风电场无功电压控制的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型适用于电力领域，提供了一种风电场无功电压控制的系统，所述系统包括多个子控制器和设置于升压站的中央控制器，每一电网支路设置至少一子控制器，每一子控制器与所述中央控制器通信连接；其中，所述中央控制器，根据风电场内部网络参数和外部网络无功负载变化引起的公共连接点电压变化计算每一电网支路的无功补偿功率QZL-Ref1，并下发指令至对应的子控制器；所述子控制器，接收所述指令并分配至每一风机，所述每一风机分配得到的中央控制器下发的无功补偿功率为Qk_Ref1。本实用新型提供的系统，可对风电场风速波动引起的公共连接点电压变化以及对风电场内部网络进行无功补偿的问题。
【专利说明】风电场无功电压控制的系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电力领域，尤其涉及一种风电场无功电压控制的系统。
【背景技术】
[0002]随着我国风电装机容量的不断增长，风电场无功控制已经成为了急待解决的问题，目前已经有很多风场出现风场接入电网无功功率控制问题，吉林白城风场出口母线电压不稳造成整个风场切除，进而导致瞬时母线电压过压从而击穿变电站变压器，甘肃昌马几次大规模的风机脱网也是电网电压不稳定造成的。
[0003]一般来讲，风电场的风机、变压器、升压站控制中心电气布局如图1所示，风机I输出电压为690V，通过变压器2升高到35KV，与本支线上的其他风机相连接，最终通过升压站变压器3接入220kV电网5。公共连接点4为整个风场对外部电网公共连接点，阻抗6表示线路阻抗。
[0004]为了稳定风电场的公共连接点电压4，往往配置一定容量的无功补偿装置如SVC、SVG等，但这增加了风电场的建设和运营成本。目前风电机组(双馈型和直驱型)大都具备了一定的无功补偿能力，但是都没有启用，仍旧以单位功率因数或固定功率因数的方式运行。如果使风机组参与无功电压控制，可以大大增加风电场无功电压的控制能力，甚至可以减少无功补偿装置的容量，是目前最看好的一种无功电压控制方式。
[0005]个别风电场作为示范工程，已经配备风机组无功电压控制(AVC)控制功能，但仍旧存在一些缺点:
[0006]I) 一般来讲风电场内的风机种类都不是单一的，比如风机的制造商不同，或者相同的制造商，但风机的型号不同。尤其对于多种不同厂家的风机，由于其对外接口不同，管理起来非常麻烦，往往风电场控制室内要配备多个厂家的监控系统，互相独立。使得风电场的数据难以与上一级调度中心进行数据交互，仅仅能够实现对本地风电场的孤立的无功电压控制，而不能加入的地区无功电压的统一调节。
[0007]2)现有风电场的无功电压调节速度非常慢，一般是秒级频度的调控。现有方案一般是在风电场的升压站通过增加AVC (自动电压控制)模块来实现，AVC模块通过与不同厂家的Scada系统进行通信,采集各风机信息,并将无功指令通过各厂家Scada系统下发。这种方案不但增加了信息采集和指令下达的途径和中转次数，而且关键信息和指令的收发都是以普通信息帧来处理的，不会优化发送处理，这就造成了整个AVC闭合控制的频度非常低，一般都是几秒甚至更长时间才能完成一次指令更新。而由于风速具有时变性，随机性的特点，所以其发电功率也是即时变化的，这就造成风电场公共连接点的电压是波动的，也就是说现有无功电压调节技术不能精确的控制风电场公共电网连接点电压。
实用新型内容
[0008]本实用新型实施例的目的在于提供一种风电场无功电压控制的系统，旨在解决现有的风电场无功电压控制方法无法对风电场风速波动引起的公共连接点电压变化进行无功补偿以及没有对风电场内部网络进行无法补偿的问题。
[0009]本实用新型实施例是这样实现的，一种风电场无功电压控制的系统，所述风电场包括多个电网支路、分别和每一电网支路连接的升压站，所述每一电网支路包括多个风机，所述升压站通过公共连接点输出电压至外部网络；所述系统包括多个子控制器和设置于升压站的中央控制器，每一电网支路设置至少一子控制器，每一子控制器与所述中央控制器通信连接；其中，
[0010]所述中央控制器，根据风电场内部网络参数和外部网络无功负载变化引起的公共连接点电压变化计算每一电网支路的无功补偿功率Qzwtefl，并下发指令至对应的子控制器；
[0011]所述子控制器，接收所述指令并分配至每一风机，所述每一风机分配得到的无功补偿功率为Qkjtefl。
[0012]进一步地，所述中央控制器包括相互连接的第一计算模块和第一分配模块，所述第一计算模块，计算风电场内部网络参数和外部网络无功负载变化引起的公共连接点电压变化引起的无功输出总和Qltefl ;所述第一分配模块根据所述无功输出总和Qltefl分配得到每一电网支路的无功补偿功率Qz^fl。
[0013]进一步地，所述子控制器包括与所述第一分配模块连接的第二分配模块，根据所述每一电网支路的无功补偿功率Qz^fl分配得到本电网支路的每台风机的无功补偿功率
