风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法
【专利摘要】本发明涉及一种风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法，属于风电场电压无功自动调节【技术领域】，该方法包括：根据从风机监控系统可获取所有风电总的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，确认无功向上可调量、向下可调量的修改值；根据动态无功补偿装置无功调节步长确定无功置换量：根据风电无功向上可调量、向下可调量检验无功置换量：根据动态无功补偿装置无功调节步长确定无功置换量：根据风电无功向上可调量、向下可调量检验无功置换：最后分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值。本发明方法使得风电场并网点电压和风机机端电压在整个置换过程中保持了平稳过渡，提高了风电场运行的安全性和可靠性。
【专利说明】风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法
【技术领域】
[0001〕 本发明属于风电场电压无功自动调节【技术领域】，特别涉及风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法。
【背景技术】
[0002]国标⑶/119963-2011《风电场接入电力系统技术规定》指出:“风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率调节及电压控制能力。根据电力系统调度机构指令，风电场自动调节其发出(或吸收)的无功功率，实现对风电场并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应能满足电力系统电压调节的要求。”
[0003]按照该国标要求，风电场的无功电源包括风电机组及风电场无功补偿装置。风电场要充分利用风电机组的无功容量及其调节能力；当风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置，必要时加装动态无功补偿装置。
[0004]该国标还规定，总装机容量在百万千瓦级规模及以上的风电场群，当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，每个风电场在低电压穿越过程中应具有以下动态无功支撑能力。当风电场并网点电压处于标称电压的20 %?90 %区间内时，风电场应能够通过注入无功电流支撑电压恢复；自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于751118，持续时间应不少于5501118。
[0005]风机无功调节为秒级的响应时间，动态无功补偿装置无功调节为毫秒级的响应时间，当风电场发生电压跌落时，动态无功补偿装置响应速度快会首先调节。这里存在的一个问题是:假定当风电场第一次发生电压跌落时动态无功补偿装置尚有无功调节能力，就会快速增加发出无功直至满发以提高电压；但是，当风电场第二次发生电压跌落时动态无功补偿装置由于已经满发，无法再发出更多的无功，也就解决不了电压跌落的问题，进而可能导致风机低电压脱网事故的发生。
[0006]可见，在风电场第一次发生电压跌落导致动态无功补偿装置满发之后、第二次发生电压跌落之前，如果能利用风机的无功能力将动态无功补偿装置发出的无功置换出来，保证动态无功补偿装置具有一定的无功调节裕度，就可以避免前述问题的发生了。
[0007]动态无功补偿装置无功输出分发出或吸收两个方向，一般用正数表示发出无功、用负数表示吸收无功，如一套动态无功补偿装置的额定容量为20靈31'(兆乏)，则其无功输出的范围为-201^1'至+201^1'，分别表示最大可吸收无功201^1'、最大可发出无功20靈虹。动态无功补偿装置无功输出为0靈211'，表示它既不发出无功、也不吸收无功。
[0008]无功功率与电压的变化关系是:当无功设备增加发出的无功功率时可以提高电网电压水平、减少发出的无功功率时可以降低电网电压水平；反之，当无功设备增加吸收的无功功率时可以降低电网电压水平、减少吸收的无功功率时可以提高电网电压水平。
[0009]可以看出，动态无功补偿装置最佳的无功运行点为0,￡11'，此时在发出、吸收无功两个方向上的无功调节裕度最大。这样一旦电压跌落时动态无功补偿装置可以增加发出无功以提高电压，也可以在电压过高时增加吸收无功以降低电压。
