CN116667368A - 含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法及系统 - Google Patents

含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法及系统 Download PDF

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李华
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Abstract

本发明公开了一种含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法及系统，确定风电场站总无功功率需求Qall，风电机组能够提供的无功功率上限Qwmax以及无功补偿设备STATCOM能够提供的无功功率上限Qsmax，若电网处于非故障状态，Qall≤Qwmax，则电压源型发电机组优先进行无功补偿，若无功补偿不足，电流源型发电机组进行二次无功补偿，若Qall>Qwmax，则风电机组优先进行无功补偿；若电网处于故障状态，Crowbar保护电路未动作，则STATCOM提供无功补偿，若Qall≤Qsmax，则待并网点电压处于正常范围内，风电机组提供无功补偿；若Qall>Qsmax，则风电机组进行二次无功补偿。本发明可实现故障/非故障情况下多模式无功补偿控制，有效提高含电压源型发电机组风电场站的稳定运行能力。

Description

含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法及系统
技术领域
本发明涉及无功电压协调控制技术，特别是一种含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法及系统。
背景技术
风力发电具有较大的间歇性和波动性，随着风电机组装机容量不断增加，其大规模并入电网使得电网失稳的可能性大大增加。风电场站往往处于电网末端，电网对于并网点电压支撑能力较弱，一旦遇到电网故障情况，并网点电压会骤然跌落，风电场站脱网运行的几率大大增加，这将给工业生产和经济发展造成严重损失。
风电场站无功补偿协调控制中通常简单地将电网状态划分为故障和非故障状态，以此为依据进行无功补偿，同时风电机组大多加装Crowbar保护电路。Crowbar保护电路未动作时，风电机组尚可正常运行，可以给并网点电压提供一定的无功支撑，而一旦Crowbar保护电路动作，风电机组的转子绕组将被短接，从无功源变为无功负荷。目前研究中大多没有考虑到根据Crowbar保护电路动作与否进行不同的无功补偿模式，而是采用统一的调控进行无功补偿，这将造成不必要的无功出力，增大投资成本。
风电场站中多采用电流源型发电机组进行发电，但其存在发电效率损失、增加投资和运行成本等缺点；有研究表明，在风电场站中配置一定比例的电压源型发电机组可以提升发电效率和系统稳定性。目前的研究未考虑到如何充分利用电压源型发电机组和电流型发电机组在无功补偿控制特性方面的差异进行无功协调控制，这将极大地削弱风电场站无功补偿设备配置的灵活性，并将提高投资成本。
因此，含电压源型发电机组的快速无功补偿方法对于新能源发电的稳定性研究具有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种构含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法及系统，有效提高含电压源型发电机组风电场站的稳定运行能力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，该方法包括：
若电网处于非故障状态，则：若Qall≤Qwmax，则电压源型发电机组优先进行无功补偿，若无功补偿不足，电流源型发电机组进行二次无功补偿，令Qwref＝Qall；否则，发电机组优先进行无功补偿，无功补偿设备STATCOM进行二次无功补偿，令Qwref＝Qwmax，Qsref＝Qall-Qwmax；其中，Qall为风电场站总无功功率需求，Qwmax为风电机组的无功功率上限；所述风电机组包括电压源型发电机组和电流源型发电机组；
若电网处于故障状态，则判断Crowbar保护电路是否动作，若Crowbar保护电路未动作，无功补偿设备STATCOM提供无功补偿，若Qall≤Qwmax，则令Qsref＝Qall，待并网点电压处于正常范围内，发电机组提供无功补偿，无功补偿设备STATCOM退出运行；若Qall>Qsmax，则风电机组进行二次无功补偿，令Qsref＝Qsmax，Qwref＝Qall-Qsmax。
在Crowbar保护电路未动作的时候，风电机组的转子绕组尚未被短接，此时可以充分利用其可以提供无功补偿的特性进行风电场站无功补偿协调控制，减少储能设备的投切，减少投资成本，有效提高含电压源型发电机组风电场站的稳定运行能力。
进一步地，本发明的方法还包括：若Crowbar保护电路已经动作，无功补偿设备STATCOM与储能设备同时动作，支撑并网点电压并向风电机组提供无功补偿；待故障状态解除后，Crowbar保护电路退出保护，电压源型发电机组和电流源型发电机组提供无功补偿，无功补偿设备STATCOM和储能设备退出运行。
