CN112564180A - 一种电压源型风电机组无功分配方法 - Google Patents

一种电压源型风电机组无功分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压源型风电机组无功分配方法，包括以下步骤：判断风电机组是否参与调压；确定风电机组参数；计算系统潮流并采集并网点电压；对下垂系数进行整定；计算风电场所需无功Qref；计算机组无功参考值Qitot；读取风电机组并网状态：转速、有功无功出力、机端电压；对机组定转子无功参考值进行分配；计算定子电压参考值，控制机端电压在正常范围内。上述技术方案由场级控制器计算出场级现阶段需要的无功功率，再根据具体的无功分配策略下发到各个风电机组，风电机组通过变流器控制算法改变定子侧无功功率，对场级控制器下发指令进行响应，在满足机端功率因数的前提下，充分考虑双馈转子侧无功出力，提出转子侧和定子侧无功功率分配策略。

Description

一种电压源型风电机组无功分配方法
技术领域
本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种电压源型风电机组无功分配方法。
背景技术
随着技术的发展，可再生能源的关注和利用程度日益增加，其中，风力发电是一种已经发展相对成熟的能源技术。然而，我国风电行业“建设大基地，融入大电网”的发展规划与欧洲“分散上网，就地消纳”不同，有着“大规模”、“高集中”等特点。间歇性风电造成电网电压波动，系统短路容量增加，暂态稳定性改变，特别在大规模风电集中接入电网情况下尤为突出。同时，电网末端电能质量也会影响风电场，例如电网扰动导致风机脱网、风电场解列，不平衡电压会造成机组振动、过热等。
一方面，风力发电机组所配备的电力电子器件使得其动态特性与传统电力系统表现出的动态特性不同；另一方面，随着风资源的开发和风电并网容量的持续增长，电力系统的等效转动惯量不断减小，因此，系统电压稳定难度加大。为实现风电友好并网，传统电力系统对风力发电机组能够主动参与电网运行控制提出新的要求。
为了稳定风电场并网点电压，对风电场进行必要的无功补偿，风场内部主要采用装设静止无功补偿器(static var compensator,SVC)、调相机等无功补偿设备对主变压器低压侧进行风电场无功损耗补偿以保证并网点电压稳定。而风电机组内部也有控制算法对风电机组机端电压进行控制，以保证机端电压的稳定。
有资料显示，现在常用的机端电压控制方法存在以下不足：
1.风力发电机组在进行机端电压控制时，一般通过变流器对定子侧无功进行控制，而忽视了转子侧的无功输出。
2.未考虑转子无功输出和定子无功输出之间存在的关系。
3.并网点电压控制和机端电压控制未进行联合，在保证并网点电压的同时不能保证机端电压在正常运行范围内，在并网点电压调节的过程中可能导致机组进入高低穿。
中国专利文献CN108649586A公开了一种“考虑风电接入的系统无功补偿量分配方法”。包括步骤：1)通过在线计算，实时监测风电系统各节点的局部电压稳定指标(L指标)；2)设置一个门槛值LG，剔除掉L指标小于LG的节点，选择指标值最大的节点作为电压危险节点；3)设置局部电压稳定指标的目标值LT，计算能够使得电压危险节点电压稳定的无功补偿节点的无功补偿量。上述技术方案通过变流器对定子侧无功进行控制，而忽视了转子侧的无功输出。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案通过变流器对定子侧无功进行控制，而忽视了转子侧的无功输出的技术问题，提供一种电压源型风电机组无功分配方法，由场级控制器计算出场级现阶段需要的无功功率，再根据具体的无功分配策略下发到各个风电机组，风电机组通过变流器控制算法改变定子侧无功功率，对场级控制器下发指令进行响应，在满足机端功率因数的前提下，充分考虑双馈转子侧无功出力，提出转子侧和定子侧无功功率分配策略。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
a.判断风电机组是否参与调压；
b.确定风电机组参数；
c.计算系统潮流并采集并网点电压；
d.对下垂系数进行整定；
e.计算风电场所需无功Qref；
f.计算机组无功参考值Qitot；
g.读取风电机组并网状态：转速、有功无功出力、机端电压；
h.对机组定转子无功参考值进行分配；