[0010]当然为了保证风电场并网点电压和风机机端电压都合格，即使在正常的稳态状况下可能光靠风机无功调节也无法做到，这时只能依靠动态无功补偿装置调节一定的无功容量来支撑。但在电网状态发生改变之后，只要风机无功具备了调节能力，就必须马上最大限度使用风机无功将动态无功补偿装置的无功容量置换出来。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是为解决风机低电压脱网事故的发生，提出一种风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法，本发明方法使得风电场并网点电压和风机机端电压在整个置换过程中保持了平稳过渡，提高了风电场运行的安全性和可靠性。
[0012]本发明提出的风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
[0013]1)在调节周期到来时，从风机监控系统可获取所有风电总的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，分别记为％吣、；单个风机无功调节步长(单个风机每次无功调节的最大允许值)记为，；风机个数记为?；
[0014]若0卿―即? 086。—―，则风机无功向上可调量修正为:086。—吧=086—；
[0015]若086则风机无功向下可调量修正为:086。—=
；
[0016]2)当前动态无功补偿装置的无功值记为。，动态无功补偿装置的无功调节步长记为0”。」；无功置换量记为；
[0017]根据动态无功补偿装置无功调节步长确定无功置换量:
[0018]若」，则令=0哪」；
[0019]若I? (-1)叫哪」，则令I =(-料代」；
[0020]若(-1)叫3此」^^ 0哪」，则令I的=0^0 ；
[0021]3)根据风电无功向上可调量向下可调量检验无功置换量I:
[0022]若则令=即；
[0023]若则令=0卿加；
[0024]4)若(^。= 0，则转步骤1)，表明动态无功补偿装置无功裕度已达最大，不必进行无功置换；
[0025]若= 0，则转步骤1)，表明动态无功补偿装置或风机没有无功置换能力，无法进行无功置换；
[0026]若(^。和都不为0，表示可以进行无功置换，分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下:
[0027]动态无功补偿装置的无功设定值^=；
[0028]每台风机的无功设定值361 = (0,+1)來
[0029]本发明方法的特点及优点是:
[0030]本发明在风电场并网点电压和风机机端电压都合格的基础上，根据风机当前的无功调节能力，以动态无功补偿装置的无功调节裕度最大化为目标，通过控制动态无功补偿装置的无功出力，同时配合调节风机无功出力，将动态无功补偿装置发出或吸收的无功置换为风机发出或吸收的无功。
[0031]本发明方法通过无功置换调节保证了动态无功补偿装置的无功调节裕度，同时通过设置动态无功补偿装置与风机的无功调节步长限制每次调节的幅度，使得风电场并网点电压和风机机端电压在整个置换过程中保持了平稳过渡，提高了风电场运行的安全性和可靠性。
【具体实施方式】
[0032]下面结合一个具体实施例，介绍本发明的风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法。
[0033]本发明提出的风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0034]1)在调节周期(调节周期可根据实际情况在10至60秒范围内配置)到来时，从风机监控系统可获取所有风电总的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，分别记为0趴、
吧、％6^；单个风机无功调节步长(单个风机每次无功调节的最大允许值)记为；风机个数记为~ ；
[0035]若0卿―即? 086。—―，则风机无功向上可调量修正为:086。—吧=086—；
[0036]若? (-1)叫86。—―，则风机无功向下可调量修正为= (-1)叫86 ；
[0037]2)动态无功补偿装置当前无功值记为。，动态无功补偿装置无功调节步长(动态无功补偿装置每次无功调节的最大允许值)记为，；无功置换量记为；
[0038]根据动态无功补偿装置无功调节步长确定无功置换量:
[0039]右4，则卩361 — 03此—1 ；
[0040]若I? (-1)叫哪」，则令I = (-1)叫咖」；
[0041]若(-1)1 ^ ^ 1」，则令 = 0^0 ；
[0042]3)根据风电无功向上可调量向下可调量检验无功置换量I:
[0043]若0361； ? 08611 则令 0361； = 08611 ^ ；
[0044]若则令=0卿加；
[0045]4)若I。= 0，则转步骤1)，表明动态无功补偿装置无功裕度已达最大，不必进行无功置换；
[0046]若= 0，则转步骤1)，表明动态无功补偿装置或风机没有无功置换能力，无法进行无功置换；
