CN103346577A - 降低风电场功率损耗的风电场avc无功控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***及方法，属于风电场并网运行控制技术领域。本发明包括风电场AVC子站、风力发电机及无功补偿装置SVC；具本是由风电场AVC子站分别与风力发电机服务器、风电场AGC、无功补偿装置SVC及调度主站相连接。本发明提高了***的发电效率，保证了每台机组发出或吸收的无功功率在机组的允许范围以内，保证了设备的安全运行。充分考虑了风机有功与无功出力关系，最大限度发挥了风机的无功输出能力，减少了集中无功补偿装置投切次数，提高了其利用效益。

Description

降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***及方法

技术领域

本发明涉及一种降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***及方法，属于风电场并网运行控制技术领域。 

背景技术

随着风力发电技术的快速发展和国家对可再生能源发电的高度重视，我国风力发电建设已逐渐进入了健康发展时期，风电场并网运行能力逐渐提升。为保证电网安全稳定运行，目前风电场运营商已开始在风电场配置AVC装置，目的是能够调节电网接入点的无功功率及电压，进行无功功率补偿，以保证电网接入点的电压稳定，防止由于风速变化带来的接入点电压波动。 

但是随着AVC的额外加入，现有的风电场控制策略需做出适当改变，且考虑网损最小化等因素。目前风电场AVC控制***优先利用风机发无功功率的能力，首先通过按等功率因数、或者等比例的分配给各风机，当风机总无功出力无法满足母线要求时，再投入集中无功补偿设备，而整个过程响应时间过长，且电容器按组投入，容易造成无功资源浪费，还增加了风电场网损。 

风电场无功功率源主要有两种：风电机组和集中无功补偿设备。集中无功补偿设备，例如静止无功功率补偿装置(SVC)能够迅速对风电场的无功功率进行平衡，但也存在造价高、损耗大和稳定性差的缺陷，并且SVC是按组投切，容易造成经济裕度过低。另外，虽然大部分风机采用功率解耦控制，当其无功发出能力和无功损耗仍然受风速影响，无法达到无功指定控制目标。风电场电压自动控制(AVC)***可挖掘风电场内风机发出无功功率的能力，与SVC配 合，使风电场无功功率达到更好的动态平衡。 

风电场内产生损耗的部分主要包括风电机组、箱变、主变压器、集电线路，集中无功补偿装置，而开展对风电场AVC无功控制方法的研究，是充分利用风机无功出力、降低风电场内总体损耗和提高风电场运行电压水平的最有效手段，从而使电力***能够安全经济运行。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***及方法，目的是使其充分利用风机无功能力，实现风电场无功补偿设备与机组运行之间的协调控制，并使风电场内功率损耗率减到最小程度。 

本发明所采用的技术方案是： 

降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***，包括：风电场AVC子站、风力发电机及无功补偿装置SVC；具本是由风电场AVC子站分别与风力发电机服务器、风电场AGC、无功补偿装置SVC及调度主站相连接。 

降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***的控制方法，包括风电场AVC子站、风力发电机及无功补偿装置SVC；还包括处理器、存储模块、输入输出模块、MODBUS(TCP/IP)通信接口、检测模块、服务器；处理器执行控制算法，对存储模块和输入输出模块进行调用；输入输出模块通过MODBUS(TCP/IP)通信接口与检测模块通信，并通过服务器与各台风机的SCADA进行通信。 

所述的风电场AVC子站与风电场现有的能量管理平台交换的信息包括风电场信息、风电场SVC设备的状态信息及控制指令，与风机服务器交换的信息包括各风机实时状态信息及控制指令；风电场AVC子站无功或电压目标值直接下发给风电场SVC，由风电场SVC进行调控；AVC子站***具备通信、采集、控制、 计算、存储、监视、参数设置等功能；风力发电机具备无功输出能力，且风机SCADA能够被AVC***控制；无功补偿装置主要为SVC或SVG，SVC和SVG均可以通过对控制器下发无功或电压指令实现无功的平滑调节；主变分接头能够对高压母线电压进行调节。 

所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***，步骤如下： 

第一步，AVC控制***判断电压偏差值是否越限，将并网点实时电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，得到电压偏差值： 

