CN112751342A - 一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法、系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法、系统及设备，首先分析风电场电压、无功特性，通过潮流计算，分析风电场内各条集电线路的有无功及电压情况对风电场接入点电压的影响，将接入点电压的影响因子进行解耦，达到分区分层控制的目标，然后分两级对风电场接入点电压进行控制，以保障接入点电压维持在调度允许范围内，一级控制中通过分层分区的控制策略，优化分配具有电压调整能力的装置的出力，二级控制中针对具体的风机群计算出内部无功分配比例；改善风电场内的有无功流向，不仅满足了并网规程的要求，减少风电场内部的网损；挖掘风电机组单机的无功功率调节能力，减少甚至完全取代风电场SVC或SVG集中型无功功率补偿设备。

Description

一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法、系统及设备
技术领域
本发明属于风电场控制领域，具体涉及一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法、系统及设备。
背景技术
风电的不确定性是导致其发展受到限制的主要因素。愈来愈大的风电并网容量和风电场规模会给风电场接入电网带来巨大的挑战，引起诸多不稳定因素：无功功率波动、电压波动、谐波、有功功率控制等。其中最典型的问题是风电接入对并网点(PCC)电压的影响，严重情况下风电接入会引起其电压超出电力系统的合理运行范围，甚至会造成连锁反应，导致局部电网的崩溃。
风电场对电网的影响中，风电场的“电压问题”最为突出，如低电压穿越、高电压穿越、电压质量、电压异常保护等。其中，风电场并网点的电压稳态控制是关键的因素之一。下面是风电场PCC点电压控制的基本原理分析。
对某一个节点而言(按图1)，其电压可用下式(1)计算获得：
Figure BDA0002876288900000011
式中Unode为并网点电压；Ug为电源电压；k1，k2分别为变压器变比；Q为无功功率，P为有功功率；R，X为线路电阻电抗；Un为回路额定电压。
从式(1)可知，从风电场端口向电网方向看，调节风电场PCC点电压的方式有如下几种：①调节变压器变比。对风电场而言，一般都使用了带有载调节分接头的变电站，可以起到一定的作用。一般使用±8×1.25％方式。②更改线路参数。风电场一旦施工完毕，其电阻是基本恒定的，电抗的变化特性也是固定的，没有办法在线进行调整。③调整线路额定电压Un。风电场一旦设计完毕，该参数也没有办法调整。④调整电源电压Ug。因风电机组单机容量很小，布局分散，因此该方法目前而言不是主要调节措施。⑤调整电源输出有功功率和无功功率。因X＞＞R，所以风电场的电压控制主要跟无功功率有关，即跟无功功率源-风电机组和无功功率补偿设备有关。
大多数风电场在其主变低压侧配置了集中型无功功率补偿装置(SVG、SVC等)，来实现风电场的电压/无功功率的平衡控制，目的是为了应对系统安全运行要求和电网标准规定。但是，目前主流的并网相关产品(AVC等产品)，主要调用主变低压侧配置的集中型无功功率补偿装置(SVG、SVC等)，还没有考虑风电机组的无功功率调节能力，没有让风电机组长期、主动参与风电场内无功功率补偿协调控制中。这造成风电场内的自耗电极高，严重影响风电场的效率。
另外，随着风电规模的迅速发展，风电场内的长距离输电的集电线路也越来越多，除了风电场的接入点电压外，长距离集电线路接入点的电压波动问题也开始凸显。电力系统必须进行电压控制，但电压又是一个局部变量，不像频率是个全局或系统量。节点电压的调节无法通过风电场主变低压侧配置的集中型无功功率补偿装置(SVG、SVC等)来实现调节，只能通过该节点或相邻区域内风电机组的无功控制来实现。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法、系统及设备，将风场的电压和无功分层分区控制，充分利用风场内的无功和电压调节功能，实现风电场的电压/无功功率的平衡控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法，包括以下步骤：
步骤1，通过潮流计算，分析风电场内各条集电线路的有无功及电压对风电场接入点电压的影响，将风电场接入点电压的影响因子进行解耦，建立风电场等值模型，即得到风电场电压和无功特性；
