提高风电场经济运行的风机无功优化方法

提高风电场经济运行的风机无功优化方法
【技术领域】 [0001] :本发明属于新能源能量管理领域，涉及一种提高风电场经济运行的风 机无功优化方法。
【背景技术】 [0002] :随着风电机组装机容量不断增加，风电渗透率也在不断提高，由于风能 是一种间歇性能源，风电机组的输出功率取决于风速和风向，具有随机性和不可调度性等 特点，导致不能提供持续稳定的电能，造成了风电场内部电压波动，导致风电场的网损增 大，影响风电场的安全稳定运行。为了解决风电场的功率平衡、稳定性和电能质量问题，必 须为风电系统设置更为稳定的控制策略，实现风电场内部能量的实时平衡，减小系统的无 功网损，实现风电场的稳定运行。
[0003] 在风电机组运行过程中，风机的运行方式有恒功率因数、恒电压控制和恒无功控 制三种运行策略。目前风电场安装的风电机组为变速恒频风电机组，其中双馈风电机组有 恒功率因数与恒电压控制两种运行方式，其本质在于对风电场的无功调度与电压控制策略 的不同，由于国内大部分风场都采用该种机型的风电机组，因此对该类型机组的运行方式 的研究具有重要意义。

【发明内容】
：
[0004] 发明目的：发明提供一种提高风电场经济运行的风机无功优化方法，其目的是解 决以往所存在的问题。
[0005] 技术方案：
[0006] -种提高风电场经济运行的风机无功优化方法，其特征在于:该方法在风电机组 恒定有功功率控制模式下结合风电场内有功损耗影响的多目标优化的无功功率分配方法， 提高风电场经济运行;在风电机组恒定电压控制模式下采用多目标电压波动抑制维持并网 点电压稳定，达到对风机无功调节能力的最大利用。
[0007] 该方法风电场现场运行的AVC系统中，使该系统在控制上具有更优性，该方法包括 如下步骤：
[0008] 步骤1:在接入配电网系统前，获取风电场组成部分基础数据，理论计算目标函数 中各处定量;基于机组参数，搭建发电机组数学模型，为计算机组损耗做前期准备，进一步 获取风电场内部各部分物理参数，搭建整个风电场数学模型；
[0009] 步骤2:通过风电场数据监控平台，获取风电场中各风电机组运行状态、有功功率 值、风电场其他单元实时数据，此过程中风电场数据采集频率范围为IOs~lOmin，提取数据 并进行筛选，剔除停机或存在故障风机数据;基于实时数据，建立风电场无功电压优化控制 模型;根据调度系统下达的风电场并网点电压指令，若上级系统没有下达指令，则由主控系 统给定指令;以无功功率的时间尺度变化选择两种控制模式；
[0010] 步骤3:若无功变化尺度以分钟/小时级时间尺度变化，将机组控制方式转换为恒 定有功功率控制，以风电场经济运行为控制目标，建立目标函数，将步骤1和步骤2所获取数 据代入模型中，进行机组无功分配；
[0011] 步骤4:求解目标函数，得到风机无功调节值;根据并网点实时电压，设计管理流 程，将可调范围内的电压分为五个等级，每个等级对应不同的无功调节量，根据各风电机组 不同的运行状态，将所获得的无功功率值分配到对应的风电机组；
[0012] 步骤5:若无功变化尺度以毫秒/秒级时间尺度变化，将机组运行模式切换为恒定 电压控制方式；以抑制电压波动为目标，建立目标函数，将步骤1和步骤2所获取数据代入模 型中，进行机组无功分配；
[0013] 步骤6:风电场内各单元接到无功优化控制指令，根据自身相应情况完成指令，执 行指令后，将响应值与并网点电压反馈给调度系统。
[0014] 步骤2中通过风电场数据监控平台，获取风电场实时数据和PCC点电压控制指令， 设置PCC点电压波动阀值；
[0015]
[0016] 式中，UwFcmd为风电场并网点期望电压值;UwFmJt为风电场并网点实时电压值;ξ为风 电场电压阈值；AU为并网点电压偏差值。
[0017] 数据采集频率为IOs~IOmin之内，对提取数据进行筛选，剔除停机或存在故障风 机数据；利用实时数据，建立风电场调控模型；采集机组相电压、机组相电流、机组有功功 率、机组无功功率、一级母线电压、一级母线电流、二级母线电压、二级母线电流、主变压器 电压、主变压器电流、主变压、有功功率、主变压器无功功率、无功补偿设备功率，保留有效 数据后，进入后台计算阶段。