在Crowbar保护电路已经动作时，风电机组的转子绕组被短接，变为无功负荷，需要其他设备提供无功补偿，此时充分利用STATCOM和储能设备的快速无功补偿特性，可以减少风电机组的转子绕组被短接和电网故障的时间，快速解除故障状态，提高风电场站运行稳定性。
本发明中，风电场站总无功功率需求Qall的计算公式为：
Qall＝Qdynamic+Qloss；
Qloss＝QT1+QT2+Qline；
其中，Qdynamic为风电场站并网点电压参考值与并网点电压实测值作差经PI控制器计算所得的风电场站动态无功补偿值，Qloss为根据风电场站内部集电线路、箱变及升压变压器的无功损耗计算出的风电场站总无功损耗值，QT1为风电场站箱变无功损耗，QT2为风电场站升压变压器无功损耗，Qline为风电场站集电线路无功损耗；I01(％)为箱变空载电流的百分数，VK1(％)为箱变短路电压的百分数，Se1为箱变的额定容量，β1为箱变的负载率；I02(％)为升压变压器空载电流的百分数，VK2(％)为升压变压器短路电压的百分数，Se2为升压变压器的额定容量，β2为升压变压器的负载率；P为通过集电线路的有功功率，Q为通过集电线路的无功功率，X为集电线路电抗，U为集电线路电压降。集电线路
本发明中，风电机组的无功功率上限Qwmax的计算公式为：
其中，a＝1，2，……，N，N为电压源型发电机组的数量，Qva_max为第a个电压源型发电机组的无功功率最大值；b＝1，2，……，M，M为电流源型发电机组的数量，Qib_max为第b个电流源型发电机组的无功功率最大值。
电网是否处于故障状态的判断过程包括：若并网点电压变化速度的绝对值│du/dt│大于故障临界值或并网点电压超出正常范围，则电网处于故障状态；否则，电网处于非故障状态。
本发明中，判断Crowbar保护电路是否动作的实现过程包括：若转子电流超过阈值(额定值的1.28倍)，Crowbar保护电路动作；否则，Crowbar保护电路不动作。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制系统，其包括：
一个或多个处理器；
存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本发明上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
(1)本发明充分利用电压源型发电机组和电流型发电机组在无功补偿控制特性方面的差异进行无功协调控制，极大地提高了风电场站无功补偿设备配置的灵活性，减少了投资成本；
(2)本发明可以根据Crowbar保护电路的状态，灵活地协调控制各种无功补偿设备，实现快速无功功率补偿和解除电网故障的目的；
(3)本发明可实现故障/非故障情况下多模式无功补偿控制，有效提高含电压源型发电机组风电场站的稳定运行能力。
附图说明
图1为本发明实施例的整体系统结构图；
图2为本发明实施例的流程图；
图3(a)和图3(b)为本发明实施例的风电场拓扑结构图；图3(a)为双馈风电机组的拓扑结构图，图3(b)为直驱风电机组的拓扑结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为本发明实施例适用的含电压源型发电机组的风电场站的整体系统结构图，包括电网调度系统、AVC子站、储能设备、无功补偿设备STATCOM、风电机组监控系统和各个风电机组；所述电网调度系统下发调度指令给AVC子站；AVC子站接收电网调度系统的调度指令，同时上传风电场站的实时数据到电网调度系统供其参考，对各种无功补偿设备进行调度，在并网点电压波动或电网发生故障时起到协调控制的作用；风电机组监控系统对各个风电机组的无功功率输出进行监测，并下发无功功率指令给各个风电机组。
图2为本发明实施例的流程图，首先确定风电场站总无功功率需求Qall，风电机组能够提供的无功功率上限Qwmax以及无功补偿设备STATCOM能够提供的无功功率上限Qsmax。然后监测并网点电压变化速度的绝对值│du/dt│是否不超过故障临界值以及并网点电压是否在正常范围内，进而判断电网是否处于故障状态(即│du/dt│大于故障临界值或并网点电压超出正常范围为故障状态，反之，两个条件都不满足为非故障状态)。当电网处于非故障状态时，则判断风电场站总无功功率需求Qall是否超过风电机组能够提供的无功功率上限Qwmax：若Qall≤Qwmax，则电压源型发电机组优先进行无功补偿(参见：党克,衣鹏博,田勇,刘子源,刘闯.电压对称跌落下VSG自适应无功补偿控制策略[J].电气自动化,2021,43(06):61-63.)，若无功补偿不足，电流源型发电机组进行二次无功补偿(参见：武海涛,王志和,刘永和.大功率电流源型SVG的拓扑与控制[J].高电压技术,2018,44(07):2300-2308.)，以满足风电场站无功需求，令Qwref＝Qall；反之，风电机组(包括电压源型发电机组和电流源型发电机组)优先进行无功补偿，无功补偿设备STATCOM进行二次无功补偿(参见：张锋,晁勤.STATCOM改善风电场暂态电压稳定性的研究[J].电网技术,2008(09):70-73.)，以满足风电场站无功需求，令Qwref＝Qwmax，Qsref＝Qall-Qwmax。
