CN113013913A - 风电场无功电压控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风电场无功电压控制系统和方法。所述方法包括：根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型；针对风电场中的每个风机进行数据采集，采集的数据包括电压参数、有功功率参数、无功功率参数以及动态无功补偿参数；基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压；向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。

Description

风电场无功电压控制系统和方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体地说，本发明涉及一种风电场无功电压控制系统和方法。
背景技术
随着风力发电的并网比例不断攀升，接入交流系统的短路比(短路容量/装机容量)越来越小，电力系统由传统的强电网范围进入到弱电网范围，因此电网电压易受风电功率波动的影响，系统容易产生电压振荡，甚至发生次超同步振荡，使系统稳定运行受到威胁，风电机组的可利用率同样受到影响。因此，提高电网的风电机组侧电压的稳定性对机组的安全运行具有重大意义。
为了提升风电机组的电压稳定性，保证风力发电机组的安全运行，现有技术在风电场的中压线路中利用静止无功发生器(SVG)设备调节无功功率来稳定电压，或者利用场控装置控制风机吸收或发出无功功率来调节电网电压。上述方案是通过调节无功功率来间接控制电网电压，控制目标是风电场并网点电压。然而并网点和风机端口电压之间还存在高、中压线路和箱变阻抗等。由于电气系统的非线性，并网点和风机端口电压之间电压存在一定差异，并且这种差异还与风电机组输出的有功功率有关系，在特定情况下会导致风机端口电压偏离正常工作范围，频繁进入故障穿越状态。
现有的风电场的电压控制系统均以风机、SVG的无功输出作为控制变量，基于通过计算控制点(例如，并网点等)的电压偏差以及根据经验值设置的系统阻抗来求解无功功率。然后，根据风电场的情况及调试人员的经验设置参数及步长，逐步下发无功指令。但在这种情况下，常常会出现风机执行无功值后出现机端电压越限情况，严重时会导致风机进入高低电压越限。因为即使风机机端电压合格，也会出现风电场其他节点、母线电压越限情况。
发明内容
本发明采用根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型，采用预测计算的方法，可有效避免风机机端电压越限、风机机端电压未越限但其他母线电压不合格等情况的发生。在风电场电压控制过程中，先进行Q控制，根据反馈的机端电压判断是否越限，再进行二次调整，因而可有效避免出现风机机端电压越限，风机进入高低穿的情况。同时，提前计算整个风电场各节点、各母线电压，可避免出现在电压控制过程中风机机端电压未越限，但其他母线电压不合格的情况。此外，通过提前预测计算，可缩短控制周期，在遇到故障或电压扰动时，可快速将电压调整到合格范围。
根据本发明的实施例，提供一种风电场无功电压控制方法，所述方法包括：根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型；针对风电场中的每个风机进行数据采集，采集的数据包括电压参数、有功功率参数、无功功率参数以及动态无功补偿参数；基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压；向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。
计算所述调度电压时，可设置电压越限节点数量函数、并网点电压与电网调度电压的偏差函数以及风机机端电压偏移量函数作为目标函数，并取目标函数最小值以用于得到所述调度电压。
在所述模型中可将风机节点设置为PV节点，并且将其他节点设置为PQ节点。
当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，可针对每个风机的调度电压指令被设置为偏移电压上下限中间值。
当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，针对每个风机的调度电压指令根据电网中的拓扑结构被差异化地设置。
根据本发明的实施例，提供一种风电场无功电压控制装置，所述控制装置包括：数据采集单元，针对每个风机进行数据采集，采集的数据包括电压参数、有功功率参数、无功功率参数以及动态无功补偿参数；建模单元，根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型；机端电压计算单元，基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压；以及指令控制单元，向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。
计算所述调度电压时，所述机端电压计算单元可设置电压越限节点数量函数、并网点电压与电网调度电压偏差函数以及风机机端电压偏移量函数作为目标函数，并取目标函数最小值以用于得到所述调度电压。
所述建模单元可将风机节点设置为PV节点，并且将其他节点设置为PQ节点。
当机端电压计算单元计算并网点电压与电网调度电压偏差时，指令控制单元可将调度电压指令设置为偏移电压上下限中间值。
当机端电压计算单元计算并网点电压与电网调度电压偏差时，指令控制单元可根据电网中的拓扑结构差异化地设置调度电压指令。
根据本发明的实施例，提供一种风电场无功电压控制系统，所述控制系统包括控制装置，所述控制装置被配置为：根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型；针对风电场中的每个风机进行数据采集，采集的数据包括电压参数、有功功率参数、无功功率参数以及动态无功补偿参数；基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压；向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。
