CN107171335B - 一种基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法，所述电压协调控制方法通过本地无功补偿设备控制相邻节点的相对电压差为零，包括以下步骤：步骤一：通过风力发电机组的自身容量对有功波动在风力发电机端的箱式变压器上的电压降进行补偿；步骤二：通过并接风场与电网公共连接点的静止无功发生器对有功波动在风场与电网公共连接点处的风场主变压器上的电压降进行补偿；步骤三：通过选址判据在汇流点安装分布式无功补偿设备对有功波动在风场汇流线路上的电压降进行控制。

Description

一种基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动电压控制技术领域，特别是涉及基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法。

背景技术

大规模风电场集中并网引起的电压及无功波动问题是实际运行中最常见的问题之一。风电场内电压分布直接受线路网络参数和风机出力波动影响，随着风机机端电压波动导致的机组故障脱网事故对系统安全运行的影响愈发显著，风电场内部节点电压稳定受控及风场在弱网结构下安全运行已成为风能参与能源互联网优化调节的关键技术。

目前，风电场常采用在PCC点挂设SVC、STATCOM等集中型无功补偿装置实现电压控制。随着越来越多的双馈型风机和全功率变换型风机实现并网，大量文献探讨了利用上述具备一定无功调节能力的风力机组维持机端电压并实现无功就地补偿的可行性。现有研究将风力发电机组看作功率型电源进行绝对电压调节或定功率因数无功补偿，但与传统发电厂相异，实际的大规模风场通常由多组小容量风机分布并联构成，单台风机的容量受限，风力发电单元与系统容量不匹配常导致风机箱变高压侧电压发生波动时机组并不具备维持机端电压绝对值恒定的能力。同时，现有文献通常忽略风电场内部的电压相位变化，将各节点无功输出值在PCC点代数叠加，使得风场内部潮流变化及各机组电压传递方式难以清晰呈现。并且，机组空间分散性使得电压在风场内部电压分布随着风力机的最大功率输出波动而频繁变化，而不同无功补偿方式的控制时间尺度相异。当前风电场广泛采用远程集中监控系统，通过电网向风场下发电压调节指令至PCC点处，并对各类无功设备集中分配补偿指令，此基于主从控制的模式使得风场各节点电压缺乏相应的自治能力，并且这种依赖上位集中通讯的无功电压协调控制模式，不仅增加了控制复杂性，大数据量通讯带来的信号延迟问题还可能导致风场各汇流点电压在动态调节过程中发生振荡。

因此希望有一种基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法可以克服或至少减轻现有技术中的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法以适应目前风电场中对于内部电压、无功的协调控制要求。

本发明提供一种基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法，通过本地无功补偿设备控制相邻节点的相对电压差为零，包括以下步骤：

步骤一：通过风力发电机组的自身容量对有功波动在风力发电机端的箱式变压器上的电压降进行补偿；

步骤二：通过并接风场与电网公共连接点的静止无功发生器对有功波动在风场与电网公共连接点处的风场主变压器上的电压降进行补偿；

步骤三：通过选址判据在汇流点安装分布式无功补偿设备对有功波动在风场汇流线路上的电压降进行控制。

优选地，所述步骤一的箱式变压器上的电压降和所述步骤二的风场主变压器上的电压降适用于以下公式：

设低压侧实测为U_T，变压器励磁功率为P_m，变压器输出阻抗为Z_o＝R_o+jX_o，k_T为变压器变比，P_t、Q_t为低压侧输入的有功功率和无功功率，设Z_t＝R_t+jX_t为变压器高压侧到最近汇流点的支线阻抗，基于变压器的Γ型等效电路，变压器高压侧的观测电压

可表示为：

变压器低压侧处无功补偿设备的电压参考值U_Tref给定方程为：

优选地，所述步骤三的风场汇流线路上的电压降适用于以下公式：

设U_C为本地汇流点的实测电压，P_l、Q_l为通过该汇流点流入下一级汇流点的有功功率和无功功率，设Z_l＝R_l+jX_l为本级汇流点至下一级汇流点间的阻抗值。汇流点处的无功补偿设备的电压参考值为：