[0047]若(^。和都不为0，表示可以进行无功置换，分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下:
[0048]动态无功补偿装置的无功设定值^=；
[0049]每台风机的无功设定值361 = (0,+1)來
[0050]本实施例的方法实验性应用的风电场风机装机容量为49.511(33台1.5丽风机)、动态无功补偿装置容量为101^^，采用了本发明提出的风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法，调节周期为30秒，具体调节过程包括以下步骤:
[0051]1-1) (2014年9月18日14时39分16秒，第一个调节周期)从风机监控系统获取所有风电总的当前无功值0.5靈犯'、无功向上可调量4.45、向下可调量-5.45 ；单个风机无功调节步长为0.051^1'，风机个数33台；
[0052]由于4.45 ? 0.05^33( = 1.65)，风机无功向上可调量修正为1.65 ；
[0053]由于-5.45 ? (-1)^0.05+33( = -1.65),^^^^^^^^^^^^-1.65:
[0054]1-2)动态无功补偿装置当前无功值2.3靈虹，动态无功补偿装置无功调节步长为
0.5爾&！':
[0055]由于2.3 ? 0.5，则无功置换量为0.5馭虹；
[0056]1-3)检验无功置换量0.5靈虹，同时满足风机无功向上可调量1.651^1'、向下可调量-1.65 ；
[0057]1-4)分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下:
[0058]动态无功补偿装置的无功设定值0叭361 = 2.3-0.5 = 1.8 ；
[0059]每台风机的无功设定值0卿挪=(0.5+0.5) /33 = 0.03 ；
[0060]2-1) (2014年9月18日14时39分46秒，第二个调节周期)从风机监控系统获取所有风电总的当前无功值1.1靈211'、无功向上可调量3.85、向下可调量-6.05 ；
[0061]由于3.85 ? 0.05^33( = 1.65)，风机无功向上可调量修正为1.65 ；
[0062]由于-6.05 ? (-1)^0.05+33( = -1.65),^^^^^^^^^^^^-1.65:
[0063]2-2)动态无功补偿装置当前无功值1.8靈虹，动态无功补偿装置无功调节步长为0.5靈&!':
[0064]由于1.8 ? 0.5，则无功置换量为0.5馭虹；
[0065]2-3)检验无功置换量0.5靈虹，同时满足风机无功向上可调量1.651^1'、向下可调量-1.65 ；
[0066]2-4)分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下:
[0067]动态无功补偿装置的无功设定值0”。361 = 1.8-0.5 = 1.3 ；
[0068]每台风机的无功设定值0卿挪=(1.1+0.5) /33 = 0.05 ；
[0069]3-1) (2014年9月18日14时40分16秒，第三个调节周期)从风机监控系统获取所有风电总的当前无功值1.65^211'、无功向上可调量3.3、向下可调量-6.6 ；
[0070]由于3.3 ? 0.05^33( = 1.65)，风机无功向上可调量修正为1.65 ；
[0071]由于-6.6 ? (-1)^0.05+33( = -1.65),^^^^^^^^^^^^-1.65:
[0072]3-2)动态无功补偿装置当前无功值1.3靈^11'，动态无功补偿装置无功调节步长为
0.5靈&!':
[0073]由于1.3 ? 0.5，则无功置换量为0.5馭虹；
[0074]3-3)检验无功置换量0.5靈虹，同时满足风机无功向上可调量1.651^1'、向下可调量-1.65 ；
[0075]3-4)分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下:
[0076]动态无功补偿装置的无功设定值= 1.3-0.5 = 0.8 ；
[0077]每台风机的无功设定值0卿挪=(1.65+0.5) /33 = 0.065 ；
[0078]4-1) (2014年9月18日14时40分46秒，第四个调节周期)从风机监控系统获取所有风电总的当前无功值2.1靈211'、无功向上可调量2.85、向下可调量-7.05 ；
[0079]由于2.85 ? 0.05^33( = 1.65)，风机无功向上可调量修正为1.65 ；
[0080]由于-7.05 ? (-1)^0.05+33( = -1.65),^^^^^^^^^^^^-1.65:
[0081]4-2)动态无功补偿装置当前无功值0.8靈犯'，动态无功补偿装置无功调节步长为
0.5靈&!':
[0082]由于0.8 ? 0.5，则无功置换量为0.5馭虹；