ΔU＝|U_mean-U_target|    （1）； 

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中ΔU为

的幅值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定； 

第二步，首先实测当前各风机有功输出值P_gen，由风机有功与无功输出的约束关系每台风机实时最大输出能力Q_reg(i)＝λP_gen(i)，然后AVC***设定的风电机组无功参考值总共为Q_Wref，即风机总无功出力给定

其中风机最大无功约束条件为： 

$P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}---\left(2\right);$

式中λ为风机的功率因数，风机正常工作情况下的功率因数范围为λ_L≤λ≤λ_H，由式（2）可以看出，当风机满发时，将失去无功调节能力； 

单台风机输出无功功率的极限计算公式为： 

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}\max }=\sqrt{\frac{{|U}_1|X_m^2}{X_1^2}{I}_{r\max }^2-P_k^2}-\frac{\left|U_1\right|}{X_1^2}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }=\frac{\left|U_1\right|}{X_1^2}-\sqrt{\frac{{|U}_1|X_m^2}{X_1^2}{I}_{r\max }^2-P_k^2}\end{array}\right.---\left(3\right);$

式中U₁为风机定子端电压，P_k为风机出口有功功率，X₁为定子漏抗与励磁 电抗之和，I_rmax为变流器电流限定值，一般为变流器额定电流的1.5倍； 

第三步，通过电压与无功的关系，计算出无功功率补偿量： 

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4）； 

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5）； 

式（4）、（5）中，ΔQ为无功功率变化量，S_sc为***母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部由风机发，此时，单台风机无功给定值为Q_reg(i)＝ΔQ×Q_reg(i)/Q_Wref； 

若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC***将给出调节主变分接头的告警提示； 

第四步，风电场内部引起功率损耗主要风机箱变、集电线路、主变和集中无功补偿装置，而在一定风速下，风机有功功率已定，为了使风电场输出功率最大化，需使风电场场内总有功功率损耗最小，总功率损耗： 

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{\Σ}}(S,V)=P_0\left(V\right)+P_S(S,V)+P_{\mathrm{LL}}(S,V)+P_{\mathrm{svc}}={\left(\frac{V}{V_N}\right)}^2\·P_{N0}+{\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·\left(\frac{V_N}{V}\right)\·P_{\mathrm{NS}}+{\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·\left(\frac{V_N}{V}\right)\·P_{\mathrm{NL}}+P_{\mathrm{svc}}---\left(6\right)$

式中ΔP_Σ为风电场总的功率损耗，P₀为变压器空载损耗，P_S为变压器短路损耗，P_LL为线路损耗，V为变压器运行电压值，V_N为变压器额定电压值，S为变压器运行视在功率值，S_N为变压器额定视在功率值，P_N0为变压器额定空载损耗，P_NS为变压器额定短路损耗，P_NL为线路额定功率损耗，P_svc为无功补偿装置的功率损耗； 

设定风电场总功率损耗ΔP_Σ为目标函数，由于所有串连在一条集电线路上的设备功率损耗： 

$P=I^{2}R={(S_N/\sqrt{3}{U}_N)}^{2}R={(P_{\mathrm{gen}}\×n/\cos \mathrm{\φ}/k/\sqrt{3}{U}_N)}^{2}R---\left(7\right);$

其中cosφ=λ，n为风机总台数，k为实际电压占额定电压的百分比； 

无功补偿装置的功率损耗P_svc包括固定电容器组的固定损耗和TCR支路中电抗器的损耗，实际运用中，电抗器的损耗随电压而变化，但是变化不大，对10Mvar-50Mvar的TCR型SVC而言，其损耗约为容量的0.5%-0.7%，可以根据风电场实际情况设定为已知量； 

所以由公式（5）-（7）可知，风电场总功率损耗ΔP_Σ只与各个风力发电机的无功功率Q_W有关，将公式（6）转换为风机无功最有分配的目标函数为： 

T＝ΔP_Σ(S,V)＝ΔP_Σ(Q_gen)   （8）； 

第五步，对目标函数T进行求最小值处理，求出目标函数存在最小值时风力发机的无功功率值

风电机组总体输出能力为

而该过程需考虑风电场内无功功率平衡的约束条件： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\end{array}\right.---\left(9\right);$

