CN102299527B - 一种风电场无功功率控制方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场无功功率控制方法和***，以风电场高压侧母线电压为控制目标，以无功功率作为调整量，根据风电场母线电压的波动范围和功率因数选择风电场电压控制策略、功率因数控制策略或强制控制***无功输出为恒定值，并根据风电场需要输出的无功功率参考值，确定风电场内每台风机和集中式无功补偿设备的无功功率输出值。采用了本发明的技术方案，使风电场并网点的无功输出满足***的需求，以抑制母线电压的波动和调节风电场功率因数，并协调控制风电场内每台风电机组和集中式无功补偿设备的无功输出。

Description

一种风电场无功功率控制方法和***

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电场无功功率控制方法和***。

背景技术

风能是随机和不可控的，风机输出的功率和电压也随机波动，对相对稳定的电力***来说是一个干扰源。大规模风电场集中并网给电力***的安全运行与经济调度带来了一系列深远的影响，其中风电场引起的电压-无功问题是最早引起关注，也是实际运行中最为常见的问题之一。

早期的风电场通过投切电容器组对风电场进行无功控制。在电网结构较弱的情况下，受风能随机变化的影响，只靠这些电容器组并不能跟上风速对电网的影响。目前，新建风电场大都配置了动态无功补偿装置，如SVC、SVG等，以提高无功功率调节的动态响应速度。风电场配置合适容量的无功补偿装置，并根据***需求进行控制和管理，可有效提高风电场输出电压的稳定，减小风电对电网的扰动，并提高应对风电场的故障能力。

随着风电技术的发展，变速恒频风电机组(主要包括变速恒频双馈机组和全功率换流器风机)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，通过变流器的控制可实现有功、无功的解耦控制，具备动态调节无功输出的能力。在双馈型的变速恒频风电机组方面，美国的GE公司已开发了风电场无功控制产品”WindVAR”，通过WindVAR***与机组自身的电子控制装置的配合，控制风电场的电压。

WindVAR***是以GE风电机组为控制单元，通过在机组接入线路采集并网点电压，与设定的基准电压进行比较获取实时电压偏差，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***可以保证风电机组的输出无功功率实时跟踪接入点电压变化，但是其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，可能会在风电机组间形成较大的无功功率潮流，甚至使某些机组无功功率输出能力达到极限，降低风电场***的稳定。

申请号为201010172546.7的中国发明专利申请“风电场无功电压的协调控制方法”公开了一种风电场无功电压控制方法，该方法以风电场并网点无功功率为调整参考量，但并没有给出无功功率参考量的计算方法。此外，其在无功功率的指令分配上，没有考虑到风电场内的集中式无功补偿设备，如果仅有机组输出无功功率，可能无法满足***的需要，且造成设备的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提出一种风电场无功功率控制方法和***，使风电场并网点的无功输出满足***的需求，以抑制母线电压的波动和调节风电场功率因数，并协调控制风电场内每台风电机组和集中式无功补偿设备的无功输出。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种风电场无功功率控制方法，包括以下步骤：

A、实时测量风电场并网点的电压U_mea、有功功率P_mea和无功功率Q_mea，并将测量获得的电压U_mea与风电场并网点母线电压的标称电压U_ref的差值设置为电压偏差ΔU，同时根据有功功率P_mea和无功功率Q_mea计算并网点的实际功率因数λ_mea；

B、根据电网对电压和功率因数偏差的要求设置电压偏差ΔU的死区阈值和功率因数偏差Δλ的死区阈值；

C、首先判断电压偏差ΔU是否在电压偏差ΔU的死区阈值范围内，其次判断功率因数偏差Δλ是否在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，若电压偏差ΔU不在电压偏差ΔU的死区阈值范围内，则转至步骤D，若电压偏差ΔU在电压偏差ΔU的死区阈值范围内、且功率因数偏差Δλ不在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，则转至步骤E；若电压偏差ΔU在电压偏差ΔU的死区阈值范围内、且功率因数偏差Δλ在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，则控制风电场需输出的总无功功率值_WFref等于检测到的并网点无功功率Q_mea，并转至步骤F；

D、风电场电压控制模块将电压偏差ΔU输入调节电压偏差的比例系数K_slope模块，得到无功功率参考值Q_ref，无功功率参考值Q_ref与无功功率Q_mea的差值经过PI调节器处理后作为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref，并转至步骤F；

