本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)自動電壓控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于本地?zé)o功調(diào)節(jié)的風(fēng)電場電壓協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模風(fēng)電場集中并網(wǎng)引起的電壓及無功波動問題是實際運行中最常見的問題之一。風(fēng)電場內(nèi)電壓分布直接受線路網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和風(fēng)機出力波動影響，隨著風(fēng)機機端電壓波動導(dǎo)致的機組故障脫網(wǎng)事故對系統(tǒng)安全運行的影響愈發(fā)顯著，風(fēng)電場內(nèi)部節(jié)點電壓穩(wěn)定受控及風(fēng)場在弱網(wǎng)結(jié)構(gòu)下安全運行已成為風(fēng)能參與能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，風(fēng)電場常采用在pcc點掛設(shè)svc、statcom等集中型無功補償裝置實現(xiàn)電壓控制。隨著越來越多的雙饋型風(fēng)機和全功率變換型風(fēng)機實現(xiàn)并網(wǎng)，大量文獻探討了利用上述具備一定無功調(diào)節(jié)能力的風(fēng)力機組維持機端電壓并實現(xiàn)無功就地補償?shù)目尚行浴，F(xiàn)有研究將風(fēng)力發(fā)電機組看作功率型電源進行絕對電壓調(diào)節(jié)或定功率因數(shù)無功補償，但與傳統(tǒng)發(fā)電廠相異，實際的大規(guī)模風(fēng)場通常由多組小容量風(fēng)機分布并聯(lián)構(gòu)成，單臺風(fēng)機的容量受限，風(fēng)力發(fā)電單元與系統(tǒng)容量不匹配常導(dǎo)致風(fēng)機箱變高壓側(cè)電壓發(fā)生波動時機組并不具備維持機端電壓絕對值恒定的能力。同時，現(xiàn)有文獻通常忽略風(fēng)電場內(nèi)部的電壓相位變化，將各節(jié)點無功輸出值在pcc點代數(shù)疊加，使得風(fēng)場內(nèi)部潮流變化及各機組電壓傳遞方式難以清晰呈現(xiàn)。并且，機組空間分散性使得電壓在風(fēng)場內(nèi)部電壓分布隨著風(fēng)力機的最大功率輸出波動而頻繁變化，而不同無功補償方式的控制時間尺度相異。當(dāng)前風(fēng)電場廣泛采用遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)，通過電網(wǎng)向風(fēng)場下發(fā)電壓調(diào)節(jié)指令至pcc點處，并對各類無功設(shè)備集中分配補償指令，此基于主從控制的模式使得風(fēng)場各節(jié)點電壓缺乏相應(yīng)的自治能力，并且這種依賴上位集中通訊的無功電壓協(xié)調(diào)控制模式，不僅增加了控制復(fù)雜性，大數(shù)據(jù)量通訊帶來的信號延遲問題還可能導(dǎo)致風(fēng)場各匯流點電壓在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中發(fā)生振蕩。

因此希望有一種基于本地?zé)o功調(diào)節(jié)的風(fēng)電場電壓協(xié)調(diào)控制方法可以克服或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于本地?zé)o功調(diào)節(jié)的風(fēng)電場電壓協(xié)調(diào)控制方法以適應(yīng)目前風(fēng)電場中對于內(nèi)部電壓、無功的協(xié)調(diào)控制要求。

本發(fā)明提供一種基于本地?zé)o功調(diào)節(jié)的風(fēng)電場電壓協(xié)調(diào)控制方法，通過本地?zé)o功補償設(shè)備控制相鄰節(jié)點的相對電壓差為零，包括以下步驟：

步驟一：通過風(fēng)力發(fā)電機組的自身容量對有功波動在風(fēng)力發(fā)電機端的箱式變壓器上的電壓降進行補償；

步驟二：通過并接風(fēng)場與電網(wǎng)公共連接點的靜止無功發(fā)生器對有功波動在風(fēng)場與電網(wǎng)公共連接點處的風(fēng)場主變壓器上的電壓降進行補償；

步驟三：通過選址判據(jù)在匯流點安裝分布式無功補償設(shè)備對有功波動在風(fēng)場匯流線路上的電壓降進行控制。

優(yōu)選地，所述步驟一的箱式變壓器上的電壓降和所述步驟二的風(fēng)場主變壓器上的電壓降適用于以下公式：

設(shè)低壓側(cè)實測為ut，變壓器勵磁功率為pm，變壓器輸出阻抗為zo＝ro+jxo，kt為變壓器變比，pt、qt為低壓側(cè)輸入的有功功率和無功功率，設(shè)zt＝rt+jxt為變壓器高壓側(cè)到最近匯流點的支線阻抗，基于變壓器的γ型等效電路，變壓器高壓側(cè)的觀測電壓可表示為：變壓器低壓側(cè)處無功補償設(shè)備的電壓參考值utref給定方程為：

