CN115395587A - 一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法 - Google Patents

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CN115395587A CN202210964727.6A CN202210964727A CN115395587A CN 115395587 A CN115395587 A CN 115395587A CN 202210964727 A CN202210964727 A CN 202210964727A CN 115395587 A CN115395587 A CN 115395587A
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Abstract

本发明公开了一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，包括建立含多源的海上风电场并网点电压平衡方程，确定风速波动时的海上风电场并网点无功需求Qre；根据海上风电场尾流影响判据和尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型，得到风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1；建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型和约束条件，求解得到减载后的风电场最大无功输出值Qwmax2；当风电场电压波动时，根据Qre、Qwmax1、Qwmax2，按照风电场、SVG和电化学储能的控制优先级进行电力系统无功支撑，实现多源协同的海上风电场无功电压控制。可提升多源参与风电场调压的协同控制能力，确保海上风电场并网点的电压稳定。

Description

一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法。
背景技术
受到环境、气候、资源条件的影响，我国提出了构建以新能源为主体的新型电力系统，以风电、光伏为代表的新能源不断接入电网，导致电网惯性下降，调压、调频压力增大。2021年，我国海上风电新增的装机容量为16.9GW，累计装机容量为26.39GW，居全球第一。凭借其资源丰富、稳定等优点，海上风电在沿海地区发展迅猛，但仍旧存在电压稳定的问题。除传统SVC、SVG无功补偿设备外，部分海上风电场采用了电化学储能设备。作为优良的调峰、调频、调压资源，储能是未来新型电力系统构建的重要支撑。
风速波动、海上风电场无功调节能力不足是导致并网点电压不稳定的重要因素，因此多源协同的调压控制显得尤为重要。
针对未来规模化海上风电场配置SVG、电化学储能等设备的场景，目前研究鲜有涉及电化学储能参与的多源协同支撑海上风电场电压控制方法，考虑不同无功源的经济性和技术性能，需要研究风电场机组、SVG、电化学储能的无功调节配合时序方法，并最大程度挖掘海上风电场的无功支撑潜力，以实现海上风电场并网点的快速有效支撑控制。
发明内容
本发明提供一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，以解决目前海上风电场机组无功支撑能力不足、多源协同性较差的问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，包括：
S1：建立含多源的海上风电场并网点电压平衡方程，确定风速波动时的海上风电场并网点无功需求Qre；
S2：根据海上风电场尾流影响判据和尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型，得到风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1；
建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型和约束条件，求解得到减载后的风电场最大无功输出值Qwmax2；
S3：当风电场电压波动时，根据Qre、Qwmax1、Qwmax2，按照风电场、SVG和电化学储能的控制优先级进行电力系统无功支撑，实现多源协同的海上风电场无功电压控制。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的含多源的海上风电场包括风电场、电化学储能系统和无功补偿装置；
风电场包括双馈风机、集电线路、升压变压器；
电化学储能系统包括锂电池、PCS；
无功补偿装置包括SVG。
上述的步骤S1建立的含多源的海上风电场并网点电压平衡方程为：
Figure BDA0003794347600000021
式中，UPOI为海上风电场并网点的电压，Uon为陆上电网的电压，XL为海上风电场送出线路的电抗，Psend和Qsend分别为海上风电场并网点处的有功功率和无功功率；
其中，Psend和Qsend分别为：
