专利名称：一种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法，属于风力发电技术领域。
背景技术：
风电场的大规模接入给电力系统带来很多新的问题，其中无功电压问题就是最受关注的问题之一。目前在风电场安装无功补偿装置是解决风电场并网引起的电压稳定问题最常见的方法，但是，这些设备价格昂贵，造成风电场投资的增加。随着风力发电技术的发展，变速恒频风电机组成为并网风电场的主流机型。这类风电机组包括双馈式风电机组和直驱式风电机组，它们部分或者全部功率通过具有四象限运行能力的电力电子变流器送入电网， 可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，具有动态调节无功的能力。我国市场上的变速恒频风电机组一般采用恒功率因数控制方式，甚至不发出无功，没有充分利用到此类机型的无功调节能力。对变速恒频风电机组独立的无功控制方法进行研究是不够的，变速恒频风电机组变流器受到额定电流的限制，送出有功功率较大的情况下，相应无功调节能力就降低，这样在较为恶劣的电压波动条件下，风电场独立的无功调节就很难满足维持电压稳定的无功需求。目前，并网直驱式风电机组在机端电压低于设定值且满足一定延时之后进入低电压穿越模式，风电机组控制不发出有功功率，无功按最大值发出；当电压恢复后，有功功率按照一定的速率恢复。如果在若干分钟内再次进入低电压穿越模式，由于卸荷装置的温度较高，可能会造成切机等后果。由于风速变化、负荷波动以及低电压穿越等特殊运行方式结束后引起的较大电压波动可能会造成较为严重的后果，如第一次或者再次进入低电压穿越模式等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种增加风电场无功功率的调节能力，维持风电场出口电压水平，预防或避免风电机组进入低电压穿越模式而造成对电网更大的冲击，合理的协调控制风电场的有功和无功出力，有效的为风电场出口电压提供无功支持，维持接入点电压稳定性的基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法及系统。本发明提出了一种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法。该方法针对由于风速扰动、负荷变化等引起缓慢且幅度较大的电压波动，通过调节桨距角降低有功出力，从而增加风电场无功功率的调节能力来维持风电场出口电压水平，预防或避免由于电压偏差较大引起风电机组进入低电压穿越模式，造成对电网更大的冲击。功率协调控制思想为在风电场送出母线电压波动大于设定的门槛值时，如果维持电压稳定所需的无功功率大于该运行方式下的无功限值，则降低有功功率出力，从而增大无功功率的输出能力，进一步的帮助风电场电压的恢复。本发明给出了功率控制模式的定义结合风电场接入点安全运行和风电场自身对电压的要求，将风电场无功功率控制区域划分为正常控制区域、异常控制区域和紧急控制区域。正常控制区域是风电场接入点电压波动较小且能够较快的平息的情况；异常控制区域是指风电场接入点电压波动较大，可能有进一步恶化趋势的情况；紧急控制区域是指风电场接入点电压波动范围引起风电场机组特殊运行模式的情况。对应三个运行区域，定义风电场的三种控制模式即正常控制模式、功率协调控制模式、特殊控制模式。正常控制模式为风电场机组的一般控制模式，可采用恒功率因数控制也可采用恒电压控制方式；功率协调控制模式为本发明所提出的方法，该控制方式通过对风电机组有功和无功功率的协调控制，来支持风电场接入点电压的恢复；特殊控制模式为风电机组在电压异常情况下采取的非正常控制模式。本发明的目的可以通过如下措施来达到一种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法，其特征在于其通过检测风电场电压判断是否满足启动风电场功率协调控制模式条件；当条件不满足时，风电场机组采取正常的控制模式，当满足条件时，风电场进入功率协调控制模式；在功率协调控制模式下，计算出风电场有功无功的控制量，然后分配到风电场内的单台风电机组，作为控制信号调节单台风电机组功率的输出，进而实现对风电场母线电压的闭环控制。 为了进一步实现本发明的目的，其特征在于其包括以下步骤
(I )、 实时测量风电场接入点电压
,并将测量获得的与控制点参考电压的差值设置为电压偏差；