E、风电场功率因数控制模块根据电网要求的功率因数λ_ref和实测的有功功率P_mea，获得无功功率参考值Q_ref，无功功率参考值Q_ref与无功功率Q_mea的差值经过PI调节器处理后作为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref，并转至步骤F；

F、根据风机实时运行工况和风机的P-Q特性，计算风电场内风机的总无功功率输出极限值Q_max，并计算风电场需输出的总无功功率值Q_WFref与总无功功率输出极限值Q_max的差值ΔQ_WFref，若差值ΔQ_WFref大于零，则风电场内风机需要输出的总无功指令值Q_Tref设置为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref；若差值ΔQ_WFref小于零，则风机需要输出的总无功指令值Q_Tref设置为总无功功率输出极限值Q_max，风电场内集中式无功补偿设备输出的无功指令为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref与总无功功率输出极限值Q_max的差值ΔQ_WFref，且差值ΔQ_WFref不超过风电场内配有的集中式无功补偿设备容量；

G、风力机群无功分配策略模块向每台风机分配无功功率，其中第i台的风机无功功率输出参考值Q_iref的计算公式如下式：

$Q_{\mathrm{iref}}=\frac{Q_{i\max }}{Q_{\max }}\·Q_{\mathrm{Tref}},$

其中Q_imax为第i台风机的预期最大无功功率输出值，Q_max为风电场总无功功率输出极限值，Q_Tref为风电场内风机需要输出的总无功指令值，n为风电场风机台数。

步骤D中，调节电压偏差的比例系数K_slope模块根据无功电压敏感系数进行实现。

步骤D和步骤E中，PI调节器的调整幅度K根据响应速度和控制精度实现，满足以下公式：

$Q_{\mathrm{WFref}}=K(\mathrm{\ΔQ}\left(t\right)+\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\mathrm{\ΔQ}\left(t\right)\mathrm{dt}),$ 其中T为积分时间常数。

步骤D和步骤E中，PI调节器中的该运行工况下风电场的预期最大无功输出值为Q_WFmax和预期最小无功输出值为Q_WFmin，风电场的无功参考值限制在预期最大无功输出值Q_WFmax和预期最小无功输出值Q_WFmin两者之间，其中Q_WFmax为所有风机的预期最大无功输出及集中式无功补偿设备的预期最大无功输出之和，Q_WFmax为所有风机的预期最小无功输出及集中式无功补偿设备的预期最小无功输出之和。

一种风电场无功功率控制***，包括参考值给定模块、并网点状态获取模块、无功源状态获取模块、风电场控制方式决策模块、风电场级无功分配策略模块、风力机群无功分配策略模块、无功补偿设备无功分配策略模块、风机、集中式无功补偿设备和并网点，其中，参考值给定模块与电网调度通讯接口连接，并网点状态获取模块与并网点连接，参考值给定模块、并网点状态获取模块和无功源状态获取模块分别与风电场控制方式决策模块连接，风电场控制方式决策模块与风电场级无功分配策略模块连接，风电场级无功分配策略模块分别与风力机群无功分配策略模块和无功补偿设备无功分配策略模块连接，风力机群无功分配策略模块与不少于1个风机连接，无功补偿设备无功分配策略模块与集中式无功补偿设备连接，风机和集中式无功补偿设备分别与并网点连接，风机和集中式无功补偿设备还分别与无功源状态获取模块连接。

采用了本发明的技术方案，能够以风电场高压侧母线电压为控制目标，以无功功率作为调整量，根据风电场母线电压的波动范围和功率因数选择风电场电压控制策略、功率因数控制策略或强制控制***无功输出为恒定值，并根据风电场需要输出的无功功率参考值，确定风电场内每台风机和集中式无功补偿设备的无功功率输出值。本发明技术方案可以抑制本区域负荷引起的风电场电压波动，调节功率因数满足电网的要求，统一控制风电场内的无功功率输出，并协调风电机组和无功补偿设备的运行状态，充分起到维持风电场***稳定的作用。本发明技术方案充分考虑到了机组的无功输出特性与机组的运行状态有关，以机组的无功输出最大值作为依据为每台风机分配无功功率指令，充分发挥了各机组的无功输出能力，提高了设备的安全性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中风电场无功功率控制***的结构示意图。