$\mathrm{\ΔQ}=Q_{\mathrm{Wref}}^{*}+Q_{\mathrm{SVC}}-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}---\left(10\right);$

其中：

为风电场风电机组总体输出能力； 

ΔQ为无功功率变化量，即风电场总无功功率的调度值； 

ΔQ_Σ为风电场总无功损耗，可以用风机无功表示； 

第六步，通过对Q_Wref和进行比较，如果

则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果

则风机无功给定为

此时集中无功补偿装置无功给定为

其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗。 

所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***的控制方法，所述的步骤如下： 

第一步，通过实时测量并网点的电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，将U_mean与U_target进行比较，判断电压偏差值是否越限， 

ΔU＝|U_mean-U_target|    （1）； 

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中ΔU为

的幅值；如果电压偏差值ΔU小于死区模块的阈值，则中止本次程序执行，风电场无功保持上一时刻给定值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定； 

第二步，计算出风机实时无功输出能力： 

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}}=\mathrm{\λ}{P}_{\mathrm{gen}}\\ Q_{\mathrm{Wref}}={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{Q}_{\mathrm{reg}}\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中Q_reg的约束条件为： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\end{array}\right.---\left(3\right);$

第三步，计算出无功功率补偿量： 

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4）； 

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5）； 

式中，ΔQ为，S_sc为***母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部由风机发；若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC***将给出调节主变分接头的告警提示； 

第四步，建立风力发电机组无功功率与风电场损耗之间的目标函数： 

T＝ΔP_Σ(S,V)＝P₀(V)+P_S(S,V)+P_LL(S,V)+P_svc＝ΔP_Σ(Q_gen)   （6）； 

约束条件： 

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\\ P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ \mathrm{\ΔQ}=Q_{\mathrm{Wref}}^{*}+Q_{\mathrm{SVC}}-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}\end{array}\right.---\left(7\right);$

对目标函数求偏导，进行最小化处理，获得时风电场损耗最小的风机总无功出力

第五步，通过对Q_Wref和

进行比较，如果则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果则风机无功给定为

此时集中无功补偿装置无功给定为

其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗； 

第六步，AVC子站将各台风机和集中无功补偿装置的无功功率整定值作为控制指令，发送至各风电机组和SVC，完成风电场的无功控制。 

本发明的优点与积极效果如下： 

本发明控制***以风电场功率损耗最小为依据，来分配每台风机的无功出力，在保证控制点满足电网要求的前提下，提高了***的发电效率，而且保证了每台机组发出或吸收的无功功率在机组的允许范围以内，保证了设备的安全运行。本发明由于充分考虑了风机有功与无功出力关系，最大限度发挥了风机的无功输出能力，同时减少了集中无功补偿装置投切次数，提高了其利用效益。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 

图1是风电场AVC控制***结构示意图； 

图2是风电场AVC无功整定方案制定流程图； 

图3是本发明风电场AVC控制***硬件配置结构图。 

具体实施方式

本发明提出风电场AVC无功控制策略立足于：结合风机无功出力能力，控制风电场电压控制点（即变电站高压侧送出线路端口）电压在允许的范围内，并使风电场内功率损耗最小。 

本发明的基本思路在于：风电场AVC控制***以风电场高压侧母线电压为控制目标，同时兼顾风机机端电压在合格的范围内，最大化风机无功输出能力，减少SVC投切次数，并最大化风电场功率损耗。 

如图1中所示，风电场AVC子站分别与调度主站、风电场AGC、风机监控***和无功补偿装置SVC直接相连，风电场AVC子站与各部分交换信息如图所示，其中风电场AVC子站从风机监控***获取各风机实时状态信息，并由风电场AVC控制单元进行无功给定计算，结果即各风机功率因数再由风机监控***下发到风机，实现就地控制；另外风电场AVC子站能够直接将Q_svc给风电场SVC，由风电场SVC进行调控。 

