專利名稱：一種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法，屬于風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風電場的大規(guī)模接入給電力系統(tǒng)帶來很多新的問題，其中無功電壓問題就是最受關(guān)注的問題之一。目前在風電場安裝無功補償裝置是解決風電場并網(wǎng)引起的電壓穩(wěn)定問題最常見的方法，但是，這些設(shè)備價格昂貴，造成風電場投資的增加。隨著風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，變速恒頻風電機組成為并網(wǎng)風電場的主流機型。這類風電機組包括雙饋式風電機組和直驅(qū)式風電機組，它們部分或者全部功率通過具有四象限運行能力的電力電子變流器送入電網(wǎng)， 可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，具有動態(tài)調(diào)節(jié)無功的能力。我國市場上的變速恒頻風電機組一般采用恒功率因數(shù)控制方式，甚至不發(fā)出無功，沒有充分利用到此類機型的無功調(diào)節(jié)能力。對變速恒頻風電機組獨立的無功控制方法進行研究是不夠的，變速恒頻風電機組變流器受到額定電流的限制，送出有功功率較大的情況下，相應(yīng)無功調(diào)節(jié)能力就降低，這樣在較為惡劣的電壓波動條件下，風電場獨立的無功調(diào)節(jié)就很難滿足維持電壓穩(wěn)定的無功需求。目前，并網(wǎng)直驅(qū)式風電機組在機端電壓低于設(shè)定值且滿足一定延時之后進入低電壓穿越模式，風電機組控制不發(fā)出有功功率，無功按最大值發(fā)出；當電壓恢復(fù)后，有功功率按照一定的速率恢復(fù)。如果在若干分鐘內(nèi)再次進入低電壓穿越模式，由于卸荷裝置的溫度較高，可能會造成切機等后果。由于風速變化、負荷波動以及低電壓穿越等特殊運行方式結(jié)束后引起的較大電壓波動可能會造成較為嚴重的后果，如第一次或者再次進入低電壓穿越模式等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足而提供一種增加風電場無功功率的調(diào)節(jié)能力，維持風電場出口電壓水平，預(yù)防或避免風電機組進入低電壓穿越模式而造成對電網(wǎng)更大的沖擊，合理的協(xié)調(diào)控制風電場的有功和無功出力，有效的為風電場出口電壓提供無功支持，維持接入點電壓穩(wěn)定性的基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法及系統(tǒng)。本發(fā)明提出了一種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法。該方法針對由于風速擾動、負荷變化等引起緩慢且幅度較大的電壓波動，通過調(diào)節(jié)槳距角降低有功出力，從而增加風電場無功功率的調(diào)節(jié)能力來維持風電場出口電壓水平，預(yù)防或避免由于電壓偏差較大引起風電機組進入低電壓穿越模式，造成對電網(wǎng)更大的沖擊。功率協(xié)調(diào)控制思想為在風電場送出母線電壓波動大于設(shè)定的門檻值時，如果維持電壓穩(wěn)定所需的無功功率大于該運行方式下的無功限值，則降低有功功率出力，從而增大無功功率的輸出能力，進一步的幫助風電場電壓的恢復(fù)。本發(fā)明給出了功率控制模式的定義結(jié)合風電場接入點安全運行和風電場自身對電壓的要求，將風電場無功功率控制區(qū)域劃分為正?？刂茀^(qū)域、異?？刂茀^(qū)域和緊急控制區(qū)域。正?？刂茀^(qū)域是風電場接入點電壓波動較小且能夠較快的平息的情況；異?？刂茀^(qū)域是指風電場接入點電壓波動較大，可能有進一步惡化趨勢的情況；緊急控制區(qū)域是指風電場接入點電壓波動范圍引起風電場機組特殊運行模式的情況。對應(yīng)三個運行區(qū)域，定義風電場的三種控制模式即正常控制模式、功率協(xié)調(diào)控制模式、特殊控制模式。