減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其目的是解決以往的方式不理想的問題，本發(fā)明通過對風電場各無功源的協(xié)調控制，實現對風電場母線電壓在實時動態(tài)調節(jié)，此時各風電機組、箱變和集電線路有功損耗最小。
【專利說明】減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法
[0001]【技術領域】:本發(fā)明涉及一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，屬于分散式風電場并網運行無功電壓控制領域。
[0002]【背景技術】:近年來，受國家新能源戰(zhàn)略的推動，風力發(fā)電在國內呈翻番式的快速發(fā)展，由于目前國內風電大多采用大規(guī)模集中式的方式接入電網，使部分電網的電壓運行控制方面出現了較大的困難，其主要表現形式為:風電接入地區(qū)大多處于電網末端，當風電裝機容量較大時或者風電場輸出功率較高時，風電場無功需求和輸電線路無功損耗較大，使電網末端的電壓水平和穩(wěn)定裕度降低。在此背景下，國家能源局發(fā)展分散式風電，是指位于用電負荷中心附近，不以大規(guī)模遠距離輸送電能為目的，就近接入電網，并能在當地消納。分散式風電場能夠根據局部電壓靈活調整無功，對局部電網提供無功電壓支撐，對維持并網點電壓穩(wěn)定具有較大的改善。
[0003]變速恒頻雙饋式風電機組由于具有高電能轉換效率和快速、柔性的無功電壓調節(jié)能力，成為目前國內風電場較為流行的主流機型之一。變速恒頻雙饋式風電機組轉子側依靠背靠背式變換器與電網直接相連，通過對變換器的控制，可實現對風電機組的有功功率、無功功率的解耦控制，即可以獨立調節(jié)風電機組的無功功率對風電場進行無功出力。目前風電場大多數采用的補償設備為靜止型無功補償器和靜止型動態(tài)無功發(fā)生器，雖然這些設備能有效控制并網點電壓恒定，但是其響應速度不及風電機組自身進行的無功調節(jié)，且在設備投資方面，充分利用風電機組自身無功調節(jié)能力能有效減小動態(tài)無功補償器的補償容量，提高風電場的經濟性。
[0004]針對風電場無功電壓控制方面，當風電容量達到系統(tǒng)容量一定比例時，風電場一般安裝具有動態(tài)無功調節(jié)能力的無功補償裝置，以控制并網點電壓為目標。這些控制策略得到的無功需求值通過按考慮功率因數的等功率因數分配和考慮單機無功容量的等比例容量進行無功分配。目前較為前沿的研究也考慮風電場內變速恒頻雙饋機組無功出力和自身損耗的關系，以風機自身損耗最小來分配機組無功，或者是考慮風電場箱變和集電線路的有功損耗最小分配無功，但是，并未考慮風電場內包括風電機組、箱變和集電線路在內的有功損耗最小來分配無功。此外，風電場動態(tài)無功補償裝置與風電機組無功出力各自為政，如何充分利用風電機組的無功出力并與動態(tài)無功補償裝置協(xié)調配合補償無功，也是當前研究的一個難點。


【發(fā)明內容】

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[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明提供一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其目的是解決以往的方式不理想的問題，本發(fā)明通過對風電場各無功源的協(xié)調控制，實現對風電場母線電壓在實時動態(tài)調節(jié)，此時各風電機組、箱變和集電線路有功損耗最小。
[0006]技術方案:
[0007]一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:該方法的步驟如下:
[0008](I)根據實時采集的風電場母線電壓、電流數據進行故障判定，當判定系統(tǒng)發(fā)生故障時閉鎖風電場內各無功源調節(jié)無功，并返回步驟(I)，確認系統(tǒng)無故障后，進入步驟(2);