在风电场内所有运行的风机的机端电压均在合格范围内的情况下，当风电场AVC子站收到调度控制指令以后，通过其综合计算分析，根据控制目标产生偏差计算出达到高压侧母线控制目标值所需要的总无功值，然后根据目前SVC/SVG的可调容量、全部分级的可调容量以及电容器/电抗器的可调容量，协调控制风机和集中无功补偿装置，追随调度主站下发的风场高压侧母线电压控制指令，控制时间常数约为秒-分钟级。 

如图2所示，一种降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***，包括：AVC子站、风力发电机控制器、无功补偿装置SVC、主变分接头；风电场AVC子站分别与风机服务器、风电场AGC、风电场SVC及调度主站相连接，风电场AVC子站与风电场现有的能量管理平台交换的信息包括风电场信息、SVC设备的状态信息及控制指令，与风机服务器交换的信息包括各风机实时状态信息及控制指 令；风电场AVC子站无功或电压目标值直接下发给风电场SVC，由风电场SVC进行调控。风电场SVC（Static Var Compensator）—静止无功补偿器，可快速改变其发出的无功，具有较强的无功调节能力，可为电力***提供动态无功电源。 

还包括处理器、存储模块、输入输出模块、MODBUS(TCP/IP)通信接口、检测模块、服务器；处理器执行控制算法，对存储模块和输入输出模块进行调用；输入输出模块通过MODBUS(TCP/IP)通信接口与检测模块通信，并通过服务器与各台风机的SCADA进行通信。 

如图2所示，一种如上所述降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***的控制方法，步骤如下： 

第一步，AVC控制***判断电压偏差值是否越限，将并网点实时电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，得到电压偏差值： 

ΔU＝|U_mean-U_target|   （1） 

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中ΔU为

的幅值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定； 

第三步，首先实测当前各风机有功输出值P_gen，由风机有功与无功输出的约束关系每台风机实时最大输出能力Q_reg(i)＝λP_gen(i)，然后AVC***设定的风电机组无功参考值总共为Q_Wref，即风机总无功出力给定

其中风机最大无功约束条件为： 

$P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}---\left(2\right)$

式中λ为风机的功率因数，风机正常工作情况下的功率因数范围为λ_L≤λ≤λ_H，由式（2）可以看出，当风机满发时，将失去无功调节能力。 

单台风机输出无功功率的极限计算公式为： 

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}\max }=\sqrt{\frac{{|U}_1|X_m^2}{X_1^2}{I}_{r\max }^2-P_k^2}-\frac{\left|U_1\right|}{X_1^2}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }=\frac{\left|U_1\right|}{X_1^2}-\sqrt{\frac{{|U}_1|X_m^2}{X_1^2}{I}_{r\max }^2-P_k^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中U₁为风机定子端电压，P_k为风机出口有功功率，X₁为定子漏抗与励磁电抗之和，I_rmax为变流器电流限定值，一般为变流器额定电流的1.5倍 

第二步，通过电压与无功的关系，计算出无功功率补偿量： 

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4） 

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5） 

式（4）、（5）中，ΔQ为无功功率变化量，S_sc为***母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部由风机发，此时，单台风机无功给定值为Q_reg(i)＝ΔQ×Q_reg(i)/Q_Wref； 

若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC***将给出调节主变分接头的告警提示。 

第四步，风电场内部引起功率损耗主要风机箱变、集电线路、主变和集中无功补偿装置，而在一定风速下，风机有功功率已定，为了使风电场输出功率最大化，需使风电场场内总有功功率损耗最小，总功率损耗： 

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{\Σ}}(S,V)=P_0\left(V\right)+P_S(S,V)+P_{\mathrm{LL}}(S,V)+P_{\mathrm{svc}}={\left(\frac{V}{V_N}\right)}^2\·P_{N0}+{\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·\left(\frac{V_N}{V}\right)\·P_{\mathrm{NS}}+{\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·\left(\frac{V_N}{V}\right)\·P_{\mathrm{NL}}+P_{\mathrm{svc}}---\left(6\right)$

式中ΔP_Σ为风电场总的功率损耗，P₀为变压器空载损耗，P_S为变压器短路损耗，P_LL为线路损耗，V为变压器运行电压值，V_N为变压器额定电压值，S为变压器运行视在功率值，S_N为变压器额定视在功率值，P_N0为变压器额定空载损耗，P_NS为变压器额定短路损耗，P_NL为线路额定功率损耗，P_svc为无功补偿装置的功 率损耗。 

