专利名称：风电场电压自动控制系统中提高并网暂态稳定性的方法
技术领域：
本发明涉及风电场动态电压自动控制(AVC)，更具体地讲，涉及一种在风电场AVC系统中提高风电场并网暂态稳定性的方法。
背景技术：
随着技术的发展，可再生能源的关注和利用程度日益增加，其中，风力发电是一种已经发展相对成熟的能源技术。然而，我国风电行业“建设大基地，融入大电网”的发展规划与欧洲“分散上网，就地消纳”不同，有着“大规模”、“高集中”等特点。间歇性风电造成电网电压波动，系统短路容量增加，暂态稳定性改变，特别在大规模风电集中接入电网情况下尤为突出。同时，电网末端电能质量也会影响风电场，例如电网扰动导致风机脱网、风电场解列，不平衡电压会造成机组振动、过热等。研究风电场并网的技术关键，在于将风电场作为一个整体单元接入电网来分析，通过改善风电场并网点(简称PCC)的稳定性，以实现整个风电场的并网性能提高。PCC点的稳定性最重要的指标为电压稳定性。电压波动直接影响了风机的安全稳定运行，危害甚至波及所接入的电力网络。根据潮流分析技术可知，PCC点的电压主要受该点的无功功率影响当消耗感性无功功率(即吸收无功功率)过多时电压将会下降；反之，当发出感性无功功率(即发出无功功率)过多时电压将会上升。通过某些技术控制PCC点的无功功率动态平衡，即可达到控制PCC点电压稳定的效果。然而，在现有技术中，控制风电场PCC点的无功功率平衡，会受到两个技术点制约首先必须满足我国电力系统无功功率“分层分区”控制原则，其次必须充分考虑风电场无功功率源的控制机理。风电场无功功率源主要有两种风机和集中无功补偿设备。集中无功补偿设备，例如静止无功功率补偿装置(SVC)对风电场的无功功率平衡起到了积极有效的作用，但也存在造价高、损耗大和稳定性差的缺陷，并且SVC与风机运行配合差。另一方面，风机具有额外发出无功功率的能力，但单个风机的自由控制会引起风电场无功功率内耗，无法达到指定控制目标。风电场电压自动控制(AVC)系统可挖掘风电场内风机发出无功功率的能力，与SVC配合，使风电场无功功率达到更好的动态平衡。图I是示出根据现有技术的依靠集中无功功率补偿设备来实现PCC点的电压控制的风电场AVC系统的拓扑示意图。如图I所示，在根据现有技术的风电场AVC系统中，多条风电汇集线路1_N(每条风电汇集线路包括多个风机)以及设置有SVC的SVC线路接入到低压母线，低压母线上的电压经由变压器升压，接入高压母线，然后经由PCC点通过风电送出线路接入大电网，从而实现风电场并网，其中，SVC根据低压母线和/或高压母线的电压变化，自动发出无功功率或吸收无功功率，从而调节PCC点的电压。尽管SVC具有提高风电场并网暂态稳定性的能力，但是SVC仍然具有许多缺点
(I)SVC造价高，故而设计容量有限，调节能力有限；(2)随着电压降低，SVC发出无功功率的能力下降，故而在电压突然降低时难以保障调节效果；(3)组合型SVC在调节时冲击电流大，特别是在投切电容器、电抗器时冲击电流高达额定的二倍以上；(4) SVC不配合风机低压穿越功能，这会引起电压过调节或欠调节。为此，需要提供一种能够在风电场AVC系统中使风电场无功功率达到更好的动态平衡并提高风电场并网暂态稳定性的方法。
发明内容
本发明的多个方面在于至少解决上述问题和/或缺点，并至少提供以下描述的优点。因此，本发明的一方面在于提供一种风电场电压自动控制系统中提高并网暂态稳定性的方法。根据本发明的一方面，提供一种风电场电压自动控制(AVC)系统中提高并网暂态稳定性的方法，所述风电场电压自动控制系统包括AVC控制器、设置在风电场中的多个风机上的多个风机主控系统、静止无功功率补偿装置SVC、设置在风电送出线路、风电汇集线路、SVC线路、高压母线以及低压母线上的多个电压互感器和电流互感器，其中，每条风电汇 集线路连接有多个风机，AVC控制器通过光纤网络与各个风机主控系统通信，并且电连接到所述多个电压互感器和电流互感器，所述方法包括以下步骤(A) AVC控制器确定风电场并网PCC点电压是否突然降低；(B)当AVC控制器确定PCC点电压突然降低时，AVC控制器在等待第一预定时间之后闭锁风电场AVC系统对风电场的控制；(C)当AVC控制器确定SVC正在吸收无功功率时，AVC控制器发出控制命令以使SVC停止吸收无功功率；(D)AVC控制器确定PCC点电压是否在发生突然降低之后的第二预定时间内上升到特定阈值之上；(E)当AVC控制器确定PCC点电压在第二预定时间内上升到所述特定阈值之上时，AVC控制器恢复风电场AVC系统对风电场的控制。此外，所述方法还可包括以下步骤(F)当AVC控制器确定PCC点电压在第二预定时间内没有上升到所述特定阈值之上时，AVC控制器在等待第三预定时间之后恢复风电场AVC系统对风电场的控制。