一种海上风电系统的无功优化及协调控制方法与流程

本发明涉及无功优化控制方法，尤其涉及一种海上风电系统的无功优化及协调控制方法。

背景技术：

电力系统中电压是个局部量，而频率是个全局或系统量，两者有所不同。电压控制无法像频率控制那样，从系统任意的节点实现对特定节点的控制。电压的高低是由无功的分布情况决定的，无功电压控制原则是分层、分区、就地平衡。改变某节点的无功或电压只能在特定节点或相邻区域实施控制。风电场受环境影响，一般建立在边远地区，并网点电压是个局部量，采用传统电站实施远距离控制比较困难，因为风电场本身具备无功电压控制能力成为必然。

由于风电的间歇性，风电场区域电压控制具有特殊性。首先，风电场难以像常规机组一样维持在控制周期内有功功率输出恒定，在风速波动较大时，针对单断面运行信息的无功电压控制方法无法保证整个周期内的控制效果。其次，风电场有功功率输出较大时，慢速无功调节使得无法跟随有功的快速波动，其频繁动作或者不合理动作均会降低集群区域的静态电压稳定裕度，容易诱发由于无功过补偿或欠补偿导致的电压失稳，最终引起风电场内机组高、低电压保护动作脱网事故。

随着海上风电场规模不断扩大和并网距离不断增加,新的问题不断出现,由于海上风电场的构造、位置、单机发电功率和输电技术的特殊性使得海上风电场的无功补偿及控制更为复杂。

技术实现要素：

本发明主要解决了上述问题，提供了一种能够提高电网电压稳定性的海上风电系统的无功优化及协调控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是,一种海上风电系统的无功优化及协调控制方法，包括以下步骤：

s1：确定无功调压约束条件并依据约束条件进行修正；

s2：将vsc-hvdc风电场侧交流母线电压测量值与参考电压相减,差值输入pi调节器,得到所需要无功补偿量qref；

s3：比较风电场侧交流母线电压与标称电压，当风电场侧交流母线电压超出标称电压的90％～110％之间时，进入步骤s4；当风电场侧交流母线电压超出标称电压的90％～110％之间且在标称电压的90％～110％之间时，进入步骤s5；当风电场侧交流母线电压在标称电压的95％～115％之间时，进入步骤s6；

s4：进行电压快速紧急控制；

s5：进行电压快速紧急控制，再对每台风电机组进行长时间尺度电压控制替换出wfvsc的50％的能力作为无功电压快速调节热备用；

s6：对每台风电机组进行长时间尺度电压控制。

充分发挥wfvsc(windfarmsidevsc,风电场侧换流站)的电压快速调节特性，充分发挥风电机组的无功功率能力，实现海上风电场经vsc-hvdc(high-voltagedirectcurrentbasedonvoltagesourceconverter电压源换流器型高压直流输电系统)并网的无功优化及协调控制，有效调节电网扰动或风速变化带来的电压波动。

作为上述方案的一种优选方案，所述无功调压约束条件包括潮流方程约束和电压安全约束，所述潮流方程约束包括wfvsc无功出力约束和风电场无功出力约束，wfvsc无功出力约束为：

其中，qvscmax是wfvsc无功功率最大值，qvscmin是wfvsc无功功率最小值，风电场无功出力约束为：

qfmin＝-tan(arccosλfmin)pf,qfmax＝-tan(arccosλfmax)pf，pf是风电场的有功功率，λfmin是风电场功率因数下限，λfmax是风电场功率因数上限。避免wfvsc和风电场的无功出力超过极限值。

作为上述方案的一种优选方案，所述电压安全约束为

其中，ufmin是风电场并网点电压下限，uf是风电场并网点电压，ufmax是风电场并网点电压上限。ugimin是风电机组出口端电压下限，ugi是风电机组出口端电压，ugimax是风电机组出口端电压上限。避免风电场并网点电压超过极限值

作为上述方案的一种优选方案，所述步骤s2中包括以下步骤：

s21：计算风电场侧交流母线电压偏差δuf，

δuf＝uf-uf_ref

其中，uf是风电场侧交流母线电压测量值，uf_ref是风电场侧交流母线电压参考值；

s22：计算无功功率缺额δq，

其中，k1为比例系数，k2为积分系数，为积分环节；

s23：计算无功补偿量qref，

qref＝q+δq

其中，q为总无功功率测量值。

作为上述方案的一种优选方案，所述电压快速紧急控制，首先将所需要无功补偿量qref与wfvsc所能提供的无功功率最大值qvscmax进行比较，当qref≤qvscmax时，由wfvsc提供所需的全部无功功率，此时qwfvsc＝qref；当qref>qvscmax时，无功补偿量由wfvsc和风电场提供，wfvsc提供无功功率qwfvsc＝qvscmax。