步骤2，计算风电机组无功容量，得出所有有功和电压环境下所有机组无功和风场总无功参考值的范围；
步骤3，分两个层级发出对风电场接入点电压的控制指令，第一层级的控制为风电场的整体并网点电压和无功控制，第二层级则根据步骤1所述风电场等值模型，在风电场的集电线路上选取部分电压控制点，对所述部分电压控制点的电压进行单独控制；并且依据所述两个层级的电压和无功范围，为风电场内的具体的风机群及无功补偿设备计算无功分配比例。
步骤1中，对风电场内进行潮流计算，求取整个风电场并网节点的运行参数，所述运行参数包括风电场并网节点电压、功率分布和功率损耗，根据所述运行参数判断系统各电气设备是否正常运行，系统各项性能指标是否满足要求。
步骤1中，需要判断的电气设备包括风机及其变频器、SVC/SVG，通过系统中监测点的电力运行参数是否在电气设备自身要求的范围内判断其是否正常运行。
步骤3中，选取集电线路上的远端风机并网点，作为一个分区进行并网电压管理，
输入的参数包括调度的指令、风速、并网点的有功功率、无功功率及电压，控制目标为保持风电场总并网点无功功率和电压在调度的指令要求的范围内，同时并网点Unode1的无功功率和电压在设定的范围内。
步骤3中，根据集电线路的数量和长度，选取若干个Unode监测点，协同实现风电场内无功和电压的控制结果。
步骤3中，基于AVC并网电压指令，根据当前并网节点有功、无功情况及电压情况，计算各分区节点电压、功率要求及风电场内无功补偿设备功率要求，再根据各分区当前节点电压、功率情况，结合风电机组当前的无功容量整定范围，给周边的风电机组群下发无功指令。
步骤3中，先通过控制各个节点的电压实现控制并网点电压满足AVC要求，当出现风机群的无功容量无法满足要求的情况，即第二层无功电压控制存在部分节点电压无法满足的情况，则考虑通过风电场内无功补偿设备来弥补无功容量缺口。
种风电场内的无功和电压分层分区控制系统，包括风电场电压和无功特性计算模块、风电机组无功容量计算模块、风电场接入点电压控制模块；
风电场电压和无功特性计算模块通过潮流计算，分析风电场内各条集电线路的有无功及电压对风电场接入点电压的影响，将风电场接入点电压的影响因子进行解耦，建立风电场等值模型，即得到风电场电压和无功特性；
风电机组无功容量计算模块计算风电机组无功容量，得出所有有功和电压环境下所有机组无功参考值的范围；
风电场接入点电压控制模块分两个层级发出对风电场接入点电压的控制指令，第一层级的控制为风电场的整体并网点电压和无功控制，第二层级则根据步骤1所述风电场等值模型，在风电场的集电线路上选取部分电压控制点，对所述部分电压控制点的电压进行单独控制；并且依据所述两个层级的电压和无功范围，为风电场内的具体的风机群及无功补偿设备计算无功分配比例。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述风电场内的无功和电压分层分区控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述风电场内的无功和电压分层分区控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明开发一种风电场无功与电压控制方法，对主变高低压侧及欲分层分区的集电线路进行电压/电流直采，并根据系统AVC主站指令来控制风电场内SVC、SVG等无功补充设备和风电机组的无功功率，实现风电场内无功、电压的统一管理，同时，分层分区策略可以有效的改善风电场内的有无功流向，不仅满足了并网规程的要求，同时也减少了风电场内部的网损；充分挖掘风电机组单机的无功功率调节能力，减少甚至完全取代风电场SVC或SVG等集中型无功功率补偿设备，减少设备投资及后期运行维护费用；参考风电场内有功、无功的潮流情况，可以有效的减少风电场内集电线路、一二次设备的运行网损，提高线路的输电效率；解决长距离输电带来的风电场内部节点电压波动问题。
附图说明
图1为本发明风电场简化的一次单线示意图。
图2为本发明风电场简化的多线示意图
图3是本发明一种所述方法示意图。
图4是某1.5MW级风机无功能力。
图5是本发明所述一种电压控制策略图。
具体实施方式