此外，第三预定时间可从PCC点电压发生突然降低的时刻开始计算。此外，AVC控制器可根据设置在风电送出线路上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然降低。此外，当PCC点电压下降变化率为高，且PCC点电压下降到第一阈值以下时，AVC控制器可确定PCC点电压突然降低。此外，当PCC点电压下降变化率高于O. 7倍额定电压/秒，且PCC点电压低于O. 8倍额定电压时，AVC控制器可确定PCC点电压突然降低。此外，第一预定时间可为20毫秒，第二预定时间可为5秒，所述特定阈值可为O. 9倍额定电压。此外，第三预定时间可为8-10秒。此外，AVC控制器可基于设置在SVC线路上的电压互感器和电流互感器提供的电压数据和电路数据确定SVC正在吸收无功功率还是发出无功功率。根据本发明的一方面，提供一种风电场电压自动控制AVC系统中提高并网暂态稳定性的方法，所述风电场电压自动控制系统包括AVC控制器、设置在风电场中的多个风机上的多个风机主控系统、静止无功功率补偿装置SVC、设置在风电送出线路、风电汇集线路、SVC线路、高压母线以及低压母线上的多个电压互感器和电流互感器，其中，每条风电汇集线路连接有多个风机，AVC控制器通过光纤网络与各个风机主控系统通信，并且电连接到所述多个电压互感器和电流互感器，所述方法包括以下步骤=(A)AVC控制器确定风电场并网PCC点电压是否突然上升；(B)当AVC控制器确定PCC点电压突然上升时，AVC控制器在等待第一预定时间之后，向各个风机主控系统发出命令，以使各个风机停止发出无功功率；(C)当AVC控制器确定如SVC正在发出无功功率时，AVC控制器发出控制命令以使SVC停止发出无功功率；(D)AVC控制器在等待第二预定时间之后，AVC控制器恢复风电场AVC系统对风电场的无功功率的控制。此外，第二预定时间可从PCC点电压发生突然上升的时刻开始计算。此外，AVC控制器可根据设置在风电送出线路上的电压互感器提供的电压数据或者根据设置在低压母线上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然上升。此外，当PCC点电压上升变化率为高，且PCC点电压上升到所述第一阈值以上时，AVC控制器可确定PCC点电压突然上升。此外，当PCC点电压上升变化率高于O. 5倍额定电压/秒，且PCC点电压高于I. I倍额定电压时，AVC控制器可确定PCC点电压突然上升。此外，第一预定时间可为20毫秒，第一阈值可为I. I倍额定电压，第二预定时间可为5秒。此外，AVC控制器可基于设置在SVC线路上的电压互感器和电流互感器提供的电压数据和电路数据确定SVC正在吸收无功功率还是发出无功功率。根据本发明，通过同步检测短路故障并临时闭锁，使得风电场AVC系统兼顾了风机低压穿越功能的特点，又抑制了并网点电压突然降低的趋势；通过高电压情况下与SVC的配合，抑制了并网点电压突然升高的趋势，吸收了区域电网中大量过剩无功功率；通过和SVC的配合，增加了风电场总的无功功率快速调节范围，增加了风电场接入电网区域的暂态稳定性；通过抑制故障时电压的波动，改善了风机运行环境，减少了大面积脱网事件或者连锁反应的发生。
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将 会变得清楚和更易于理解，其中图I是示出根据现有技术的依靠集中无功功率补偿设备来实现PCC点的电压控制的风电场AVC系统的拓扑示意图；图2是示出根据本发明实施例的风电场AVC系统的示图；图3是示出根据本发明实施例的在风电场AVC系统中提高并网暂态稳定性的方法的流程图；图4是示出根据本发明另一实施例的在风电场AVC系统中提高并网暂态稳定性的方法的流程图。
具体实施例方式现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。图2是示出根据本发明实施例的风电场AVC系统的示图。如图2所示，根据本发明实施例的风电场AVC系统可包括AVC控制器、设置在多个风机上的多个风机主控系统、集中无功补偿设备(例如，SVC)以及设置在风电送出线路、风电汇集线路、SVC线路、高压母线以及低压母线上的多个电压互感器和电流互感器，AVC控制器通过光纤网络与各个风机主控系统通信，并且电连接到所述多个电压互感器和电流互感器。具体地讲，AVC控制器接收电压互感器和电流互感器检测的电压数据和电流数据，并且接收风机主控系统提供的风机自身的各种数据(例如，风机端口的电压数据、电流数据、有功功率、风机的温度以及故障信息等)。