现有技术往往忽略了电压源型发电机组和电流源型发电机组发出无功功率性能方面的差异，不能做到合理地协调控制二者在无功补偿中发挥更大的作用。
电压源型发电机组具有主动支撑电网电压的特性，能够在电网发生扰动时快速调节无功输出，进行无功补偿；而电流源型发电机组的控制方式为电网跟随型，只能根据系统给定指令输出无功功率，其响应的快速性不如电压源型发电机组(参见：秦世耀,齐琛,李少林,张晓同,王瑞明,代林旺.电压源型构网风电机组研究现状及展望[J].中国电机工程学报,2023,43(04):1314-1334.以及谢震,许可宝,秦世耀,张兴,李少林.基于电压源型和电流源型双馈风电机组稳定性对比分析[J].电网技术,2021,45(05):1724-1735.)。因此，当需要风电机组进行无功补偿时，电压源型发电机组优先进行无功补偿，而电流源型发电机组在电压源型发电机组的无功补偿不足时作为补充。
本发明则充分利用电压源型发电机组和电流型发电机组在无功补偿控制特性方面的差异进行无功补偿协调控制，极大地提高了风电场站无功补偿设备配置的灵活性，减少了投资成本。
风电场站总无功功率需求Qall的具体计算方法为：Qall＝Qdynamic+Qloss，其中Qdynamic为风电场站并网点电压参考值与并网点电压实测值作差经PI控制器计算所得的风电场站动态无功补偿值，Qloss为根据风电场站内部集电线路、箱变及升压变压器的无功损耗计算出的风电场站总无功损耗值。Qloss的计算公式为：
Qloss＝QT1+QT2+Qline；
其中，QT1为风电场站箱变无功损耗，QT2为风电场站升压变压器无功损耗，Qline为风电场站集电线路无功损耗；I01(％)为箱变空载电流的百分数，VK1(％)为箱变短路电压的百分数，Se1为箱变的额定容量，β1为箱变的负载率；I02(％)为升压变压器空载电流的百分数，VK2(％)为升压变压器短路电压的百分数，Se2为升压变压器的额定容量，β2为升压变压器的负载率；P为通过集电线路的有功功率，Q为通过集电线路的无功功率，X为集电线路电抗，U为集电线路电压降(参见：孙进,张蜂蜜,董文娟,王云.风电场无功功率损耗问题的应用研究[J].电器工业,2010(06):36-39.以及曹天明,王宏.风电场无功损耗分析及无功补偿设备投退策略研究[J].光源与照明,2022(01):177-179.)。
风电机组所能够提供的无功功率上限Qwmax的具体计算方法为：
其中，a＝1，2，……，N，N为电压源型发电机组的数量，Qva_max为第a个电压源型发电机组的无功功率最大值；b＝1，2，……，M，M为电流源型发电机组的数量，Qib_max为第b个电流源型发电机组的无功功率最大值。
图3(a)和图3(b)为本发明实施例的风电场拓扑结构图(图3(a)为双馈风电机组的拓扑结构图，图3(b)为直驱风电机组的拓扑结构图)。当电网处于故障状态时，根据转子电流是否超过阈值(额定值的1.28倍)，来判断Crowbar保护电路是否动作，若转子电流超过阈值，Crowbar保护电路动作；否则，Crowbar保护电路不动作(参见：蒋雪冬,赵舫.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略[J].电网技术,2008(12):84-89.)。若Crowbar保护电路已经动作，则风电机组的转子绕组将被短接，风电机组变为无功负荷，需要外部提供无功功率。此时，无功补偿设备STATCOM与储能设备同时动作(参见：张锋,晁勤.STATCOM改善风电场暂态电压稳定性的研究[J].电网技术,2008(09):70-73.以及王鹏,李方媛,胡阳,郭浩,朱琳.储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制[J].电机与控制应用,2021,48(02):64-70+75.)，快速发出无功功率，支撑并网点电压并向风电机组提供无功补偿，帮助风电机组恢复正常状态；待故障状态解除后，Crowbar保护电路退出保护，风电机组提供无功补偿，无功补偿设备STATCOM和储能设备退出运行，使得风电场站有足够的无功储量应对下一次的故障状态。STATCOM作为无功补偿设备具有响应速度快、无功输出连续、调节范围广等优点，因此被选作本发明实施例中的主要无功补偿设备。
若Crowbar保护电路未动作，无功补偿设备STATCOM迅速动作，提供无功补偿，并判断风电场站总无功功率需求Qall是否超过无功补偿设备STATCOM能够提供的无功功率上限Qsmax，若Qall≤Qsmax，则无需其他无功补偿设备进行无功补偿，令Qsref＝Qall，待并网点电压处于正常范围内，风电机组提供无功补偿，无功补偿设备STATCOM退出运行；若Qall>Qsmax，风电机组进行二次无功补偿，令Qsref＝Qsmax，Qwref＝Qall-Qsmax。