Qk-Eefl。
[0014]进一步地，所述子控制器还包括相互连接的第二计算模块、第三计算模块和第三分配模块，第二计算模块根据风电场风速波动引起的公共连接点电压变化计算所在电网支路的无功补偿功率Qzwtef2 ;第三计算模块根据所在电网支路的无功补偿功率Qzwtef2计算所在电网支路的每一风机的无功补偿功率Qkjtef2 ;第三分配模块计算所在电网支路每一风机需要发送的无功补偿功率Qkjtef=Qk-Rrfl+QkJtef2，并下发至每一风机。
[0015]进一步地，所述子控制器还包括与中央控制器通信连接的采集模块，采集所在电网支路的风机信息，并将所述风机信息转化为预设的标准数据格式后上传至中央控制器。
[0016]本实用新型实施例增加了新的网络设备子控制器和中央控制器，通过中央控制器对风电场内部网络阻抗变化和外部网络阻抗变化引起的公共连接点电压变化进行无功补偿，通过子控制器对风电场风速波动引起的公共连接点电压变化计算无功补偿功率。本实用新型实施例提供了一种新的风电场网络布局方式，能够跟踪发电功率的变化，快速进行无功电压调节，使得风电场公共连接点电压得到准确控制。另外，本实用新型实施例通过对现有风电场进行改造，还实现对不同厂家，不同型号的风机进行统一无功电压控制，方便与上级调度中心交互，简化风场监控系统。进一步地，本实用新型实施例解决了风电场无功电压调节频度缓慢的问题，实现公共连接点电压更加准确的控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是现有技术中风电场的结构图；
[0018]图2是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统的结构图；
[0019]图3是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统的简化结构图；
[0020]图4是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统的中央控制器的结构图；
[0021]图5是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统的子控制器的结构图；
[0022]图6是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统中风电场与大电网的关系I旲型图；
[0023]图7是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统中风机到公共连接点的一等效电路模型；
[0024]图8是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统中风机到公共连接点的另一等效电路1?型；
[0025]图9是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统中风机到公共连接点的又一等效电路模型；
[0026]图10是本实用新型实施例一提供的风电场无功电压控制的系统中风机到公共连接点的又一等效电路模型。
【具体实施方式】
[0027]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0028]实施例一
[0029]本实用新型实施例一提出一种风电场无功电压控制的系统。如图2所示，本实用新型实施例一的风电场包括多个电网支路、分别和每一电网支路连接的升压站30，所述每一电网支路包括多个风机10，所述升压站30通过公共连接点40输出电压至外部网络；本实用新型实施例的系统包括多个子控制器70和设置于升压站30的中央控制器80，每一电网支路设置至少一子控制器70，每一子控制器70与中央控制器80通信连接。
[0030]本实用新型实施例一的系统可简化为图3所示之系统，在每一电网支路上，第一台风机内装设一子控制器70 (不限于此，也可以每台风机或数台风机为单位配置子控制器70)，可根据实际需求调整，在升压站30装设中央控制器80。
[0031]本实用新型实施例一中，中央控制器80用于收集各子控制器70发送的所有风机信息并统计；根据风电场内部网络参数和外部网络无功负载变化引起的公共连接点40电压变化计算每一电网支路的无功补偿功率Qzwtefl,并下发无功补偿功率Qzwtefl的指令至对应的子控制器70，由对应的子控制器70分发至所在电网支路的每一风机。如图4所示，中央控制器80包括相互连接的第一计算模块81和第一分配模块82:
[0032]第一计算模块81，计算风电场内部网络参数和外部网络无功负载变化引起的公共连接点电压变化引起的无功输出总和Qltefl ；
[0033]第一分配模块82，根据所述无功输出总和仏丨分配得到每一电网支路的无功补偿功率Qmefl。
