSC的无功输出能力，减少无功补偿装置的配备，延缓配电网的改造与扩建，提高运行经济性，为交直流输电网无功协调控制提供一定的参考价值。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法流程图；

图2为本发明实施例中所提供的一种电压控制器结构示意图；

图3为本发明实施例中所提供的一种双馈机组功率输出范围示意图；

图4为本发明实施例中所提供的一种VSC等值电路示意图；

图5为本发明实施例中所提供的一种OLTC离散模型的动态调节框图；

图6为本发明实施例中所提供的一种配电网模型示意图；

图7为本发明实施例中所提供的一种风电机组出力增加导致节点电压变化示意图；

图8为本发明实施例中所提供的一种风电机组与OLTC协调控制后电压变化情况示意图；

图9为本发明实施例中所提供的一种OLTC变比的变化情况示意图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例公开了一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、采集电网运行状态参数；

S2、判断是否存在电压越限，若存在电压越限，则执行步骤S3，否则保持当前运行状态；

S3、选取控制目标节点；

S4、由电压控制器计算无功指令并分配至各无功源；

S5、重新判断电压越限情况，若越限，则执行步骤S6，否则保持当前运行状态；

S6、判断OLTC分接头是否达到极限位置，若未达到，则改变分接头并执行步骤S1，否则保持当前运行状态。

采集电网运行状态参数，判断是否存在电压越限，若没有则保持当前运行状态；若存在，则选取控制目标节点，控制目标节点选取的原则为超出电压允许范围最大的节点，由电压控制器计算无功指令并分配至各无功源，无功指令由控制目标节点电压指令值与电压反馈值经PI调节器得到，如图2所示。无功源包括分散式风电机组以及VSC，无功指令不同节点之间按照灵敏度来确定分配权重，其计算公式如下：

式中，Q_jref为分配给接入节点j的风机或VSC的无功指令，K_ij表示节点i的电压U_i对接入点j的风机或VSC无功输出量的灵敏度，Q_ref为电压控制器输出的无功功率指令。

无功指令在同一节点之间按无功容量来确定分配权重：

Q_jqref＝(Q_jqmax/Q_jmax)Q_jref (2)

式中，Q_jqref为分配给接在节点j的第q个无功设备的无功指令值，Q_jqmax为该无功设备的无功容量极限，Q_jmax为该节点所有的无功设备无功容量极限之和，Q_jref为分配给接入节点j的风机或VSC的无功指令。

对于风机来说，单台风机内部无功分配按照优先定子侧原则，超出定子侧无功功率极限部分由GSC发出。其中考虑定子、转子以及机侧变流器的电流限制，定子输出无功功率范围：

式中，Q_max、Q_min分别为DFIG定子输出无功功率的最大值、最小值；U₁为电网电压的幅值；X_m为发电机激磁电抗；X₁为发电机定子电抗；I_max为MSC的电流限值；P_s为发电机定子输出的有功功率。

忽略变流器有功功率损耗，考虑GSC的容量限制，得到其无功输出范围：

因此可得到双馈风力发电机的无功输出范围，如图3所示：

对VSC来说，其等值电路如图4，其满足功率方程：

P_c+P_dc＝0 (10)

换流桥两侧电压关系为：

式中，μ为直流电压利用率，与脉宽调制方式有关；M为调制比；G_c、B_c分别为变流器等值电导、电纳；P_s、Q_s分别为交流系统吸收的有功功率和无功功率；P_c、Q_c为VSC向交流侧输出的有功功率和无功功率；U_s、U_c分别为交流系统、VSC交流侧电压幅值，θ_s、θ_c为其对应的相角；P_dc为VSC向直流侧输出的有功功率；U_dc为直流侧电压。由公式6-9可知，调节U_c、θ便可以控制有功和无功的大小和方向。为计算VSC向配电网输送无功的范围，此处令Δθ＝θ_s-θ_c、带入式7，得到：

将上式进行变形得到：

设所采用PWM技术的直流电压利用率为1，则0≤M≤1，联立公式11和13，可知Q_s范围为：

重新判断电压越限情况，若不越限，则保持当前运行状态，若越限，则判断OLTC分接头是否达到极限位置，若未达到，则改变分接头并重新采集电网运行状态参数，进行电压协调控制，若达到极限位置，则保持当前状态。

如图5所示，在OLTC电压调节过程中，首先将负荷侧测得的电压与电压指令值进行比较，通过测量单元检测电压偏差是否超出允许范围，若超出范围则启动延时单元，经过一定的延时，触发机械调节机构，改变分接头位置。当电压恢复到允许范围内或分接头达到极限位置时，本次分接头调整结束，OLTC的测量单元和延时单元得以复位，准备下一次调整。其中测量单元输出为：

式中，DB代表测量单元的死区，DB₁＝0.07pu.，DB₂＝-0.03pu。

延时单元的输出为：

式中，T_d为延时单元的延时时间。

驱动机构输出分接头调整值：

式中，Δn等于1或-1，分别代表高压侧分接头需增大或减小单位步长；T_m为机械机构的延时时间。

综合上述关系，变压器变比的数学表达式为：

式中：Δα为分接头调节步长，α₀、α分别为调整前、后OLTC的变比；α_max、α_min分别表示变压器变比最大值、最小值。公式18表示，若电压偏差未超出允许范围或分接头达到极限位置，则OLTC保持前一时刻的变比不变；若电压偏差超出允许范围且分接头未达到极限位置，则通过调整分接头的位置进行电压调节。