優(yōu)選地，所述步驟三的風(fēng)場匯流線路上的電壓降適用于以下公式：

設(shè)uc為本地匯流點的實測電壓，pl、ql為通過該匯流點流入下一級匯流點的有功功率和無功功率，設(shè)zl＝rl+jxl為本級匯流點至下一級匯流點間的阻抗值。匯流點處的無功補償設(shè)備的電壓參考值為：

優(yōu)選地，所述步驟三中的在匯流點安裝分布式無功補償設(shè)備的選址判據(jù)，包含以下步驟：

(1)在風(fēng)場線路架構(gòu)和參數(shù)已知的前提下使得所有機組滿發(fā)，即風(fēng)場電壓分布電壓差最惡劣的情況下，使得所有匯流點和關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點的電壓幅值與并網(wǎng)點相同；

(2)依次分別舍去一個匯流點安裝的無功補償設(shè)備，其他匯流點依然保持原有相對電壓控制方法，觀察缺少無功控制的節(jié)點i對風(fēng)場最大電壓差的影響；

(3)根據(jù)匯流點對風(fēng)場最大電壓差的影響大小依次確定匯流點的權(quán)重，若舍去該節(jié)點的無功設(shè)備后風(fēng)場最大電壓差越大，則該節(jié)點無功設(shè)備的位置權(quán)重越高，即風(fēng)場新增一臺無功設(shè)備的選址優(yōu)先級越高。

優(yōu)選地，在不安裝所述無功補償設(shè)備的所述匯流點之間的可控節(jié)點中使用下垂型相對電壓控制法，通過所述本地?zé)o功補償設(shè)備控制使得一條匯流線上節(jié)點的電壓分布與其距離風(fēng)場與電網(wǎng)公共連接點的電氣距離呈下垂特征，即距離風(fēng)場與電網(wǎng)公共連接點更遠的匯流點電壓幅值小于距離風(fēng)場與電網(wǎng)公共連接點更近的匯流點電壓幅值，利用電壓的下垂特性補償前一段無電壓控制的匯流線上的電壓上翹分布特性。

優(yōu)選地，所述下垂型相對電壓控制法的具體步驟包括：

(1)確定已規(guī)劃風(fēng)場中未安裝無功補償設(shè)備的匯流點位置以及未安裝無功設(shè)備的匯流點間的連續(xù)電壓可控匯流點的個數(shù)n，可預(yù)先計算出最惡劣工況下節(jié)點i未安無功補償設(shè)備后風(fēng)場內(nèi)最大電壓差該電壓差由該節(jié)點i后的n個電壓可控匯流點依據(jù)下垂系數(shù)平均分配。

(2)設(shè)ucim為安裝無功補償設(shè)備的匯流點i后的第m個連續(xù)電壓可控節(jié)點的本地實測電壓，pim、qim為通過該匯流點流入下一級匯流點的有功功率和無功功率，設(shè)zim＝rim+jxim為本級匯流點至下一級匯流點間的阻抗值。未安裝無功補償設(shè)備匯流點之間的可控匯節(jié)點處的無功補償設(shè)備的電壓參考值為：

由于線路每公里阻抗值及線路長度在風(fēng)場構(gòu)建完成后是相對固定且容易獲得的已知參數(shù)，所以rl+jxl和rt+jxt均為本地已知信息，匯流點前后的功率pl、ql以及變壓器高壓側(cè)功率pt、qt測量都靠近相應(yīng)位置的無功補償設(shè)備，具備本地可觀性，所以通過上述僅包含本地信息的公式能夠觀測出前級電壓。該方法提升了電壓快速動態(tài)響應(yīng)能力及控制穩(wěn)定裕度，在增加較小無功設(shè)備容量的情況下實現(xiàn)了風(fēng)場電壓完全本地控制。

考慮到風(fēng)功率預(yù)測通常要經(jīng)過幾百毫秒至秒級的時間常數(shù)完成，而電力系統(tǒng)功率瞬時平衡特征要求電壓控制在毫秒級的電氣時間常數(shù)范圍內(nèi)實現(xiàn)，所以本發(fā)明基于風(fēng)場電壓傳遞關(guān)系并利用本地信息實現(xiàn)風(fēng)場整體電壓的快速調(diào)節(jié)策略具有較高的實用價值。