(2)、将电压偏差AF与设定的门槛值进行比较，判断风电场是否进入功率协调控制模式，如果风电场机组采取正常的控制模式进行无功功率的控制，如果
则转至步骤3;
(3)、风电场机组采用功率协调控制模式，设置0.I秒的延时来防止模式之间的频繁切换；将电压差信号AF经过PI环节得到风电场无功电流的参考值/q<md，并转至步骤4 ；
(4)、判断风电场无功电流的参考值是否满足在目前运行方式下的限值条件
Zfltmd >-4 ;如果不满足，该参考电流即为实际所需的参考电流为，，并转至步骤7 ;如果满足，考虑无功参考电流按最大整定，则实际无功参考电流计算公式为= ^L-4 ,并转至步骤5;
(5)、按照电压偏差整定的无功电流参考值来计算有功电流参考值为4- =，有功功率的参考值为Pms = FtimIlcmi，则转入步骤6 ；
(6)、将有功率参考值匕,和有功功率测量值Ps的差通过PI控制器整定得到桨距角给
定值4m ,用一阶惯性环节来模拟桨距角调节机构的动态过程，并转至步骤7 ；
(7)、按照每台风电机组输出有功功率的比例来分配风电场功率的整定值，计算公式如
下:6/■^腿 +，Qcm悉 ~ Qsmi I其中^为第i台风电机组的功率分配值；巧为第i台风电机组输出的有功功
率；P通为风电场输出的有功功率；U、Q-为第i台风电机组集线的功率损耗。为了进一步实现本发明的目的，所述的正常控制模式采用恒功率因数控制或恒电压控制方式。本发明同已有技术相比可产生如下积极效果本发明是基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法，在风电场送出母线电压波动大于设定的门槛值时，如果维持电压稳定所需的无功功率大于该运行方式下的无功限值，则降低有功功率出力，从而增大无功功率的输出能力，进一步的帮助风电场电压的恢复。该方法针对由于风速扰动、负荷变化等引起缓慢且幅度较大的电压波动，通过调节桨距角降低有功出力，从而增加风电场无功功率的调节能力来维持风电场出口电压水平，预防或避免由于电压偏差较大引起风电机组进入低电压穿越模式而造成对电网更大的冲击。仿真结果表明，该方法能够合理的协调控制风电场的有功和无功出力，有效的为风电场出口电压提供无功支持，从而维持接入点电压 稳定性。本发明提出的功率协调控制方法在电压波动幅度较大的情况下，通过减小有功功率的出力，能够有效的提高风电场无功功率的输出能力，增加风电场电压的控制水平。
图I为本发明的原理 图2为本发明的流程框 图3为本发明的桨距角附加控制 图4为本发明的仿真算例示意 图5为本发明的风电场出口电压比较 图6为本发明的风电场输出无功功率对比 图7为本发明的风电场输出无功电流对比 图8为本发明的风电场输出有功功率对比 图9为本发明的风电场输出有功电流对比 图10为本发明的等值风电场桨距角变化图。
具体实施例方式 下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式
，并借助仿真算例来验证本发明的有效性和可行性。图I是整个风电场协调控制方法原理图。I)通过检测风电场电压判断是否满足启动风电场功率协调控制模式条件；当条件不满足时，风电场机组采取正常的控制模式，可采用恒功率因数控制也可以采用恒电压方式控制；当满足条件时，风电场进入功率协调控制模式。2)在功率协调控制模式下，计算出风电场有功无功的控制量，然后通过一定的原则分配到风电场内的单台风电机组，作为控制信号调节单台风电机组功率的输出，进而实现对风电场母线电压的闭环控制。图2是功率协调控制模式下的方法框图，步骤如下
步骤I :实时测量风电场接入点电压I，并将测量获得的7_与控制点参考电压的差值设置为电压偏差AF ；
步骤2 :将电压偏差Ar与设定的门槛值进行比较，判断风电场是否进入功率协调
控制模式；如果AF <匕，风电场机组采取正常的控制模式进行无功功率的控制，可采用恒
功率因数控制也可以采用恒电压方式控制；如果AF > ,则转至步骤3 ;
步骤3 :风电场机组采用功率协调控制模式，设置0. I秒的延时来防止模式之间的频繁
切换；将电压差信号Ar经过PI环节得到风电场无功电流的参考值/Qcaii，并转至步骤4 ;
PI调节器的比例和积分系数的选取要考虑风电场接入地区电压/无功静态线性有差调节特性得到；
步骤4 :判断风电场无功电流的参考值Zqtmd是否满足在目前运行方式下的限值条件
Zfiattd >狀姐-4 ;如果不满足，该参考电流即为实际所需的参考电流为，并