优选地，所述步骤三中的在汇流点安装分布式无功补偿设备的选址判据，包含以下步骤：

(1)在风场线路架构和参数已知的前提下使得所有机组满发，即风场电压分布电压差最恶劣的情况下，使得所有汇流点和关键设备节点的电压幅值与并网点相同；

(2)依次分别舍去一个汇流点安装的无功补偿设备，其他汇流点依然保持原有相对电压控制方法，观察缺少无功控制的节点i对风场最大电压差

的影响；

(3)根据汇流点对风场最大电压差的影响大小依次确定汇流点的权重，若舍去该节点的无功设备后风场最大电压差越大，则该节点无功设备的位置权重越高，即风场新增一台无功设备的选址优先级越高。

优选地，在不安装所述无功补偿设备的所述汇流点之间的可控节点中使用下垂型相对电压控制法，通过所述本地无功补偿设备控制使得一条汇流线上节点的电压分布与其距离风场与电网公共连接点的电气距离呈下垂特征，即距离风场与电网公共连接点更远的汇流点电压幅值小于距离风场与电网公共连接点更近的汇流点电压幅值，利用电压的下垂特性补偿前一段无电压控制的汇流线上的电压上翘分布特性。

优选地，所述下垂型相对电压控制法的具体步骤包括：

(1)确定已规划风场中未安装无功补偿设备的汇流点位置以及未安装无功设备的汇流点间的连续电压可控汇流点的个数N，可预先计算出最恶劣工况下节点i未安无功补偿设备后风场内最大电压差

该电压差由该节点i后的N个电压可控汇流点依据下垂系数平均分配。

(2)设U_Cim为安装无功补偿设备的汇流点i后的第m个连续电压可控节点的本地实测电压，P_im、Q_im为通过该汇流点流入下一级汇流点的有功功率和无功功率，设Z_im＝R_im+jX_im为本级汇流点至下一级汇流点间的阻抗值。未安装无功补偿设备汇流点之间的可控汇节点处的无功补偿设备的电压参考值为：

由于线路每公里阻抗值及线路长度在风场构建完成后是相对固定且容易获得的已知参数，所以R_l+jX_l和R_t+jX_t均为本地已知信息，汇流点前后的功率P_l、Q_l以及变压器高压侧功率P_t、Q_t测量都靠近相应位置的无功补偿设备，无功补偿设备的电压参考值U_imref中仅包含本地可测量获取的电气参数及电压、电流、功率信息，能够直接观测出前级电压。该方法提升了电压快速动态响应能力及控制稳定裕度，在增加较小无功设备容量的情况下实现了风场电压完全本地控制。

考虑到风功率预测通常要经过几百毫秒至秒级的时间常数完成，而电力系统功率瞬时平衡特征要求电压控制在毫秒级的电气时间常数范围内实现，所以本发明基于风场电压传递关系并利用本地信息实现风场整体电压的快速调节策略具有较高的实用价值。

附图说明

图1为风场实际风机汇流连接图。

图2为本发明基于本地信息的无功调节算法的控制框图。

图3为不同控制策略下汇流线B的电压分布图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，风场装机容量为49.5MVA，共有33台机组。风场架构为典型的放射式结构，通过3条馈线A、B、C汇入PCC并网点，三条干线分别接入12、12、9台机组。根据附图叙述本发明的具体实施方式、控制方法及工作原理：

根据线路功率传输基本原理可知若相邻两点ab间等效阻抗为R+jX，汇入b点功率P+jQ,其电压传递函数满足公式：

其中，U_a、θ_a分别为a点电压幅值和相角，U_b、θ_b分别为b点电压幅值和相角。即如果不进行电压控制，风功率在阻抗上的传输必然会引起电压降落。由于风电场内线路、变压器等效阻抗均呈感性，通过上述公式可知，通过较小的无功容量，即可补偿较大有功在感性阻抗上的电压降，此思想即是风场进行无功、电压协调控制的基础。

如图1所示，本发明提出的相对电压控制在具体风电场系统中的整体应用，其具体实施方式如下：

(1)本发明提出的相对电压控制可应用于风力发电机组的网侧变流器中的无功控制算法中。此处的相对电压控制范围包含从风机机端至该风机接入风场汇流线处，即风功率在风机箱式变压器等效阻抗以及变压器输出至汇流点的线路等效阻抗上的电压降。如图所示，该算法可通过风机自身的无功容量补偿风功率在这段等效阻抗上的压降，使得U_Nl等效至高压侧后的幅值与U_Nh电压幅值相等，两者的相角差由所传递的有功大小决定。

