CN111987747B - 一种大型双馈风电场的无功优化控制方法 - Google Patents

一种大型双馈风电场的无功优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型双馈风电场的无功优化控制方法，包括：将风机分组；以风电场输出的总有功功率最大为目标建立目标函数；结合双馈风机无功出力特性，计算各台双馈风机机组无功出力的上下限；以双馈风机机组无功出力上下限、风电场各节点电压偏差、电网对风电场的无功调度指令为约束条件，建立约束条件函数；采用分组无功优化控制策略对所述优化目标函数和所述约束条件组成的优化模型进行求解，形成满足要求的风电场无功控制方法。

Description

一种大型双馈风电场的无功优化控制方法
技术领域
本发明属于风电场运行控制技术领域，特别涉及一种大型双馈风电场的无功优化控制方法。
背景技术
随着全球不可再生能源储量下降及环境污染问题的日益严峻，开发和利用以风能为代表的新能源已为大势所趋。越来越多的大型风电场融入到电力系统中，电网对风电场的要求也越来越高，无功控制已成为当前面临的一个重要问题。目前风电场中大量使用的是双馈感应风机，双馈风机可控性较高、变流器容量较小且无功调节速度较快。不仅如此，双馈风机还可单独对有功和无功进行解耦控制，因此双馈风电场自身具有调节无功功率的能力，不需额外添加无功补偿源，经济可靠。
目前国内外学者大多直接使用优化算法优化机组的无功分配，这种无功分配方法虽然在满足电网对风电场的无功调度的基础上，考虑了风场内损耗的优化，但将全部风机作为算法的输入量，优化算法的计算时间较长，且没考虑风场实际运行时风功率的时变性。当风功率变化较大时，直接使用优化算法分配机组无功功率，并将全部风机的无功功率作为算法的优化变量，会导致优化周期较长，优化得到的风机无功最优值不再适用于现有风速。因此，本发明同时考虑电网对风电场的无功调度和风电场的损耗，以及风功率的变化对优化结果的影响，采用分组优化控制策略进行了大型双馈风电场的无功功率的优化分配。
发明内容
本发明提出了一种大型双馈风电场的无功优化控制方法，这种控制方法大大减少优化变量，提升优化算法的计算速度，缩短优化周期，减少风速变化对风电场无功调度的影响，并有效提高风电场输出的有功功率。
发明的技术解决方案如下：
(1)对大型双馈风电场的每一条馈线上的风机进行分组，从第一台风机起，每6台风机为一组，最后若剩余不足6台的风机也组成一组，并依次将风机组编号为1,2,....,m,....,NG；用Nm表示第m组风机的风机台数(m＝1,2,...,NG)。
(2)以风电场输出的总有功功率最大为目标建立目标函数f：
Figure GDA0003328140590000021
其中，
Figure GDA0003328140590000022
和
Figure GDA0003328140590000023
分别表示第m组第i(i＝1,2,...,Nm)台双馈风机输出的有功功率、铜耗、定子侧变流器损耗、网侧变流器损耗和变压器损耗；
Figure GDA0003328140590000024
表示第i段线路的有功损耗，
Figure GDA0003328140590000025
表示风电场平衡节点到汇流母线节点之间线路的有功损耗；可由下式计算：
Figure GDA0003328140590000026
其中，Rs和Rr分别表示风机定子绕组和转子绕组的等效电阻，可从风机铭牌中获得；Ids和Iqs分别为风机定子侧电流的d轴和q轴分量，Idr和Iqr分别是风机转子侧电流的d轴和q轴分量，可通过测量风机三相电流后经过d-q坐标变换后得到；
Figure GDA0003328140590000027
是从网侧变流器到电网的正弦电流的均方根值，
Figure GDA0003328140590000028
是从风机转子侧变流器到发电机的正弦电流的均方根值，可分别通过测量其正弦电流后计算均方根值后得到；P0和Pk分别是变压器的空载损耗和负载损耗，可从变压器说明书中获得，β是变压器的负载率，可根据计算变压器三相电流平均值与变压器额定电流的比值得到；
Figure GDA0003328140590000029
是第i个节点到第i+1个节点之间的线路电阻，可从厂家给出的电缆说明书中获得；
Figure GDA00033281405900000210
是从第i个节点到第i+1个节点的电流，可通过测量得到；Rv和Iv分别是风电场平衡节点到汇流母线节点之间线路的电阻和电流，可分别通过电缆说明书和测量得到；
Figure GDA00033281405900000211
是第m组第i台风机的风功率，可通过公式
Figure GDA00033281405900000212
计算得到，其中，R为风机叶片半径，可从风机说明书中得到；ρ空气为空气密度，取1.29Kg/m3，Vw为风力机输入风速，可通过测量得到；CP为最大风能利用率，取45％。
(3)将结合双馈风机无功出力特性，计算各台双馈风机无功出力的上下限；风机的定子侧无功出力的上下限分别为