转至步骤7 ;如果满足，考虑无功参考电流按最大整定，则实际无功参考电流计算公式为
Zfiattd=-4 ,并转至步骤5 ；
步骤5 :此时，为了使得无功参考电流能够满足电压波动的需求，通过降低有功电流的犯法使得无功电流的限值增加，从而增加无功功率的输出；按照电压偏差整定的
无功电流参考值来计算有功电流参考值为有功功率的参考值为 Pond ,则转入步骤 6 ;
步骤6 :将有功率参考值和有功功率测量值Ps的差通过PI控制器整定得到桨距
角给定值L ,用一阶惯性环节来模拟桨距角调节机构的动态过程，如图3所示，并转至步骤7 ;
步骤6中桨距角调节大小和速率受物理装置的限制，为了防止有功调节的超调，造成不必要的有功损失，在无功电流给定值处进行速率限制，限制速率和桨距角调节有功功率的速率匹配；
步骤7 :按照每台风电机组输出有功功率的比例来分配风电场功率的整定值，这样可以保证每台风电机组的功率因数相等，避免出现个别风电机组有功、无功输出不
协调的情况；考虑风电场汇集线路的损耗，计算公式如下=L召代 +4吣
QasS ~ Qasd Pi!Pmm +Gisi
其中为第i台风电机组的功率分配值；巧为第i台风电机组输出的有功功
率；为风电场输出的有功功率；、&_为第i台风电机组集线的功率损耗。为验证本发明功率协调控制方法的有效性和可行性，在PSASP中搭建了某区域电网的仿真算例
采用PSASP搭建算例系统验证本文控制方法的正确性和可行性。某区域电网风电场并网接线图如图4所示。该风电场由100台I. 5丽的直驱式风电机组组成。风电机组出口电压690V，经升压变压器升至10kV，再经过集电线路汇集到风电场母线，经主变压器升到220kV，通过双回线路送到电网。算例中标么值采用风电场的额定容量为基准值。风电场正常运行电压波动范围为0. 90 I. lpu，超出正常电压波动范围启动本文协调控制方法模式。风电场无功功率输出范围为-0. 2 0. 2pu。设置负荷扰动引起风电场出口电压缓慢且较大的波动，对比风电机组采用以下三种模型下风电场的运行特性1)风电机组采用单位功率因数控制模式；2)风电机组采用恒电压控制模式；3)风电机组采用本文功率协调控制方法模式。假设负荷在2. 5s 9s之间发生功率波动，功率消耗在3s之内线性增加50%然后恢复到原有消耗水平，电压控制点选择风电场IOkV母线。仿真结果分析
图5为在单位功率因数控制、恒电压以及本文协调控制方法情况下，风电场出口电压情况比较。可以看出风电场出口母线电压稳态运行在lpu。负荷增加时，由于模式I不发无功，风电场电压随着负荷变化而发生较大波动；在负荷变化初期，电压波动范围没有超过设定值，所以模式2和模式3的电压波动曲线一致，当风电机组无功出力达到最大值时，模式2 按最大值发无功，电压波动范围继续增大，而模式3能够继续增加无功出力,所以电压波动幅度较小。在负荷波动达到最大值时，三种控制模式下的最大电压波动值分别为0. 813pu、
0.895pu、0. 981pu。可以看出采取本文控制方法下的电压波动幅度最小，其次为采取恒电压控制模式，恒单位功率因数下电压波动幅度最大。风电机组进入低电压穿越的电压门槛值为0. 9pu时，模式I和模式2均会引起风电机组进入低电压穿越模式，而模式3即本文提出的控制方法下可以避免。结论和单位功率因数控制、恒电压控制方法比较，本文方法能够很好的维持风电场出口的电压水平。图6对比了三种控制模式下风电场输出的无功功率情况。在单位功率因数控制模式下，风电场不发无功；在恒电压控制模式下，由于输出无功功率限制，最大输出无功功率为0. 2pu ;在本文功率协调控制模式下，由于降低了有功功率出力，使得无功功率输送能力增大，无功功率输出最大值达到0. 4pu，无功功率输出能力增加了一倍。图7为三种控制模式下风电场无功电流情况。在单位功率因数控制模式下，风电场无功电流为零；在恒电压控制模式下，由于变流器电流的限制，最大输出无功功率为
0.2pu ;在本文功率协调控制模式下，由于降低了有功电流的值，使得无功电流最大值增大，无功电流最大值达到0. 43pu。结论和单位功率因数控制、恒电压控制方法比较，本文方法增加了无功功率的调节能力。图8比较了三种不同控制方法情况下，有功功率的输出情况。在单位功率因数控制模式和恒电压控制模式下，有功功率基本维持在原有功率水平；在本文协调控制方法模式下，为了发出无功功率，降低了有功功率的输出，最低降至0. 88pu。图9比较了三种不同控制方法情况下风电场有功电流情况。在单位功率因数控制模式下，由于风电场出口电压降低，为了维持输出功率，风电场有功电流增加，最大值达到