设定风电场总功率损耗ΔP_Σ为目标函数，由于所有串连在一条集电线路上的设备功率损耗： 

$P=I^{2}R={(S_N/\sqrt{3}{U}_N)}^{2}R={(P_{\mathrm{gen}}\×n/\cos \mathrm{\φ}/k/\sqrt{3}{U}_N)}^{2}R---\left(7\right)$

其中cosφ=λ，n为风机总台数，k为实际电压占额定电压的百分比。 

无功补偿装置的功率损耗P_svc包括固定电容器组的固定损耗和TCR支路中电抗器的损耗，实际运用中，电抗器的损耗随电压而变化，但是变化不大，对10Mvar-50Mvar的TCR型SVC而言，其损耗约为容量的0.5%-0.7%，可以根据风电场实际情况设定为已知量。 

所以由公式（5）-（7）可知，风电场总功率损耗ΔP_Σ只与各个风力发电机的无功功率Q_W有关，将公式（6）转换为风机无功最有分配的目标函数为： 

T＝ΔP_Σ(S,V)＝ΔP_Σ(Q_gen)   （8） 

第五步，对目标函数T进行求最小值处理，求出目标函数存在最小值时风力发机的无功功率值风电机组总体输出能力为

而该过程需考虑风电场内无功功率平衡的约束条件： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\mathrm{\ΔQ}=Q_{\mathrm{Wref}}^{*}+Q_{\mathrm{SVC}}-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}---\left(10\right)$

其中：为风电场风电机组总体输出能力； 

ΔQ为无功功率变化量，即风电场总无功功率的调度值； 

ΔQ_Σ为风电场总无功损耗，可以用风机无功表示； 

第六步，通过对Q_Wref和

进行比较，如果

则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果

则 风机无功给定为此时集中无功补偿装置无功给定为其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗。 

实施例1： 

如图1所示，风电场AVC子站无功给定计算流程分如下步骤： 

第一步，通过实时测量并网点的电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，将U_mean与U_target进行比较，判断电压偏差值是否越限， 

ΔU＝|U_mean-U_target|   （1）； 

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中

的幅值；如果电压偏差值ΔU小于死区模块的阈值，则中止本次程序执行，风电场无功保持上一时刻给定值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定。 

第二步，计算出风机实时无功输出能力： 

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}}=\mathrm{\λ}{P}_{\mathrm{gen}}\\ Q_{\mathrm{Wref}}={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{Q}_{\mathrm{reg}}\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中Q_reg的约束条件为： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\end{array}\right.---\left(3\right);$

第三步，计算出无功功率补偿量： 

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4）； 

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5）； 

式中，ΔQ为，S_sc为***母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部 由风机发；若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC***将给出调节主变分接头的告警提示。 

第四步，建立风力发电机组无功功率与风电场损耗之间的目标函数： 

T＝ΔP_Σ(S,V)＝P₀(V)+P_S(S,V)+P_LL(S,V)+P_svc＝ΔP_Σ(Q_gen)   （6）； 

约束条件： 

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\\ P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ \mathrm{\ΔQ}=Q_{\mathrm{Wref}}^{*}+Q_{\mathrm{SVC}}-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}\end{array}\right.---\left(7\right);$

对目标函数求偏导，进行最小化处理，获得时风电场损耗最小的风机总无功出力

第五步，通过对Q_Wref和

进行比较，如果

则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果

则风机无功给定为

此时集中无功补偿装置无功给定为

其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗。 

第六步，AVC子站将各台风机和集中无功补偿装置的无功功率整定值作为控制指令，发送至各风电机组和SVC，完成风电场的无功控制。 

此控制模块可实现数据处理，无功整定环节包括PI调节时利用电压偏差值计算无功缺额、计算无功功率最大输出约束、将所得的无功参考值ΔQ经过比较风电场最大无功输出约束与风电场功率因数约束后得到风电场无功整定值Q_reg；无功分配环节包括计算场内风机损耗和最小的每台风机无功出力大小即利用无功整定值按照本发明提出的分配策略进行分配。 