Figure GDA00033281405900000213
和
Figure GDA00033281405900000214
风机网侧变流器的无功出力的上下限分别为
Figure GDA00033281405900000215
和
Figure GDA00033281405900000216
可由下式计算：
Figure GDA0003328140590000031
其中，Vs为风机定子侧额定电压，Xs为风机定子绕组电抗，Xm为风机励磁电抗，可从风机使用手册中获得；Ps为风机定子侧输出有功功率，Pg为风机网侧变流器的输出有功功率，可通过测量得到；Sg为网侧变流器容量，Ss为定子侧变流器容量，Irmax为风机定子侧变流器额定电流值，可通过变流器铭牌得到。
(4)以双馈风机机组无功出力上下限、风电场各节点电压偏差、及电网对风电场的无功调度指令为约束条件，建立约束条件函数；
Figure GDA0003328140590000032
其中，
Figure GDA0003328140590000033
表示第m组第i台风机输出的总无功功率，可通过上式计算得到；
Figure GDA0003328140590000034
和
Figure GDA0003328140590000035
分别表示第m组第i台风机定子侧和网侧变流器输出的无功功率，可通过无功分组优化得到；
Figure GDA0003328140590000036
表示节点i的电压，可通过测量得到；Qv表示风电场总输出无功功率，可通过无功分组优化得到，Q0表示电网无功调度值，可从电网调度中心得到；Vmax和Vmin分别为节点电压的上下限，分别取线路额定电压的+10％和-10％；
(5)采用分组无功优化控制策略对所述优化目标函数进行求解，且满足所述约束条件，形成满足要求的风电场无功控制方法：
①处理目标函数：把
Figure GDA0003328140590000037
看作为常数；并采用加入惩罚函数的方法把电压约束和无功调度约束加入目标函数中，目标函数f变成函数F：
Figure GDA0003328140590000038
其中，
Figure GDA0003328140590000041
②分组：将风电场的风机分为NG组,然后按照以下公式分别计算第m组风机定子侧无功出力上下限
Figure GDA0003328140590000042
和
Figure GDA0003328140590000043
第m组风机网侧变流器无功出力上下限
Figure GDA0003328140590000044
和
Figure GDA0003328140590000045
再计算
Figure GDA0003328140590000046
和
Figure GDA0003328140590000047
然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000048
③初始化变量：定义vj＝[vj,1,…,vj,d,…,vj,2NG]，令
Figure GDA0003328140590000049
其中，xj有2NG个维度，根据以下公式初始化vj和xj(j＝1,2,...,200)；然后进行下一步：
Figure GDA00033281405900000410
其中，rv和rx为0到1之间的随机数，vmax、vmin、xmax和xmin分别由下式计算：
Figure GDA00033281405900000411
④定义pbestj＝xj,gbest＝[0,…,0,…,0]，其中gbest有2NG个维度，根据以下公式计算
Figure GDA00033281405900000412
和
Figure GDA00033281405900000413
然后计算F(xj)，定义fpbestj＝F(pbestj)；然后进行下一步；
Figure GDA00033281405900000414
⑤找出F(pbestj)中的最小值，并把其赋值给fgbest；把fgbest所对应的pbestj赋值给gbest；然后进行下一步；
⑥根据如下公式更新vj其中，d＝1,2,...,2NG；r1和r2是0到1之间的随机数；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000051
⑦根据如下公式更新xj；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000052
⑧根据公式
Figure GDA0003328140590000053
计算
Figure GDA0003328140590000054
然后根据如下公式计算
Figure GDA0003328140590000055
和
Figure GDA0003328140590000056
然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000057
