专利名称：变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法
技术领域：
本发明涉及一种变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法，属于新能源发电技术中的风电场电压无功控制技术领域。
背景技术：
风电作为最具规模化开发和商业化发展前景的新能源技术之一，越来越受到各国的重视。大规模集群式风电场集中接入电网是我国风力发电的主要应用模式。风电场接入对电网的最直接影响是接入点的电压无功问题，包括风力变化引起的电压波动、闪变，工况变化引起的电压幅值超标、功率因数不合格等等。
目前，解决风电场电压无功的通常方法是采用传统无功补偿的方法，即在风电场加装固定电容和电抗器或SVC(静止无功补偿器)等无功补偿装置对风电场的无功功率进行就地补偿。在风电场接入线路采集实时电压值，当电压低于设定值时，根据电压偏差值整定需投入电容器的数量，投入相当数量的电容器发出容性无功，补充系统缺乏的无功，使电压升高；反之，当电压高于设定值时，根据电压偏差值整定需投电抗器的数量，投入相当数量的电抗器发出感性无功，吸收系统过剩无功，使电压降低。通过不停地投切电容器和电抗器等无功补偿装置，实现对系统的无功补偿，维持电压的稳定性。但采用传统无功补偿方法调节风电场的电压存在一定的问题，若采用电容器和电抗器，响应速度较慢，且补偿量与本地电压的平方成正比，当电压水平高的时候补偿容量大，电压水平低的时候补偿容量小，往往难以将电压维持在允许电压范围内；若采用SVC，虽能够快速响应风电场的电压变化，及时补偿风电场的无功功率，但是经济成本相对较高。
随着风电机组技术的不断发展，变速恒频风电机组(主要包括双馈异步风电机组和直驱永磁同步风电机组)逐渐成为并网风电场的主流机型，这些机型采用四象限大功率电力电子变流器与电网连接，通过变流器的控制实现有功、无功的解耦，具备动态调节无功输出的能力。在双馈类型的变速恒频风电机组方面，美国GE公司已针对自己的风电机组开发了风电场无功控制产品“WindVAR”，通过WindVAR系统与机组自身的电子控制装置的配合，控制风电场的电压。
WindVAR系统的工作原理是以GE风电机组为控制单元，在风电机组接入线路采集实时状态量(有功功率、无功功率和控制节点的电压值)，并与设定的基准电压值进行比较获取实时电压偏差量，再经过PI控制器求取实时无功补偿量，将补偿量下发给风电机组。GE的WindVAR系统可以保证风电机组输出无功功率实时跟踪接入地区电网电压变化，但也存在两个主要问题 第一，WindVAR系统以风电机组为控制单元，缺乏对整个风电场无功的统一规划，风电机组自治控制。一旦出现风电场中某些风电机组输出无功功率达到限值，各风电机组相对自治，缺乏相互协调配合，造成全场的无功功率补偿量不足或者过剩； 第二，WindVAR系统控制下的风电机组调控过于频繁。WindVAR系统构成了整个风电场范围的负反馈系统，通过多次调节后才能使风电场出口电压达到稳定值。实际运行时，由于负荷和风速的变化等原因导致电压始终在一定范围内变化，风电机组势必要不间断地调整输出无功功率，这对变速恒频风电机组变流器的要求很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服已有产品中存在的问题，提供一种能够对变速恒频风电机组风电场无功进行统一规划和分配的变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法，在如下硬件环境中运行与电网调度中心连接的通讯装置、与风电场出口母线测量装置连接的通讯装置、与风电机组现地控制单元LCU连接的通讯装置，其特征是包括如下步骤一、根据(1)式进行风电场接入节点实时电压折算， (1)式中，VI为风电场接入节点实时电压折算值；VW为风电场出口节点的实时电压；PW和QW分别为风电场出口的输出有功功率和无功功率；R和X分别为风电场接入联络线的电阻和电抗； 