减小风电场有功损耗的无功分配优化方法
【专利摘要】本发明提供一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其目的是解决以往的方式不理想的问题，本发明通过对风电场各无功源的协调控制，实现对风电场母线电压在实时动态调节，此时各风电机组、箱变和集电线路有功损耗最小。
【专利说明】减小风电场有功损耗的无功分配优化方法
[0001]【技术领域】:本发明涉及一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，属于分散式风电场并网运行无功电压控制领域。
[0002]【背景技术】:近年来，受国家新能源战略的推动，风力发电在国内呈翻番式的快速发展，由于目前国内风电大多采用大规模集中式的方式接入电网，使部分电网的电压运行控制方面出现了较大的困难，其主要表现形式为:风电接入地区大多处于电网末端，当风电装机容量较大时或者风电场输出功率较高时，风电场无功需求和输电线路无功损耗较大，使电网末端的电压水平和稳定裕度降低。在此背景下，国家能源局发展分散式风电，是指位于用电负荷中心附近，不以大规模远距离输送电能为目的，就近接入电网，并能在当地消纳。分散式风电场能够根据局部电压灵活调整无功，对局部电网提供无功电压支撑，对维持并网点电压稳定具有较大的改善。
[0003]变速恒频双馈式风电机组由于具有高电能转换效率和快速、柔性的无功电压调节能力，成为目前国内风电场较为流行的主流机型之一。变速恒频双馈式风电机组转子侧依靠背靠背式变换器与电网直接相连，通过对变换器的控制，可实现对风电机组的有功功率、无功功率的解耦控制，即可以独立调节风电机组的无功功率对风电场进行无功出力。目前风电场大多数采用的补偿设备为静止型无功补偿器和静止型动态无功发生器，虽然这些设备能有效控制并网点电压恒定，但是其响应速度不及风电机组自身进行的无功调节，且在设备投资方面，充分利用风电机组自身无功调节能力能有效减小动态无功补偿器的补偿容量，提高风电场的经济性。
[0004]针对风电场无功电压控制方面，当风电容量达到系统容量一定比例时，风电场一般安装具有动态无功调节能力的无功补偿装置，以控制并网点电压为目标。这些控制策略得到的无功需求值通过按考虑功率因数的等功率因数分配和考虑单机无功容量的等比例容量进行无功分配。目前较为前沿的研究也考虑风电场内变速恒频双馈机组无功出力和自身损耗的关系，以风机自身损耗最小来分配机组无功，或者是考虑风电场箱变和集电线路的有功损耗最小分配无功，但是，并未考虑风电场内包括风电机组、箱变和集电线路在内的有功损耗最小来分配无功。此外，风电场动态无功补偿装置与风电机组无功出力各自为政，如何充分利用风电机组的无功出力并与动态无功补偿装置协调配合补偿无功，也是当前研究的一个难点。
【发明内容】
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[0005]发明目的:本发明提供一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其目的是解决以往的方式不理想的问题，本发明通过对风电场各无功源的协调控制，实现对风电场母线电压在实时动态调节，此时各风电机组、箱变和集电线路有功损耗最小。
[0006]技术方案:
[0007]一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:该方法的步骤如下:
[0008](I)根据实时采集的风电场母线电压、电流数据进行故障判定，当判定系统发生故障时闭锁风电场内各无功源调节无功，并返回步骤(I)，确认系统无故障后，进入步骤(2);
[0009](2)依据检测到的母线电压，与电压参考值作比较，实时计算电压偏差值，为防止机组对无功进行频繁调节，设定电压死区范围，当电压偏差值小于死区范围时，返回步骤(I)，否则，进入步骤(3)；