[0034]本实用新型实施例一中，子控制器70用于采集所在电网支路的风机信息，并上传至中央控制器80 ;接收中央控制器80下发的每一电网支路的无功补偿功率Qzwiefl的指令，结合本电网支路各风机10启停状态、电网支路阻抗参数、本地变压器参数、风机容量等综合计算，得到本电网支路的每台风机10的无功输出功率Qkjtefl，并以高优先级通讯帧快速分发至所在电网支路的风机10执行；以及以高优先级通讯帧收集本电网支路各风机10关键运行状态，以供本子控制器70根据风电场风速波动引起的公共连接点40电压变化计算所在电网支路的无功补偿功率Qzwtef2,即进行AVC控制算法使用。如图5所示，子控制器70包括与第一分配模块82连接的第二分配模块71，相互连接的第二计算模块72、第三计算模块73和第三分配模块74、与中央控制器80通信连接的采集模块75。
[0035]第二分配模块71，用于根据所述每一电网支路的无功补偿功率Qzwtefl分配得到本电网支路的每台风机的无功补偿功率Qkifl。
[0036]第二计算模块72，用于根据风电场风速波动引起的公共连接点电压变化计算所在电网支路的无功补偿功率Qz^f2 ；
[0037]第三计算模块73，用于根据所在电网支路的无功补偿功率Qzwtef2计算所在电网支路的每一风机10的无功补偿功率Qk Kef2 ；
[0038]第三分配模块74，用于计算所在电网支路每一风机10需要发送的无功补偿功率Qoef=Qoefl+Qoef2j并下发至每一风机10。
[0039]采集模块75，用于采集所在电网支路的风机信息，并将所述风机信息转化为预设的标准数据格式后上传至中央控制器80，由此可兼容不同型号不同厂家的风机10。
[0040]为了对无功电压控制，需要建立整个风电场的电路模型，按照网络连接方式划分，包括外部网络和内部网络两部分。
[0041]对于外部网络，风电场与大电网的联系可简化为模型图6，风电场公共连接点40的电压与电网后端的电压关系可由电力系统常用公式得出。
[0042]V8=Vl+(PextRext+QextXext) Al
[0043](I)
[0044]其中Vg为公共连接点40的电压值，八为电网远端电压值，Rext为电网线路内阻值，Xrait为电网线路电抗值，Prait为电网远端负载吸收的有功功率值，Qrart为电网远端负载吸收的无功功率值。
[0045]对于内部网络，每一台风机10到公共连接点40的等效电路模型如图7所示，建立第k台风机Wk到公共连接点的等效电路图，由于变压器Tk到风机Wk距离短，其线路阻抗可忽略不计，变压器Tk内部电阻较小，也忽略不计。如果将变压器Tk、线路阻抗进行相应的变比折算后则得到图8之等效电路，由于变压器Tk的激磁电抗Xkm通常远大于其漏抗，因此可做进一步的近似等效得到图9之等效电路，从图9中可以看出，系统模型分为三个部分:
[0046]风机Wk与变压器Tk的激磁电抗Xkm并联构成第一部分，Xkm吸收无功功率为Qkm=Vwk/jl，其中Vkm为第k台风机Wk的本地并网点电压值，Xkffl为第k台风机Wk的变压器Tk的激磁电抗。该部分无功须由风机进行补偿，否则由电网提供。
[0047]电网与升压站变压器的激磁电抗Xm并联构成第二部分，同理Xm吸收无功功率为Qffl=Vg/jXffl,其中Vg为公共连接点电压。该部分须有所有风机共同提供，否则由电网提供。
[0048]第三部分包括线路电阻Rlk和线路电抗Xlk，第k台风机Wk的变压器Tk原边漏抗Xh1和副边电抗\。2，升压站变压器的原副边漏抗Xq和副边电抗Xu，我们将风机Wk的变压器Tk和升压站变压器的原副边漏抗合并，如图10所示，Zk=Rlk+j(Xlk+X^+X。)，其中线路阻抗部分因风机的建造位置不同而所有差异。该部分会造成风机出口电压与公共连接点电压差。
[0049]为了实现对公共连接点40电压更加精准的控制，本实用新型实施例一采用了多种调节方式相结合的策略。按照无功调节速度划分，包括固定补偿(内部网络阻抗的无功补偿)、慢速补偿(由于远端电网电压\的波动而进行的外部网络阻抗无功补偿)、快速补偿(由于风电场有功功率快速变化而引起的无功补偿部分)。
[0050]根据前面建立的电路模型，引起公共连接点40电压变化的因素可分为以下三个部分:
[0051]外部电压扰动(由于电网负荷变动引起)，该部分变化速度缓慢且不可预计，可由公式I中的(QrartXrart)/'进行补偿，属于慢速补偿部分，一般为秒级调节速率。
[0052]对于升压站变压器的激磁阻抗吸收的无功Qm以及各风机10变压器激磁阻抗吸收的无功Qkm，与加在变压器上的母线电压相关，由于实际运行中电压波动不会太大，可近似认为该部分无功功率恒定，故该部分属于固定补偿部分。
[0053]由于风速的波动引起风机的输出功率也是波动的，所以，根据公式I中(PraitRrait)/'，这将造成公共连接点40电压的波动，而且由于风速变化的快速性，也必将引起公共连接点40电压的快速波动，秒级无功调节已经跟不上电压的变化速度。所以必须提升调节速度(一般为几十ms)。故该部分属于快速补偿部分。
[0054]上述无功补偿具体由中央控制器80和子控制器70进行。