[0083]4-3)检验无功置换量0.5靈虹，同时满足风机无功向上可调量1.651^1'、向下可调量-1.65 ；
[0084]4-4)分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下:
[0085]动态无功补偿装置的无功设定值0叭361 = 0.8-0.5 = 0.3 ；
[0086]每台风机的无功设定值0卿挪=(2.1+0.5) /33 = 0.079 ；
[0087]5-1) (2014年9月18日14时41分16秒，第五个调节周期)从风机监控系统获取所有风电总的当前无功值2.63^211'、无功向上可调量2.32、向下可调量-7.58 ；
[0088]由于2.32 ? 0.05^33( = 1.65)，风机无功向上可调量修正为1.65 ；
[0089]由于-7.58 ? (-1)^0.05+33( = -1.65),^^^^^^^^^^^^-1.65:
[0090]5-2)动态无功补偿装置当前无功值0.3靈虹，动态无功补偿装置无功调节步长为0.5靈&!':
[0091]由于-0.5 ? 0.3 ? 0.5，则无功置换量为0.3馭虹；
[0092]5-3)检验无功置换量0.5靈虹，同时满足风机无功向上可调量1.651^1'、向下可调量-1.65 ；
[0093]5-4)分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下:
[0094]动态无功补偿装置的无功设定值= 0.3-0.3 = 0 ；
[0095]每台风机的无功设定值0卿挪=(2.63+0.3) /33 = 0.089 ；
[0096]6) (2014年9月18日14时41分46秒，第六个调节周期)动态无功补偿装置当前无功值01^^，不需要进行无功置换，等待第七个调节周期到来，再获取所有风电总的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，并进行各步骤。
[0097]从上述实施例可以看出，采用了本发明提出的风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法以后，从开始执行无功置换策略到动态无功补偿装置无功输出为0共花时2.5分钟，每次动态无功补偿装置无功调节量均? 0.每次风机无功调节量约为0.01靈31'、小于0.05^81-的调节步长。由于每次调节的无功量都较小，分别约占动态无功补偿装置额定容量和风机额定容量的5%和1%，四轮置换调节期间风电场并网点电压和风机机端电压变化都较小，总体调节效果较好。
【权利要求】
1.风电场动态无功补偿装置与风机的无功置换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)在调节周期到来时，从风机监控系统可获取所有风电总的当前无功值、无功向上可调量、向下可调量，分别记为Qgen、Qgen—up、Qgenjown ;单个风机无功调节步长记为Qgrau ;风机个数记为N ； 若Qgm—up > Qgen—i*N，则风机无功向上可调量修正为:Qgm—up = Qgen i^N ； 若 Qgen—d?< (-l)*Qgen—i*N，则风机无功向下可调量修正为:Qgen—dOTn= (-l)*Qgen_i*N ； 2)动态无功补偿装置当前无功值记为Qsv。，动态无功补偿装置无功调节步长记为Qsvca；无功置换量记为Qsert ； 根据动态无功补偿装置无功调节步长确定无功置换量:
若 L > QsVc_i^ 则 Qset = QSvc_i ；
若 Qsvc < (_i)*Qsv。」，则令 Qset = (_i)*Qsvc—i ；
若(-1hQsvcu < Qsvc < Qsvc—i，则令 Qset = Qsvc ； 3)根据风电无功向上可调量Qgen—W、向下可调量Qgm—dOTn检验无功置换量Qset:
若 Qset > Qgen_up? 则令 Qset = Qgen_up ；
右 Qset〈 Qgen—down，则 I Qset Qgen down ; 4)若Qsv。=O或Qset = O,则转步骤I)； 若Qsv。和Qset均不为O，分别确定动态无功补偿装置和单个风机的无功设定值如下: 动态无功补偿装置的无功设定值Qsv。—= Qsvc-Qset ； 每台风机的无功设定值Qgm—set = (Qgen+Qset) /N°
【文档编号】H02J3/16GK104300547SQ201410579127
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月26日 优先权日:2014年10月26日
【发明者】刘海涛, 王岗红, 蓝海波, 王哲, 桑天松, 汤磊, 赵峰, 郭庆来, 王彬 申请人:国家电网公司, 国网冀北电力有限公司, 北京清大高科系统控制有限公司