其中，控制装置可设置电压越限节点数量函数、并网点电压与电网调度电压偏差函数以及风机机端电压偏移量函数作为目标函数，并取目标函数最小值以用于得到所述调度电压。
控制装置在所述模型中可将风机节点设置为PV节点，并且将其他节点设置为PQ节点。
当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，控制装置可将针对每个风机的调度电压指令设置为偏移电压上下限中间值。
当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，控制装置可根据电网中的拓扑结构差异化地设置针对每个风机的调度电压指令。
根据本发明的实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的风电场无功电压控制方法。
根据本发明的实施例，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的风电场无功电压控制方法。
附图说明
图1是风电场的主接线的示意图。
图2是根据本发明的风电场无功电压控制方法的流程图。
图3是根据本发明的预测计算调度电压的方法的流程图。
具体实施方式
提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，在此所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，在此所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于在此所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1是风电场的主接线的示意图。在风力发电系统中，从并网点110kV到风机端口690V的线路通过主变压器T1将110kV电压变化到35kV电压，再经过数公里的传输线路到达每台风机的箱变，通过箱变Tnm将35kV电压变化到风机的工作电压690V后接入风机端口。在风力发电系统中还可包括控制系统，在所述控制系统中可包括传感器(例如，电压传感器、电流传感器和功率检测传感器等)和控制装置(例如，控制器)。
图2是根据本发明的风电场无功电压控制方法的流程图。本实施例以风机机端电压为控制变量的进行风电场无功电压控制。
在步骤100，风电场无功电压控制系统中的控制装置根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型，并计算节点的导纳矩阵。输电线路的参数包括变压器参数、线路参数等。
在步骤200，控制装置针对风电场中的每个风机进行数据采集，采集的数据包括：电网系统的电压参数、各台风机的电压参数V、有功功率参数P、无功功率参数Q以及动态无功补偿参数SVG/SVC。
在步骤300，控制装置基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，采用预测计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压。
在操作400，控制装置给风机下发电压指令。
在操作500，控制装置对风机进行恒电压控制。
图3是根据本发明的预测计算调度电压的方法的流程图。
在步骤310，设置目标函数：
Figure BDA0002325941430000051
其中，f1为电压越限节点数量函数；f2为并网点电压与电网调度电压函数偏差值；f3为电压平均偏移量函数。这里，设置f3为风机机端电压偏移量，以便尽可能使处于不同拓扑位置、不同系统阻抗的风机的机端电压平均为1pu。取函数最小使各个节点的电压全部合格。
在步骤320，设置约束条件使得各节点的电压在设置的最大最小值范围内，并且风机的无功功率在设置的最大最小值范围内。
Figure BDA0002325941430000052
在步骤330，将风机端电压设置为控制变量。
在步骤340，将风机节点设置为PV节点，系统处设置为平衡节点，其余节点设置为PQ节点。
在步骤350，求解节点电压功率方程，计算当前风机PV、在系统电压前提下的风机的无功Q以及其他节点电压。根据实施例，根据功率方程的风机的无功Q以及其他节点电压，可采用电力系统求解潮流计算各种的方法来计算当前风机PV、在系统电压前提下的风机的无功Q以及其他节点电压。
Figure BDA0002325941430000053
在步骤360，依次计算各节点电压是否越限，并计算电压越限个数。如果并网点电压与调度电压指令偏差不为0，则按照一定的更新公式，更新风机端电压预设值V，返回执行步骤350。
如果电压越限个数为0，则在步骤365判断并网点计算电压与调度电压偏差是否满足要求。若满足则计算并网点电压与调度电压指令偏差，执行步骤370。
在步骤370，计算平均电压偏移量，此处针对每个风机的调度电压指令可设置为偏移电压的上下限中间值，也可以设置为给定电压值。此外，各节点给定电压值可以根据在电网中的拓扑结构差异化的设置。
在步骤375，判断迭代次数是否超过阈值，在迭代N次后，电压全部合格时，求解并网点电压与调度电压指令偏差最小时各风机端电压值。根据实施例，可采用线性、非线性等各种寻优算法进行迭代更新。
根据本发明的实施例的控制装置可以以模块化形式实现，其中，控制装置包括数据采集单元、建模单元、机端电压计算单元和指令控制单元。
数据采集单元针对每个风机进行数据采集，采集的数据包括电网系统的电压参数、各台风机的电压参数V、有功功率参数P、无功功率参数Q以及动态无功补偿参数SVG/SVC。
建模单元根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型，并计算节点的导纳矩阵。输电线路的参数包括变压器参数、线路参数等。
机端电压计算单元基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，采用预测计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压。