二、设置无功控制的电压死区范围为VIB±0.01，VIB为接入节点初始稳态运行电压，若控制方式标志Deadflag置0，选择按当前功率因数的恒功率因数方式运行，若或Deadflag置1，重新整定风电场的无功功率补偿量； 三、根据步骤二选择的不同控制方式，制定风电场无功补偿方案； 四、根据步骤三得到的无功功率补偿量，制定风电机组无功补偿量分配方案； 五、形成无功控制指令，发送至各风电机组，完成一次风电场的无功控制； 六、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤一。
其中，步骤三的具体步骤是 a、判断控制方式标志Deadflag，若Deadflag为0，进入步骤b，若Deadflag为1，进入步骤c； b、根据式(2)计算恒功率因数控制方式下的风电场输出无功功率Q′W， (2)式中，λ为功率因数，从风电场母线出口测量装置获取，进入步骤g； c、根据式(3)计算实时电压偏差量ΔV 进入步骤d； d、根据式(4)计算风电场无功功率补偿量ΔQ ΔQ＝ΔV/S1(4) (4)式中，S1为由电网调度中心提供的接入节点电压关于风电场输出无功功率的灵敏度， 进入步骤e； e、根据式(5)计算按ΔQ补偿后风电场出口节点电压值V′W V′W＝VW+S2·ΔQ(5) (5)式中，S2为由电网调度中心提供的风电场出口节点电压关于风电场输出无功功率的灵敏度， 设VWmax和VWmin分别为风电场出口节点电压的上、下限，若直接进入步骤f，若或根据式(6)修正无功功率补偿量 进入步骤f； f、设Qmax和Qmin分别为风电场额定输出无功功率的上、下限，若Qmin-Qg≤ΔQ≤Qmax-Qg，直接进入步骤g，若ΔQ＜Qmin-Qg或ΔQ＞Qmax-Qg，根据式(7)修正无功功率补偿量 进入步骤g； g、得到无功功率补偿量，进入步骤四。
其中，步骤四的具体步骤是 a、根据式(8)计算各台风电机组的初始无功分配系数Ki (8)式中，QiN为风电机组的额定无功容量；m为风电机组的总台数；进入步骤b； b、根据式(9)计算各台风电机组的初始补偿量ΔQi ΔQi＝Ki×ΔQ(9) 进入步骤c； c、设Qi，max和Qi，min分别为第i台风电机组额定输出无功功率的上、下限，若Qi，min-Qi，g≤ΔQi≤Qi，max-Qi，g，直接进入步骤f，若ΔQi＜Qi，min-Qi，g或ΔQi＞Qi，max-Qi，g，根据式(10)求取越限机组实际可调无功Q′j占总无功补偿量的比例系数K′j j∈越限机组(10) 进入步骤d； d、根据式(11)求取经修正的非越限风电机组无功分配系数K′i i∈非越限机组，j∈越限机组(11) 进入步骤e； e、根据式(12)求取经修正的非越限风电机组无功补偿量ΔQi ΔQi＝K′i×ΔQ(12) 进入步骤c； f、得到各台风电机组的无功补偿量分配方案，进入步骤五。
其中，步骤六中，设控制延时为t，t的时滞范围为0.5秒＜t＜2秒。
本发明的有益效果如下 (1)本方法适用于并网风电场主流机型变速恒频风电机组的风电场电压无功控制，既能适用于双馈异步风电机组，又能适用于直驱永磁同步风电机组； (2)根据接入地区电网对风电场的无功需求，首先，在风电场运行限制范围内，对整个风电场无功补偿进行统一的规划，然后又结合各台风电机组的实际运行情况，在风电机组之间进行无功分配，使风电场内所有机组能够合理调节无功，保证足量地实现全场的无功补偿，避免全场无功补偿量的不足或过剩； (3)设置了控制死区和延时环节，只有当接入节点电压越出控制死区时，才能进行无功控制，否则按当前功率因数的恒功率因数方式运行，且每一次控制之后，经过一定时间的延时，再进行下一次控制，可以避