[0018] 所述步骤3中，建立以风电场经济优化分配为目标的无功优化函数
[0019]
[0020] 式中，Picjss为风电场有功损耗;Qc为风电场无功补偿设备投入容量；A Ui为各节点 电压越限值；A Qi为风机发出无功功率越限值和《2为有功网损和无功补偿容量的权重因 子，并且W1+W2 = 1 ; λ为罚因子，在计算最优函数，起到约束问题。
[0021] 步骤3中进行分析计算，首先进行计算风电场潮流计算;根据风电场无功功率随时 间尺度变化，确定风机控制模式，在秒/小时级时，将风机控制方式转换为恒功率控制，计算 风机在以减小网损为目标下的无功可调裕度，保证目标函数的约束条件;建立风电场经济 运行为目标的无功控制数学模型，将步骤1和步骤2所得数据，代入模型中；
[0022]风力发电机的损耗主要为风机的铜耗，其表达式为：
[0023]
[0024] 式中，Rs为发电机定子电阻，Rr为发电机转子电阻，Is为定子电流，I r为转子电流； [0025]变压器的有功损耗主要表达为：
[0026] PLT = P〇+02Pk
[0027] 式中，Po为变压器空载损耗，Pk为变压器负载损耗；
[0028] 变压器中的无功损耗主要分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗损耗;其中，励磁 支路损耗的百分值基本上等于空载电流Io的百分值，约为1%~2%;绕组漏抗中损耗的百 分值，在变压器满载时，基本上等于短路电压U k的百分值，约为10 % ;
[0029]
[0030] 输电线路由Π 形等值电路表示，线路串联的有功损耗与无功损耗与所通过的电流 平方成正比，即：
[0031]
[0032]
[0033] U2为风电场内PCC连接点电压，经过一段传输线路后与配电网前级电压U1相连；电 压1]2与接入点注入的有功功率和无功功率有关；当风速出现波动时，会影响系统PCC点母线 电压的稳定，由于母线电压的波动，会增加风电场的网损，造成经济损失，当波动超过10%， 会对风电场的输出功率产生影响，所以需要对PCC点的无功功率进行调控，从而维持U 2的恒 定；
[0034] 稳态情况下，风电场并网运行，此时风电场为接入地区电网提供电能，采用单位功 率因数控制，整个风电场不与电网交换无功功率;系统电压调整取决于发电机、变压器和电 网参数等，通过确定无功需求，调节其定子电压，与转子电流；
[0035] 以风电减小有功损耗为目的，建立目标函数
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 式中，Pmi，Qmi分别为第i台双馈机组注入母线侧的有功、无功注入量;U为箱变高压 侧母线电压;Rn，Ru分别为折算到箱变高压侧的电阻和集电线路电阻;Pi为风机铜耗;内为 线路损耗;P 3变压器有功损耗。
[0041] 以风电场网损最小为原则，考虑到每台风机有功损耗，机组有功损耗主要为定、转 子铜耗，其中定子电流为
[0042]
[0043]转子电流为
[0046] 将Pcui整理成关于Qi的一元二次表达式 [0047]
[0044]
[0045]
[0048]
[0049] 式中，Ui为第i台风机的定子端电压;Xli = XMXmiJ2i = XdXmi,其中，Xsi、Xm、Xri分 别为第i台风机的定子漏抗、励磁漏抗和转子漏抗；
[0050] 线路中的有功损耗用无功损耗进彳丁表达为：
[0051]
[0052] 式中，Ql1为风电场内连接母线至风机集线和箱变的无功损耗值；
[0053] 升压站中主变压器的有功损耗用无功损耗进行表示：
[0054]
[0055] 综上，提出包含风电场内风机、箱式变压器、集电线路和主变压器在内的有功网损 最小的目标函数
[0056]
[0057] 式中，Picjss为风电场有功损耗;Qc为风电场无功补偿设备投入容量；A Ui为各节点 电压越限值；A Qi为风机