i.计算定子电压参考值，控制机端电压在正常范围内。
作为优选，所述的步骤b风电机组参数包括风电场参与无功调压的风机台数n、风电机组与并网点电气距离。
作为优选，所述的步骤d具体步骤包括，
Figure BDA0002793746260000031
其中Pi和Qi为风力发电机组有功出力和无功出力，lj为风电机组距离并网点的电气距离，n为风电场内部参与无功调压的风电机组的数量，kq为场级下发的无功-电压下垂系数，推荐值为0.2。
作为优选，所述的步骤e计算风电场所需无功Qref具体包括，通过恒电压控制方式对并网点电压进行控制，具体的控制算法可以表示为
Figure BDA0002793746260000032
其中Qref为风电场所需无功功率；kP、kI分别为风电场恒电压控制器比例参数和积分参数；Vpcc为并网点电压(标幺值)；Vref为电压参考值，在标幺值系统中Vref＝1。
作为优选，所述的步骤f计算机组无功参考值Qitot具体包括，风电机组根据各风电机组实时出力进行无功分配，具体可以表示为
Figure BDA0002793746260000041
其中Qitot为机组i的无功参考值，QiTloss为机组i箱式变压器的无功损耗。
作为优选，所述的步骤h对机组定转子无功参考值进行分配具体包括，若风电场内部对风电机组下达的无功功率控制指令为Qitot，根据定子侧和转子侧的无功功率关系可以求出风电机组定子侧和转子侧无功给定指令为
Figure BDA0002793746260000042
其中，Qsref和Qgref分别为风电机组定子侧和转子侧无功功率给定值。
作为优选，所述的步骤i计算定子电压参考值，控制机端电压在正常范围内的具体步骤包括，电压源型风力发电机组转子侧变流器的电压-无功下垂环的控制算法可以表示为
Usref＝kqad(Qsref-Qs)+Uref (5)
其中，Usref表示定子电压参考值；kqad为整定后的电压-无功下垂系数，其由参与无功调压风机机组的数量、各风电机组距离并网点的电气距离以及风力发电机组的出力决定；Qs为风力发电机组定子侧实际无功出力；Uref为电网额定电压幅值，当为标幺值系统时Uref＝1。
作为优选，所述的双馈风电机组在同步转速dq坐标系中矢量形式的电压方程和磁链方程可以表示为
Figure BDA0002793746260000051
Figure BDA0002793746260000052
其中，Us＝usd+jusq、Ur＝urd+jurq分别为定、转子端电压矢量；Is＝usd+jusq、Ir＝ird+jirq分别为定、转子电流矢量；ψs＝ψsd+jψsq、ψr＝ψrd+jψrq分别为定、转子磁链矢量；ωsilp＝ω1-ωr为转差电角速度；Ls、Lm、Lr分别为定子自感、定转子互感和转子自感。
作为优选，所述的根据功率方程、恒幅值变换原则、电网电压定向矢量控制及定子自感、定转子互感和转子自感近似等效关系，求出定子侧和转子侧的无功功率关系
Figure BDA0002793746260000053
其中，Qs、Qr分别为定子侧无功出力和转子侧无功出力，Us为定子电压幅值，Xm为定转子互抗，s＝ωsilp/ω1为运行转差。
作为优选，所述的根据式(2)、式(3)确定各机组的无功功率参考值，根据式(1)、式(4)、式(5)和式(8)确定机组定子侧和转子侧的无功功率参考值。
本发明的有益效果是：
1.在满足机端功率因数的前提下，充分考虑双馈转子侧无功出力，提出转子侧和定子侧无功功率分配策略。
2.实现机端电压控制和场级电压控制之间的协调控制，保证风电机组在进行无功支撑时，机端电压不会因为电压过高/过低而进入高/低穿保护。
3.机组电压-无功下垂系数可根据风电场内部拓扑结构自适应修改。
附图说明
图1是本发明的一种并网点电压与机组机端电压协调控制流程图。
图2是本发明的一种并网点电压与机组机端电压协调控制策略框图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种电压源型风电机组无功分配方法，如图1所示，包括以下步骤：
a.判断风电机组是否参与调压；
b.确定风电机组参数，风电机组参数包括风电场参与无功调压的风机台数n、风电机组与并网点电气距离。
c.计算系统潮流并采集并网点电压；
d.对下垂系数进行整定，具体步骤包括，
Figure BDA0002793746260000061