Claims (5)

1.降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***，其特征在于：包括：风电场AVC子站、风力发电机及无功补偿装置SVC；具本是由风电场AVC子站分别与风力发电机服务器、风电场AGC、无功补偿装置SVC及调度主站相连接。

2.降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***的控制方法，其特征在于：包括风电场AVC子站、风力发电机及无功补偿装置SVC；还包括处理器、存储模块、输入输出模块、MODBUS(TCP/IP)通信接口、检测模块、服务器；处理器执行控制算法，对存储模块和输入输出模块进行调用；输入输出模块通过MODBUS(TCP/IP)通信接口与检测模块通信，并通过服务器与各台风机的SCADA进行通信。

3.根据权利要求1和2所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***的控制方法，其特征在于：所述的风电场AVC子站与风电场现有的能量管理平台交换的信息包括风电场信息、风电场SVC设备的状态信息及控制指令，与风机服务器交换的信息包括各风机实时状态信息及控制指令；风电场AVC子站无功或电压目标值直接下发给风电场SVC，由风电场SVC进行调控；

AVC子站***具备通信、采集、控制、计算、存储、监视、参数设置等功能；风力发电机具备无功输出能力，且风机SCADA能够被AVC***控制；无功补偿装置主要为SVC或SVG，SVC和SVG均可以通过对控制器下发无功或电压指令实现无功的平滑调节；主变分接头能够对高压母线电压进行调节。

4.根据权利要求1和2所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***的控制方法，其特征在于：步骤如下：

第一步，AVC控制***判断电压偏差值是否越限，将并网点实时电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，得到电压偏差值：

ΔU＝|U_mean-U_target|   （1）；

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中ΔU为

的幅值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定；

第二步，首先实测当前各风机有功输出值P_gen，由风机有功与无功输出的约束关系每台风机实时最大输出能力Q_reg(i)＝λP_gen(i)，然后AVC***设定的风电机组无功参考值总共为Q_Wref，即风机总无功出力给定其中风机最大无功约束条件为：

$P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}---\left(2\right);$

式中λ为风机的功率因数，风机正常工作情况下的功率因数范围为λ_L≤λ≤λ_H，由式（2）可以看出，当风机满发时，将失去无功调节能力；

单台风机输出无功功率的极限计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}\max }=\sqrt{\frac{{|U}_1|X_m^2}{X_1^2}{I}_{r\max }^2-P_k^2}-\frac{\left|U_1\right|}{X_1^2}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }=\frac{\left|U_1\right|}{X_1^2}-\sqrt{\frac{{|U}_1|X_m^2}{X_1^2}{I}_{r\max }^2-P_k^2}\end{array}\right.---\left(3\right);$

式中U₁为风机定子端电压，P_k为风机出口有功功率，X₁为定子漏抗与励磁电抗之和，I_rmax为变流器电流限定值，一般为变流器额定电流的1.5倍；

第三步，通过电压与无功的关系，计算出无功功率补偿量：

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4）；

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5）；

式（4）、（5）中，ΔQ为无功功率变化量，S_sc为***母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部由风机发，此时，单台风机无功给定值为Q_reg(i)＝ΔQ×Q_reg(i)/Q_Wref；

若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC***将给出调节主变分接头的告警提示；

第四步，风电场内部引起功率损耗主要风机箱变、集电线路、主变和集中无功补偿装置，而在一定风速下，风机有功功率已定，为了使风电场输出功率最大化，需使风电场场内总有功功率损耗最小，总功率损耗：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{\Σ}}(S,V)=P_0\left(V\right)+P_S(S,V)+P_{\mathrm{LL}}(S,V)+P_{\mathrm{svc}}={\left(\frac{V}{V_N}\right)}^2\·P_{N0}+{\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·\left(\frac{V_N}{V}\right)\·P_{\mathrm{NS}}+{\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·\left(\frac{V_N}{V}\right)\·P_{\mathrm{NL}}+P_{\mathrm{svc}}---\left(6\right)$