[0010](3)对电压偏差进行无功需求整定，实时检测母线的无功功率，电压偏差值经过PI调节控制器处理后得到无功缺额，无功功率检测值和无功缺额相加，即为下一时刻的风电场无功需求值，进入步骤(4)；
[0011](4)实时采集注入母线的每条集电线路电流值，对箱变的电阻折算至高压侧，计算每条集电线路及其箱变的无功损耗值，进入步骤(5)；
[0012](5)依次检测每台风机的定子侧电压、定子电阻、转子电阻、励磁感抗和风机出口有功功率，并建立风机自身有功损耗最小的函数关系式，进入步骤(6)；
[0013](6)通过步骤(5)的检测值，实时计算每台风机的无功出力极限值，将其累加得到风电场全部风机无功出力极限值，并将该值与步骤(3)中无功需求值相比较，若需求值大于总极限值，则多余无功需求值由风电场内其他动态无功设备承担，各风电机组按最大无功进行出力，各无功补偿值由无功控制器发出无功补偿指令，进入步骤(10)，否则，进入步骤⑵；
[0014](7)通过步骤(2)、(3)和(5)，建立风电场内各箱变和集电线路的有功损耗函数式，进入步骤⑶；
[0015](8)建立风电场内各网络元件有功损耗的目标函数关系式，包含风力发电机、箱变和集电线路，在此基础之上，考虑变速恒频风力发电机在该时刻有功功率值的条件下，单机无功功率出力极限值，设定约束条件，进入步骤(9)；
[0016](9)对目标函数选择算法，考虑等微增率法具有计算简单，不需迭代，计算速度快并且考虑了网损等特点，故本发明选用该算法，并对目标函数在约束条件下进行计算求解，各无功补偿值由无功控制器发出无功补偿指令，进入步骤(10)；
[0017](10)各风电机组和动态无功补偿设备按各自接收到的无功指令值进行无功补偿。
[0018]在所述步骤(I)中，对采集到的三相电流通过零序电流互感器进行比较，判断零序电流是否大于该风电场零序保护中的动作电流，若大于，判定为短路故障，闭锁风电场无功调节。
[0019]在所述步骤(I)中，对采集到的风电场母线电压进行比较，判断三相电压不平衡度是否超过预设值，预设值为5%，若超过该值，则判定为系统故障，闭锁风电场无功调节。
[0020]在所述步骤(I)、(6)中，对风电场无功源进行三级管理，即在正常运行时，由风电机组按风电场最小有功损耗承担无功出力；在紧急状况下，当风电场电压偏差经整定环节后得到的无功需求值大于风电机组无功极限时，将多余无功需求由风电场内其他动态无功设备承担，此时风电机组按各自最大无功出力进行无功出力；在故障条件下，闭锁风电场无功补偿，避免故障消失后的引起的高电压。
[0021]在所述步骤(8)中，无功优化目标函数包含风电机组、箱变和集电线路的有功损耗，根据目标函数的特点，将每台风电机组注入母线侧的无功值看做未知量，对其求最小值，分别得到每台机组注入母线侧的无功优化值，最后分别依次加上各自相对应的集电线路和箱变无功损耗，最终得到的才是每台风电机组无功出力优化值。
[0022]在所述步骤(9)中，利用等微增率法对目标函数求解最小值，分别得到解为每台风电机组注入母线侧的无功值，此时需要按权利要求5中的方法进一步利用无功分配环节推导出每台机组的无功优化值。
[0023]在所述步骤(9)中，在无功分配环节中，包含两种分配方式，即当无功分配值大于该风电机组无功极限值时，则该机组按最大无功出力进行无功补偿，且多余无功部分将分配给动态无功补偿装置进行补偿；若无功分配值小于该风电机组机组无功极限值，则判断为仅依靠机组无功出力即能满足该无功分配要求，此时将无功分配值分配给该台风电机组进行无功出力。
[0024]该方法的步骤如下:
[0025](I)风电场内控制点电压故障的判定，本发明取风电场母线电压为电压参考点，实时检测母线三相相电压和三相线电流，首先三相线电流通过零序电流互感器，判断该三相电流中零序电流是否大于该风电场零序保护中的动作电流，如果零序电流大于动作电流，则判断为系统故障，此时闭锁风电场无功调节，返回步骤(1)，否则继续判断三相电压，按照公式(I)计算三相电压的不平衡度LVUR，如果该不平衡度大于5%，则判定为系统故障，返回步骤I，否则进入步骤(2);