⑨计算F(xj),然后根据如下公式更新fpbestj和pbestj；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000058
⑩根据如下公式更新fgbest和gbest；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000059
Figure GDA00033281405900000514
重复步骤(6)-(10)直到两次迭代的fgbest的差值小于0.00001；
Figure GDA00033281405900000515
根据以下公式计算第m组第i台风机定子侧无功功率参考值
Figure GDA00033281405900000510
和网侧无功功率参考值
Figure GDA00033281405900000511
Figure GDA00033281405900000512
Figure GDA00033281405900000513
本发明的有益效果是：1)缩短了优化周期，降低了风速变化对风电场无功优化的影响；2)有效提高了风电场输出的有功功率，同时使得风电场满足电网无功调度。
附图说明
图1为大型双馈风电场分组无功控制策略流程图
图2为风电场布局图
图3为风电场调度指令图
图4为风电场风功率图
图5为不同控制策略下风电场总有功输出对比图
图6为不同控制策略下风电场总无功输出对比图
具体实施方式
图1是大型双馈风电场分组无功控制策略流程图，以下结合附图2的风电场仿真对本发明事例做进一步详细说明。
事例参数说明：
本事例中，风电场共有两条馈线，每台馈线有10台双馈风机，风机间的间距为4km,仿真时间为600s，具体风电场参数如下：
参数 实际值 标幺值
风机额定机械功率 5MW 0.05p.u.
定子额定相电压 690V 0.017p.u.
定子电阻,R<sub>s</sub> 1.552mΩ 0.000142p.u.
转子电阻,R<sub>r</sub> 1.446mΩ 0.000133p.u.
定子电抗,X<sub>s</sub> 2.033Ω 0.1867p.u.
励磁电抗,X<sub>m</sub> 1.733Ω 0.1591p.u.
风电场额定容量,S<sub>WF</sub> 100MVA 1.0p.u.
基准阻抗,Z<sub>B</sub> 10.89Ω 1.0p.u.
线路电阻,R 0.1Ω/km 0.00918p.u.
线路电抗,X 0.129Ω/km 0.0118p.u.
图3为风电场调度指令图
图4为风电场风功率图
计算步骤如下：
(1)对大型双馈风电场的每一条馈线上的风机进行分组，从第一台风机起，每6台风机为一组，最后若剩余不足6台的风机也组成一组，并依次将风机组编号为1,2,....,m,....,NG；用Nm表示第m组风机的风机台数(m＝1,2,...,NG)。
(2)以风电场输出的总有功功率最大为目标建立目标函数f：
Figure GDA0003328140590000071
其中，
Figure GDA0003328140590000072
和
Figure GDA0003328140590000073
分别表示第m组第i(i＝1,2,...,Nm)台双馈风机输出的有功功率、铜耗、定子侧变流器损耗、网侧变流器损耗和变压器损耗；
Figure GDA0003328140590000074
表示第i段线路的有功损耗，
Figure GDA0003328140590000075
表示风电场平衡节点到汇流母线节点之间线路的有功损耗；可由下式计算：
Figure GDA0003328140590000076
其中，Rs和Rr分别表示风机定子绕组和转子绕组的等效电阻，可从风机铭牌中获得；Ids和Iqs分别为风机定子侧电流的d轴和q轴分量，Idr和Iqr分别是风机转子侧电流的d轴和q轴分量，可通过测量风机三相电流后经过d-q坐标变换后得到；
Figure GDA0003328140590000077
是从网侧变流器到电网的正弦电流的均方根值，
Figure GDA0003328140590000078
是从风机转子侧变流器到发电机的正弦电流的均方根值，可分别通过测量其正弦电流后计算均方根值后得到；P0和Pk分别是变压器的空载损耗和负载损耗，可从变压器说明书中获得，β是变压器的负载率，可根据计算变压器三相电流平均值与变压器额定电流的比值得到；
Figure GDA0003328140590000079
是第i个节点到第i+1个节点之间的线路电阻，可从厂家给出的电缆说明书中获得；
Figure GDA00033281405900000710
是从第i个节点到第i+1个节点的电流，可通过测量得到；Rv和Iv分别是风电场平衡节点到汇流母线节点之间线路的电阻和电流，可分别通过电缆说明书和测量得到；
Figure GDA00033281405900000711
是第m组第i台风机的风功率，可通过公式
Figure GDA00033281405900000712
计算得到，其中，R为风机叶片半径，可从风机说明书中得到；ρ空气为空气密度，取1.29Kg/m3，Vw为风力机输入风速，可通过测量得到；CP为最大风能利用率，取45％。