其中Pi和Qi为风力发电机组有功出力和无功出力，lj为风电机组距离并网点的电气距离，n为风电场内部参与无功调压的风电机组的数量，kq为场级下发的无功-电压下垂系数，推荐值为0.2。
e.计算风电场所需无功Qref，具体包括，通过恒电压控制方式对并网点电压进行控制，具体的控制算法可以表示为
Figure BDA0002793746260000062
其中Qref为风电场所需无功功率；kP、kI分别为风电场恒电压控制器比例参数和积分参数；Vpcc为并网点电压(标幺值)；Vref为电压参考值，在标幺值系统中Vref＝1。
f.计算机组无功参考值Qitot；，具体包括，风电机组根据各风电机组实时出力进行无功分配，具体可以表示为
Figure BDA0002793746260000071
其中Qitot为机组i的无功参考值，QiTloss为机组i箱式变压器的无功损耗。
g.读取风电机组并网状态：转速、有功无功出力、机端电压；
h.对机组定转子无功参考值进行分配，具体包括，若风电场内部对风电机组下达的无功功率控制指令为Qitot，根据定子侧和转子侧的无功功率关系可以求出风电机组定子侧和转子侧无功给定指令为
Figure BDA0002793746260000072
其中，Qsref和Qgref分别为风电机组定子侧和转子侧无功功率给定值。
i.计算定子电压参考值，控制机端电压在正常范围内，具体步骤包括，电压源型风力发电机组转子侧变流器的电压-无功下垂环的控制算法可以表示为
Usref＝kqad(Qsref-Qs)+Uref (5)
其中，Usref表示定子电压参考值；kqad为整定后的电压-无功下垂系数，其由参与无功调压风机机组的数量、各风电机组距离并网点的电气距离以及风力发电机组的出力决定；Qs为风力发电机组定子侧实际无功出力；Uref为电网额定电压幅值，当为标幺值系统时Uref＝1。
双馈风电机组在同步转速dq坐标系中矢量形式的电压方程和磁链方程可以表示为
Figure BDA0002793746260000081
Figure BDA0002793746260000082
其中，Us＝usd+jusq、Ur＝urd+jurq分别为定、转子端电压矢量；Is＝usd+jusq、Ir＝ird+jirq分别为定、转子电流矢量；ψs＝ψsd+jψsq、ψr＝ψrd+jψrq分别为定、转子磁链矢量；ωsilp＝ω1-ωr为转差电角速度；Ls、Lm、Lr分别为定子自感、定转子互感和转子自感。
根据功率方程、恒幅值变换原则、电网电压定向矢量控制及定子自感、定转子互感和转子自感近似等效关系，求出定子侧和转子侧的无功功率关系
Figure BDA0002793746260000083
其中，Qs、Qr分别为定子侧无功出力和转子侧无功出力，Us为定子电压幅值，Xm为定转子互抗，s＝ωsilp/ω1为运行转差。
综上，根据式(2)、式(3)确定各机组的无功功率参考值，根据式(1)、式(4)、式(5)和式(8)确定机组定子侧和转子侧的无功功率参考值。
如图2所示，其中PI为比例积分控制器，控制器参数可自定义；Pref为主控下达给变流器的有功功率参考值，通过换算可以得到机组定子侧有功功率参考值；下标abc、dq分别表示三相静止坐标、两相旋转坐标下的系统变量，下标r、s、g分别表示定子、转子、变流器网侧分量，fgrid为电网频率，f0电网频率参考值，ω0为风电机组定子旋转磁场角速度，它和定子坐标变换角度θ0之间的关系可以表示为
θ0＝∫[KP(Kω(fgrid-f0)+Psref-Ps)+ω0] (9)
其中KP和Kω均为比例系数。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了下垂系数、无功功率、无功功率参考值Qref等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.判断风电机组是否参与调压；
b.确定风电机组参数；
c.计算系统潮流并采集并网点电压；
d.对下垂系数进行整定；
e.计算风电场所需无功Qref；
f.计算机组无功参考值Qitot；
g.读取风电机组并网状态：转速、有功无功出力、机端电压；
h.对机组定转子无功参考值进行分配；
i.计算定子电压参考值，控制机端电压在正常范围内。
2.根据权利要求1所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，所述步骤b风电机组参数包括风电场参与无功调压的风机台数n、风电机组与并网点电气距离。