此外，AVC控制器将控制信号发送到各个风机主控系统，各个风机主控系统根据控制信号控制相应风机中的变流器，以使相应风机端口的电流和电压之间存在角度，从而相应风机能够发出无功功率或吸收无功功率，其中，当电流领先于电压时，风机发出无功功率，当电流落后于电压时，风机吸 收无功功率。可选择地，AVC控制器可由各种电力屏柜来实现。此外，根据本发明实施例的风电场AVC系统还可包括用于执行远程控制的AVC主站，所述AVC主站的数量不受限制，可设置在远离风电场的任何位置(例如，市级电力控制中心、省级电力控制中心等)，并且通过有线或无线通信方式与AVC控制器通信并对AVC控制器进行远程控制。AVC主站可以由计算机来实现。此外，根据本发明实施例的风电场AVC系统还可包括用于监控AVC运行状态的AVC监控装置。AVC监控装置可以由计算机来实现。根据本发明的实施例，AVC控制器首先获取风电送出线路的电压数据。风电送出线路的电压数据反映了 PCC点的实际电压。随后，AVC控制器将风电送出线路的电压与风电场的目标电压进行比较，并根据电压差值确定需要风电场发出无功功率或吸收无功功率的总值。其后，AVC控制器可根据风电汇集线路的电压数据和电流数据确定每条风电汇集线路能够发出或吸收的无功功率的总值，并根据风机主控系统提供的电压数据和电流数据确定相应风机能够发出或吸收的无功功率。最后，AVC控制器将与每台风机需要发出或吸收的无功功率对应的控制信号发送到相应的风机主控系统。这样，风机主控系统就可以根据控制信号控制相应风机中的变流器，以使相应风机端口的电流和电压之间存在角度，从而相应风机能够发出无功功率或吸收无功功率。最终，通过使风机发出无功功率或吸收无功功率，可以提高或降低PCC点的实际电压，从而保证并网的稳定性。可选择地，当各个风机发出或吸收的无功功率不足以将PCC点的实际电压提高或降低到目标值时，AVC控制器可控制SVC投入运行以发出或吸收无功功率，从而进一步提高或降低PCC点的电压。图3是示出根据本发明实施例的在风电场AVC系统中提高并网暂态稳定性的方法的流程图。参照图3，在操作301，AVC控制器确定PCC点电压是否突然降低。AVC控制器可以根据设置在风电送出线路上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然降低。然而，可选择地，AVC控制器也可以根据设置在高压母线或低压母线上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然降低。具体地讲，当PCC点电压下降变化率为高，且PCC点电压下降到第一阈值以下时，AVC控制器可确定PCC点电压突然降低。例如，当PCC点电压下降变化率高于O. 7倍额定电压/秒，且PCC点电压低于O. 8倍额定电压时，AVC控制器可确定PCC点电压突然降低。然而，本发明不限于此，电压下降变化率和第一阈值可以根据实际需要由本领域技术人员任意设置。当AVC控制器确定PCC点电压突然降低时，在操作302，AVC控制器在等待预定时间(例如，但不限于，20毫秒)之后闭锁风电场AVC系统对风电场的控制。也就是说，AVC控制器放弃对风电场中风机发出无功功率或吸收无功功率的控制。这样，AVC系统可以配合在风电场中的风机中发生的低压穿越。随后，在操作303，如果AVC控制器基于设置在SVC线路上的电压互感器和电流互感器提供的电压数据和电路数据确定SVC正在吸收无功功率时，则AVC控制器发出控制命令以使SVC停止吸收无功功率。另一方面，如果AVC控制器确定SVC正在发出无功时，AVC控制器不对SVC进行任何控制。在操作304，AVC控制器确定PCC点电压是否在发生突然降低之后的预定时间(例如，但不限于，5秒)内上升到第二阈值(例如，大于0.9倍额定电压)之上。当AVC控制器确定PCC点电压在预定时间内上升到第二阈值之上时，在操作305，AVC控制器恢复风电场AVC系统对风电场的控制。也就是说，AVC控制器开放对风电场中风机发出无功功率或吸收无功功率的控制，从而根据风电场的运行情况控制相应风机发出无功功率或吸收无功功率。 另一方面，当AVC控制器确定PCC点电压在预定时间内没有上升到第二阈值之上时，在操作306，AVC控制器在等待预定时间(例如，但不限于，8-10秒)之后，AVC控制器恢复对风电场的控制。这里，所述预定时间从PCC点电压发生突然降低的时刻开始计算。图4是示出根据本发明另一实施例的在风电场AVC系统中提高并网暂态稳定性的方法的流程图。参照图4，在操作401，AVC控制器确定PCC点电压是否突然上升。AVC控制器可以根据设置在风电送出线路上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然上升。