如此，便可以根据Crowbar保护电路的状态，灵活地协调控制各种无功补偿设备，实现快速无功功率补偿和解除电网故障的目的。在电网发生故障时，现有技术往往只关注如何进行无功补偿，以支撑并网点电压，解除故障状态，但往往忽略了Crowbar保护电路动作与否这一因素。Crowbar保护电路的不同状态对于风电场站故障时所处的紧急程度和整体情况有着很大影响，对于大型风电场站来说，如果可以将Crowbar保护电路的不同状态纳入考虑范围内，将极大地提高风电场站无功补偿设备配置的合理性以及无功补偿协调控制的灵活性。
实施例2
本发明实施例2提供一种对应上述实施例1的含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；处理器执行存储器上的计算机程序，以实现上述实施例1方法的步骤。
在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，其特征在于，该方法包括：
若电网处于非故障状态，则：若Qall≤Qwmax，则电压源型发电机组优先进行无功补偿，若无功补偿不足，电流源型发电机组进行二次无功补偿，令Qwref＝Qall；否则，发电机组优先进行无功补偿，无功补偿设备STATCOM进行二次无功补偿，令Qwref＝Qwmax，Qsref＝Qall-Qwmax；其中，Qall为风电场站总无功功率需求，Qwmax为风电机组的无功功率上限；所述风电机组包括电压源型发电机组和电流源型发电机组；
若电网处于故障状态，则判断Crowbar保护电路是否动作，若Crowbar保护电路未动作，无功补偿设备STATCOM提供无功补偿，若Qall≤Qwmax，则令Qsref＝Qall，待并网点电压处于正常范围内，发电机组提供无功补偿，无功补偿设备STATCOM退出运行；若Qall>Qsmax，则风电机组进行二次无功补偿，令Qsref＝Qsmax，Qwref＝Qall-Qsmax。
2.根据权利要求1所述的含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，其特征在于，还包括：若Crowbar保护电路已经动作，则无功补偿设备STATCOM与储能设备同时动作，支撑并网点电压并向风电机组提供无功补偿；待故障状态解除后，Crowbar保护电路退出保护，电压源型发电机组和电流源型发电机组提供无功补偿，无功补偿设备STATCOM和储能设备退出运行。
3.根据权利要求1所述的含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，其特征在于，风电场站总无功功率需求Qall的计算公式为：
Qall＝Qdynamic+Qloss；
Qloss＝QT1+QT2+Qline；
其中，Qdynamic为风电场站并网点电压参考值与并网点电压实测值作差经PI控制器计算所得的风电场站动态无功补偿值，Qloss为根据风电场站内部集电线路、箱变及升压变压器的无功损耗计算出的风电场站总无功损耗值，QT1为风电场站箱变无功损耗，QT2为风电场站升压变压器无功损耗，Qline为风电场站集电线路无功损耗；I01(％)为箱变空载电流的百分数，VK1(％)为箱变短路电压的百分数，Se1为箱变的额定容量，β1为箱变的负载率；
I02(％)为升压变压器空载电流的百分数，VK2(％)为升压变压器短路电压的百分数，Se2为升压变压器的额定容量，β2为升压变压器的负载率；P为通过集电线路的有功功率，Q为通过集电线路的无功功率，X为集电线路电抗，U为集电线路电压降。
4.根据权利要求1所述的含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，其特征在于，风电机组的无功功率上限Qwmax的计算公式为：
其中，a＝1，2，……，N，N为电压源型发电机组的数量，Qva_max为第a个电压源型发电机组的无功功率最大值；b＝1，2，……，M，M为电流源型发电机组的数量，Qib_max为第b个电流源型发电机组的无功功率最大值。
5.根据权利要求1所述的含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，其特征在于，电网是否处于故障状态的判断过程包括：
若并网点电压变化速度的绝对值│du/dt│大于故障临界值或并网点电压超出正常范围，则电网处于故障状态；否则，电网处于非故障状态。
6.根据权利要求1所述的含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，其特征在于，判断Crowbar保护电路是否动作的实现过程包括：
若转子电流超过阈值(额定值的1.28倍)，Crowbar保护电路动作；否则，
Crowbar保护电路不动作。
7.根据权利要求6所述的含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制方法，其特征在于，所述阈值设定为转子电流额定值的1.28倍。
8.一种含电压源型发电机组的风电场站无功补偿控制系统，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117748518A (zh) * 2024-02-21 2024-03-22 上海派能能源科技股份有限公司 一种低压电网末端电压的治理方法及储能设备

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