(3)将结合双馈风机无功出力特性，计算各台双馈风机无功出力的上下限；风机的定子侧无功出力的上下限分别为
Figure GDA00033281405900000713
和
Figure GDA00033281405900000714
风机网侧变流器的无功出力的上下限分别为
Figure GDA00033281405900000715
和
Figure GDA00033281405900000716
可由下式计算：
Figure GDA0003328140590000081
其中，Vs为风机定子侧额定电压，Xs为风机定子绕组电抗，Xm为风机励磁电抗，可从风机使用手册中获得；Ps为风机定子侧输出有功功率，Pg为风机网侧变流器的输出有功功率，可通过测量得到；Sg为网侧变流器容量，Ss为定子侧变流器容量，Irmax为风机定子侧变流器额定电流值，可通过变流器铭牌得到。
(4)以双馈风机机组无功出力上下限、风电场各节点电压偏差、及电网对风电场的无功调度指令为约束条件，建立约束条件函数；
Figure GDA0003328140590000082
其中，
Figure GDA0003328140590000083
表示第m组第i台风机输出的总无功功率，可通过上式计算得到；
Figure GDA0003328140590000084
和
Figure GDA0003328140590000085
分别表示第m组第i台风机定子侧和网侧变流器输出的无功功率，可通过无功分组优化得到；
Figure GDA0003328140590000086
表示节点i的电压，可通过测量得到；Qv表示风电场总输出无功功率，可通过无功分组优化得到，Q0表示电网无功调度值，可从电网调度中心得到；Vmax和Vmin分别为节点电压的上下限，分别取线路额定电压的+10％和-10％；
(5)采用分组无功优化控制策略对所述优化目标函数进行求解，且满足所述约束条件，形成满足要求的风电场无功控制方法：
①处理目标函数：把
Figure GDA0003328140590000087
看作为常数；并采用加入惩罚函数的方法把电压约束和无功调度约束加入目标函数中，目标函数f变成函数F：
Figure GDA0003328140590000088
其中，
Figure GDA0003328140590000091
②分组：将风电场的风机分为NG组,然后按照以下公式分别计算第m组风机定子侧无功出力上下限
Figure GDA0003328140590000092
和
Figure GDA0003328140590000093
第m组风机网侧变流器无功出力上下限
Figure GDA0003328140590000094
和
Figure GDA0003328140590000095
再计算
Figure GDA0003328140590000096
和
Figure GDA0003328140590000097
然后进行下一步。
Figure GDA0003328140590000098
③初始化变量：定义vj＝[vj,1,…,vj,d,…,vj,2NG]，令
Figure GDA0003328140590000099
其中，xj有2NG个维度，根据以下公式初始化vj和xj(j＝1,2,...,200)；然后进行下一步：
Figure GDA00033281405900000910
其中，rv和rx为0到1之间的随机数，vmax、vmin、xmax和xmin分别由下式计算：
Figure GDA00033281405900000911
④定义pbestj＝xj,gbest＝[0,…,0,…,0]，其中gbest有2NG个维度，根据以下公式计算
Figure GDA00033281405900000912
和
Figure GDA00033281405900000913
然后计算F(xj)，定义fpbestj＝F(pbestj)；然后进行下一步；
Figure GDA00033281405900000914
⑤找出F(pbestj)中的最小值,并把其赋值给fgbest；把fgbest所对应的pbestj赋值给gbest；然后进行下一步；
⑥根据如下公式更新vj其中，d＝1,2,...,2NG；r1和r2是0到1之间的随机数；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000101
⑦根据如下公式更新xj；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000102
⑧根据公式
Figure GDA0003328140590000103
计算
Figure GDA0003328140590000104
然后根据如下公式计算
Figure GDA0003328140590000105
和
Figure GDA0003328140590000106
然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000107