[0009](2)依據檢測到的母線電壓，與電壓參考值作比較，實時計算電壓偏差值，為防止機組對無功進行頻繁調節(jié)，設定電壓死區(qū)范圍，當電壓偏差值小于死區(qū)范圍時，返回步驟(I)，否則，進入步驟(3)；
[0010](3)對電壓偏差進行無功需求整定，實時檢測母線的無功功率，電壓偏差值經過PI調節(jié)控制器處理后得到無功缺額，無功功率檢測值和無功缺額相加，即為下一時刻的風電場無功需求值，進入步驟(4)；
[0011](4)實時采集注入母線的每條集電線路電流值，對箱變的電阻折算至高壓側，計算每條集電線路及其箱變的無功損耗值，進入步驟(5)；
[0012](5)依次檢測每臺風機的定子側電壓、定子電阻、轉子電阻、勵磁感抗和風機出口有功功率，并建立風機自身有功損耗最小的函數關系式，進入步驟(6)；
[0013](6)通過步驟(5)的檢測值，實時計算每臺風機的無功出力極限值，將其累加得到風電場全部風機無功出力極限值，并將該值與步驟(3)中無功需求值相比較，若需求值大于總極限值，則多余無功需求值由風電場內其他動態(tài)無功設備承擔，各風電機組按最大無功進行出力，各無功補償值由無功控制器發(fā)出無功補償指令，進入步驟(10)，否則，進入步驟⑵；
[0014](7)通過步驟(2)、(3)和(5)，建立風電場內各箱變和集電線路的有功損耗函數式，進入步驟⑶；
[0015](8)建立風電場內各網絡元件有功損耗的目標函數關系式，包含風力發(fā)電機、箱變和集電線路，在此基礎之上，考慮變速恒頻風力發(fā)電機在該時刻有功功率值的條件下，單機無功功率出力極限值，設定約束條件，進入步驟(9)；
[0016](9)對目標函數選擇算法，考慮等微增率法具有計算簡單，不需迭代，計算速度快并且考慮了網損等特點，故本發(fā)明選用該算法，并對目標函數在約束條件下進行計算求解，各無功補償值由無功控制器發(fā)出無功補償指令，進入步驟(10)；
[0017](10)各風電機組和動態(tài)無功補償設備按各自接收到的無功指令值進行無功補償。
[0018]在所述步驟(I)中，對采集到的三相電流通過零序電流互感器進行比較，判斷零序電流是否大于該風電場零序保護中的動作電流，若大于，判定為短路故障，閉鎖風電場無功調節(jié)。
[0019]在所述步驟(I)中，對采集到的風電場母線電壓進行比較，判斷三相電壓不平衡度是否超過預設值，預設值為5%，若超過該值，則判定為系統(tǒng)故障，閉鎖風電場無功調節(jié)。
[0020]在所述步驟(I)、(6)中，對風電場無功源進行三級管理，即在正常運行時，由風電機組按風電場最小有功損耗承擔無功出力；在緊急狀況下，當風電場電壓偏差經整定環(huán)節(jié)后得到的無功需求值大于風電機組無功極限時，將多余無功需求由風電場內其他動態(tài)無功設備承擔，此時風電機組按各自最大無功出力進行無功出力；在故障條件下，閉鎖風電場無功補償，避免故障消失后的引起的高電壓。
[0021]在所述步驟(8)中，無功優(yōu)化目標函數包含風電機組、箱變和集電線路的有功損耗，根據目標函數的特點，將每臺風電機組注入母線側的無功值看做未知量，對其求最小值，分別得到每臺機組注入母線側的無功優(yōu)化值，最后分別依次加上各自相對應的集電線路和箱變無功損耗，最終得到的才是每臺風電機組無功出力優(yōu)化值。
[0022]在所述步驟(9)中，利用等微增率法對目標函數求解最小值，分別得到解為每臺風電機組注入母線側的無功值，此時需要按權利要求5中的方法進一步利用無功分配環(huán)節(jié)推導出每臺機組的無功優(yōu)化值。
[0023]在所述步驟(9)中，在無功分配環(huán)節(jié)中，包含兩種分配方式，即當無功分配值大于該風電機組無功極限值時，則該機組按最大無功出力進行無功補償，且多余無功部分將分配給動態(tài)無功補償裝置進行補償；若無功分配值小于該風電機組機組無功極限值，則判斷為僅依靠機組無功出力即能滿足該無功分配要求，此時將無功分配值分配給該臺風電機組進行無功出力。
[0024]該方法的步驟如下:
[0025](I)風電場內控制點電壓故障的判定，本發(fā)明取風電場母線電壓為電壓參考點，實時檢測母線三相相電壓和三相線電流，首先三相線電流通過零序電流互感器，判斷該三相電流中零序電流是否大于該風電場零序保護中的動作電流，如果零序電流大于動作電流，則判斷為系統(tǒng)故障，此時閉鎖風電場無功調節(jié)，返回步驟(1)，否則繼續(xù)判斷三相電壓，按照公式(I)計算三相電壓的不平衡度LVUR，如果該不平衡度大于5%，則判定為系統(tǒng)故障，返回步驟I，否則進入步驟(2);

【權利要求】
1.一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:該方法的步驟如下: (1)根據實時采集的風電場母線電壓、電流數據進行故障判定，當判定系統(tǒng)發(fā)生故障時閉鎖風電場內各無功源調節(jié)無功，并返回步驟(1)，確認系統(tǒng)無故障后，進入步驟(2); (2)依據檢測到的母線電壓，與電壓參考值作比較，實時計算電壓偏差值，為防止機組對無功進行頻繁調節(jié)，設定電壓死區(qū)范圍，當電壓偏差值小于死區(qū)范圍時，返回步驟(1)，否貝U，進入步驟⑶； (3)對電壓偏差進行無功需求整定，實時檢測母線的無功功率，電壓偏差值經過PI調節(jié)控制器處理后得到無功缺額，無功功率檢測值和無功缺額相加，即為下一時刻的風電場無功需求值，進入步驟(4)； (4)實時采集注入母線的每條集電線路電流值，對箱變的電阻折算至高壓側，計算每條集電線路及其箱變的無功損耗值，進入步驟(5)； (5)依次檢測每臺風機的定子側電壓、定子電阻、轉子電阻、勵磁感抗和風機出口有功功率，并建立風機自身有功損耗最小的函數關系式，進入步驟(6)； (6)通過步驟(5)的檢測值，實時計算每臺風機的無功出力極限值，將其累加得到風電場全部風機無功出力極限值，并將該值與步驟(3)中無功需求值相比較，若需求值大于總極限值，則多余無功需求值由風電場內其他動態(tài)無功設備承擔，各風電機組按最大無功進行出力，各無功補償值由無功控制器發(fā)出無功補償指令，進入步驟(10)，否則，進入步驟(7)； (7)通過步驟(2)、(3)和 (5)，建立風電場內各箱變和集電線路的有功損耗函數式，進入步驟⑶； (8)建立風電場內各網絡元件有功損耗的目標函數關系式，包含風力發(fā)電機、箱變和集電線路，在此基礎之上，考慮變速恒頻風力發(fā)電機在該時刻有功功率值的條件下，單機無功功率出力極限值，設定約束條件，進入步驟(9)； (9)對目標函數選擇算法，考慮等微增率法具有計算簡單，不需迭代，計算速度快并且考慮了網損等特點，故本發(fā)明選用該算法，并對目標函數在約束條件下進行計算求解，各無功補償值由無功控制器發(fā)出無功補償指令，進入步驟(10)； (10)各風電機組和動態(tài)無功補償設備按各自接收到的無功指令值進行無功補償。
2.根據權利要求1所述的一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:在所述步驟(1)中，對采集到的三相電流通過零序電流互感器進行比較，判斷零序電流是否大于該風電場零序保護中的動作電流，若大于，判定為短路故障，閉鎖風電場無功調節(jié)。
3.根據權利要求1所述的一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:在所述步驟(1)中，對采集到的風電場母線電壓進行比較，判斷三相電壓不平衡度是否超過預設值，預設值為5%，若超過該值，則判定為系統(tǒng)故障，閉鎖風電場無功調節(jié)。
4.根據權利要求1所述的一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:在所述步驟(1)、(6)中，對風電場無功源進行三級管理，即在正常運行時，由風電機組按風電場最小有功損耗承擔無功出力；在緊急狀況下，當風電場電壓偏差經整定環(huán)節(jié)后得到的無功需求值大于風電機組無功極限時，將多余無功需求由風電場內其他動態(tài)無功設備承擔，此時風電機組按各自最大無功出力進行無功出力；在故障條件下，閉鎖風電場無功補償，避免故障消失后的引起的高電壓。