【权利要求】
1.一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:该方法的步骤如下: (1)根据实时采集的风电场母线电压、电流数据进行故障判定，当判定系统发生故障时闭锁风电场内各无功源调节无功，并返回步骤(1)，确认系统无故障后，进入步骤(2); (2)依据检测到的母线电压，与电压参考值作比较，实时计算电压偏差值，为防止机组对无功进行频繁调节，设定电压死区范围，当电压偏差值小于死区范围时，返回步骤(1)，否贝U，进入步骤⑶； (3)对电压偏差进行无功需求整定，实时检测母线的无功功率，电压偏差值经过PI调节控制器处理后得到无功缺额，无功功率检测值和无功缺额相加，即为下一时刻的风电场无功需求值，进入步骤(4)； (4)实时采集注入母线的每条集电线路电流值，对箱变的电阻折算至高压侧，计算每条集电线路及其箱变的无功损耗值，进入步骤(5)； (5)依次检测每台风机的定子侧电压、定子电阻、转子电阻、励磁感抗和风机出口有功功率，并建立风机自身有功损耗最小的函数关系式，进入步骤(6)； (6)通过步骤(5)的检测值，实时计算每台风机的无功出力极限值，将其累加得到风电场全部风机无功出力极限值，并将该值与步骤(3)中无功需求值相比较，若需求值大于总极限值，则多余无功需求值由风电场内其他动态无功设备承担，各风电机组按最大无功进行出力，各无功补偿值由无功控制器发出无功补偿指令，进入步骤(10)，否则，进入步骤(7)； (7)通过步骤(2)、(3)和 (5)，建立风电场内各箱变和集电线路的有功损耗函数式，进入步骤⑶； (8)建立风电场内各网络元件有功损耗的目标函数关系式，包含风力发电机、箱变和集电线路，在此基础之上，考虑变速恒频风力发电机在该时刻有功功率值的条件下，单机无功功率出力极限值，设定约束条件，进入步骤(9)； (9)对目标函数选择算法，考虑等微增率法具有计算简单，不需迭代，计算速度快并且考虑了网损等特点，故本发明选用该算法，并对目标函数在约束条件下进行计算求解，各无功补偿值由无功控制器发出无功补偿指令，进入步骤(10)； (10)各风电机组和动态无功补偿设备按各自接收到的无功指令值进行无功补偿。
2.根据权利要求1所述的一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:在所述步骤(1)中，对采集到的三相电流通过零序电流互感器进行比较，判断零序电流是否大于该风电场零序保护中的动作电流，若大于，判定为短路故障，闭锁风电场无功调节。
3.根据权利要求1所述的一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:在所述步骤(1)中，对采集到的风电场母线电压进行比较，判断三相电压不平衡度是否超过预设值，预设值为5%，若超过该值，则判定为系统故障，闭锁风电场无功调节。
4.根据权利要求1所述的一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:在所述步骤(1)、(6)中，对风电场无功源进行三级管理，即在正常运行时，由风电机组按风电场最小有功损耗承担无功出力；在紧急状况下，当风电场电压偏差经整定环节后得到的无功需求值大于风电机组无功极限时，将多余无功需求由风电场内其他动态无功设备承担，此时风电机组按各自最大无功出力进行无功出力；在故障条件下，闭锁风电场无功补偿，避免故障消失后的引起的高电压。
5.根据权利要求1所述的一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:在所述步骤(8)中，无功优化目标函数包含风电机组、箱变和集电线路的有功损耗，根据目标函数的特点，将每台风电机组注入母线侧的无功值看做未知量，对其求最小值，分别得到每台机组注入母线侧的无功优化值，最后分别依次加上各自相对应的集电线路和箱变无功损耗，最终得到的才是每台风电机组无功出力优化值。