Psend＝Pwind+Pstorage (2)
Qsend＝Qwind+QSVG+Qstorage (3)
式中，Pwind、Pstorage分别为风电场和电化学储能的有功功率，Qwind、QSVG、Qstorage分别为风电场、SVG和电化学储能的无功功率。
上述的步骤S1基于含多源的海上风电场并网点电压平衡方程，确定风速波动时的海上风电场并网点无功需求Qre，具体的：
考虑风速波动，设并网点电压控制目标值为Uref，此时海上风电场并网点的无功需求为：
Figure BDA0003794347600000022
上述的步骤S2所述根据海上风电场尾流影响判据和尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型，得到风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1，具体步骤如下：
S21：构建海上风电场尾流影响判据：
Sw＝[mij]N×N＝[rij·dij]N×N (5)
式中，Sw为风机位置相关矩阵，sij为风机i和风机j的相关系数，N为风电场的风机台数，rij为风机i与风机j的相对角度矩阵，dij为风机i与风机j的相对距离矩阵；
rij、dij分别为：
Figure BDA0003794347600000031
Figure BDA0003794347600000032
式中，θij为风机i与风机j的相对角度，θ0为风机尾流影响临界角，k0为比例系数，R为风机的半径，xi、yi为风机i的位置坐标，xj、yj为风机j的位置坐标；
S22：基于海上风电场尾流影响判据，建立尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型：
Figure BDA0003794347600000033
式中，ai为尾流影响因子，Pi(xi)为风机i的有功功率，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，Vi(xi)为流经风机i的风速值；
风机i的风速为：
Figure BDA0003794347600000034
式中，V0为风电场的输入风速，As为尾流影响区域面积，Vj为第j台风机不受尾流影响时的风速，Vj,i为第j台风机在第i台风机所处位置产生的尾流风速。
进一步得到风电场的无功输出能力，即风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1：
Figure BDA0003794347600000035
式中，Swind为风机的额定容量。
上述的步骤S2所述建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型和约束条件，求解得到减载后的风电场最大无功输出值Qwmax2，具体为：
建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型：
Figure BDA0003794347600000036
约束条件为：
Figure BDA0003794347600000037
式中，Pi、Qi分别为节点i注入有功功率和无功功率；Gij、Bij分别为系统导纳矩阵中的相应元素；Ui、Uj和θij分别为节点i和j的电压幅值和相角差；Ui表示系统节点电压的标幺值；
Figure BDA0003794347600000041
分别表示节点电压的最小、最大限制；dmin和dmax为风机减载率的下限值和上限值；
求解考虑减载能力的海上风电场无功优化模型，获得风电场减载的最大无功输出值Qwmax2。
上述的步骤S2采用改进灰狼优化算法进行考虑减载能力的海上风电场无功优化模型求解，获得风电场减载的最大无功输出值Qwmax2。
上述的步骤S3多源协同的海上风电场无功电压控制具体步骤如下：
当风电场电压波动时：
S31：若Qre≤Qwmax1，风电场调节无功电流参考值，发出Qre大小的无功功率，以维持并网点电压为控制目标值Uref；
S32：若Qwmax1＜Qre≤Qwmax2，风电场先进行减载控制，提升无功输出能力后再参与系统无功电压控制，以维持并网点电压为控制目标值Uref；
S33：若Qwmax2＜Qre≤Qwmax2+QSVG，采用考虑减载能力的海上风电场无功优化模型，使风电场达到最大无功输出状态Qwmax2，然后风电场与SVG共同参与系统无功电压控制，以维持并网点电压为控制目标值Uref；
S34：若Qwmax2+QSVG＜Qre≤Qwmax2+QSVG+Qstorage，风电场输出Qwmax2大小的无功功率，SVG输出QSVG大小的无功功率，风电场、SVG、电化学储能均参与系统无功电压控制，以维持并网点电压为控制目标值Uref。
上述的步骤S3中，若步骤S31-S34中的判别条件均不满足，则表示电压波动严重，风电场可能进入低电压或高电压穿越状态，需进行故障穿越控制或切机。
本发明具有以下有益效果：