5.根據權利要求1所述的一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:在所述步驟(8)中，無功優(yōu)化目標函數包含風電機組、箱變和集電線路的有功損耗，根據目標函數的特點，將每臺風電機組注入母線側的無功值看做未知量，對其求最小值，分別得到每臺機組注入母線側的無功優(yōu)化值，最后分別依次加上各自相對應的集電線路和箱變無功損耗，最終得到的才是每臺風電機組無功出力優(yōu)化值。
6.根據權利要求1所述的一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:在所述步驟(9)中，利用等微增率法對目標函數求解最小值，分別得到解為每臺風電機組注入母線側的無功值，此時需要按權利要求5中的方法進一步利用無功分配環(huán)節(jié)推導出每臺機組的無功優(yōu)化值。
7.根據權利要求1所述的一種減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:在所述步驟(9)中，在無功分配環(huán)節(jié)中，包含兩種分配方式，即當無功分配值大于該風電機組無功極限值時，則該機組按最大無功出力進行無功補償，且多余無功部分將分配給動態(tài)無功補償裝置進行補償；若無功分配值小于該風電機組機組無功極限值，則判斷為僅依靠機組無功出力即能滿足該無功分配要求，此時將無功分配值分配給該臺風電機組進行無功出力。
8.根據權利要求1所述的減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:該方法的步驟如下: (1)風電場內控 制點電壓故障的判定，本發(fā)明取風電場母線電壓為電壓參考點，實時檢測母線三相相電壓和三相線電流，首先三相線電流通過零序電流互感器，判斷該三相電流中零序電流是否大于該風電場零序保護中的動作電流，如果零序電流大于動作電流，則判斷為系統(tǒng)故障，此時閉鎖風電場無功調節(jié)，返回步驟(1)，否則繼續(xù)判斷三相電壓，按照公式(I)計算三相電壓的不平衡度LVUR，如果該不平衡度大于5%，則判定為系統(tǒng)故障，返回步驟1，否則進入步驟⑵；
式中，Va，vb, Vc為相電壓有效值，Vav為三相相電壓平均值；(2)風電場無功功率的整定，實時測量母線電壓，同時無功控制器接收來自調度系統(tǒng)的電壓參考值Utl，通過式(2)求得電壓偏差值此時，為防止無功源頻繁動作，需設定電壓偏差值死區(qū)范圍I Λυ| <0.01，當電壓偏差值小于死區(qū)范圍時，返回步驟(1)，否則，進入步驟⑶；
(3)實時檢測母線的無功功率Qm，根據步驟(2)得到的電壓偏差值，無功電壓整定過程可通過式(3)計算，此時無功功率分為兩部分:一部分通過偏差值經PI調節(jié)控制器調節(jié)處理后輸出并網點所缺的無功功率，另一部分為支撐當前電壓水平的無功功率Qm，將兩者相加即算出風電場所需調節(jié)無功補償量QMf，Qref即為下一時刻的風電場無功需求值，進入步驟⑷；
上式中的k1; k2為PI調節(jié)控制器的控制參數； (4)實時采集注入母線的每條集電線路電流值，對箱變的電阻折算至高壓側，通過式(4)和(5)分別計算每條集電線路及其箱變的無功損耗值進入步驟(5)； 第i臺箱變和集電線路消耗的無功功率分別為:
Qm = [UdIm/(10Ie)+10/100] Se (4) 集電線路分兩部分:
式中Ud為箱變阻抗電壓百分值，Im為箱變需要高壓側的工作電流值，Ie為箱變需要高壓側的額定電流值，10為箱變的空載電流百分比，Se為箱變的額定容量，U為計算線路的額定電壓，I為集電線路長度，C、L分別為集電線路單位電容、電感，設在某一時刻，實時測量上述各量，可實時計算出箱變和集電線路的無功損耗值之和AQi ； (5)依次檢測每臺風機的定子側電壓0.,,、定子電阻Ru、轉子電阻R21、勵磁感抗Xmi和風機出口有功功率Pi ;并建立風機自身有功損耗最小的函數關系式，如式(7)所示，進入步驟(6)； (6)通過步驟(5)的檢測值，實時計算每臺風機的無功出力極限值，將其累加得到風電場全部風機無功出力極限值，并將該值與步驟(3)中無功需求值相比較，若需求值大于總極限值，則多余無功需求值由風電場內其他動態(tài)無功設備承擔，各風電機組按最大無功進行出力，各無功補償值由無功控制器發(fā)出無功補償指令，進入步驟(10)，否則，進入步驟(7)； (7)通過步驟(2)、(3)和(5)，建立風電場內各箱變和集電線路的有功損耗函數式，如公式(14)所示，進入步驟⑶；