然而，可选择地，AVC控制器也可以根据设置在高压母线或低压母线上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然上升。具体地讲，当PCC点电压上升变化率为高，且PCC点电压上升到第三阈值以上时，AVC控制器可确定PCC点电压突然上升。例如，当PCC点电压上升变化率高于O. 5倍额定电压/秒，且PCC点电压高于I. I倍额定电压时，AVC控制器可确定PCC点电压突然上升。然而，本发明不限于此，电压上升变化率和第三阈值可以根据实际需要由本领域技术人员任意设置。当AVC控制器确定PCC点电压突然上升时，在操作402，AVC控制器在等待第一预定时间(例如，但不限于，20毫秒)之后，AVC控制器向各个风机主控系统发出命令，降低各个风机发出的无功功率。具体地讲，AVC控制器可发出命令，使所有风机不再发出无功功率。此后，在操作403，如果AVC控制器基于设置在SVC线路上的电压互感器和电流互感器提供的电压数据和电路数据确定SVC正在发出无功功率时，则AVC控制器发出控制命令以使SVC停止发出无功功率。接下来，在操作404，AVC控制器在等待第二预定时间(例如，但不限于5秒)之后，AVC控制器恢复风电场AVC系统对风电场的无功功率的控制。也就是说，AVC控制器恢复对风电场中风机发出无功功率或吸收无功功率的控制，从而根据风电场的运行情况控制相应风机发出无功功率或吸收无功功率。这里，第二预定时间从PCC点电压发生突然上升的时刻开始计算。
以上参照图3和图4描述了当PCC点电压突然降低或突然升高时保持风电场并网暂态稳定性的方法。然而，根据本发明的实施例，图4的方法可以在图3的操作301之后执行。例如，当AVC控制器确定PCC点电压没有突然降低时，可执行操作401及其后的操作。另一方面，图3的方法可以在图4的操作401之后执行。例如，当AVC控制器确定PCC点电压没有突然上升时，可执行操作301及其后的操作。另一方面，AVC控制器可反复执行操作301和401 (执行操作301和401的先后顺序不受限制)，直到检测到PCC点电压突然降低或突然升高，然后执行操作302至306或操作402至404。根据本发明的实施例，通过同步检测短路故障并临时闭锁，使得风电场AVC系统兼顾了风机低压穿越功能的特点，又抑制了并网点电压突然降低的趋势；通过高电压情况下与SVC的配合，抑制了并网点电压突然升高的趋势，吸收了区域电网中大量过剩无功功率；通过和SVC的配合，增加了风电场总的无功功率快速调节范围，增加了风电场接入电网区域的暂态稳定性；通过抑制故障时电压的波动，改善了风机运行环境，减少了大面积脱网事件或者连锁反应的发生。
虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种风电场电压自动控制(AVC)系统中提高并网暂态稳定性的方法，所述风电场电压自动控制系统包括AVC控制器、设置在风电场中的多个风机上的多个风机主控系统、静止无功功率补偿装置SVC、设置在风电送出线路、风电汇集线路、SVC线路、高压母线以及低压母线上的多个电压互感器和电流互感器，其中，每条风电汇集线路连接有多个风机，AVC控制器通过光纤网络与各个风机主控系统通信，并且电连接到所述多个电压互感器和电流互感器，所述方法包括以下步骤 (A)AVC控制器确定风电场并网PCC点电压是否突然降低； (B)当AVC控制器确定PCC点电压突然降低时，AVC控制器在等待第一预定时间之后闭锁风电场AVC系统对风电场的控制； (C)当AVC控制器确定SVC正在吸收无功功率时，AVC控制器发出控制命令以使SVC停止吸收无功功率； (D)AVC控制器确定PCC点电压是否在发生突然降低之后的第二预定时间内上升到特定阈值之上； (E)当AVC控制器确定PCC点电压在第二预定时间内上升到所述特定阈值之上时，AVC控制器恢复风电场AVC系统对风电场的控制。
2.根据权利要求I所述的方法，还包括以下步骤 (F)当AVC控制器确定PCC点电压在第二预定时间内没有上升到所述特定阈值之上时，AVC控制器在等待第三预定时间之后恢复风电场AVC系统对风电场的控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，第三预定时间从PCC点电压发生突然降低的时刻开始计算。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，AVC控制器根据设置在风电送出线路上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然降低。