图2是本发明具体实施方式中风电场无功功率控制***控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本发明具体实施方式中风电场无功功率控制***的结构示意图。如图1所示，该风电场无功功率控制***包括参考值给定模块101、并网点状态获取模块102、无功源状态获取模块103、风电场控制方式决策模块104、风电场级无功分配策略模块105、风力机群无功分配策略模块106、无功补偿设备无功分配策略模块107、风机108、集中式无功补偿设备109和并网点110。

其中，参考值给定模块与电网调度通讯接口111连接，并网点状态获取模块与并网点连接，参考值给定模块、并网点状态获取模块和无功源状态获取模块分别与风电场控制方式决策模块连接，风电场控制方式决策模块与风电场级无功分配策略模块连接，风电场级无功分配策略模块分别与风力机群无功分配策略模块和无功补偿设备无功分配策略模块连接，风力机群无功分配策略模块与不少于1个风机连接，无功补偿设备无功分配策略模块与集中式无功补偿设备连接，风机和集中式无功补偿设备分别与并网点连接，风机和集中式无功补偿设备还分别与无功源状态获取模块连接。

图2是本发明具体实施方式中风电场无功功率控制流程图。如图2所示，该风电场无功功率控制流程包括以下步骤：

步骤201、实时测量风电场并网点的电压U_mea、有功功率P_mea和无功功率Q_mea，并将测量获得的电压U_mea与风电场并网点母线电压的标称电压U_ref的差值设置为电压偏差ΔU，同时根据有功功率P_mea和无功功率Q_mea计算并网点的实际功率因数λ_mea。

步骤202、根据电网对电压和功率因数偏差的要求设置电压偏差ΔU的死区阈值和功率因数偏差Δλ的死区阈值。

步骤203、首先判断电压偏差ΔU是否在电压偏差ΔU的死区阈值范围内，其次判断功率因数偏差Δλ是否在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，若电压偏差ΔU不在电压偏差ΔU的死区阈值范围内，则转至步骤204，若电压偏差ΔU在电压偏差ΔU的死区阈值范围内、且功率因数偏差Δλ不在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，则转至步骤205；若电压偏差ΔU在电压偏差ΔU的死区阈值范围内、且功率因数偏差Δλ在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，则控制风电场无功控制***无功输出Q_WFref等于检测到的并网点无功功率Q_mea，并转至步骤206。

步骤204、风电场电压控制模块将电压偏差ΔU输入调节电压偏差的比例系数K_slope模块，得到无功功率参考值Q_ref，无功功率参考值Q_ref与无功功率Q_mea的差值经过PI调节器处理后作为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref，并转至步骤206。其中，调节电压偏差的比例系数K_slope模块根据无功敏感系数进实现。

步骤205、风电场功率因数控制模块根据电网要求的功率因数和实测的有功功率P_mea，获得无功功率参考值Q_ref，无功功率参考值Q_ref与无功功率Q_mea的差值经过PI调节器处理后作为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref，并转至步骤206。

步骤204和步骤205中，PI调节器的调整幅度K根据响应速度和控制精度实现，满足以下公式：

$Q_{\mathrm{WFref}}=K(\mathrm{\ΔQ}\left(t\right)+\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\mathrm{\ΔQ}\left(t\right)\mathrm{dt}),$ 其中T为积分时间常数。

步骤204和步骤205中，PI调节器中的该运行工况下风电场的预期最大无功输出值为Q_WFmax和预期最小无功输出值为Q_WFmin，风电场的无功参考值限制在预期最大无功输出值Q_WFmax和预期最小无功输出值Q_WFmin两者之间，其中Q_WFmax为所有风机的预期最大无功输出及集中式无功补偿设备的预期最大无功输出之和，Q_WFmax为所有风机的预期最小无功输出及集中式无功补偿设备的预期最小无功输出之和。

步骤206、根据风机实时运行工况和风机的P-Q特性，计算风电场内风机的总无功功率输出极限值Q_max，并计算风电场需输出的总无功功率值Q_WFref与总无功功率输出极限值Q_max的差值ΔQ_WFref，若差值ΔQ_WFref大于零，则风电场内风机需要输出的总无功指令值Q_Tref设置为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref；若差值ΔQ_WFref小于零，则风机需要输出的总无功指令值Q_Tref设置为总无功功率输出极限值Q_max，风电场内集中式无功补偿设备输出的无功指令为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref与总无功功率输出极限值Q_max的差值ΔQ_WFref，且差值ΔQ_WFref不超过风电场内配有的集中式无功补偿设备容量。