指令控制单元向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。
本发明采用根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型，采用预测计算的方法，可有效避免风机机端电压越限和风机机端电压未越限但其他母线电压不合格等情况的发生。在风电场电压控制过程中，先进行Q控制，根据反馈的机端电压判断是否越限，再进行二次调整，因而可有效避免出现风机机端电压越限，风机进入高低穿的情况。同时，提前预测计算整个风电场各节点、各母线电压，可避免出现在电压控制过程中风机机端电压未越限，但其他母线电压不合格的情况。此外，通过提前预测计算，可缩短控制周期，在遇到故障或电压扰动时，可快速将电压调整到合格范围。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的风电场无功电压控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的风电场无功电压控制方法的计算机程序。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (17)

1.一种风电场无功电压控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型；
针对风电场中的每个风机进行数据采集，采集的数据包括电压参数、有功功率参数、无功功率参数以及动态无功补偿参数；
基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压；
向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述调度电压时，设置电压越限节点数量函数、并网点电压与电网调度电压的偏差函数以及风机机端电压偏移量函数作为目标函数，并取目标函数最小值以用于得到所述调度电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述模型中将风机节点设置为PV节点，并且将其他节点设置为PQ节点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，针对每个风机的调度电压指令被设置为偏移电压上下限中间值。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，针对每个风机的调度电压指令根据电网中的拓扑结构被差异化地设置。
6.一种风电场无功电压控制装置，所述控制装置包括：
数据采集单元，针对每个风机进行数据采集，采集的数据包括电压参数、有功功率参数、无功功率参数以及动态无功补偿参数；
建模单元，根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型；
机端电压计算单元，基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压；以及
指令控制单元，向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其中，计算所述调度电压时，所述机端电压计算单元设置电压越限节点数量函数、并网点电压与电网调度电压偏差函数以及风机机端电压偏移量函数作为目标函数，并取目标函数最小值以用于得到所述调度电压。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其中，所述建模单元将风机节点设置为PV节点，并且将其他节点设置为PQ节点。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，当机端电压计算单元计算并网点电压与电网调度电压偏差时，指令控制单元将调度电压指令设置为偏移电压上下限中间值。
10.根据权利要求8所述的控制装置，其中，当机端电压计算单元计算并网点电压与电网调度电压偏差时，指令控制单元根据电网中的拓扑结构差异化地设置调度电压指令。
11.一种风电场无功电压控制系统，所述控制系统包括控制装置，
其特征在于，所述控制装置被配置为：
根据风电场的拓扑结构和输电线路的参数建立风电场等效模型；
针对风电场中的每个风机进行数据采集，采集的数据包括电压参数、有功功率参数、无功功率参数以及动态无功补偿参数；
基于建立的所述模型和采集的所述数据，以风机机端电压为控制变量，计算使得风机并网点电压与调度电压指令之间的偏差最小时的各个风机机端的调度电压；
向各个风机发送计算出的对应的风机机端的调度电压指令以对各个风机进行恒电压控制。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其中，控制装置设置电压越限节点数量函数、并网点电压与电网调度电压偏差函数以及风机机端电压偏移量函数作为目标函数，并取目标函数最小值以用于得到所述调度电压。
13.根据权利要求12所述的控制系统，控制装置在所述模型中将风机节点设置为PV节点，并且将其他节点设置为PQ节点。
14.根据权利要求13所述的控制系统，其中，当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，控制装置将针对每个风机的调度电压指令设置为偏移电压上下限中间值。
15.根据权利要求13所述的控制系统，其中，当计算并网点电压与电网调度电压偏差时，控制装置根据电网中的拓扑结构差异化地设置针对每个风机的调度电压指令。
16.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至5中任意一项所述的风电场无功电压控制方法。
17.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至5中任意一项所述的风电场无功电压控制方法。
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