作为上述方案的一种优选方案，所述步骤s5中，通过对风电场无功功率进行控制控制到达替换wfvsc的50％能力的目的，风电场无功功率控制目标如下：

其中，qf_ref为风电场无功功率控制目标。

作为上述方案的一种优选方案，所述每台风电机组进行长时间尺度电压控制包括以下步骤：

s61：计算单台风电机组无功功率补偿分配系数ki

ki＝qimax/q∑max

其中，ki是风电场中第i台机组无功功率补偿分配系数，qimax是风电场中第i台机组的最大无功功率值，q∑max是风电场各台机组最大无功功率总和；

s62：计算风电场无功功率补偿量δqf

δqf＝qf_ref-qf

其中，qf_ref为风电场无功功率控制目标，qf为风电场无功出力；

s63：计算风电场中各台风电机组无功功率补偿量δqi

δqi＝kiδqf

其中，δqi是风电场中第i台机组无功功率补偿量，δqf是风电场无功功率补偿量。长时间尺度控制即风电场能量管理系统根据风电场无功容量比例进行输出无功功率补偿分配。

本发明的优点是：充分发挥wfvsc的电压快速调节特性，提高了海上风电场并网电压的稳定性；电压快速紧急控制和长时间尺度电压控制相结合，在两个时间层面上分阶段控制不同时间常数无功设备，优化了控制效果。

附图说明

图1为本发明的一种流程示意图。

图2为本发明中计算无功补偿量的一种流程示意图。

图3为本发明中长时间尺度电压控制的一种流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例：

本实施例一种海上风电系统的无功优化及协调控制方法，如图1所示：包括以下步骤：

s1：确定无功调压约束条件并依据约束条件进行修正，无功调压约束条件，包括潮流方程约束、电压安全约束，潮流方程约束包括wfvsc无功出力约束和风电场无功出力约束，wfvsc无功出力约束为：

其中，qvscmax是wfvsc无功功率最大值，qvscmin是wfvsc无功功率最小值，风电场无功出力约束为：

qfmin＝-tan(arccosλfmin)pf,qfmax＝-tan(arccosλfmax)pf，pf是风电场的有功功率，λfmin是风电场功率因数下限，λfmax是风电场功率因数上限。

电压安全约束为

其中，ufmin是风电场并网点电压下限，uf是风电场并网点电压，ufmax是风电场并网点电压上限。ugimin是风电机组出口端电压下限，ugi是风电机组出口端电压，ugimax是风电机组出口端电压上限；

s2：将vsc-hvdc风电场侧交流母线电压测量值与参考电压相减,差值输入pi调节器,得到所需要无功补偿量qref，如图2所示，具体为以下步骤：

s21：计算风电场侧交流母线电压偏差δuf，

δuf＝uf-uf_ref

其中，uf是风电场侧交流母线电压测量值，uf_ref是风电场侧交流母线电压参考值；

s22：计算无功功率缺额δq，

其中，k1为比例系数，k2为积分系数，为积分环节；

s23：计算无功补偿量qref，

qref＝q+δq

其中，q为总无功功率测量值；

s3：比较风电场侧交流母线电压与标称电压，当风电场侧交流母线电压超出标称电压的90％～110％之间时，进入步骤s4；当风电场侧交流母线电压超出标称电压的90％～110％之间且在标称电压的90％～110％之间时，进入步骤s5；当风电场侧交流母线电压在标称电压的95％～115％之间时，进入步骤s6；

s4：进行电压快速紧急控制，海上风电场电压快速紧急控制是通过wfvsc来实现无功补偿。风电场侧交流母线电压测量值和参考值经过pi调节后，进行解耦及补偿得到风电场侧换流站的参考电压，spwm(sinusoidalpwm正弦脉宽调制)通过输出触发脉冲控制igbt(insulatedgatebipolartransistor绝缘栅双极型晶体管)的通断，实现风电场侧交流母线电压控制。

风电场侧换流站控制如下：

其中，ufd是稳态时风电场换流站交流母线电压d轴分量，ufq是稳态时风电场换流站交流母线电压q轴分量，ufd_ref是稳态时风电场换流站交流母线参考电压d轴分量，ufq_ref是稳态时风电场换流站交流母线参考电压q轴分量，r为交流系统到换流器桥臂中点的等效电阻，l为交流系统到换流器桥臂中点的等效电抗，ω中风电场侧交流电角速度，具体表现为将所需要无功补偿量qref与wfvsc所能提供的无功功率最大值qvscmax进行比较，当qref≤qvscmax时，由wfvsc提供所需的全部无功功率，此时qwfvsc＝qref；当qref>qvscmax时，无功补偿量由wfvsc和风电场提供，wfvsc提供无功功率qwfvsc＝qvscmax；

s5：进行电压快速紧急控制，再对每台风电机组进行长时间尺度电压控制替换出wfvsc的50％的能力作为无功电压快速调节热备用，风电场能量管理系统(ems)及风电机组实现长时间尺度电压控制。风电场能量管理系统根据风电场无功容量比例进行输出无功功率补偿分配，避免于系统运行状态和网络结构的关系，仅考虑风电场本身的无功输出能力。风电场无功功率控制目标如下：

其中，qf_ref为风电场无功功率控制目标。长时间尺度电压控制，如图3所示，包括以下步骤：

s61：计算单台风电机组无功功率补偿分配系数ki

ki＝qimax/q∑max

其中，ki是风电场中第i台机组无功功率补偿分配系数，qimax是风电场中第i台机组的最大无功功率值，q∑max是风电场各台机组最大无功功率总和；

s62：计算风电场无功功率补偿量δqf

δqf＝qf_ref-qf

其中，qf_ref为风电场无功功率控制目标，qf为风电场无功出力；

s63：计算风电场中各台风电机组无功功率补偿量δqi

δqi＝kiδqf

其中，δqi是风电场中第i台机组无功功率补偿量，δqf是风电场无功功率补偿量；

s6：对每台风电机组进行长时间尺度电压控制，该步骤中长时间尺度电压控制同步骤5中长时间尺度电压控制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。