CN111799812A - 一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法，具体为：检测各节点的电压、功率，判断并网点的电压是否越线；分配海上风电机组与无功补偿装置的无功出力；分配海上风电场内各风电机组的无功出力。本发明既可以充分利用风电机组自身无功调节能力，又可以减少海上风电场的无功补偿装置装设成本；利用无功电压灵敏度来分配海上风电场内无功电源的无功出力，能够充分利用风电机组的动态调节能力，一方面可以增大风电场内部的无功裕量，另一方面可以减小风电机组的无功出力负担以及实现海上风电机组与无功补偿装置无功出力的有序性。

Description

一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法
技术领域
本发明属于海上风电场技术领域，具体涉及一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法。
背景技术
风力发电是新能源发电中技术最成熟且最具规模开发条件的发电方式之一。由于海上风电具备资源条件稳定、距离负荷中心较近等优势，近年来成为世界各国风电发展的重要方向。一方面，由于风资源的间歇性、随机性和波动性，风电出力的波动性会导致大型风电场并网点电压出现相应的波动。另一方面，由于海底电缆的充电无功大，海上风电场的并网点电压容易超标。所以对于海上风电场来说，有效的无功功率控制对保障并网点电压及整个发电场的稳定性极为重要。
对于海上风电场来说，无功装置的装设成本大、装设难度高，而且海上风电场风电机组和无功配置之间缺乏协调控制，未能充分利用风电机组自身无功调节能力。而海上风电场普遍采用变速恒频运行的双馈异步风力发电机组，可实现有功和无功的解耦控制，所以将风电机组与无功补偿装置进行协调控制，这可以充分利用风电机组自身无功调节能力，又可以减少海上风电场的无功补偿装置装设成本。对于将风电机组与无功补偿装置进行协调控制，相关文献通过等比例分配控制等方式对各风电机组进行无功分配，但这没有充分考虑到各风电机组存在空间特性差异以及对***的无功相应特性也不同。
发明内容
针对海上风电场的无功电压控制问题，为实现海上风电机组与无功补偿装置无功出力的协调配合和有序性以及减少海上风电场的无功出力。本发明提供一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法。
本发明的一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法，包括以下步骤：
步骤1：当海上风电场的并网点电压Upcc发生波动时，根据并网点电压的偏差ΔUpcc，计算并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S。
步骤2：根据并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min，分配场内风电机组所需无功出力Qwind与无功补偿装置的无功出力Qs。
步骤3：根据场内风电机组所需无功出力Qwind、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S，分配各风电机组的无功出力Qi。
进一步的，步骤1具体为：
首先获取风电场拓扑及线路参数，检测各节点的电压，功率。一次检测结束后判断并网点电压是否越线，包括：
(1)若判定结果为“是”，则计算并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S。其中并网点的无功缺额Qref可利用PI调节可以得出缺额值，各风电机组的无功出力极限可以利用双馈式感应发电机组等值电路计算得出无功输出范围：
针对转子电流极限，风电机组的无功出力极限为QsR：
Figure BDA0002589283200000021
Xs＝Xσs+XM (2)
式中Us，IRmax分别为定子侧电压、转子侧极限电流。Xσs，XM分别为定子漏抗和励磁电抗。Ps为风电机组的输出功率。
针对定子电流极限，风电机组的无功出力极限为Qss：
Figure BDA0002589283200000022
式中Ismax为转子侧极限电流。
由式1、2可得，发电机组定子侧无功极限为QS：
Figure BDA0002589283200000023
无功电压灵敏度的计算过程如下：
在潮流计算中，节点电压以极坐标方式表示，***节点功率修正方程可表示为：
Figure BDA0002589283200000024
式中ΔP、ΔQ分别为有功功率微增向量和无功功率微增向量；Δθ、ΔV分别为节点电压相角微增量和电压幅值微增量；J为潮流计算中的雅克比矩阵。通常在高压电力***中，有功功率主要与各节点电压的角度有关，无功功率与各节点电压幅值有关，采用P-Q潮流分解法思想，对J中参数进行简化，则有：
△Q＝JQV△V/V (6)
其中JQV如下式：
Figure BDA0002589283200000031
联立上述式子展开得：
Figure BDA0002589283200000032
进行化简得到电压灵敏度矩阵S为：