免电网电压实时变化情况下风电机组过于频繁地动作，制减轻变流器负担，实现无功的快速控； (4)本方法充分考虑控制的实用性，即实际系统中风电场与接入节点之间距离较远，从风电场获得接入节点的实时电压信息相对困难，利用风电场出口节点电气量与接入节点电气量之间的物理联系，用近端实时数据折算风电场接入节点的实时运行信息，并以风电场接入节点电压作为调控对象，以风电场接入节点的电压稳态运行值为调控目标，同时利用全网运行信息提取出的相关电压/无功灵敏度信息对无功功率补偿量进行整定，综合考虑电网运行的需求以及风电场与电网之间的相互协调配合，有助于维持接入地区电网电压的稳定； (5)本方法实用性强，既可以用于风电场综合无功控制，也可以用于单台风电机组的无功控制。
(6)本方法只需软件实现，无需增加硬件，经济成本低。
图1为本发明方法的总控制流程图。
图2为图1中步骤三风电场无功补偿方案制定的算法流程图。
图3为图1中步骤四风电机组无功补偿量分配方案制定的算法流程图。
图4为实施例一风电场接入节点电压曲线图。
图5为实施例一风电场出口节点电压曲线图。
图6为实施例一风电场输出无功功率曲线图。
具体实施例方式 下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实例一 本发明用于双馈异步风电机组风电场的电压无功控制。该并网风电场总有功容量为100MW，无功容量为±33.5MVA，由67台单机有功容量为1.5MW、无功容量为±0.5MVA的双馈异步风电机组构成，风电场出口节点的允许电压范围为0.9～1.1p.u.，接入电网联络线的线路电阻为0.0734p.u.，电抗为0.2851p.u.，采用如图1、图2和图3所示的控制步骤进行无功控制，控制延时t取1秒。电网初始稳态运行时，风电场接入节点的实际电压标幺值为1.028p.u，风电场出口母线节点的实际电压标幺值为1.035p.u..，在风电场接入节点的初始稳态运行电压值基础上设置控制死区为1.018～1.038p.u.(VIB±0.01)。在第11～20秒令风电场接入节点负荷增加50％，当风电场接入节点负荷变化引起接入节点电压变化，在第14秒时接入节点电压折算值下降至1.018p.u.，风电场出口电压降至1.03p.u.，延时1秒后，接入节点电压超出控制死区范围，无功控制动作。计算实时电压偏差量为0.002p.u.，电网调度中提供的接入节点电压关于风电场输出无功功率的灵敏度为0.0724，对整个风电场的无功功率补偿量做一个统一规划，计算整个风电场无功功率补偿量为2.76MVA。首先，校验若按该补偿量调整后，风电场出口电压是否合格，电网调度中心提供的风电场出口节点电压关于风电场输出无功功率的灵敏度为0.2706，计算补偿后风电场出口电压值为1.0376p.u.，在风电场出口节点电压允许范围内，直接校验风电场无功调节余量是否满足要求。由于风电场初始输出无功功率为0，故经过该次控制后风电场输出无功功率为2.76MVA，在风电场额定无功容量范围内，根据各风电机组的实际运行情况在风电机组之间进行无功补偿量分配。首先，由于67台风电机组无功额定容量相同，故计算初始无功分配系数为0.0149；其次，利用无功分配系数将风电场无功功率补偿量分配到各风电机组得各风电机组的无功补偿分配量为0.041MVA，在各台风电机组的额定无功容量范围内将风电机组的无功功率分配量下发给各台风电机组的现地控制单元LCU，各台风电机组根据指令对输出无功功率进行调整。待指令下发完毕后，需经过延时判断，若延时时间满，重复整个控制过程。本例中风电场的接入节点电压曲线如图4所示，在15～20秒虽然负荷仍然变化，本方法仍可以有效地将风电场接入节点电压控制在电压死区1.018p.u.附近，至20秒负荷稳定，风电场接入节点进入电压死区，经1秒延时，切换为恒定功率因数方式运行，由于负荷比原来增加了50％，故风电场接入节点电压最终稳定在1.02p.u.。