式中m為風電場內參與無功出力的雙饋機組總臺數，Pm1、Qmi分別為為第i臺雙饋機組注入母線側的有功、無功注入量，U為站內高壓側母線電壓，RT1、Ru分別為變壓器折算到箱變高壓側的電阻和集電線路電阻， 此時，有:
Qmi = Qc1-Qb1-Qc1-QLi = Qc1- Δ Qi(15) 其中，AQ為在某一時刻下，箱變和集電線路的損耗值； (8)建立風電場內各網絡元件有功損耗的目標函數關系式，包含風力發(fā)電機、箱變和集電線路，在此基礎之上，考慮變速恒頻風力發(fā)電機在該時刻有功功率值的條件下，單機無功出力極限值，設定約束條件，進入步驟(9);設包含風電場內風力發(fā)電機、箱變和集電線路有功損耗的目標函數為F:
經整理得:
式中，ApBpCi為系數，分別為:
無功功率平衡約束方程為:
變量Qmi的約束條件為:
Qcimin- ≤ Qi ≤ Qmi ≤ Qcimax- △ Qi(22) (9)對目標函數選擇方法，具體步驟如下: 根據目標函數和相應的約束條件，建立新的、不受約束的目標函數L，即拉格朗日函數:
求取上式L的最小值，L中有η個變量Qmi和I個變量λ，分別對η+1個變量求偏導并令其等于零，得到:
由于F函數式中，
,代入上式，可知
經整理，最終得到:
所得結果Qmi為第i臺風力發(fā)電機注入母線側的無功功率，經過Qei = Qmi+AQi，可得到每臺機組的無功出力值；由于該算法未考慮風電機組無功極限的不等式關系，當求得的Qei超過該時刻有功功率出力條件下的風電機組無功的無功極限時，該風電機組按的最大無功進行出力，超出部分由風電場動態(tài)無功補償設備承擔；各無功補償值由無功控制器發(fā)出無功補償指令，進入步驟(10)； (10)各風電機組和動態(tài)無功補償設備按各自接收到的無功指令值進行無功補償。
9.根據權利要求8所述的減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:步驟“(5) ”中計算風力發(fā)電機的有功損耗，計算步驟如下: a.忽略鐵損和機械損耗，則變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的主要損耗為定、轉子銅損Pral、Pcm2，取fi表示為第i臺風機定、轉子的銅耗，即
(6)式中，Ιπ、Ι2?分別為第i臺風機的定、轉子電流，RpR2i分別為第i臺風機的定、轉子電阻，進入步驟b ; b.定子側采用發(fā)電機慣例，轉子側采用電動機慣例，設Pl1、Ql1、P21、Q2i分別為單臺風電機定轉子的有功和無功功率；由于雙饋電機變換器傳遞的有功功率比較小，因而由變換器吸收或發(fā)出的無功功率很小，可以忽略不計，因此，雙饋感應風電機組注入系統(tǒng)的無功功率Qei近似等于定子側無功功率Qli，經電機等效電路整理可得第i臺風機損耗為:
式中ApbpCi為系數，表達式為:
式中，Uli為第i臺風機的定子端電壓，Xli = Xloi+Xmi, X2i = UXmi，其中，Xloi>X20i>Xffli分別為第i臺風機的定、轉子漏抗和勵磁漏抗。
10.根據權利要求8所述的減小風電場有功損耗的無功分配優(yōu)化方法，其特征在于:步驟“(6) ”中單臺風機無功功率極限值的計算過程如下: 由雙饋風機的有功出力依據最大風能追蹤可知Ptl = kco3，其中Ptl為最佳風功率曲線上的最大值，k為與風機相關的系數，ω為風機轉速，s為轉差率；此時，風機的有功參考值為Pi；
由上式，可得:
將上式看做以P1為未知數的二元一次方程，需滿足方程有實數解的條件，整理可得:
雙饋感應風電機組注入系統(tǒng)的無功功率極限Qe近似等于定子側無功功率極限Qp
【文檔編號】H02J3/16GK104078983SQ201410265142
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權日:2014年6月16日
【發(fā)明者】邢作霞, 劉志武, 苑舜, 田艷豐, 李媛, 井艷軍, 楊俊友 申請人:沈陽工業(yè)大學