△V＝(B″)-1(V)-1△Q＝S△Q (9)
式中，B″矩阵元素计算如下式：
Figure BDA0002589283200000033
式中，xij为支路ij的电抗，bi0为节点i的接地支路电纳。
(2)若判定结果为“否”，则进行下一次检测。
进一步的，步骤2具体为：
根据步骤1所得到的风电场并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min，分配场内风电机组所需无功出力Qwind与无功补偿装置的无功出力Qs。在此优先调节海上风电机组的无功出力，判断并网点的无功缺额是否大于海上风电无功出力极限，包括：
(1)若判定结果为“是”，即Qref>Qwind_max或Qref<Qwind_min，则此时保持场内风电机组所需无功出力Qwind为Qwind_max或Qwind_min，而根据并网点的无功缺额与海上风电无功出力极限，可得出无功补偿装置需要补偿的无功功率为：
Figure BDA0002589283200000034
(2)若判定结果为“否”，即Qwind_min<Qref<Qwind_max，则此时保持场内风电机组所需无功出力为Qref。
进一步的，步骤3具体为：
根据步骤1所得出的场内风电机组所需无功出力Qwind、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S，分配各风电机组的无功出力Qi。将海上风电机组无功输出对并网点电压无功电压灵敏度依次排序，优先调节灵敏度最大的节点s1(风电机组)，判断场内风电机组所需无功出力Qwind是否大于s1风电机组的无功出力极限Qs1_max与Qs1_min，包括：
(1)若判定结果为“是”，即Qwind>Qs1_max或Qwind<Qs1_min，则此时将s1节点无功输出保持为Qs1_max或Qs1_min，之后根据灵敏度顺序继续选择下一节点s2，继续进行判断直至选择到节点sk将场内风电机组所需无功出力Qwind分配完毕，则全部节点的无功输出为：
Figure BDA0002589283200000041
式中，n为海上风电场内风电机组的组数。
(2)若判定结果为“否”，即Qs1_min<Qwind<Qs1_max，则此时将s1节点无功输出保持为Qwind，其他节点无功输出保持为0。
判断结束，进行相应的控制后，跳回步骤1继续检测各节点的电压，功率。
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
1.本发明通过利用无功电压灵敏度实现海上风电机组与无功补偿装置的无功出力协调分配，这可以充分利用海上风电机组自身无功调节能力，并且与未充分利用风电机组自身无功的协调控制方法比较，这种方法使得海上风电场装设无功补偿容量可以适当的减少，从而间接的减少海上风电场的无功补偿装置装设成本。
2.本发明通过利用无功电压灵敏度实现海上风电场内无功电源无功出力，使得调节能力较好的风电机组可以充分利用，从而增大风电场内部的无功裕量，并且减小风电机组的无功出力负担以及实现海上风电机组与无功补偿装置无功出力的有序性。
附图说明
图1为分配海上风电场内无功电源无功出力流程图；
图2为风电机组无功输出范围；
图3为具体案例的线路连接图；
图4为具体案例下两种不同分配方法的海上风电场并网点电压仿真结果图；
图5为具体案例下两种不同分配方法的海上风电机组无功输出仿真结果图；
图6为具体案例下两种不同分配方法的海上风电场无功补偿装置无功输出仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法，流程图如图1所示，具体为：
1、检测各节点的电压、功率。判断并网点的电压是否越线。
(1)若判定结果为“是”，则计算并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S。其中并网点的无功缺额Qref可利用PI调节可以得出缺额值，各风电机组的无功出力极限可以利用双馈式感应发电机组等值电路计算得出无功输出范围：
针对转子电流极限，风电机组的无功出力极限为QsR：
Figure BDA0002589283200000051
Xs＝Xσs+XM (2)
式中Us，IRmax分别为定子侧电压、转子侧极限电流。Xσs，XM分别为定子和励磁电抗。Ps为风电机组的输出功率。
针对定子电流极限，风电机组的无功出力极限为Qss：
Figure BDA0002589283200000052
式中Ismax为转子侧极限电流。
由上述全部公式可得，发电机组定子侧无功极限为QS：
Figure BDA0002589283200000053
风电机组无功输出范围如图2阴影部分所示。
计算无功电压灵敏度矩阵S：
***节点功率修正方程可表示为：
Figure BDA0002589283200000061
式中ΔP、ΔQ分别为有功功率微增向量和无功功率微增向量；Δθ、ΔV分别为节点电压相角微增量和电压幅值微增量；J为潮流计算中的雅克比矩阵。通常在高压电力***中，有功功率主要与各节点电压的角度有关，无功功率与各节点电压幅值有关，采用P-Q潮流分解法思想，对J中参数进行简化，则有：