3.根据权利要求1所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，所述步骤d具体步骤包括，
Figure FDA0002793746250000011
其中Pi和Qi为风力发电机组有功出力和无功出力，lj为风电机组距离并网点的电气距离，n为风电场内部参与无功调压的风电机组的数量，kq为场级下发的无功-电压下垂系数，推荐值为0.2。
4.根据权利要求1所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，所述步骤e计算风电场所需无功Qref具体包括，通过恒电压控制方式对并网点电压进行控制，具体的控制算法可以表示为
Figure FDA0002793746250000021
其中Qref为风电场所需无功功率；kP、kI分别为风电场恒电压控制器比例参数和积分参数；Vpcc为并网点电压(标幺值)；Vref为电压参考值，在标幺值系统中Vref＝1。
5.根据权利要求4所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，所述步骤f计算机组无功参考值Qitot具体包括，风电机组根据各风电机组实时出力进行无功分配，具体可以表示为
Figure FDA0002793746250000022
其中Qitot为机组i的无功参考值，QiTloss为机组i箱式变压器的无功损耗。
6.根据权利要求1所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，所述步骤h对机组定转子无功参考值进行分配具体包括，若风电场内部对风电机组下达的无功功率控制指令为Qitot，根据定子侧和转子侧的无功功率关系可以求出风电机组定子侧和转子侧无功给定指令为
Figure FDA0002793746250000023
其中，Qsref和Qgref分别为风电机组定子侧和转子侧无功功率给定值。
7.根据权利要求1所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，所述步骤i计算定子电压参考值，控制机端电压在正常范围内的具体步骤包括，电压源型风力发电机组转子侧变流器的电压-无功下垂环的控制算法可以表示为
Usref＝kqad(Qsref-Qs)+Uref (5)
其中，Usref表示定子电压参考值；kqad为整定后的电压-无功下垂系数，其由参与无功调压风机机组的数量、各风电机组距离并网点的电气距离以及风力发电机组的出力决定；Qs为风力发电机组定子侧实际无功出力；Uref为电网额定电压幅值，当为标幺值系统时Uref＝1。
8.根据权利要求6所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，双馈风电机组在同步转速dq坐标系中矢量形式的电压方程和磁链方程可以表示为
Figure FDA0002793746250000031
Figure FDA0002793746250000032
其中，Us＝usd+jusq、Ur＝urd+jurq分别为定、转子端电压矢量；Is＝usd+jusq、Ir＝ird+jirq分别为定、转子电流矢量；ψs＝ψsd+jψsq、ψr＝ψrd+jψrq分别为定、转子磁链矢量；ωsilp＝ω1-ωr为转差电角速度；Ls、Lm、Lr分别为定子自感、定转子互感和转子自感。
9.根据权利要求8所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，根据功率方程、恒幅值变换原则、电网电压定向矢量控制及定子自感、定转子互感和转子自感近似等效关系，求出定子侧和转子侧的无功功率关系
Figure FDA0002793746250000033
其中，Qs、Qr分别为定子侧无功出力和转子侧无功出力，Us为定子电压幅值，Xm为定转子互抗，s＝ωsilp/ω1为运行转差。
10.根据权利要求8所述的一种电压源型风电机组无功分配方法，其特征在于，根据式(2)、式(3)确定各机组的无功功率参考值，根据式(1)、式(4)、式(5)和式(8)确定机组定子侧和转子侧的无功功率参考值。
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