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，当PCC点电压下降变化率为高，且PCC点电压下降到第一阈值以下时，AVC控制器确定PCC点电压突然降低。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当PCC点电压下降变化率高于O.7倍额定电压/秒，且PCC点电压低于O. 8倍额定电压时，AVC控制器确定PCC点电压突然降低。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，第一预定时间为20毫秒，第二预定时间为5秒，所述特定阈值为O. 9倍额定电压。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，第三预定时间为8-10秒。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，AVC控制器基于设置在SVC线路上的电压互感器和电流互感器提供的电压数据和电路数据确定SVC正在吸收无功功率还是发出无功功率。
10.一种风电场电压自动控制AVC系统中提高并网暂态稳定性的方法，所述风电场电压自动控制系统包括AVC控制器、设置在风电场中的多个风机上的多个风机主控系统、静止无功功率补偿装置SVC、设置在风电送出线路、风电汇集线路、SVC线路、高压母线以及低压母线上的多个电压互感器和电流互感器，其中，每条风电汇集线路连接有多个风机，AVC控制器通过光纤网络与各个风机主控系统通信，并且电连接到所述多个电压互感器和电流互感器，所述方法包括以下步骤 (A)AVC控制器确定风电场并网PCC点电压是否突然上升； (B)当AVC控制器确定PCC点电压突然上升时，AVC控制器在等待第一预定时间之后，向各个风机主控系统发出命令，以使各个风机停止发出无功功率； (C)当AVC控制器确定如SVC正在发出无功功率时，AVC控制器发出控制命令以使SVC停止发出无功功率； (D)AVC控制器在等待第二预定时间之后，AVC控制器恢复风电场AVC系统对风电场的无功功率的控制。
11.如权利要求10所述的方法，其中，第二预定时间从PCC点电压发生突然上升的时刻开始计算。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，AVC控制器根据设置在风电送出线路上的电压互感器提供的电压数据或者根据设置在低压母线上的电压互感器提供的电压数据来确定PCC点电压是否突然上升。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，当PCC点电压上升变化率为高，且PCC点电压上升到所述第一阈值以上时，AVC控制器确定PCC点电压突然上升。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，当PCC点电压上升变化率高于O.5倍额定电压/秒，且PCC点电压高于I. I倍额定电压时，AVC控制器确定PCC点电压突然上升。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，第一预定时间为20毫秒，第一阈值为I.I倍额定电压，第二预定时间是5秒。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，AVC控制器基于设置在SVC线路上的电压互感器和电流互感器提供的电压数据和电路数据确定SVC正在吸收无功功率还是发出无功功率。
全文摘要
提供一种风电场电压自动控制系统中提高并网暂态稳定性的方法，风电场AVC系统包括AVC控制器、多个风机主控系统、SVC、多个电压互感器和电流互感器，每条风电汇集线路连接有多个风机，AVC控制器与各个风机主控系统通信，并电连接到所述多个电压互感器和电流互感器，所述方法包括AVC控制器确定风电场并网PCC点电压是否突然降低；当PCC点电压突然降低时，AVC控制器在等待第一预定时间之后闭锁风电场AVC系统的控制；当SVC正在吸收无功功率时，AVC控制器发出控制命令以使SVC停止吸收无功功率；AVC控制器确定PCC点电压是否在发生突然降低之后的第二预定时间内上升到特定阈值之上；当PCC点电压在第二预定时间内上升到特定阈值之上时，AVC控制器恢复风电场AVC系统的控制。
文档编号H02J3/38GK102868178SQ20121035629
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者舒鹏, 乔元, 张毅 申请人:北京金风科创风电设备有限公司