附圖說明

圖1為風(fēng)場實際風(fēng)機匯流連接圖。

圖2為本發(fā)明基于本地信息的無功調(diào)節(jié)算法的控制框圖。

圖3為不同控制策略下匯流線b的電壓分布圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。

如圖1所示，風(fēng)場裝機容量為49.5mva，共有33臺機組。風(fēng)場架構(gòu)為典型的放射式結(jié)構(gòu)，通過3條饋線a、b、c匯入pcc并網(wǎng)點，三條干線分別接入12、12、9臺機組。根據(jù)附圖敘述本發(fā)明的具體實施方式、控制方法及工作原理：

根據(jù)線路功率傳輸基本原理可知若相鄰兩點ab間等效阻抗為r+jx，匯入b點功率p+jq,其電壓傳遞函數(shù)滿足公式：其中，ua、θa分別為a點電壓幅值和相角，ub、θb分別為b點電壓幅值和相角。即如果不進行電壓控制，風(fēng)功率在阻抗上的傳輸必然會引起電壓降落。由于風(fēng)電場內(nèi)線路、變壓器等效阻抗均呈感性，通過上述公式可知，通過較小的無功容量，即可補償較大有功在感性阻抗上的電壓降，此思想即是風(fēng)場進行無功、電壓協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)。

如圖1所示，本發(fā)明提出的相對電壓控制在具體風(fēng)電場系統(tǒng)中的整體應(yīng)用，其具體實施方式如下：

(1)本發(fā)明提出的相對電壓控制可應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組的網(wǎng)側(cè)變流器中的無功控制算法中。此處的相對電壓控制范圍包含從風(fēng)機機端至該風(fēng)機接入風(fēng)場匯流線處，即風(fēng)功率在風(fēng)機箱式變壓器等效阻抗以及變壓器輸出至匯流點的線路等效阻抗上的電壓降。如圖所示，該算法可通過風(fēng)機自身的無功容量補償風(fēng)功率在這段等效阻抗上的壓降，使得unl等效至高壓側(cè)后的幅值與unh電壓幅值相等，兩者的相角差由所傳遞的有功大小決定。

(2)本發(fā)明提出的相對電壓控制可應(yīng)用于風(fēng)場pcc點掛設(shè)的集中無功補償設(shè)備中的無功控制算法內(nèi)，該補償設(shè)備通常為svg。此處的相對電壓控制范圍包含從風(fēng)場pcc低壓處至風(fēng)場接入主電網(wǎng)處，即風(fēng)場全部風(fēng)功率在風(fēng)場主變壓器等效阻抗以及pcc點至電網(wǎng)傳輸線的等效阻抗上的電壓降。如圖所示，該算法可通過svg的無功容量補償風(fēng)場所有風(fēng)功率在這段等效阻抗上的壓降，使得upcc等效至高壓側(cè)后的幅值與ug電壓幅值相等，兩者的相角差由風(fēng)場輸入電網(wǎng)的風(fēng)功率大小決定。

(3)本發(fā)明提出的相對電壓控制可應(yīng)用于風(fēng)場匯流線上掛設(shè)的分布式無功補償設(shè)備中的無功控制算法內(nèi)，圖中以帶電容負載的三相橋表征分布式無功補償裝置。此處的相對電壓控制范圍包含該匯流點至后一匯流點處(沿有功傳遞方向)，即兩相鄰匯流點之間的功率傳輸在這段線路等效阻抗上的電壓降。如圖所示，該算法可通過分布式無功補償裝置實現(xiàn)u1與u2的電壓幅值保持一致，并且兩電壓相量的相角差由該線路段傳遞的有功功率大小決定。

如圖2所示為風(fēng)場內(nèi)各無功補償設(shè)備具體的無功調(diào)節(jié)算法的控制框圖，具體實施方式如下：

(1)對于補償范圍內(nèi)包含變壓器的無功補償設(shè)備，本發(fā)明提出的控制算法可以僅利用低壓側(cè)的測量信息對變壓器高壓側(cè)及遠端電壓進行估算。設(shè)低壓側(cè)實測為ut，變壓器勵磁功率為pm，變壓器輸出阻抗為zo＝ro+jxo，kt為變壓器變比，pt、qt為低壓側(cè)輸入的有功無功，設(shè)zt＝rt+jxt為變壓器高壓側(cè)到最近匯流點的支線阻抗?；谧儔浩鞯摩眯偷刃щ娐罚儔浩鞲邏簜?cè)的觀測電壓可表示為：變壓器低壓側(cè)處無功補償設(shè)備的電壓參考值utref給定方程為：該電壓參考值適用于箱變無功補償及主變無功補償。