(2)本发明提出的相对电压控制可应用于风场PCC点挂设的集中无功补偿设备中的无功控制算法内，该补偿设备通常为SVG。此处的相对电压控制范围包含从风场PCC低压处至风场接入主电网处，即风场全部风功率在风场主变压器等效阻抗以及PCC点至电网传输线的等效阻抗上的电压降。如图所示，该算法可通过SVG的无功容量补偿风场所有风功率在这段等效阻抗上的压降，使得U_pcc等效至高压侧后的幅值与U_g电压幅值相等，两者的相角差由风场输入电网的风功率大小决定。

(3)本发明提出的相对电压控制可应用于风场汇流线上挂设的分布式无功补偿设备中的无功控制算法内，图中以带电容负载的三相桥表征分布式无功补偿装置。此处的相对电压控制范围包含该汇流点至后一汇流点处(沿有功传递方向)，即两相邻汇流点之间的功率传输在这段线路等效阻抗上的电压降。如图所示，该算法可通过分布式无功补偿装置实现U₁与U₂的电压幅值保持一致，并且两电压相量的相角差由该线路段传递的有功功率大小决定。

如图2所示为风场内各无功补偿设备具体的无功调节算法的控制框图，具体实施方式如下：

(1)对于补偿范围内包含变压器的无功补偿设备，本发明提出的控制算法可以仅利用低压侧的测量信息对变压器高压侧及远端电压进行估算。设低压侧实测为U_T，变压器励磁功率为P_m，变压器输出阻抗为Z_o＝R_o+jX_o，k_T为变压器变比，P_t、Q_t为低压侧输入的有功无功，设Z_t＝R_t+jX_t为变压器高压侧到最近汇流点的支线阻抗。基于变压器的Γ型等效电路，变压器高压侧的观测电压

可表示为：

变压器低压侧处无功补偿设备的电压参考值U_Tref给定方程为：

该电压参考值适用于箱变无功补偿及主变无功补偿。

如图2所示，无功控制采用基本的电压电流双闭环控制方法，此时U_ref为低压侧参考电压U_Tref，而U_o为低压侧实测电压(U_Nl或U_pcc)，经过电压闭环PI得到电流参考值，I_q为当前无功补偿装置的输出电流，经过无功电流闭环得到补偿装置的PWM参考波形，最终输出结果可直接作为三相桥的开关管控制信号。

(2)对于补偿范围内仅包含汇流线路的无功设备，本发明提出的控制算法可以仅利用本汇流点的测量信息对远端汇流点的电压进行估算。设U_C为本地汇流点的实测电压，P_l、Q_l为通过该汇流点流入下一级汇流点的有功、无功(包含该汇流点前级所有功率之和，以及通过该汇流点支路馈入干线的风电机组功率)，设Z_l＝R_l+jX_l为本级汇流点至下一级汇流点间的阻抗值。汇流点处的无功补偿设备的电压参考值为：

如图2所示，无功控制采用基本的电压电流双闭环控制方法，此时U_ref为参考电压U_Cref，而U_o为本汇流点的实测电压，经过电压闭环PI得到电流参考值，I_q为当前无功补偿装置的输出电流，经过无功电流闭环得到补偿装置的PWM参考波形，最终输出结果可直接作为分布式无功装置的三相桥的开关管控制信号。

若风场内所有汇流点均能安装无功补偿设备，实现上述的本地无功补偿，则风场电压整体受控，各节点电压在标幺化后均与电网电压一致。考虑到风电场通常会对安装于汇流点上的分布式无功设备数量做出限制，本发明提出一种风电场汇流点装设无功补偿设备的选址方法，以汇流线B为例，其节点编号依据风机距PCC点的电气距离远近由小至大排定，PCC点为13号，汇流线B最远端风机为1号，其具体实施方法如下：

(1)假设该汇流线上的12台机组的风功率满发，此时若无电压控制，汇流线的自然分布电压差最恶劣。先假设所有汇流点均有无功补偿设备进行相对电压控制，使得所有汇流点的电压幅值与并网点相同；