本发明提出了一种大规模风电场内的无功和电压分层分区控制技术，首先分析风电场电压、无功特性，通过潮流计算，分析风电场内各条集电线路的有无功及电压情况对风电场接入点(PCC)电压的影响，将接入点(PCC)电压的影响因子进行解耦，达到分区分层控制的目标。然后分两级对风电场接入点(PCC)电压进行控制，以保障接入点(PCC)电压维持在调度允许范围内为控制目的，一级控制中通过分层分区的控制策略，优化分配具有电压调整能力的装置的出力情况，二级控制中针对具体的风机群计算出内部无功分配比例；
本发明开发一种风电场无功与电压控制方法，对主变高低压侧及欲分层分区的集电线路进行电压/电流直采，并根据系统AVC主站指令来控制风电场内SVC、SVG等无功补充设备和风电机组的无功功率，实现风电场内无功、电压的统一管理；同时，分层分区策略可以有效的改善风电场内的有无功流向，不仅满足了并网规程的要求，同时也减少了风电场内部的网损。
本发明的目的之一，充分挖掘风电机组单机的无功功率调节能力，减少甚至完全取代风电场SVC或SVG等集中型无功功率补偿设备，减少设备投资及后期运行维护费用；
本发明的目的之二，参考风电场内有功、无功的潮流情况，可以有效的减少风电场内集电线路、一二次设备的运行网损，提高线路的输电效率；
本发明的目的之三，解决长距离输电带来的风电场内部节点电压波动问题。
基于分散式的无功补偿的思想，风电场无功电压控制系统是一套基于工控PLC作为控制模块的控制系统；采用工业服务器与风电场风机和风电场的动态无功补偿设备进行通信，同时具备与固定投切式的电容和电抗器进行通讯和控制的开入开出节点；为了控制的高效性和准确性，该系统通过硬接线直接采集控制点的CT/PT信号进行计算和控制，如图2所示。
一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法，包括以下步骤，
步骤1，分析风电场电压和无功特性，通过潮流计算，分析风电场内各条集电线路的有无功及电压对风电场接入点电压的影响，将风电场接入点电压的影响因子进行解耦，建立风电场的等值模型；
风电场内进行潮流计算，求取整个风电场并网节点的运行参数，所述运行参数包括风电场并网节点电压、功率分布和功率损耗，然后根据这些运行参数判断系统各电气元件是否正常运行，系统各项性能指标是否满足要求，并对系统的可靠性进行分析和评价；
步骤2，通过对风电机组无功容量的分析，得出各种有功、电压环境下风电机组无功参考值的整定范围；
风电机组的无功容量和自身特性有极大关联，随着机组的端电压、有功等情况发生变化，图4是一种典型的直驱型风电机组的无功容量变化曲线，风电机组的无功容量则根据现场安装机组的实际情况进行分析；
步骤3，分两层对风电场接入点电压进行控制，第一层级的控制为风电场的整体并网点电压和无功控制，第二层级则根据风电场潮流模型情况，在风电场的集电线路上选取部分电压控制点，对控制点的电压进行单独控制。如图2所示，选取某长距离集电线路上的远端风机并网点Unode1，作为一个分区进行并网电压管理；一个大型风电场内，根据集电线路的数量和长度，通常选取n个Unode监测点，协同实现风电场内无功和电压的控制结果；避免随着风电机组或SVC/SVG因注入功率的增加，其附近局部电网的电压和联络线功率超出安全范围，甚至联锁导致电压崩溃。
步骤4，依据两个层级具体的电压无功情况，为风电场内的具体的风机群及无功补偿设备计算无功分配比例，如图5所示，系统收到AVC并网电压指令后，根据当前并网节点有功、无功情况及电压情况，计算各分区节点电压、功率要求及风电场内无功补偿设备功率要求。再根据当前节点电压、功率情况，结合风电机组当前的无功容量整定范围，给周边的风电机组群下发无功指令。
在整个控制策略中，优先考虑通过控制各个节点的电压实现控制并网点电压满足AVC要求的目的，如果出现风机群的无功容量无法满足要求的情况，即第二层无功电压控制存在部分节点电压无法满足的情况，则考虑通过风电场内无功补偿设备来弥补无功缺口。
图3是一种典型的直驱型风电机组的无功容量变化曲线。风电机组的无功容量需要根据现场安装机组的实际情况进行分析。
本发明风电场内的无功和电压分层分区控制方法可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明风电场内的无功和电压分层分区控制方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于该计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。