如圖2所示，無功控制采用基本的電壓電流雙閉環(huán)控制方法，此時uref為低壓側(cè)參考電壓utref，而uo為低壓側(cè)實測電壓(unl或upcc)，經(jīng)過電壓閉環(huán)pi得到電流參考值，iq為當(dāng)前無功補償裝置的輸出電流，經(jīng)過無功電流閉環(huán)得到補償裝置的pwm參考波形，最終輸出結(jié)果可直接作為三相橋的開關(guān)管控制信號。

(2)對于補償范圍內(nèi)僅包含匯流線路的無功設(shè)備，本發(fā)明提出的控制算法可以僅利用本匯流點的測量信息對遠端匯流點的電壓進行估算。設(shè)uc為本地匯流點的實測電壓，pl、ql為通過該匯流點流入下一級匯流點的有功、無功(包含該匯流點前級所有功率之和，以及通過該匯流點支路饋入干線的風(fēng)電機組功率)，設(shè)zl＝rl+jxl為本級匯流點至下一級匯流點間的阻抗值。匯流點處的無功補償設(shè)備的電壓參考值為：

如圖2所示，無功控制采用基本的電壓電流雙閉環(huán)控制方法，此時uref為參考電壓ucref，而uo為本匯流點的實測電壓，經(jīng)過電壓閉環(huán)pi得到電流參考值，iq為當(dāng)前無功補償裝置的輸出電流，經(jīng)過無功電流閉環(huán)得到補償裝置的pwm參考波形，最終輸出結(jié)果可直接作為分布式無功裝置的三相橋的開關(guān)管控制信號。

若風(fēng)場內(nèi)所有匯流點均能安裝無功補償設(shè)備，實現(xiàn)上述的本地?zé)o功補償，則風(fēng)場電壓整體受控，各節(jié)點電壓在標(biāo)幺化后均與電網(wǎng)電壓一致?？紤]到風(fēng)電場通常會對安裝于匯流點上的分布式無功設(shè)備數(shù)量做出限制，本發(fā)明提出一種風(fēng)電場匯流點裝設(shè)無功補償設(shè)備的選址方法，以匯流線b為例，其節(jié)點編號依據(jù)風(fēng)機距pcc點的電氣距離遠近由小至大排定，pcc點為13號，匯流線b最遠端風(fēng)機為1號，其具體實施方法如下：

(1)假設(shè)該匯流線上的12臺機組的風(fēng)功率滿發(fā)，此時若無電壓控制，匯流線的自然分布電壓差最惡劣。先假設(shè)所有匯流點均有無功補償設(shè)備進行相對電壓控制，使得所有匯流點的電壓幅值與并網(wǎng)點相同；

(2)分別舍去1號至12號匯流點安裝的無功補償設(shè)備，其他匯流點依然保持原有相對電壓控制方法，計算當(dāng)前節(jié)點缺少無功控制后風(fēng)場內(nèi)的最大電壓差；

(3)按上述計算得到的最大電壓差排序確定匯流點位置的權(quán)重，若舍去該節(jié)點的無功設(shè)備后風(fēng)場最大電壓差越大，則該節(jié)點無功設(shè)備的位置權(quán)重越高，即風(fēng)場新增一臺無功設(shè)備的選址優(yōu)先級越高。已知該匯流線的無功設(shè)備數(shù)量限制為4臺，按位置權(quán)重排序，12、9、8、5節(jié)點需優(yōu)先安裝無功補償設(shè)備。

由于風(fēng)機箱變處的相對電壓降是使用風(fēng)機剩余無功容量進行補償，不存在額外設(shè)備需求，而風(fēng)場主變處一定會裝配無功補償裝置，所以風(fēng)機和主變處的無功補償控制依然采用常規(guī)的相對電壓控制方法。由于部分匯流點不安裝無功補償設(shè)備造成部分線路電壓降無法進行本地補償，所以針對可安裝無功補償設(shè)備的匯流點提出一種下垂型相對電壓控制方法，通過本地?zé)o功補償設(shè)備控制使得一條匯流線上節(jié)點的電壓分布與其距離pcc點的電氣距離呈下垂特征，即距離pcc點更遠的匯流點電壓幅值小于距離pcc點更近的匯流點電壓幅值，從而利用該電壓下垂特性補償前一段無電壓控制的匯流線上的電壓上翹分布特性。其具體實施方法如下：