6.根据权利要求1所述的一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:在所述步骤(9)中，利用等微增率法对目标函数求解最小值，分别得到解为每台风电机组注入母线侧的无功值，此时需要按权利要求5中的方法进一步利用无功分配环节推导出每台机组的无功优化值。
7.根据权利要求1所述的一种减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:在所述步骤(9)中，在无功分配环节中，包含两种分配方式，即当无功分配值大于该风电机组无功极限值时，则该机组按最大无功出力进行无功补偿，且多余无功部分将分配给动态无功补偿装置进行补偿；若无功分配值小于该风电机组机组无功极限值，则判断为仅依靠机组无功出力即能满足该无功分配要求，此时将无功分配值分配给该台风电机组进行无功出力。
8.根据权利要求1所述的减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:该方法的步骤如下: (1)风电场内控 制点电压故障的判定，本发明取风电场母线电压为电压参考点，实时检测母线三相相电压和三相线电流，首先三相线电流通过零序电流互感器，判断该三相电流中零序电流是否大于该风电场零序保护中的动作电流，如果零序电流大于动作电流，则判断为系统故障，此时闭锁风电场无功调节，返回步骤(1)，否则继续判断三相电压，按照公式(I)计算三相电压的不平衡度LVUR，如果该不平衡度大于5%，则判定为系统故障，返回步骤1，否则进入步骤⑵；
式中，Va，vb, Vc为相电压有效值，Vav为三相相电压平均值；(2)风电场无功功率的整定，实时测量母线电压，同时无功控制器接收来自调度系统的电压参考值Utl，通过式(2)求得电压偏差值此时，为防止无功源频繁动作，需设定电压偏差值死区范围I Λυ| <0.01，当电压偏差值小于死区范围时，返回步骤(1)，否则，进入步骤⑶；
(3)实时检测母线的无功功率Qm，根据步骤(2)得到的电压偏差值，无功电压整定过程可通过式(3)计算，此时无功功率分为两部分:一部分通过偏差值经PI调节控制器调节处理后输出并网点所缺的无功功率，另一部分为支撑当前电压水平的无功功率Qm，将两者相加即算出风电场所需调节无功补偿量QMf，Qref即为下一时刻的风电场无功需求值，进入步骤⑷；
上式中的k1; k2为PI调节控制器的控制参数； (4)实时采集注入母线的每条集电线路电流值，对箱变的电阻折算至高压侧，通过式(4)和(5)分别计算每条集电线路及其箱变的无功损耗值进入步骤(5)； 第i台箱变和集电线路消耗的无功功率分别为:
Qm = [UdIm/(10Ie)+10/100] Se (4) 集电线路分两部分:
式中Ud为箱变阻抗电压百分值，Im为箱变需要高压侧的工作电流值，Ie为箱变需要高压侧的额定电流值，10为箱变的空载电流百分比，Se为箱变的额定容量，U为计算线路的额定电压，I为集电线路长度，C、L分别为集电线路单位电容、电感，设在某一时刻，实时测量上述各量，可实时计算出箱变和集电线路的无功损耗值之和AQi ； (5)依次检测每台风机的定子侧电压0.,,、定子电阻Ru、转子电阻R21、励磁感抗Xmi和风机出口有功功率Pi ;并建立风机自身有功损耗最小的函数关系式，如式(7)所示，进入步骤(6)； (6)通过步骤(5)的检测值，实时计算每台风机的无功出力极限值，将其累加得到风电场全部风机无功出力极限值，并将该值与步骤(3)中无功需求值相比较，若需求值大于总极限值，则多余无功需求值由风电场内其他动态无功设备承担，各风电机组按最大无功进行出力，各无功补偿值由无功控制器发出无功补偿指令，进入步骤(10)，否则，进入步骤(7)； (7)通过步骤(2)、(3)和(5)，建立风电场内各箱变和集电线路的有功损耗函数式，如公式(14)所示，进入步骤⑶；