(2)分别舍去1号至12号汇流点安装的无功补偿设备，其他汇流点依然保持原有相对电压控制方法，计算当前节点缺少无功控制后风场内的最大电压差；

(3)按上述计算得到的最大电压差排序确定汇流点位置的权重，若舍去该节点的无功设备后风场最大电压差越大，则该节点无功设备的位置权重越高，即风场新增一台无功设备的选址优先级越高。已知该汇流线的无功设备数量限制为4台，按位置权重排序，12、9、8、5节点需优先安装无功补偿设备。

由于风机箱变处的相对电压降是使用风机剩余无功容量进行补偿，不存在额外设备需求，而风场主变处一定会装配无功补偿装置，所以风机和主变处的无功补偿控制依然采用常规的相对电压控制方法。由于部分汇流点不安装无功补偿设备造成部分线路电压降无法进行本地补偿，所以针对可安装无功补偿设备的汇流点提出一种下垂型相对电压控制方法，通过本地无功补偿设备控制使得一条汇流线上节点的电压分布与其距离PCC点的电气距离呈下垂特征，即距离PCC点更远的汇流点电压幅值小于距离PCC点更近的汇流点电压幅值，从而利用该电压下垂特性补偿前一段无电压控制的汇流线上的电压上翘分布特性。其具体实施方法如下：

(1)确定无功补偿设备节点位置后可知12节点前均有无功补偿设备，所以依然采用常规相对电压控制即可；节点9、8为未安装无功设备的节点10之后的连续两个电压可控节点，可预先计算出最恶劣工况下节点10不进行无功补偿后风场内各节点电压与并网点的的最大相对电压差为0.005p.u.，该电压差由节点9和节点8的无功补偿设备依据下垂系数平均分配。

(2)设U_Cim为安装无功补偿设备的汇流点i后的第m个连续电压可控节点的本地实测电压，P_im、Q_im为通过该汇流点流入下一级汇流点的有功、无功(包含该汇流点前级所有功率之和，以及通过该汇流点支路馈入干线的风电机组功率)，设Z_im＝R_im+jX_im为本级汇流点至下一级汇流点间的阻抗值。未安装无功补偿设备汇流点之间的可控汇节点处的无功补偿设备的电压参考值为：

由预先演算可知，节点10在最恶劣电压差情况下可能产生0.005p.u.的相对电压差，该电压差将由节点8与节点9的无功设备补偿。即节点8和9的电压参考值为原先观测的相对电压加上0.0025p.u.的下垂电压幅值。其具体控制方式与相对电压控制一致，均可采用图2所示的控制框图。该控制方式依然适用于与B并联的汇流线A、C之中。

如图3所示为不同控制策略下汇流线B的电压分布图，图中控制方式1为仅在PCC点采用集中式无功补偿时的汇流线B的电压分布，控制方式2为所有汇流点均有无功设备情况下的电压分布，控制方式3为采用本发明提出的无功设备选址及下垂型相对电压控制后的电压分布。从图中可以看出，仅在PCC点采用集中式无功补偿只能保证PCC点与电网电压幅值一致，风场内由于有功的流动存在自然电压分布，最大电压差达到0.5p.u.，各汇流点采用相对电压控制可以仅利用本地信息实现风场全局电压的控制。考虑分布式无功数量的限制，本发明提供的无功设备选址判据使得无功设备加装在产生最大电压差的关键节点上，而相应的下垂型相对电压控制可以进一步抵消缺乏无功补偿的线路段产生的电压上翘现象，将风场电压分布差平抑至0.01p.u.，即通过有限设备实现分布电压的最佳控制。

综合上各具体实施方法可知，本发明提出的基本信息的风电场无功电压协调控制方法可有效解决当前风场内部电压控制中由于大量上位调度导致的汇流点电压动态响应能力及稳定性下降的问题。由于该方法仅需补偿由于风力机组自身有功功率波动造成的本地无功损失，不仅解决风机进行机端绝对电压调节时的容量受限问题，还保证了各台风机在无功分配过程中的一致均分性。其次，考虑到已规划风场的电路参数稳定性和本地电压、电流可测量性，该控制策略可不依赖上位通讯完成风场内的全局电压控制和无功协调分配，并具备更快的动态响应能力和较广的稳定裕度。同时，基于上述控制策略，本发明也给出了风场无功设备受限情况下，对不同汇流点进行权重分配后的无功补偿设备位置优化方案。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法，其特征在于，通过本地无功补偿设备控制相邻节点的相对电压差为零，包括以下步骤：