本发明针对风电场、电化学储能系统、无功补偿装置等构成的海上风电场，建立含多源的海上风电场并网点电压平衡方程，确定并网点电压波动时的无功需求；建立基于尾流影响判据的风电场功率模型，当风电场无功输出能力受限时，进一步考虑采用基于减载的风电场无功优化模型，提升风电场的无功输出能力；根据风电场并网点实际无功需求，按照风电场、SVG和电化学储能的控制优先级进行系统无功支撑，最大限度挖掘风电场自身无功能力，并配合SVG和电化学储能的优良无功控制特性，提升多源参与风电场调压的协同控制能力，确保海上风电场并网点的电压稳定；
本发明通过建立基于尾流影响判据的风电场功率模型，采用基于减载的风电场无功优化模型，提升风电场的无功输出能力；在优先调用风电机组自身无功调节能力的前提下，按照风电场、SVG和电化学储能的控制优先级进行系统无功支撑，最大限度挖掘风电场自身无功能力，并配合SVG和电化学储能的优良无功控制特性，提升了多源参与风电场调压的协同控制能力，可确保海上风电场并网点的电压稳定。
附图说明
图1为多源协同的海上风电场无功电压控制方法流程图。
图2为海上风电场并网系统拓扑图。
图3为2台风电机组的尾流影响示意图。
图4为双馈型海上风电机组的有功-无功运行图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，包括如下步骤：
S1：建立含多源的海上风电场并网点电压平衡方程，确定风速波动时的海上风电场并网点无功需求Qre；
含多源的海上风电场并网系统如图2所示，包括风电场、电化学储能系统和无功补偿装置，风电场包括双馈风机、集电线路、升压变压器等，电化学储能系统包括锂电池、PCS(储能变换器)，无功补偿装置包括SVG(静止无功补偿器)等；
S2：根据海上风电场尾流影响判据和尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型，得到风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1；
建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型和约束条件，求解得到减载后的风电场最大无功输出值Qwmax2；
具体的，考虑实际风速、风电场布局等因素，建立基于尾流影响判据的风电场功率模型，进一步采用基于减载的风电场无功优化模型，确定减载后的风电场最大无功支撑能力。
S3：当风电场电压波动时，根据Qre、Qwmax1、Qwmax2，按照风电场、SVG和电化学储能的控制优先级进行电力系统无功支撑，实现多源协同的海上风电场无功电压控制。
即在步骤S1、S2的基础上，根据风电场并网点实际无功需求，按照风电场、SVG和电化学储能的控制优先级进行系统无功支撑，进行多源协同的海上风电场无功电压控制。
实施例中，步骤S1所述建立含多源的海上风电场并网点电压方程：
Figure BDA0003794347600000061
式中，UPOI为海上风电场并网点的电压，Uon为陆上电网的电压，XL为海上风电场送出线路的电抗，Psend和Qsend分别为海上风电场并网点处的有功功率和无功功率。
同时建立海上风电场并网点处的有功、无功方程：
Psend＝Pwind+Pstorage (2)
Qsend＝Qwind+QSVG+Qstorage+Qca (3)
式中，Pwind、Pstorage分别为风电场和电化学储能的有功功率，Qwind、QSVG、Qstorage分别为风电场、SVG和电化学储能的无功功率。
考虑风速波动，设并网点电压控制目标值为Uref，此时海上风电场并网点的无功需求：
Figure BDA0003794347600000062
实施例中，步骤S2具体步骤如下：
S21：2台机组构成尾流效应示意图如图3所示，构建海上风电场尾流影响判据：
Sw＝[mij]N×N＝[rij·dij]N×N (5)
式中，Sw为风机位置相关矩阵，sij为风机i和风机j的相关系数，N为风电场的风机台数，rij为风机i与风机j的相对角度矩阵，dij为风机i与风机j的相对距离矩阵。
风机i与风机j的相对角度矩阵、相对距离矩阵分别为：
Figure BDA0003794347600000063
Figure BDA0003794347600000064
式中，θij为风机i与风机j的相对角度，θ0为风机尾流影响临界角，此处取为15°；k0为比例系数，取值为15，R为风机的半径；xi、yi为风机i的位置坐标，xj、yj为风机j的位置坐标。S22：基于海上风电场尾流影响判据，建立尾流效应影响下的海上风电场有功功率方程：
Figure BDA0003794347600000065
式中，ai为尾流影响因子，Pi(xi)为风机i的有功功率，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，Vi(xi)为流经风机i的风速值。
风机i的风速为：
Figure BDA0003794347600000071
式中，V0为风电场的输入风速，As为尾流影响区域面积，Vj为第j台风机不受尾流影响时的风速，Vj,i为第j台风机在第i台风机所处位置产生的尾流风速。mij为0表明风机间无尾流影响，为1表示风机间存在尾流影响。