△Q＝JQV△V/V (6)
其中JQV如下式：
Figure BDA0002589283200000062
联立上述式子展开得：
Figure BDA0002589283200000063
进行化简得到电压灵敏度矩阵S为：
△V＝(B″)-1(V)-1△Q＝S△Q (9)
式中，B″矩阵元素计算如下式：
Figure BDA0002589283200000064
式中，xij为支路ij的电抗，bi0为节点i的接地支路电纳。
(2)若判定结果为“否”，则进行下一次检测。
2、分配场内风电机组所需无功出力Qwind与无功补偿装置的无功出力Qs：
根据1所得到的风电场并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min，分配场内风电机组所需无功出力Qwind与无功补偿装置的无功出力Qs。在此优先调节海上风电机组的无功出力，判断并网点的无功缺额是否大于海上风电无功出力极限，包括：
(1)若判定结果为“是”，即Qref>Qwind_max或Qref<Qwind_min，则此时保持场内风电机组所需无功出力Qwind为Qwind_max或Qwind_min，而根据并网点的无功缺额与海上风电无功出力极限，可得出无功补偿装置需要补偿的无功功率为：
Figure BDA0002589283200000071
(2)若判定结果为“否”，即Qwind_min<Qref<Qwind_max，则此时保持海上风电场的输出为Qref。
判断完之后则进行下一步骤。
3、分配海上风电场内各风电机组的无功出力Qi：
根据1所得出的场内风电机组所需无功出力Qwind、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S，分配各风电机组的无功出力Qi。将海上风电机组无功输出对并网点电压无功电压灵敏度依次排序，优先调节灵敏度最大的节点s1(风电机组)，判断场内风电机组所需无功出力Qwind是否大于s1风电机组的无功出力极限Qs1_max与Qs1_min，包括：
(1)若判定结果为“是”，即Qwind>Qs1_max或Qwind<Qs1_min，则此时将s1节点无功输出保持为Qs1_max或Qs1_min，之后根据灵敏度顺序继续选择下一节点s2，继续进行判断直至选择到节点sk将场内风电机组所需无功出力Qwind分配完毕，则全部节点的无功输出为：
Figure BDA0002589283200000072
式中，n为海上风电场内风电机组的组数。
(2)若判定结果为“否”，即Qs1_min<Qwind<Qs1_max，则此时将s1节点无功输出保持为Qwind，其他节点无功输出保持为0。
判断结束，进行相应的控制后，跳回步骤1继续检测各节点的电压，功率。
仿真实验：
设定某地区海上风电场内共有十组风电机组，风电机组的参数如表1所示，海底电缆的参数如表2所示。
表1风电机组参数
Figure BDA0002589283200000073
Figure BDA0002589283200000081
表2海底电缆的参数
Figure BDA0002589283200000082
设定当前风速为8m/s，并且分为两组，一组经较长线路汇入35/110kV升压站，另一组经较短线路汇入35/110kV升压站，之后经50km海底电缆送至陆上开关站。具体的线路连接图如图3所示。并且在海上风电场并网点装置集中无功补偿装置，无功补偿装置的容量为-100MVar到100MVar之间，设置并网点的电压在1s时波动一次，在3s时波动一次。由于海上风电机组的数量较少，所以设置并网点的电压在较小范围内波动。
实验得出的结果如图4、5、6所示。
由图4可以看出，并网点电压在波动时，两种分配方法都可以在较短时间恢复到1p.u.。而由于海底电缆的影响，并网点的电压在刚开始时会比1p.u.要高。图5左图为利用无功电压灵敏度来分配风电机组无功输出时总的海上风电机组的无功输出曲线；右图为平均分配风电机组无功输出时总的海上风电机组的无功输出曲线。由此看出在1-3s时左图的风电机组总的无功出力较右图要小70kVar左右，并且由3-5s可以看出，当并网点无功缺额越多，两种分配方法的无功输出差距越大。这有利于使得调节能力较好的风电机组可以充分利用，从而增大风电场内部的无功裕量，并且减小风电机组的负担。图6蓝色曲线为风电机组不调节无功，即无功输出为0的情况下，无功补偿装置的无功输出曲线；红色为风电机组与无功补偿装置进行协调控制下无功补偿装置的无功输出曲线。可以看出，在充分利用风电机组自身发出无功的情况下，无功补偿装置的无功输出减小，这使得海上风电场装设无功补偿容量可以适当的减少，从而间接的减少海上风电场的无功补偿装置装设成本。

Claims (4)

1.一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：当海上风电场的并网点电压Upcc发生波动时，根据并网点电压的偏差ΔUpcc，计算并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S；