步骤一：通过风力发电机组的自身容量对有功波动在风力发电机端的箱式变压器上的电压降进行补偿；

步骤二：通过并接风场与电网公共连接点的静止无功发生器对有功波动在风场与电网公共连接点处的风场主变压器上的电压降进行补偿；

步骤三：通过选址判据在汇流点安装分布式无功补偿设备对有功波动在风场汇流线路上的电压降进行控制；

所述步骤三的风场汇流线路上的电压降适用于以下公式：

设U_C为本地汇流点的实测电压，P_l、Q_l为通过该汇流点流入下一级汇流点的有功功率和无功功率，设Z_l＝R_l+jX_l为本级汇流点至下一级汇流点间的阻抗值，汇流点处的无功补偿设备的电压参考值为：

所述步骤三中的在汇流点安装分布式无功补偿设备的选址判据，包含以下步骤：

(1)在风场线路架构和参数已知的前提下使得所有机组满发，即风场电压分布电压差最恶劣的情况下，使得所有汇流点和关键设备节点的电压幅值与并网点相同；

(2)依次分别舍去一个汇流点安装的无功补偿设备，其他汇流点依然保持原有相对电压控制方法，观察缺少无功控制的节点i对风场最大电压差

的影响；

(3)根据汇流点对风场最大电压差的影响大小依次确定汇流点的权重，若舍去该节点的无功设备后风场最大电压差越大，则该节点无功设备的位置权重越高，即风场新增一台无功设备的选址优先级越高；

在不安装所述无功补偿设备的所述汇流点之间的可控节点中使用下垂型相对电压控制法，通过所述本地无功补偿设备控制使得一条汇流线上节点的电压分布与其距离风场与电网公共连接点的电气距离呈下垂特征，即距离风场与电网公共连接点更远的汇流点电压幅值小于距离风场与电网公共连接点更近的汇流点电压幅值，利用电压的下垂特性补偿前一段无电压控制的汇流线上的电压上翘分布特性；

所述下垂型相对电压控制法的具体步骤包括：

(1)确定已规划风场中未安装无功补偿设备的汇流点位置以及未安装无功设备的汇流点间的连续电压可控汇流点的个数N，可预先计算出最恶劣工况下节点i未安无功补偿设备后风场内最大电压差

该电压差由该节点i后的N个电压可控汇流点依据下垂系数平均分配；

(2)设U_Cim为安装无功补偿设备的汇流点i后的第m个连续电压可控节点的本地实测电压，P_im、Q_im为通过该汇流点流入下一级汇流点的有功功率和无功功率，设Z_im＝R_im+jX_im为本级汇流点至下一级汇流点间的阻抗值，未安装无功补偿设备汇流点之间的可控汇节点处的无功补偿设备的电压参考值为：

由于线路每公里阻抗值及线路长度在风场构建完成后是相对固定且容易获得的已知参数，所以R_l+jX_l和R_t+jX_t均为本地已知信息，汇流点前后的功率P_l、Q_l以及变压器高压侧功率P_t、Q_t测量都靠近相应位置的无功补偿设备，无功补偿设备的电压参考值U_imref中仅包含本地可测量获取的电气参数及电压、电流、功率信息，能够直接观测出前级电压；所述方法提升了电压快速动态响应能力及控制稳定裕度，在增加较小无功设备容量的情况下实现了风场电压完全本地控制。

2.如权利要求1所述的基于本地无功调节的风电场电压协调控制方法，其特征在于：所述步骤一的箱式变压器上的电压降和所述步骤二的风场主变压器上的电压降适用于以下公式：

设低压侧实测为U_T，变压器励磁功率为P_m，变压器输出阻抗为Z_o＝R_o+jX_o，k_T为变压器变比，P_t、Q_t为低压侧输入的有功功率和无功功率，设Z_t＝R_t+jX_t为变压器高压侧到最近汇流点的支线阻抗，基于变压器的Γ型等效电路，变压器高压侧的观测电压

可表示为：

变压器低压侧处无功补偿设备的电压参考值U_Tref给定方程为：

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