海上风电场采用双馈型风机，其有功功率和无功功率的运行域如图4所示。
在确定风电场各风机的有功值后，才能进一步求解或者优化各风机的无功值，即基于公式(5)-(9)进一步得到风电场的无功输出能力：
Figure BDA0003794347600000072
式中，Swind为风机的额定容量。
若风电场无法满足并网点的无功需求，则需对风电场进行减载操作，此时风电场的无功输出能力为：
Figure BDA0003794347600000073
式中，di为风电机组i的减载系数。
S23：建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型：
Figure BDA0003794347600000074
约束条件为：
Figure BDA0003794347600000075
式中，Pi、Qi分别为节点i注入有功功率和无功功率；Gij、Bij分别为系统导纳矩阵中的相应元素；Ui、Uj和θij分别为节点i和j的电压幅值和相角差；Ui表示系统节点电压的标幺值；
Figure BDA0003794347600000076
分别表示节点电压的最小、最大限制；dmin和dmax为风机减载率的下限值和上限值。
采用改进灰狼优化算法进行模型求解，获得减载后的风电场最大无功输出值Qwmax2。
实施例中，步骤S3所述多源协同的海上风电场无功电压控制方法，流程如图1所示，具体步骤如下：
根据步骤S1确定的风电场无功需求Qre，步骤S2确定的风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1、风电场未减载的最大无功输出值Qwmax2。当风电场电压波动时：
S31：若Qre≤Qwmax1，风电场调节无功电流参考值，发出Qre大小的无功功率；
S32：若Qwmax1＜Qre≤Qwmax2，风电场先进行减载控制，提升无功输出能力后再参与系统无功电压控制；
S33：若Qwmax2＜Qre≤Qwmax2+QSVG，采用考虑减载能力的海上风电场无功优化模型，使风电场达到最大无功输出状态Qwmax2，然后风电场与SVG共同参与系统无功电压控制；
S34：若Qwmax2+QSVG＜Qre≤Qwmax2+QSVG+Qstorage，风电场输出Qwmax2大小的无功功率，SVG输出QSVG大小的无功功率，风电场、SVG、电化学储能均参与系统无功电压控制。
若步骤S31-S34中的判别条件均不满足，则表示电压波动严重，风电场可能进入低电压或高电压穿越状态，需进行故障穿越控制或切机。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，包括：
S1：建立含多源的海上风电场并网点电压平衡方程，确定风速波动时的海上风电场并网点无功需求Qre；
S2：根据海上风电场尾流影响判据和尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型，得到风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1；
建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型和约束条件，求解得到减载后的风电场最大无功输出值Qwmax2；
S3：当风电场电压波动时，根据Qre、Qwmax1、Qwmax2，按照风电场、SVG和电化学储能的控制优先级进行电力系统无功支撑，实现多源协同的海上风电场无功电压控制。
2.根据权利要求1所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，所述含多源的海上风电场包括风电场、电化学储能系统和无功补偿装置；
风电场包括双馈风机、集电线路、升压变压器；
电化学储能系统包括锂电池、PCS；
无功补偿装置包括SVG。
3.根据权利要求1所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，步骤S1建立的含多源的海上风电场并网点电压平衡方程为：
Figure FDA0003794347590000011
式中，UPOI为海上风电场并网点的电压，Uon为陆上电网的电压，XL为海上风电场送出线路的电抗，Psend和Qsend分别为海上风电场并网点处的有功功率和无功功率；
其中，Psend和Qsend分别为：
Psend＝Pwind+Pstorage (2)
Qsend＝Qwind+QSVG+Qstorage (3)
式中，Pwind、Pstorage分别为风电场和电化学储能的有功功率，Qwind、QSVG、Qstorage分别为风电场、SVG和电化学储能的无功功率。
4.根据权利要求3所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，步骤S1基于含多源的海上风电场并网点电压平衡方程，确定风速波动时的海上风电场并网点无功需求Qre，具体的：