步骤207、风力机群无功分配策略模块向每台风机分配无功功率，其中第i台的风机无功功率输出参考值Q_iref的计算公式如下式：

$Q_{\mathrm{iref}}=\frac{Q_{i\max }}{Q_{\max }}\·Q_{\mathrm{Tref}},$

其中

Q_imax为第i台风机的预期最大无功功率输出值，Q_max为风电场总无功功率输出极限值，Q_Tref为风电场内风机需要输出的总无功指令值，n为风电场风机台数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种风电场无功功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、实时测量风电场并网点的电压U_mea、有功功率P_mea和无功功率Q_mea，并将测量获得的电压U_mea与风电场并网点母线电压的标称电压U_ref的差值设置为电压偏差ΔU，同时根据有功功率P_mea和无功功率Q_mea计算并网点的实际功率因数λ_mea；

B、根据电网对电压和功率因数偏差的要求设置电压偏差ΔU的死区阈值和功率因数偏差Δλ的死区阈值；

C、首先判断电压偏差ΔU是否在电压偏差ΔU的死区阈值范围内，其次判断功率因数偏差Δλ是否在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，若电压偏差ΔU不在电压偏差ΔU的死区阈值范围内，则转至步骤D，若电压偏差ΔU在电压偏差ΔU的死区阈值范围内、且功率因数偏差Δλ不在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，则转至步骤E；若电压偏差ΔU在电压偏差ΔU的死区阈值范围内、且功率因数偏差Δλ在功率因数偏差Δλ的死区阈值范围内，则控制风电场需输出的总无功功率值Q_WFref等于检测到的并网点无功功率Q_mea，并转至步骤F；

D、风电场电压控制模块将电压偏差ΔU输入调节电压偏差的比例系数K_slope模块，得到无功功率参考值Q_ref，无功功率参考值Q_ref与无功功率Q_mea的差值经过PI调节器处理后作为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref，并转至步骤F；

E、风电场功率因数控制模块根据电网要求的功率因数λ_ref和实测的有功功率P_mea，获得无功功率参考值Q_ref，无功功率参考值Q_ref与无功功率Q_mea的差值经过PI调节器处理后作为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref，并转至步骤F；

F、根据风机实时运行工况和风机的P-Q特性，计算风电场内风机的总无功功率输出极限值Q_max，并计算风电场需输出的总无功功率值Q_WFref与总无功功率输出极限值Q_max的差值ΔQ_WFref，若差值ΔQ_WFref大于零，则风电场内风机需要输出的总无功指令值Q_Tref设置为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref；若差值ΔQ_WFref小于零，则风机需要输出的总无功指令值Q_Tref设置为总无功功率输出极限值Q_max，风电场内集中式无功补偿设备输出的无功指令为风电场需输出的总无功功率值Q_WFref与总无功功率输出极限值Q_max的差值ΔQ_WFref，且差值ΔQ_WFref不超过风电场内配有的集中式无功补偿设备容量；

G、风力机群无功分配策略模块向每台风机分配无功功率，其中第i台的风机无功功率输出参考值Q_iref的计算公式如下式：

$Q_{\mathrm{iref}}=\frac{Q_{i\max }}{Q_{\max }}\·Q_{\mathrm{Tref}}$ ，

其中，Q_imax为第i台风机的预期最大无功功率输出值，Q_max 为风电场总无功功率输出极限值，Q_Tref为风电场内风机需要输出的总无功指令值，n为风电场风机台数。

2.根据权利要求1所述的一种风电场无功功率控制方法，其特征在于，步骤D中，调节电压偏差的比例系数K_slope模块根据无功电压敏感系数进行实现。

3.根据权利要求1所述的一种风电场无功功率控制方法，其特征在于，步骤D和步骤E中，PI调节器的调整幅度K根据响应速度和控制精度实现，满足以下公式：

，其中T为积分时间常数。

4.根据权利要求1所述的一种风电场无功功率控制方法，其特征在于，步骤D和步骤E中，PI调节器中的该运行工况下风电场的预期最大无功输出值为Q_WFmax和预期最小无功输出值为Q_WFmin，风电场的无功参考值限制在预期最大无功输出值Q_WFmax和预期最小无功输出值Q_WFmin两者之间，其中Q_WFmax为所有风机的预期最大无功输出及集中式无功补偿设备的预期最大无功输出之和，Q_WFmax为所有风机的预期最小无功输出及集中式无功补偿设备的预期最小无功输出之和。

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