正常控制模式為風電場機組的一般控制模式，可采用恒功率因數(shù)控制也可采用恒電壓控制方式；功率協(xié)調(diào)控制模式為本發(fā)明所提出的方法，該控制方式通過對風電機組有功和無功功率的協(xié)調(diào)控制，來支持風電場接入點電壓的恢復(fù)；特殊控制模式為風電機組在電壓異常情況下采取的非正?？刂颇Ｊ?。本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達到一種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于其通過檢測風電場電壓判斷是否滿足啟動風電場功率協(xié)調(diào)控制模式條件；當條件不滿足時，風電場機組采取正常的控制模式，當滿足條件時，風電場進入功率協(xié)調(diào)控制模式；在功率協(xié)調(diào)控制模式下，計算出風電場有功無功的控制量，然后分配到風電場內(nèi)的單臺風電機組，作為控制信號調(diào)節(jié)單臺風電機組功率的輸出，進而實現(xiàn)對風電場母線電壓的閉環(huán)控制。 為了進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其特征在于其包括以下步驟
(I )、 實時測量風電場接入點電壓
,并將測量獲得的與控制點參考電壓的差值設(shè)置為電壓偏差；
(2)、將電壓偏差A(yù)F與設(shè)定的門檻值進行比較，判斷風電場是否進入功率協(xié)調(diào)控制模式，如果風電場機組采取正常的控制模式進行無功功率的控制，如果
則轉(zhuǎn)至步驟3;
(3)、風電場機組采用功率協(xié)調(diào)控制模式，設(shè)置0.I秒的延時來防止模式之間的頻繁切換；將電壓差信號AF經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到風電場無功電流的參考值/q<md，并轉(zhuǎn)至步驟4 ；
(4)、判斷風電場無功電流的參考值是否滿足在目前運行方式下的限值條件
Zfltmd >-4 ;如果不滿足，該參考電流即為實際所需的參考電流為，，并轉(zhuǎn)至步驟7 ;如果滿足，考慮無功參考電流按最大整定，則實際無功參考電流計算公式為= ^L-4 ,并轉(zhuǎn)至步驟5;
(5)、按照電壓偏差整定的無功電流參考值來計算有功電流參考值為4- =，有功功率的參考值為Pms = FtimIlcmi，則轉(zhuǎn)入步驟6 ；
(6)、將有功率參考值匕,和有功功率測量值Ps的差通過PI控制器整定得到槳距角給
定值4m ,用一階慣性環(huán)節(jié)來模擬槳距角調(diào)節(jié)機構(gòu)的動態(tài)過程，并轉(zhuǎn)至步驟7 ；
(7)、按照每臺風電機組輸出有功功率的比例來分配風電場功率的整定值，計算公式如
下:6/■^腿 +，Qcm悉 ~ Qsmi I其中^為第i臺風電機組的功率分配值；巧為第i臺風電機組輸出的有功功
率；P通為風電場輸出的有功功率；U、Q-為第i臺風電機組集線的功率損耗。為了進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的正?？刂颇Ｊ讲捎煤愎β室驍?shù)控制或恒電壓控制方式。本發(fā)明同已有技術(shù)相比可產(chǎn)生如下積極效果本發(fā)明是基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法，在風電場送出母線電壓波動大于設(shè)定的門檻值時，如果維持電壓穩(wěn)定所需的無功功率大于該運行方式下的無功限值，則降低有功功率出力，從而增大無功功率的輸出能力，進一步的幫助風電場電壓的恢復(fù)。該方法針對由于風速擾動、負荷變化等引起緩慢且幅度較大的電壓波動，通過調(diào)節(jié)槳距角降低有功出力，從而增加風電場無功功率的調(diào)節(jié)能力來維持風電場出口電壓水平，預(yù)防或避免由于電壓偏差較大引起風電機組進入低電壓穿越模式而造成對電網(wǎng)更大的沖擊。仿真結(jié)果表明，該方法能夠合理的協(xié)調(diào)控制風電場的有功和無功出力，有效的為風電場出口電壓提供無功支持，從而維持接入點電壓 穩(wěn)定性。本發(fā)明提出的功率協(xié)調(diào)控制方法在電壓波動幅度較大的情況下，通過減小有功功率的出力，能夠有效的提高風電場無功功率的輸出能力，增加風電場電壓的控制水平。