1.23pu ;在恒电压控制模式下，由于电压水平有所增加，风电场有功电流最大值为I. 12pu ；在本文协调控制方法模式下，发出更多无功功率支持风电场出口电压，降低了有功电流的值，最小的有功功率为0.89pu。结论和单位功率因数控制、恒电压控制方法比较，本文方法降低了有功功率的出力，降低了有功电流的最大值。图10为在本文协调控制方法模式下，等值风电场桨距角的变化情况。可以看出桨距角2s中内变化了 2. 5°，变化速度远远低于桨距角的最大调节速度，能 够满足本文算法的要求。
权利要求
1.一种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法，其特征在于其通过检测风电场电压判断是否满足启动风电场功率协调控制模式条件；当条件不满足时，风电场机组采取正常的控制模式，当满足条件时，风电场进入功率协调控制模式；在功率协调控制模式下，计算出风电场有功无功的控制量，然后分配到风电场内的单台风电机组，作为控制信号调节单台风电机组功率的输出，进而实现对风电场母线电压的闭环控制。
2.根据权利要求I所述的ー种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法，其特征在于其包括以下步骤 (I )、 实时测量 风电场接 入点电压I ,并将测量获得的与控制点參考电压的差值设置为电压偏差AF ； (2)、将电压偏差AF与设定的门槛值1>し进行比较，判断风电场是否进入功率协调控制模式，如果风电场机组采取正常的控制模式进行无功功率的控制，如果Afr >な，则转至步骤3; (3)、风电场机组采用功率协调控制模式，设置0.I秒的延时来防止模式之间的频繁切换；将电压差信号Ar经过PI环节得到风电场无功电流的參考值Zqcmd，并转至步骤4 ； (4)、判断风电场无功电流的參考值/Qtmd是否满足在目前运行方式下的限值条件Zfltad >ホし-/};如果:不满足，i亥参=考■电'流_为实际所需的参=考■电'流为Zfltaii = , ^转至步骤7 ;如果满足，考虑无功參考电流按最大整定，则实际无功參考电流计算公式为Zfltad =孤-4 ,并转至步骤5 ; (5)、按照电压偏差整定的无功电流參考值来计算有功电流參考值为IF磁=一 ，有功功率的參考值为Pem4 = Uiwttf ,则转入步骤6 ; (6)、将有功率參考值4^和有功功率测量值/ 的差通过PI控制器整定得到桨距角给定值,用一阶惯性环节来模拟桨距角调节机构的动态过程，并转至步骤7 ； (7)、按照每台风电机组输出有功功率的比例来分配风电场功率的整定值，计算公式如下一 ^emi, GtisJ — Sdemi zi.l ^su Gtea 其中ね^、2_为第i台风电机组的功率分配值力第i台风电机组输出的有功功率；为风电场输出的有功功率；、Gfasi为第i台风电机组集线的功率损耗。
3.根据权利要求I所述的ー种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法，其特征在于所述的正常控制模式采用恒功率因数控制或恒电压控制方式。
全文摘要
本发明公开了一种基于直驱式风电机组风电场的功率协调控制方法，其特征在于其通过检测风电场电压判断是否满足启动风电场功率协调控制模式条件；当条件不满足时，风电场机组采取正常的控制模式，当满足条件时，风电场进入功率协调控制模式；在功率协调控制模式下，计算出风电场有功无功的控制量，然后分配到风电场内的单台风电机组，作为控制信号调节单台风电机组功率的输出，进而实现对风电场母线电压的闭环控制，本发明增加风电场无功功率的调节能力来维持风电场出口电压水平，预防或避免对电网更大的冲击，保证风电场连续平稳的运行，能够合理的协调控制风电场的有功和无功出力，有效的为风电场出口电压提供无功支持，从而维持接入点电压稳定性。
文档编号H02J3/38GK102801181SQ20121025922
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者牟欣玮, 鲍忠伟, 高峰, 王玥婷, 孙安国, 柳成华, 訾鹏, 戴红阳, 康凯, 张颖, 胡婷婷, 史振宇, 丛志鹏 申请人:山东电力集团公司烟台供电公司, 中国电力科学研究院