在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述风电场内的无功和电压分层分区控制方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor、DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

Claims (10)

1.一种风电场内的无功和电压分层分区控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过潮流计算，分析风电场内各条集电线路的有无功及电压对风电场接入点电压的影响，将风电场接入点电压的影响因子进行解耦，建立风电场等值模型，即得到风电场电压和无功特性；
步骤2，计算风电机组无功容量，得出所有有功和电压环境下所有机组无功和风场总无功参考值的范围；
步骤3，分两个层级发出对风电场接入点电压的控制指令，第一层级的控制为风电场的整体并网点电压和无功控制，第二层级则根据步骤1所述风电场等值模型，在风电场的集电线路上选取部分电压控制点，对所述部分电压控制点的电压进行单独控制；并且依据所述两个层级的电压和无功范围，为风电场内的具体的风机群及无功补偿设备计算无功分配比例。
2.根据权利要求1所述的风电场内的无功和电压分层分区控制方法，其特征在于，步骤1中，对风电场内进行潮流计算，求取整个风电场并网节点的运行参数，所述运行参数包括风电场并网节点电压、功率分布和功率损耗，根据所述运行参数判断系统各电气设备是否正常运行，系统各项性能指标是否满足要求。
3.根据权利要求1所述的风电场内的无功和电压分层分区控制方法，其特征在于，步骤1中，需要判断的电气设备包括风机及其变频器、SVC/SVG，通过系统中监测点的电力运行参数是否在电气设备自身要求的范围内判断其是否正常运行。
4.根据权利要求1所述的风电场内的无功和电压分层分区控制方法，其特征在于，步骤3中，选取集电线路上的远端风机并网点，作为一个分区进行并网电压管理，
输入的参数包括调度的指令、风速、并网点的有功功率、无功功率及电压，控制目标为保持风电场总并网点无功功率和电压在调度的指令要求的范围内，同时并网点Unode1的无功功率和电压在设定的范围内。
5.根据权利要求1所述的风电场内的无功和电压分层分区控制方法，其特征在于，步骤3中，根据集电线路的数量和长度，选取若干个Unode监测点，协同实现风电场内无功和电压的控制结果。
6.根据权利要求1所述的风电场内的无功和电压分层分区控制方法，其特征在于，步骤3中，基于AVC并网电压指令，根据当前并网节点有功、无功情况及电压情况，计算各分区节点电压、功率要求及风电场内无功补偿设备功率要求，再根据各分区当前节点电压、功率情况，结合风电机组当前的无功容量整定范围，给周边的风电机组群下发无功指令。
7.根据权利要求1所述的风电场内的无功和电压分层分区控制方法，其特征在于，步骤3中，先通过控制各个节点的电压实现控制并网点电压满足AVC要求，当出现风机群的无功容量无法满足要求的情况，即第二层无功电压控制存在部分节点电压无法满足的情况，则考虑通过风电场内无功补偿设备来弥补无功容量缺口。
8.一种风电场内的无功和电压分层分区控制系统，其特征在于，包括风电场电压和无功特性计算模块、风电机组无功容量计算模块、风电场接入点电压控制模块；
风电场电压和无功特性计算模块通过潮流计算，分析风电场内各条集电线路的有无功及电压对风电场接入点电压的影响，将风电场接入点电压的影响因子进行解耦，建立风电场等值模型，即得到风电场电压和无功特性；
风电机组无功容量计算模块计算风电机组无功容量，得出所有有功和电压环境下所有机组无功参考值的范围；
风电场接入点电压控制模块分两个层级发出对风电场接入点电压的控制指令，第一层级的控制为风电场的整体并网点电压和无功控制，第二层级则根据步骤1所述风电场等值模型，在风电场的集电线路上选取部分电压控制点，对所述部分电压控制点的电压进行单独控制；并且依据所述两个层级的电压和无功范围，为风电场内的具体的风机群及无功补偿设备计算无功分配比例。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述风电场内的无功和电压分层分区控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述风电场内的无功和电压分层分区控制方法的步骤。
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