在本发明实施例中，在PSCAD中建立如图6所示的模型，其为某地区实际配电网修改而成，其相关参数如表1-4。

表1

表2

表3

表4

设接于节点4的3台双馈机组的运行风速恒为8m/s，节点5处的2台风电机组运行风速在4s-6s期间由8m/s渐变到12m/s，风电机组出力增加，引起配电网各节点电压上升(仅观测节点3-6的电压)，其中节点4、6的电压越上限(1.07pu)，如图7所示。此时，经过风电机组与VSC调节后，节点4、6的电压依旧不能满足要求，如图8所示。图9表示在6.5秒时OLTC开始动作，经过风电机组与OLTC的协调控制，最终所有节点电压均满足要求，如图8所示，由上可知，OLTC可有效提高电压调节能力，在交直流混合配电网中通过发挥分散式风电与VSC的无功能力，同OLTC实现电压协调控制，提高电能质量。

本发明实施例通过提供一种分散式风电接入交直流混合配电网的电压协调控制方法，考虑到风电机组，VSC的无功输出能力以及OLTC的电压调节能力的特点，使分散式风电机组、VSC以及OLTC相互协调来进行电压控制，控制节点电压在允许范围内运行。本发明提高了一般交直流混合配电网下的电压调节范围，能够提高系统电压稳定性，并在配电网中充分利用分散式风电与VSC的无功输出能力，减少无功补偿装置的配备，延缓配电网的改造与扩建，提高运行经济性，为交直流输电网无功协调控制提供一定的参考价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、采集电网运行状态参数；

S2、判断是否存在电压越限，若存在电压越限，则执行步骤S3，否则保持当前运行状态；

S3、选取控制目标节点；

S4、由电压控制器计算无功指令并分配至各无功源；

S5、重新判断电压越限情况，若越限，则执行步骤S6，否则保持当前运行状态；

S6、判断OLTC分接头是否达到极限位置，若未达到，则改变分接头并执行步骤S1，否则保持当前运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述无功指令在不同节点之间按照灵敏度来确定分配权重，计算公式如下：

式中，Q_jref为分配给接入节点j的风机或VSC的无功指令，K_ij表示节点i的电压U_i对接入点j的风机或VSC无功输出量的灵敏度，Q_ref为电压控制器输出的无功功率指令。

3.根据权利要求1所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述无功指令在在同一节点之间按无功容量来确定分配权重：

Q_jqref＝(Q_jqmax/Q_jmax)Q_jref

式中，Q_jqref为分配给接在节点j的第q个无功设备的无功指令值，Q_jqmax为该无功设备的无功容量极限，Q_jmax为该节点所有的无功设备无功容量极限之和，Q_jref为分配给接入节点j的风机或VSC的无功指令。

4.根据权利要求2或3所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述VSC的无功输出范围计算公式如下：

VSC满足的功率方程为：

P_c+P_dc＝0

换流桥两侧电压关系为：

式中，μ为直流电压利用率，与脉宽调制方式有关；M为调制比；G_c、B_c分别为变流器等值电导、电纳；P_s、Q_s分别为交流系统吸收的有功功率和无功功率；P_c、Q_c为VSC向交流侧输出的有功功率和无功功率；U_s、U_c分别为交流系统、VSC交流侧电压幅值，θ_s、θ_c为其对应的相角；P_dc为VSC向直流侧输出的有功功率；U_dc为直流侧电压，为计算VSC向配电网输送无功的范围，令Δθ＝θ_s-θ_c、带入Q_s的计算公式，得到：

将上式进行变形得到：

设所采用PWM技术的直流电压利用率为1，则0≤M≤1，可知Q_s范围为：

5.根据权利要求1所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：

OLTC在电压调节过程中，首先将负荷侧测得的电压与电压指令值进行比较，通过测量单元检测电压偏差是否超出允许范围，若超出范围则启动延时单元，经过一定的延时，触发机械调节机构，改变分接头位置；当电压恢复到允许范围内或分接头达到极限位置时，本次分接头调整结束，OLTC的测量单元和延时单元得以复位，准备下一次调整。

6.根据权利要求5所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述测量单元输出为：

式中，DB代表测量单元的死区，DB₁＝0.07pu.，DB₂＝-0.03pu。

7.根据权利要求5所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述延时单元输出为：

式中，T_d为延时单元的延时时间。

8.根据权利要求5所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述分接头调整值为：

式中，Δn等于1或-1，分别代表高压侧分接头需增大或减小单位步长；T_m为机械机构的延时时间。

9.根据权利要求1所述的一种分散式风电接入混合配电网的电压协调控制方法，其特征在于，所述OLTC的变比数学表达式为：

式中：Δα为分接头调节步长，α₀、α分别为调整前、后OLTC的变比。