式中m为风电场内参与无功出力的双馈机组总台数，Pm1、Qmi分别为为第i台双馈机组注入母线侧的有功、无功注入量，U为站内高压侧母线电压，RT1、Ru分别为变压器折算到箱变高压侧的电阻和集电线路电阻， 此时，有:
Qmi = Qc1-Qb1-Qc1-QLi = Qc1- Δ Qi(15) 其中，AQ为在某一时刻下，箱变和集电线路的损耗值； (8)建立风电场内各网络元件有功损耗的目标函数关系式，包含风力发电机、箱变和集电线路，在此基础之上，考虑变速恒频风力发电机在该时刻有功功率值的条件下，单机无功出力极限值，设定约束条件，进入步骤(9);设包含风电场内风力发电机、箱变和集电线路有功损耗的目标函数为F:
经整理得:
式中，ApBpCi为系数，分别为:
无功功率平衡约束方程为:
变量Qmi的约束条件为:
Qcimin- ≤ Qi ≤ Qmi ≤ Qcimax- △ Qi(22) (9)对目标函数选择方法，具体步骤如下: 根据目标函数和相应的约束条件，建立新的、不受约束的目标函数L，即拉格朗日函数:
求取上式L的最小值，L中有η个变量Qmi和I个变量λ，分别对η+1个变量求偏导并令其等于零，得到:
由于F函数式中，
,代入上式，可知
经整理，最终得到:
所得结果Qmi为第i台风力发电机注入母线侧的无功功率，经过Qei = Qmi+AQi，可得到每台机组的无功出力值；由于该算法未考虑风电机组无功极限的不等式关系，当求得的Qei超过该时刻有功功率出力条件下的风电机组无功的无功极限时，该风电机组按的最大无功进行出力，超出部分由风电场动态无功补偿设备承担；各无功补偿值由无功控制器发出无功补偿指令，进入步骤(10)； (10)各风电机组和动态无功补偿设备按各自接收到的无功指令值进行无功补偿。
9.根据权利要求8所述的减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:步骤“(5) ”中计算风力发电机的有功损耗，计算步骤如下: a.忽略铁损和机械损耗，则变速恒频双馈风力发电机的主要损耗为定、转子铜损Pral、Pcm2，取fi表示为第i台风机定、转子的铜耗，即
(6)式中，Ιπ、Ι2?分别为第i台风机的定、转子电流，RpR2i分别为第i台风机的定、转子电阻，进入步骤b ; b.定子侧采用发电机惯例，转子侧采用电动机惯例，设Pl1、Ql1、P21、Q2i分别为单台风电机定转子的有功和无功功率；由于双馈电机变换器传递的有功功率比较小，因而由变换器吸收或发出的无功功率很小，可以忽略不计，因此，双馈感应风电机组注入系统的无功功率Qei近似等于定子侧无功功率Qli，经电机等效电路整理可得第i台风机损耗为:
式中ApbpCi为系数，表达式为:
式中，Uli为第i台风机的定子端电压，Xli = Xloi+Xmi, X2i = UXmi，其中，Xloi>X20i>Xffli分别为第i台风机的定、转子漏抗和励磁漏抗。
10.根据权利要求8所述的减小风电场有功损耗的无功分配优化方法，其特征在于:步骤“(6) ”中单台风机无功功率极限值的计算过程如下: 由双馈风机的有功出力依据最大风能追踪可知Ptl = kco3，其中Ptl为最佳风功率曲线上的最大值，k为与风机相关的系数，ω为风机转速，s为转差率；此时，风机的有功参考值为Pi；
由上式，可得:
将上式看做以P1为未知数的二元一次方程，需满足方程有实数解的条件，整理可得:
双馈感应风电机组注入系统的无功功率极限Qe近似等于定子侧无功功率极限Qp
【文档编号】H02J3/16GK104078983SQ201410265142
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】邢作霞, 刘志武, 苑舜, 田艳丰, 李媛, 井艳军, 杨俊友 申请人:沈阳工业大学