本例中风电场输出无功曲线如图5所示，在1～10秒没有扰动发生，风电场输出无功功率保持为0，在11～20秒负荷变化期间，风电场输出无功功率按本发明方法跟踪电压变化逐渐增加，在第22秒稳定在0.18p.u.(18MVA)，未超出风电场额定无功容量33.5MVA，此时，每台风电机组输出无功功率为0.268MVA，未超出风电机组额定无功容量0.5MVA。本例中风电场出口节点电压曲线如图6所示，在1～10秒由于风电场没有扰动，风电场出口节点电压维持不变，11秒开始负荷发生变化，风电场出口节点电压下降，至14秒由于风电场接入节点电压超出死区范围，按本发明方法进行控制，风电场的输出无功功率增加，风电场出口节点电压上升，在22秒稳定在1.06p.u.，未超出风电场出口电压允许范围的上限1.10p.u.。综上所述可知，采用本发明方法能够对整个风电场的无功补偿做统一规划，并在场内风电机组之间进行统一、合理的无功补偿分配，保证足量实现风电场的无功补偿，避免实时跟踪接入节点电压造成风电机组频繁动作，能够在风电场运行限制范围内，充分发挥变速恒频风电机组风电场的无功支持能力，使风电场接入节点电压稳定在初始运行电压附近，有助于维持风电场接入地区电网的电压稳定性。
实例二 本发明用于单台变速恒频风电机组的电压无功控制。
采用本发明方法的无功控制模块作为电气控制的一部分被嵌入到风电机组的控制系统中，风电机组为单机有功容量为1.5MW、无功容量为±0.5MVA的双馈异步风电机组，风电场初始稳态运行电压为1.028p.u.，风电场出口初始稳态运行电压为1.035p.u.，设置控制死区1.018～1.038p.u.(VIB±0.01)，风电机组的允许电压范围为0.9～1.1p.u.，接入电网联络线的线路电阻为0.0734p.u.，电抗为0.2851p.u.，控制延时t取1秒。设风速在10～40秒发生变化，则在第35秒风电场接入节点的折算电压值为1.015p.u.，超出电压控制死区，计算实时电压偏差量为0.013p.u.，电网调度中提供的接入节点电压关于风电机组输出无功功率的灵敏度为0.0724，计算风电机组无功功率补偿量为17.9MVA。但该补偿量超出风电机组的额定容量，故取风电机组的无功最大值0.5MVA，将无功功率补偿量下发给风电机组的现地控制单元LCU，风电机组根据指令对输出无功功率进行调整。尽管容量不足，但风电机组的调节能够帮助接入地区电网恢复电压0.0004p.u.。
本发明实施例均以双馈异步风电机组为例，也同样适用于直驱永磁同步电机组成的风电场无功控制。
权利要求
1、变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法，在如下硬件环境中运行与电网调度中心连接的通讯装置、与风电场出口母线测量装置连接的通讯装置、与风电机组现地控制单元LCU连接的通讯装置，其特征是包括如下步骤一、根据(1)式进行风电场接入节点实时电压折算，
(1)式中，VI为风电场接入节点实时电压折算值；VW为风电场出口节点的实时电压；PW和QW分别为风电场出口的输出有功功率和无功功率；R和X分别为风电场接入联络线的电阻和电抗；
二、设置无功控制的电压死区范围为VIB±0.01，VIB为接入节点初始稳态运行电压，若控制方式标志Deadflag置0，选择按当前功率因数的恒功率因数方式运行，若或Deadflag置1，重新整定风电场的无功功率补偿量；
三、根据步骤二选择的不同控制方式，制定风电场无功补偿方案；
四、根据步骤三得到的无功功率补偿量，制定风电机组无功补偿量分配方案；
五、形成无功控制指令，发送至各风电机组，完成一次风电场的无功控制；
六、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤一。