圖I為本發(fā)明的原理 圖2為本發(fā)明的流程框 圖3為本發(fā)明的槳距角附加控制 圖4為本發(fā)明的仿真算例示意 圖5為本發(fā)明的風電場出口電壓比較 圖6為本發(fā)明的風電場輸出無功功率對比 圖7為本發(fā)明的風電場輸出無功電流對比 圖8為本發(fā)明的風電場輸出有功功率對比 圖9為本發(fā)明的風電場輸出有功電流對比 圖10為本發(fā)明的等值風電場槳距角變化圖。
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖來進一步說明本發(fā)明的具體實施方式
，并借助仿真算例來驗證本發(fā)明的有效性和可行性。圖I是整個風電場協(xié)調(diào)控制方法原理圖。I)通過檢測風電場電壓判斷是否滿足啟動風電場功率協(xié)調(diào)控制模式條件；當條件不滿足時，風電場機組采取正常的控制模式，可采用恒功率因數(shù)控制也可以采用恒電壓方式控制；當滿足條件時，風電場進入功率協(xié)調(diào)控制模式。2)在功率協(xié)調(diào)控制模式下，計算出風電場有功無功的控制量，然后通過一定的原則分配到風電場內(nèi)的單臺風電機組，作為控制信號調(diào)節(jié)單臺風電機組功率的輸出，進而實現(xiàn)對風電場母線電壓的閉環(huán)控制。圖2是功率協(xié)調(diào)控制模式下的方法框圖，步驟如下
步驟I :實時測量風電場接入點電壓I，并將測量獲得的7_與控制點參考電壓的差值設(shè)置為電壓偏差A(yù)F ；
步驟2 :將電壓偏差A(yù)r與設(shè)定的門檻值進行比較，判斷風電場是否進入功率協(xié)調(diào)
控制模式；如果AF <匕，風電場機組采取正常的控制模式進行無功功率的控制，可采用恒
功率因數(shù)控制也可以采用恒電壓方式控制；如果AF > ,則轉(zhuǎn)至步驟3 ;
步驟3 :風電場機組采用功率協(xié)調(diào)控制模式，設(shè)置0. I秒的延時來防止模式之間的頻繁
切換；將電壓差信號Ar經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到風電場無功電流的參考值/Qcaii，并轉(zhuǎn)至步驟4 ;
PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)的選取要考慮風電場接入地區(qū)電壓/無功靜態(tài)線性有差調(diào)節(jié)特性得到；
步驟4 :判斷風電場無功電流的參考值Zqtmd是否滿足在目前運行方式下的限值條件
Zfiattd >狀姐-4 ;如果不滿足，該參考電流即為實際所需的參考電流為，并
轉(zhuǎn)至步驟7 ;如果滿足，考慮無功參考電流按最大整定，則實際無功參考電流計算公式為
Zfiattd=-4 ,并轉(zhuǎn)至步驟5 ；
步驟5 :此時，為了使得無功參考電流能夠滿足電壓波動的需求，通過降低有功電流的犯法使得無功電流的限值增加，從而增加無功功率的輸出；按照電壓偏差整定的
無功電流參考值來計算有功電流參考值為有功功率的參考值為 Pond ,則轉(zhuǎn)入步驟 6 ;
步驟6 :將有功率參考值和有功功率測量值Ps的差通過PI控制器整定得到槳距
角給定值L ,用一階慣性環(huán)節(jié)來模擬槳距角調(diào)節(jié)機構(gòu)的動態(tài)過程，如圖3所示，并轉(zhuǎn)至步驟7 ;
步驟6中槳距角調(diào)節(jié)大小和速率受物理裝置的限制，為了防止有功調(diào)節(jié)的超調(diào)，造成不必要的有功損失，在無功電流給定值處進行速率限制，限制速率和槳距角調(diào)節(jié)有功功率的速率匹配；
步驟7 :按照每臺風電機組輸出有功功率的比例來分配風電場功率的整定值，這樣可以保證每臺風電機組的功率因數(shù)相等，避免出現(xiàn)個別風電機組有功、無功輸出不
協(xié)調(diào)的情況；考慮風電場匯集線路的損耗，計算公式如下=L召代 +4吣
QasS ~ Qasd Pi!Pmm +Gisi
其中為第i臺風電機組的功率分配值；巧為第i臺風電機組輸出的有功功
率；為風電場輸出的有功功率；、&_為第i臺風電機組集線的功率損耗。為驗證本發(fā)明功率協(xié)調(diào)控制方法的有效性和可行性，在PSASP中搭建了某區(qū)域電網(wǎng)的仿真算例