(1)確定無功補償設(shè)備節(jié)點位置后可知12節(jié)點前均有無功補償設(shè)備，所以依然采用常規(guī)相對電壓控制即可；節(jié)點9、8為未安裝無功設(shè)備的節(jié)點10之后的連續(xù)兩個電壓可控節(jié)點，可預(yù)先計算出最惡劣工況下節(jié)點10不進行無功補償后風(fēng)場內(nèi)各節(jié)點電壓與并網(wǎng)點的的最大相對電壓差為0.005p.u.，該電壓差由節(jié)點9和節(jié)點8的無功補償設(shè)備依據(jù)下垂系數(shù)平均分配。

(2)設(shè)ucim為安裝無功補償設(shè)備的匯流點i后的第m個連續(xù)電壓可控節(jié)點的本地實測電壓，pim、qim為通過該匯流點流入下一級匯流點的有功、無功(包含該匯流點前級所有功率之和，以及通過該匯流點支路饋入干線的風(fēng)電機組功率)，設(shè)zim＝rim+jxim為本級匯流點至下一級匯流點間的阻抗值。未安裝無功補償設(shè)備匯流點之間的可控匯節(jié)點處的無功補償設(shè)備的電壓參考值為：由預(yù)先演算可知，節(jié)點10在最惡劣電壓差情況下可能產(chǎn)生0.005p.u.的相對電壓差，該電壓差將由節(jié)點8與節(jié)點9的無功設(shè)備補償。即節(jié)點8和9的電壓參考值為原先觀測的相對電壓加上0.0025p.u.的下垂電壓幅值。其具體控制方式與相對電壓控制一致，均可采用圖2所示的控制框圖。該控制方式依然適用于與b并聯(lián)的匯流線a、c之中。

如圖3所示為不同控制策略下匯流線b的電壓分布圖，圖中控制方式1為僅在pcc點采用集中式無功補償時的匯流線b的電壓分布，控制方式2為所有匯流點均有無功設(shè)備情況下的電壓分布，控制方式3為采用本發(fā)明提出的無功設(shè)備選址及下垂型相對電壓控制后的電壓分布。從圖中可以看出，僅在pcc點采用集中式無功補償只能保證pcc點與電網(wǎng)電壓幅值一致，風(fēng)場內(nèi)由于有功的流動存在自然電壓分布，最大電壓差達到0.5p.u.，各匯流點采用相對電壓控制可以僅利用本地信息實現(xiàn)風(fēng)場全局電壓的控制?？紤]分布式無功數(shù)量的限制，本發(fā)明提供的無功設(shè)備選址判據(jù)使得無功設(shè)備加裝在產(chǎn)生最大電壓差的關(guān)鍵節(jié)點上，而相應(yīng)的下垂型相對電壓控制可以進一步抵消缺乏無功補償?shù)木€路段產(chǎn)生的電壓上翹現(xiàn)象，將風(fēng)場電壓分布差平抑至0.01p.u.，即通過有限設(shè)備實現(xiàn)分布電壓的最佳控制。

綜合上各具體實施方法可知，本發(fā)明提出的基本信息的風(fēng)電場無功電壓協(xié)調(diào)控制方法可有效解決當(dāng)前風(fēng)場內(nèi)部電壓控制中由于大量上位調(diào)度導(dǎo)致的匯流點電壓動態(tài)響應(yīng)能力及穩(wěn)定性下降的問題。由于該方法僅需補償由于風(fēng)力機組自身有功功率波動造成的本地?zé)o功損失，不僅解決風(fēng)機進行機端絕對電壓調(diào)節(jié)時的容量受限問題，還保證了各臺風(fēng)機在無功分配過程中的一致均分性。其次，考慮到已規(guī)劃風(fēng)場的電路參數(shù)穩(wěn)定性和本地電壓、電流可測量性，該控制策略可不依賴上位通訊完成風(fēng)場內(nèi)的全局電壓控制和無功協(xié)調(diào)分配，并具備更快的動態(tài)響應(yīng)能力和較廣的穩(wěn)定裕度。同時，基于上述控制策略，本發(fā)明也給出了風(fēng)場無功設(shè)備受限情況下，對不同匯流點進行權(quán)重分配后的無功補償設(shè)備位置優(yōu)化方案。

最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。