2、根据权利要求1所述的变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法，其特征是步骤三的具体步骤是
a、判断控制方式标志Deadflag，若Deadflag为0，进入步骤b，若Deadflag为1，进入步骤c；
b、根据式(2)计算恒功率因数控制方式下的风电场输出无功功率Q′W，
(2)式中，λ为功率因数，从风电场母线出口测量装置获取，进入步骤g；
c、根据式(3)计算实时电压偏差量ΔV
进入步骤d；
d、根据式(4)计算风电场无功功率补偿量ΔQ
ΔQ＝ΔV/S1(4)
(4)式中，S1为由电网调度中心提供的接入节点电压关于风电场输出无功功率的灵敏度，
进入步骤e；
e、根据式(5)计算按ΔQ补偿后风电场出口节点电压值V′W
V′W＝VW+S2·ΔQ(5)
(5)式中，S2为由电网调度中心提供的风电场出口节点电压关于风电场输出无功功率的灵敏度，
设VWmax和VWmin分别为风电场出口节点电压的上、下限，若直接进入步骤f，若或根据式(6)修正无功功率补偿量
进入步骤f；
f、设Qmax和Qmin分别为风电场额定输出无功功率的上、下限，若Qmin-Qg≤ΔQ≤Qmax-Qg，直接进入步骤g，若ΔQ＜Qmin-Qg或ΔQ＞Qmax-Qg，根据式(7)修正无功功率补偿量
进入步骤g；
g、得到无功功率补偿量，进入步骤四。
3、根据权利要求1所述的变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法，其特征是步骤四的具体步骤是
a、根据式(8)计算各台风电机组的初始无功分配系数Ki
(8)式中，QiN为风电机组的额定无功容量；m为风电机组的总台数；进入步骤b；
b、根据式(9)计算各台风电机组的初始补偿量ΔQi
ΔQi＝Ki×ΔQ(9)
进入步骤c；
c、设Qi，max和Qi，min分别为第i台风电机组额定输出无功功率的上、下限，若Qi，min-Qi，g≤ΔQi≤Qi，max-Qi，g，直接进入步骤f，若ΔQi＜Qi，min-Qi，g或ΔQi＞Qi，max-Qi，g，根据式(10)求取越限机组实际可调无功Q′j占总无功补偿量的比例系数K′j
j∈越限机组(10)
进入步骤d；
d、根据式(11)求取经修正的非越限风电机组无功分配系数K′i
i∈非越限机组，j∈越限机组(11)
进入步骤e；
e、根据式(12)求取经修正的非越限风电机组无功补偿量ΔQi
ΔQi＝K′i×ΔQ(12)
进入步骤c；
f、得到各台风电机组的无功补偿量分配方案，进入步骤五。
4、根据权利要求1所述的速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法，其特征是步骤六中，设控制延时为t，t的时滞范围为0.5秒＜t＜2秒。
全文摘要
变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法，包括如下步骤一、风电场接入节点电压折算；二、判断和选择无功控制方式；三、制定风电场无功补偿方案；四、制定风电机组无功补偿分配方案；五、发送无功控制指令；六、通过判断控制延时触发下一次控制。本方法以风电场接入节点电压作为调控对象，以风电场接入节点稳态运行电压为调控目标，综合考虑风电场与电网之间的协调配合，对整个风电场无功补偿进行统一规划，使风电场内所有机组能够合理调节无功，保证足量地实现全场的无功补偿，避免电网电压实时变化情况下风电机组过于频繁地动作，实现无功快速控制，有助于维持接入地区电网电压的稳定。
文档编号H02J3/38GK101272117SQ200810023250
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者朱凌志, 宁 陈 申请人:国网南京自动化研究院, 南京南瑞集团公司