采用PSASP搭建算例系統(tǒng)驗證本文控制方法的正確性和可行性。某區(qū)域電網(wǎng)風電場并網(wǎng)接線圖如圖4所示。該風電場由100臺I. 5麗的直驅(qū)式風電機組組成。風電機組出口電壓690V，經(jīng)升壓變壓器升至10kV，再經(jīng)過集電線路匯集到風電場母線，經(jīng)主變壓器升到220kV，通過雙回線路送到電網(wǎng)。算例中標么值采用風電場的額定容量為基準值。風電場正常運行電壓波動范圍為0. 90 I. lpu，超出正常電壓波動范圍啟動本文協(xié)調(diào)控制方法模式。風電場無功功率輸出范圍為-0. 2 0. 2pu。設(shè)置負荷擾動引起風電場出口電壓緩慢且較大的波動，對比風電機組采用以下三種模型下風電場的運行特性1)風電機組采用單位功率因數(shù)控制模式；2)風電機組采用恒電壓控制模式；3)風電機組采用本文功率協(xié)調(diào)控制方法模式。假設(shè)負荷在2. 5s 9s之間發(fā)生功率波動，功率消耗在3s之內(nèi)線性增加50%然后恢復(fù)到原有消耗水平，電壓控制點選擇風電場IOkV母線。仿真結(jié)果分析
圖5為在單位功率因數(shù)控制、恒電壓以及本文協(xié)調(diào)控制方法情況下，風電場出口電壓情況比較。可以看出風電場出口母線電壓穩(wěn)態(tài)運行在lpu。負荷增加時，由于模式I不發(fā)無功，風電場電壓隨著負荷變化而發(fā)生較大波動；在負荷變化初期，電壓波動范圍沒有超過設(shè)定值，所以模式2和模式3的電壓波動曲線一致，當風電機組無功出力達到最大值時，模式2 按最大值發(fā)無功，電壓波動范圍繼續(xù)增大，而模式3能夠繼續(xù)增加無功出力,所以電壓波動幅度較小。在負荷波動達到最大值時，三種控制模式下的最大電壓波動值分別為0. 813pu、
0.895pu、0. 981pu?？梢钥闯霾扇”疚目刂品椒ㄏ碌碾妷翰▌臃茸钚?，其次為采取恒電壓控制模式，恒單位功率因數(shù)下電壓波動幅度最大。風電機組進入低電壓穿越的電壓門檻值為0. 9pu時，模式I和模式2均會引起風電機組進入低電壓穿越模式，而模式3即本文提出的控制方法下可以避免。結(jié)論和單位功率因數(shù)控制、恒電壓控制方法比較，本文方法能夠很好的維持風電場出口的電壓水平。圖6對比了三種控制模式下風電場輸出的無功功率情況。在單位功率因數(shù)控制模式下，風電場不發(fā)無功；在恒電壓控制模式下，由于輸出無功功率限制，最大輸出無功功率為0. 2pu ;在本文功率協(xié)調(diào)控制模式下，由于降低了有功功率出力，使得無功功率輸送能力增大，無功功率輸出最大值達到0. 4pu，無功功率輸出能力增加了一倍。圖7為三種控制模式下風電場無功電流情況。在單位功率因數(shù)控制模式下，風電場無功電流為零；在恒電壓控制模式下，由于變流器電流的限制，最大輸出無功功率為
0.2pu ;在本文功率協(xié)調(diào)控制模式下，由于降低了有功電流的值，使得無功電流最大值增大，無功電流最大值達到0. 43pu。結(jié)論和單位功率因數(shù)控制、恒電壓控制方法比較，本文方法增加了無功功率的調(diào)節(jié)能力。圖8比較了三種不同控制方法情況下，有功功率的輸出情況。在單位功率因數(shù)控制模式和恒電壓控制模式下，有功功率基本維持在原有功率水平；在本文協(xié)調(diào)控制方法模式下，為了發(fā)出無功功率，降低了有功功率的輸出，最低降至0. 88pu。圖9比較了三種不同控制方法情況下風電場有功電流情況。在單位功率因數(shù)控制模式下，由于風電場出口電壓降低，為了維持輸出功率，風電場有功電流增加，最大值達到
1.23pu ;在恒電壓控制模式下，由于電壓水平有所增加，風電場有功電流最大值為I. 12pu ；在本文協(xié)調(diào)控制方法模式下，發(fā)出更多無功功率支持風電場出口電壓，降低了有功電流的值，最小的有功功率為0.89pu。結(jié)論和單位功率因數(shù)控制、恒電壓控制方法比較，本文方法降低了有功功率的出力，降低了有功電流的最大值。圖10為在本文協(xié)調(diào)控制方法模式下，等值風電場槳距角的變化情況?？梢钥闯鰳嘟?s中內(nèi)變化了 2. 5°，變化速度遠遠低于槳距角的最大調(diào)節(jié)速度，能 夠滿足本文算法的要求。
權(quán)利要求