步骤2：根据并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min，分配场内风电机组所需无功出力Qwind与无功补偿装置的无功出力Qs；
步骤3：根据场内风电机组所需无功出力Qwind、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S，分配各风电机组的无功出力Qi。
2.根据权利要求1所述的一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
首先获取风电场拓扑及线路参数，检测各节点的电压、功率；一次检测结束后判断并网点电压是否越线，包括：
(1)若判定结果为“是”，则计算并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S；
其中并网点的无功缺额Qref利用PI调节得出缺额值，各风电机组的无功出力极限利用双馈式感应发电机组等值电路计算得出无功输出范围：
针对转子电流极限，风电机组的无功出力极限为QsR：
Figure FDA0002589283190000011
Xs＝Xσs+XM (2)
式中，Us、IRmax分别为定子侧电压、转子侧极限电流，Xσs，XM分别为定子漏抗和励磁电抗，Ps为风电机组的输出功率；
针对定子电流极限，风电机组的无功出力极限为Qss：
Figure FDA0002589283190000012
式中Ismax为转子侧极限电流；
由式1、2可得，发电机组定子侧无功极限为QS：
Figure FDA0002589283190000021
无功电压灵敏度的计算过程如下：
在潮流计算中，节点电压以极坐标方式表示，***节点功率修正方程表示为：
Figure FDA0002589283190000022
式中ΔP、ΔQ分别为有功功率微增向量和无功功率微增向量；Δθ、ΔV分别为节点电压相角微增量和电压幅值微增量；J为潮流计算中的雅克比矩阵；通常在高压电力***中，有功功率主要与各节点电压的角度有关，无功功率与各节点电压幅值有关，采用P-Q潮流分解法思想，对J中参数进行简化，则有：
△Q＝JQV△V/V (6)
其中JQV如下式：
Figure FDA0002589283190000023
联立上述式子展开得：
Figure FDA0002589283190000024
进行化简得到电压灵敏度矩阵S为：
△V＝(B″)-1(V)-1△Q＝S△Q (9)
式中，B″矩阵元素计算如下式：
Figure FDA0002589283190000025
式中，xij为支路ij的电抗，bi0为节点i的接地支路电纳；
(2)若判定结果为“否”，则进行下一次检测。
3.根据权利要求2所述的一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
根据步骤1所得到的风电场并网点的无功缺额Qref、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min，分配场内风电机组所需无功出力Qwind与无功补偿装置的无功出力Qs；在此优先调节海上风电机组的无功出力，判断并网点的无功缺额是否大于海上风电无功出力极限，包括：
(1)若判定结果为“是”，即Qref>Qwind_max或Qref<Qwind_min，则此时保持场内风电机组所需无功出力Qwind为Qwind_max或Qwind_min，而根据并网点的无功缺额与海上风电无功出力极限，得出无功补偿装置需要补偿的无功功率为：
Figure FDA0002589283190000031
(2)若判定结果为“否”，即Qwind_min<Qref<Qwind_max，则此时保持场内风电机组所需无功出力为Qref。
4.根据权利要求3所述的一种基于无功电压灵敏度的海上风电场无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
根据步骤1所得出的场内风电机组所需无功出力Qwind、各风电机组的无功出力极限Qi_max与Qi_min以及无功电压灵敏度矩阵S，分配各风电机组的无功出力Qi；
将海上风电机组无功输出对并网点电压无功电压灵敏度依次排序，优先调节灵敏度最大的节点s1风电机组，判断场内风电机组所需无功出力Qwind是否大于节点s1风电机组的无功出力极限Qs1_max与Qs1_min，包括：
(1)若判定结果为“是”，即Qwind>Qs1_max或Qwind<Qs1_min，则此时将节点s1无功输出保持为Qs1_max或Qs1_min，之后根据灵敏度顺序继续选择下一节点s2，继续进行判断直至选择到节点sk将场内风电机组所需无功出力Qwind分配完毕，则全部节点的无功输出为：
Figure FDA0002589283190000032
式中，n为海上风电场内风电机组的组数；
(2)若判定结果为“否”，即Qs1_min<Qwind<Qs1_max，则此时将s1节点无功输出保持为Qwind，其他节点无功输出保持为0；
判断结束，进行相应的控制后，跳回步骤1继续检测各节点的电压、功率。
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