考虑风速波动，设并网点电压控制目标值为Uref，此时海上风电场并网点的无功需求为：
Figure FDA0003794347590000021
5.根据权利要求1所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，步骤S2所述根据海上风电场尾流影响判据和尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型，得到风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1，具体步骤如下：
S21：构建海上风电场尾流影响判据：
Sw＝[mij]N×N＝[rij·dij]N×N (5)
式中，Sw为风机位置相关矩阵，mij为风机i和风机j的相关系数，N为风电场的风机台数，rij为风机i与风机j的相对角度矩阵，dij为风机i与风机j的相对距离矩阵；
rij、dij分别为：
Figure FDA0003794347590000022
Figure FDA0003794347590000023
式中，θij为风机i与风机j的相对角度，mij为风机i与风机j的相对距离，θ0为风机尾流影响临界角，k0为比例系数，R为风机的半径，xi、yi为风机i的位置坐标，xj、yj为风机j的位置坐标；
S22：基于海上风电场尾流影响判据，建立尾流效应影响下的海上风电场有功功率模型：
Figure FDA0003794347590000024
式中，ai为尾流影响因子，Pi(ai)为风机i的有功功率，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，Vi(xi)为流经风机i的风速值；
风机i的风速为：
Figure FDA0003794347590000025
式中，V0为风电场的输入风速，As为尾流影响区域面积，Vj为第j台风机不受尾流影响时的风速，Vj,i为第j台风机在第i台风机所处位置产生的尾流风速；
风电场未减载的最大无功输出值Qwmax1：
Figure FDA0003794347590000026
式中，Swind为风机的额定容量。
6.根据权利要求5所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，步骤S2所述建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型和约束条件，求解得到减载后的风电场最大无功输出值Qwmax2，具体为：
建立考虑减载能力的海上风电场无功优化模型：
Figure FDA0003794347590000031
约束条件为：
Figure FDA0003794347590000032
式中，Pi、Qi分别为节点i注入有功功率和无功功率；Gij、Bij分别为系统导纳矩阵中的相应元素；Ui、Uj和θij分别为节点i和j的电压幅值和相角差；Ui表示系统节点电压的标幺值；
Figure FDA0003794347590000033
分别表示节点电压的最小、最大限制；dmin和dmax为风机减载率的下限值和上限值；
求解考虑减载能力的海上风电场无功优化模型，获得风电场减载的最大无功输出值Qwmax2。
7.根据权利要求6所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，步骤S2采用改进灰狼优化算法进行考虑减载能力的海上风电场无功优化模型求解，获得风电场减载的最大无功输出值Qwmax2。
8.根据权利要求1所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，步骤S3多源协同的海上风电场无功电压控制具体步骤如下：
当风电场电压波动时：
S31：若Qre≤Qwmax1，风电场调节无功电流参考值，发出Qre大小的无功功率，以维持并网点电压为控制目标值Uref；
S32：若Qwmax1＜Qre≤Qwmax2，风电场先进行减载控制，提升无功输出能力后再参与系统无功电压控制，以维持并网点电压为控制目标值Uref；
S33：若Qwmax2＜Qre≤Qwmax2+QSVG，采用考虑减载能力的海上风电场无功优化模型，使风电场达到最大无功输出状态Qwmax2，然后风电场与SVG共同参与系统无功电压控制，以维持并网点电压为控制目标值Uref；
S34：若Qwmax2+QSVG＜Qre≤Qwmax2+QSVG+Qstorage，风电场输出Qwmax2大小的无功功率，SVG输出QSVG大小的无功功率，风电场、SVG、电化学储能均参与系统无功电压控制，以维持并网点电压为控制目标值Uref。
9.根据权利要求8所述的一种多源协同的海上风电场无功电压控制方法，其特征在于，步骤S3中，若步骤S31-S34中的判别条件均不满足，则表示电压波动严重，风电场可能进入低电压或高电压穿越状态，需进行故障穿越控制或切机。
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