[0055]中央控制器80负责固定无功补偿和慢速无功补偿的无功功率补偿的计算，整个风电场所有风机的无功输出总和为:
[0056]QRef-Qins+Qm+ Σ Qkm
[0057]其中Qins为调度中心下发的无功补偿功率，Σ Qkm为所有风机10变压器的激磁电抗吸收的无功补偿功率的总和，中央控制器80根据每一电网支路的无功可利用值按比例进行分配Qltef,中央控制器80也可根据预设的每一电网支路的加权值分配无功补偿功率QKrf，得到每一电网支路的无功补偿功率Qz^fl。
[0058]子控制器70负责快速无功补偿的无功功率的计算，为了弥补公式I中由于有功波动造成的电压差，子控制器70根据本电网支路的有功输出实时值计算本电网支路需实时补偿的无功补偿功率Qzwtef2，并分摊给每台风机10，得到每一风机的无功补偿功率Qkjtef2,再由子控制器70根据本电网支路各风机的启停状态、电网支路阻抗参数、本地变压器参数、风机容量等综合计算得到本电网支路的每台风机的无功补偿功率Qk_Krfl。
[0059]由此可得到每一风机10的无功补偿功率，子控制器70接收中央控制器80分配的无功补偿功率Qzwiefl，并分摊给本电网支路的每台风机10记为Qk liefl，如此每台风机10需要发送的无功功率为Qkjtef=QkjtefAQkjtef2t5值得注意的时，Qkjtefl与Qkjtef2的更新频率是不同的，Qkjtefl主要来源于中央控制器80，速度慢；QkJtef2为了弥补功率波动，速度快。
[0060]本实用新型实施例一提供了一种全新的风电场无功电压控制的网络布局和无功电压控制策略:固定补偿无功，慢速补偿无功，快速补偿无功。增设了子控制器和中央控制器完成上述无功电压控制。本实用新型实施例一的系统能够跟踪发电功率的变化，快速进行无功电压调节，使得风电场公共连接点电压得到准确控制。另外，本实用新型实施例一通过对现有风电场进行改造，每个电网支路的子控制器可以兼容不同厂家、不同类型风机接口 ；将本电网支路的风机监控数据进行归一化整理，使得每个子控制器与中央控制器之间的接口是标准化的，方便系统的扩容和维护升级。进一步地，每个电网支路的子控制器面对的风机数量相对较少，减少的通信带来的延时，大幅度提高控制带宽，为快速无功补偿策略提供必要条件。
[0061]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种风电场无功电压控制的系统，所述风电场包括多个电网支路、分别和每一电网支路连接的升压站，所述每一电网支路包括多个风机，所述升压站通过公共连接点输出电压至外部网络；其特征在于，所述系统包括多个子控制器和设置于升压站的中央控制器，每一电网支路设置至少一子控制器，每一子控制器与所述中央控制器通信连接；其中， 所述中央控制器，根据风电场内部网络参数和外部网络无功负载变化引起的公共连接点电压变化计算每一电网支路的无功补偿功率Qzwtefl，并下发指令至对应的子控制器； 所述子控制器，接收所述指令并分配至每一风机，所述每一风机分配得到的无功补偿功率为Qkjtefi。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央控制器包括相互连接的第一计算模块和第一分配模块，所述第一计算模块，计算风电场内部网络参数和外部网络无功负载变化引起的公共连接点电压变化引起的无功输出总和Qltefl ;所述第一分配模块根据所述无功输出总和Qltefl分配得到每一电网支路的无功补偿功率Qnfl。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述子控制器包括与所述第一分配模块连接的第二分配模块，根据所述每一电网支路的无功补偿功率Qzwtefl分配得到本电网支路的每台风机的无功补偿功率Qk-M1。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述子控制器还包括相互连接的第二计算模块、第三计算模块和第三分配模块，第二计算模块根据风电场风速波动引起的公共连接点电压变化计算所在电网支路的无功补偿功率Qzwtef2 ;第三计算模块根据所在电网支路的无功补偿功率Qzwtef2计算所在电网支路的每一风机的无功补偿功率Qkjtef2 ;第三分配模块计算所在电网支路每一风机需要发送的无功补偿功率Qk—Kef=Qk—Kefl+Qk—Kef2，并下发至每一风机。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述子控制器还包括与中央控制器通信连接的采集模块，采集所在电网支路的风机信息，并将所述风机信息转化为预设的标准数据格式后上传至中央控制器。
【文档编号】H02J3/16GK204089197SQ201420105221
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】王志华, 韩玉, 李东坡, 宋建波 申请人:深圳市长昊机电有限公司