1.一種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于其通過檢測風電場電壓判斷是否滿足啟動風電場功率協(xié)調(diào)控制模式條件；當條件不滿足時，風電場機組采取正常的控制模式，當滿足條件時，風電場進入功率協(xié)調(diào)控制模式；在功率協(xié)調(diào)控制模式下，計算出風電場有功無功的控制量，然后分配到風電場內(nèi)的單臺風電機組，作為控制信號調(diào)節(jié)單臺風電機組功率的輸出，進而實現(xiàn)對風電場母線電壓的閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于其包括以下步驟 (I )、 實時測量 風電場接 入點電壓I ,并將測量獲得的與控制點參考電壓的差值設(shè)置為電壓偏差A(yù)F ； (2)、將電壓偏差A(yù)F與設(shè)定的門檻值1>し進行比較，判斷風電場是否進入功率協(xié)調(diào)控制模式，如果風電場機組采取正常的控制模式進行無功功率的控制，如果Afr >な，則轉(zhuǎn)至步驟3; (3)、風電場機組采用功率協(xié)調(diào)控制模式，設(shè)置0.I秒的延時來防止模式之間的頻繁切換；將電壓差信號Ar經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到風電場無功電流的參考值Zqcmd，并轉(zhuǎn)至步驟4 ； (4)、判斷風電場無功電流的參考值/Qtmd是否滿足在目前運行方式下的限值條件Zfltad >ホし-/};如果:不滿足，i亥參=考■電'流_為實際所需的參=考■電'流為Zfltaii = , ^轉(zhuǎn)至步驟7 ;如果滿足，考慮無功參考電流按最大整定，則實際無功參考電流計算公式為Zfltad =孤-4 ,并轉(zhuǎn)至步驟5 ; (5)、按照電壓偏差整定的無功電流參考值來計算有功電流參考值為IF磁=一 ，有功功率的參考值為Pem4 = Uiwttf ,則轉(zhuǎn)入步驟6 ; (6)、將有功率參考值4^和有功功率測量值/ 的差通過PI控制器整定得到槳距角給定值,用一階慣性環(huán)節(jié)來模擬槳距角調(diào)節(jié)機構(gòu)的動態(tài)過程，并轉(zhuǎn)至步驟7 ； (7)、按照每臺風電機組輸出有功功率的比例來分配風電場功率的整定值，計算公式如下一 ^emi, GtisJ — Sdemi zi.l ^su Gtea 其中ね^、2_為第i臺風電機組的功率分配值力第i臺風電機組輸出的有功功率；為風電場輸出的有功功率；、Gfasi為第i臺風電機組集線的功率損耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于所述的正?？刂颇Ｊ讲捎煤愎β室驍?shù)控制或恒電壓控制方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于直驅(qū)式風電機組風電場的功率協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于其通過檢測風電場電壓判斷是否滿足啟動風電場功率協(xié)調(diào)控制模式條件；當條件不滿足時，風電場機組采取正常的控制模式，當滿足條件時，風電場進入功率協(xié)調(diào)控制模式；在功率協(xié)調(diào)控制模式下，計算出風電場有功無功的控制量，然后分配到風電場內(nèi)的單臺風電機組，作為控制信號調(diào)節(jié)單臺風電機組功率的輸出，進而實現(xiàn)對風電場母線電壓的閉環(huán)控制，本發(fā)明增加風電場無功功率的調(diào)節(jié)能力來維持風電場出口電壓水平，預(yù)防或避免對電網(wǎng)更大的沖擊，保證風電場連續(xù)平穩(wěn)的運行，能夠合理的協(xié)調(diào)控制風電場的有功和無功出力，有效的為風電場出口電壓提供無功支持，從而維持接入點電壓穩(wěn)定性。
文檔編號H02J3/38GK102801181SQ20121025922
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者牟欣瑋, 鮑忠偉, 高峰, 王玥婷, 孫安國, 柳成華, 訾鵬, 戴紅陽, 康凱, 張穎, 胡婷婷, 史振宇, 叢志鵬 申請人:山東電力集團公司煙臺供電公司, 中國電力科學研究院