式中ΔP_Σ为风电场总的功率损耗，P₀为变压器空载损耗，P_S为变压器短路损耗，P_LL为线路损耗，V为变压器运行电压值，V_N为变压器额定电压值，S为变压器运行视在功率值，S_N为变压器额定视在功率值，P_N0为变压器额定空载损耗，P_NS为变压器额定短路损耗，P_NL为线路额定功率损耗，P_svc为无功补偿装置的功率损耗；

设定风电场总功率损耗ΔP_Σ为目标函数，由于所有串连在一条集电线路上的设备功率损耗：

$P=I^{2}R={(S_N/\sqrt{3}{U}_N)}^{2}R={(P_{\mathrm{gen}}\×n/\cos \mathrm{\φ}/k/\sqrt{3}{U}_N)}^{2}R---\left(7\right);$

其中cosφ=λ，n为风机总台数，k为实际电压占额定电压的百分比；

无功补偿装置的功率损耗P_svc包括固定电容器组的固定损耗和TCR支路中电抗器的损耗，实际运用中，电抗器的损耗随电压而变化，但是变化不大，对10Mvar-50Mvar的TCR型SVC而言，其损耗约为容量的0.5%-0.7%，可以根据风电场实际情况设定为已知量；

所以由公式（5）-（7）可知，风电场总功率损耗ΔP_Σ只与各个风力发电机的无功功率Q_W有关，将公式（6）转换为风机无功最有分配的目标函数为：

T＝ΔP_Σ(S,V)＝ΔP_Σ(Q_gen)   （8）；

第五步，对目标函数T进行求最小值处理，求出目标函数存在最小值时风力发机的无功功率值

风电机组总体输出能力为

而该过程需考虑风电场内无功功率平衡的约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\end{array}\right.---\left(9\right);$

$\mathrm{\ΔQ}=Q_{\mathrm{Wref}}^{*}+Q_{\mathrm{SVC}}-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}---\left(10\right);$

其中：

为风电场风电机组总体输出能力；

ΔQ为无功功率变化量，即风电场总无功功率的调度值；

ΔQ_Σ为风电场总无功损耗，可以用风机无功表示；

第六步，通过对Q_Wref和

进行比较，如果

则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果则风机无功给定为

此时集中无功补偿装置无功给定为其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗。

5.根据权利要求4所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制***的控制方法，其特征在于：所述的步骤如下：

第一步，通过实时测量并网点的电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，将U_mean与U_target进行比较，判断电压偏差值是否越限，

ΔU＝|U_mean-U_target|   （1）；

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中ΔU为

的幅值；如果电压偏差值ΔU小于死区模块的阈值，则中止本次程序执行，风电场无功保持上一时刻给定值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定；

第二步，计算出风机实时无功输出能力：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}}=\mathrm{\λ}{P}_{\mathrm{gen}}\\ Q_{\mathrm{Wref}}={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{Q}_{\mathrm{reg}}\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中Q_reg的约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ Q_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\end{array}\right.---\left(3\right);$

第三步，计算出无功功率补偿量：

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4）；

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5）；

式中，ΔQ为，S_sc为***母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部由风机发；若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC***将给出调节主变分接头的告警提示；

第四步，建立风力发电机组无功功率与风电场损耗之间的目标函数：

T＝ΔP_Σ(S,V)＝P₀(V)+P_S(S,V)+P_LL(S,V)+P_svc＝ΔP_Σ(Q_gen)   （6）；

约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{reg}\min }\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤Q_{\mathrm{reg}\max }\\ P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_L^2}}{{\mathrm{\λ}}_L}\≤Q_{\mathrm{reg}}\≤P_W\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_H^2}}{{\mathrm{\λ}}_H}\\ \mathrm{\ΔQ}=Q_{\mathrm{Wref}}^{*}+Q_{\mathrm{SVC}}-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}\end{array}\right.---\left(7\right);$

对目标函数求偏导，进行最小化处理，获得时风电场损耗最小的风机总无功出力

第五步，通过对Q_Wref和

进行比较，如果

则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果

则风机无功给定为此时集中无功补偿装置无功给定为

其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗；

第六步，AVC子站将各台风机和集中无功补偿装置的无功功率整定值作为控制指令，发送至各风电机组和SVC，完成风电场的无功控制。

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