⑨计算F(xj),然后根据如下公式更新fpbestj和pbestj；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000108
⑩根据如下公式更新fgbest和gbest；然后进行下一步；
Figure GDA0003328140590000109
Figure GDA00033281405900001014
重复步骤(6)-(10)直到两次迭代的fgbest的差值小于0.00001；
Figure GDA00033281405900001015
根据以下公式计算第m组第i台风机定子侧无功功率参考值
Figure GDA00033281405900001010
和网侧无功功率参考值
Figure GDA00033281405900001011
Figure GDA00033281405900001012
Figure GDA00033281405900001013
图5为不同控制策略下风电场总有功输出对比图，其中策略2为本分组无功优化控制策略控制下的风电场输出的总的有功功率，可见其与策略1相差不大，两者均优于策略3。
图6为不同控制策略下风电场总无功输出对比图，其中策略2为本分组无功优化控制策略控制下的风电场输出的总的无功功率，可见策略1不能跟随电网无功调度，策略2和策略3可有效跟随电网无功调度。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种大型双馈风电场的无功优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对大型双馈风电场的每一条馈线上的风机进行分组，从第一台风机起，每6台风机为一组，最后若剩余不足6台的风机也组成一组，并依次将风机组编号为1,2,....,m,....,NG；用Nm表示第m组风机的风机台数，m＝1,2,...,NG；
步骤二、以风电场输出的总有功功率最大为目标建立目标函数f：
Figure FDA0003328140580000011
其中，
Figure FDA0003328140580000012
和
Figure FDA0003328140580000013
分别表示第m组第i台双馈风机输出的有功功率、铜耗、定子侧变流器损耗、网侧变流器损耗和变压器损耗，i＝1,2,...,Nm；
Figure FDA0003328140580000014
表示第i段线路的有功损耗，
Figure FDA0003328140580000015
表示风电场平衡节点到汇流母线节点之间线路的有功损耗；由下式计算：
Figure FDA0003328140580000016
其中，Rs和Rr分别表示风机定子绕组和转子绕组的等效电阻，从风机铭牌中获得；Ids和Iqs分别为风机定子侧电流的d轴和q轴分量，Idr和Iqr分别是风机转子侧电流的d轴和q轴分量，通过测量风机三相电流后经过d-q坐标变换得到；
Figure FDA0003328140580000017
是从风机网侧变流器到电网的正弦电流的均方根值，
Figure FDA0003328140580000018
是从风机转子侧变流器到发电机的正弦电流的均方根值，分别通过测量其正弦电流后计算均方根值后得到；P0和Pk分别是变压器的空载损耗和负载损耗，从变压器说明书中获得，β是变压器的负载率，通过计算变压器三相电流平均值与变压器额定电流的比值得到；
Figure FDA0003328140580000019
是第i个节点到第i+1个节点之间的线路电阻，从厂家给出的电缆说明书中获得；
Figure FDA00033281405800000110
是从第i个节点到第i+1个节点的电流，通过测量得到；Rv和Iv分别是风电场平衡节点到汇流母线节点之间线路的电阻和电流，分别通过电缆说明书和测量得到；
Figure FDA00033281405800000111
是第m组第i台风机的风功率，通过公式
Figure FDA00033281405800000112
计算得到，其中，R为风机叶片半径，从风机说明书中得到；ρ空气为空气密度，取1.29Kg/m3，Vw为风力机输入风速，通过测量得到；CP为最大风能利用率，取45％；
步骤三、结合双馈风机无功出力特性，计算各台双馈风机无功出力的上下限；风机的定子侧无功出力的上下限分别为
Figure FDA0003328140580000021
和
Figure FDA0003328140580000022
风机网侧变流器的无功出力的上下限分别为
Figure FDA0003328140580000023
和
Figure FDA0003328140580000024
由下式计算：
Figure FDA0003328140580000025
其中，Vs为风机定子侧额定电压，Xs为风机定子绕组电抗，Xm为风机励磁电抗，从风机使用手册中获得；Ps为风机定子侧输出的有功功率，Pg为风机网侧变流器的输出的有功功率，通过测量得到；Sg为网侧变流器容量，Ss为定子侧变流器容量，Irmax为风机定子侧变流器额定电流值，从变流器使用手册中获得；
步骤四、以双馈风机机组无功出力上下限、风电场各节点电压偏差及电网对风电场的无功调度指令为约束条件，建立约束条件函数；
Figure FDA0003328140580000026
其中，
Figure FDA0003328140580000027
表示第m组第i台风机输出的总无功功率，通过上式计算得到；
Figure FDA0003328140580000028
和
Figure FDA0003328140580000029
分别表示第m组第i台风机定子侧和网侧变流器输出的无功功率，通过分组无功优化得到；
Figure FDA00033281405800000210
表示节点i的电压，通过测量得到；Qv表示风电场总输出无功功率，通过分组无功优化得到，Q0表示电网无功调度值，从电网调度中心得到；Vmax和Vmin分别为节点电压的上下限，分别取线路额定电压的+10％和-10％；
步骤五、采用分组无功优化控制策略对目标函数进行求解，且满足所述约束条件，形成满足要求的风电场无功控制方法；
(1)处理目标函数：把
Figure FDA00033281405800000211
看作为常数；并采用加入惩罚函数的方法把电压约束和无功调度约束加入目标函数中，目标函数f变成函数F：
Figure FDA0003328140580000031
其中，
Figure FDA0003328140580000032
(2)分组：将风电场的风机分为NG组,然后按照以下公式分别计算第m组风机定子侧无功出力上下限
Figure FDA0003328140580000033
和
Figure FDA0003328140580000034
第m组风机网侧变流器无功出力上下限
Figure FDA0003328140580000035
和
Figure FDA0003328140580000036
再计算
Figure FDA0003328140580000037
和
Figure FDA0003328140580000038
然后进行下一步；
Figure FDA0003328140580000039
(3)初始化变量：定义
Figure FDA00033281405800000310
令
Figure FDA00033281405800000311
其中，xj有2NG个维度，根据以下公式初始化vj和xj，j＝1,2,...,200；然后进行下一步；
Figure FDA00033281405800000312
其中，rv和rx为0到1之间的随机数，vmax、vmin、xmax和xmin分别由下式计算：
Figure FDA00033281405800000313
(4)定义pbestj＝xj,gbest＝[0,…,0,…,0]，其中gbest有2NG个维度，根据以下公式计算
Figure FDA00033281405800000314
和
Figure FDA00033281405800000315
然后计算F(xj)，定义fpbestj＝F(pbestj)；然后进行下一步；
Figure FDA00033281405800000316
(5)找出F(pbestj)中的最小值,并把其赋值给fgbest；把fgbest所对应的pbestj赋值给gbest；然后进行下一步；
(6)根据如下公式更新vj，其中d＝1,2,...,2NG；r1和r2是0到1之间的随机数；然后进行下一步；
Figure FDA0003328140580000041
(7)根据如下公式更新xj；然后进行下一步；
Figure FDA0003328140580000042
(8)根据公式
Figure FDA0003328140580000043
计算
Figure FDA0003328140580000044
然后根据如下公式计算
Figure FDA0003328140580000045
和
Figure FDA0003328140580000046
然后进行下一步；
Figure FDA0003328140580000047
(9)计算F(xj),然后根据如下公式更新fpbestj和pbestj；然后进行下一步；
Figure FDA0003328140580000048
(10)根据如下公式更新fgbest和gbest；然后进行下一步；
Figure FDA0003328140580000049
(11)重复步骤(6)-(10)直到两次迭代的fgbest的差值小于0.00001；
(12)根据以下公式计算第m组第i台风机定子侧无功功率参考值
Figure FDA00033281405800000410
和网侧无功功率参考值
Figure FDA00033281405800000411
Figure FDA00033281405800000412
Figure FDA0003328140580000051
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