本發(fā)明屬于風力發(fā)電并網(wǎng)無功功率補償控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙饋風機無功發(fā)生能力的風電場群的無功補償方法。
背景技術(shù)：
近幾年風電作為清潔無污染的能源被廣泛推崇利用，然而風電場量化建設(shè)使得我國風電行業(yè)有了量的積累，但沒有質(zhì)的提升，由于我國大部分風場的風機都采用功率因數(shù)為1的恒功率方式運行，這樣運行起來簡單，但是沒有充分利用到雙饋風機能發(fā)出無功功率的特點，而且采用恒功率因數(shù)為1的方式運行的風電場由于雙饋風機只發(fā)出有功功率不發(fā)出無功功率，所以風電場并網(wǎng)時需要配備大容量的無功補償器來補償電網(wǎng)所需的大量的無功功率來保證電壓的穩(wěn)定，然而無功補償設(shè)備的安裝和維護成本很高，而且故障率極高，這也變相增加了風電場的后期維護成本，減小了雙饋風機的發(fā)電效率。我國大部分風電場大都采用的是雙饋電機的風機，這類風機采用定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過換流器接入電網(wǎng)，通過換流器的控制實現(xiàn)有功和無功的解耦控制，且能運行在非單位功率因數(shù)下，通過調(diào)節(jié)功率因數(shù)能夠使得風機發(fā)出一部分無功功率。
針對我國大多數(shù)風電場中的雙饋風機采用功率因數(shù)為1的恒功率運行，沒有充分利用雙饋風機的無功發(fā)生能力，而且風電場群內(nèi)的各個風電場之間缺乏統(tǒng)一合理的無功功率分配方式，朗永強等人在《雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略》(郎永強,張學(xué)廣,徐殿國,等.雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略[j].中國電機工程學(xué)報,2007,27(9):77-82.)中提出了對風電場發(fā)出的無功功率對當?shù)赜脩糁苯友a償，雙饋風機內(nèi)部定轉(zhuǎn)子之間的無功功率互相補償以及各臺風機之間的無功功率互相補償，由于風電場大多建在地廣人稀的地區(qū)，很難有用戶近距離直接進行無功補償，該控制策略強調(diào)的是對單個風電場的無功控制策略，雖然該策略能滿足單個風電場內(nèi)部的無功需求，但是該策略需要對風機做許多控制動作，容易導(dǎo)致風機故障率的提高，并且該策略沒有考慮到多個風電場組成的風電場群的內(nèi)部互補償，資源沒有充分利用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題，提供了一種基于雙饋風機(或風機)無功發(fā)生能力的風電場群的無功補償方法，該方法解決了現(xiàn)有技術(shù)對風電場之間缺乏無功功率信息交互的問題，通過對風電場群內(nèi)各個風電場的有功和無功功率的輸出進行分析，判斷出該風電場對無功功率是欠補償(需要無功功率的補償)還是過補償(有多余的無功功率)，然后通過傳輸線把信息傳到風電場群功率監(jiān)測控制處(對各個風電場的無功功率進行接收，計算和分配的場所)，經(jīng)過對風電場群內(nèi)所有風電場的無功功率的欠補償、過補償進行分配計算實現(xiàn)各個風電場無功的供需平衡。采用本發(fā)明的控制方法能使單個風電場內(nèi)的風機充分發(fā)揮自身的無功發(fā)生能力，減少風電場內(nèi)無功補償設(shè)備的使用容量，不用對現(xiàn)有風電場進行大的改動，控制方法簡單易行，實現(xiàn)風電場之間的無功功率的交互補償。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提供一種基于雙饋風機無功發(fā)生能力的風電場群的無功補償方法，其特征在于該方法的內(nèi)容是：根據(jù)風電場內(nèi)部的輸出的有功功率信息和雙饋電機以及換流器的基本信息，計算出單臺雙饋風機無功極限，然后對每個風電場內(nèi)各單臺雙饋風機無功功率極限求和，得出單個風電場的無功功率調(diào)節(jié)的能力極限，為電網(wǎng)調(diào)度值的設(shè)定提供范圍參考，計算得出各個風電場內(nèi)的無功的極限范圍值，在此基礎(chǔ)上進行風電場群的無功功率分配；獲取各個風電場的無功功率的補償值，對補償值進行順序排序，完成對各有供需的兩兩風電場的無功功率的互相補償，進行多次迭代直到無法完成互相補償，剩余需要補償?shù)牟糠掷孟鄳?yīng)的風電場內(nèi)部的無功補償設(shè)備去完成無功補償，當電網(wǎng)需要大量無功功率時，則可以減少部分雙饋風機的有功輸出，將雙饋風機視為無功源發(fā)出無功，補償電網(wǎng)所需。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
現(xiàn)有技術(shù)大都是根據(jù)單個風電場內(nèi)部雙饋風機的無功功率進行單場的補償，單個風電場有時會過補償，有時會欠補償，只注重單個風電場內(nèi)部的無功功率補償，忽略了風電場之間的無功功率的互相補償；而本發(fā)明側(cè)重風電場群內(nèi)各個風電場之間的無功功率互相補償，建立了各個風電場之間的無功功率的供需聯(lián)系，充分利用雙饋風機自身的無功調(diào)節(jié)能力來對電網(wǎng)進行無功補償，讓各個風電場變?yōu)橐粋€動態(tài)可調(diào)的無功源，減少了各個風電場內(nèi)的無功補償設(shè)備的使用容量，并且以風電場群為依托，把幾個風電場的數(shù)據(jù)綜合處理后優(yōu)化分配給各個風電場無功補償容量任務(wù)，使得風機本身發(fā)出的無功資源利用達到最大化。
附圖說明
圖1是本發(fā)明基于雙饋風機無功發(fā)生能力的風電場群的無功補償方法的控制流程圖；
圖中單個風電場功率監(jiān)測控制處和風電場群功率監(jiān)測控制處均為風電場和風電場群已有的設(shè)備，本發(fā)明只是在這些設(shè)備的基礎(chǔ)上提供無功功率的控制方法，使雙饋風機發(fā)出的無功功率利用達到最大化。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖進一步解釋本發(fā)明，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護范圍的限定。
本發(fā)明基于雙饋風機無功發(fā)生能力的風電場群的無功補償方法(參見圖1)，根據(jù)風電場內(nèi)部的輸出的有功功率信息和雙饋電機以及換流器的基本信息，計算出單臺雙饋風機無功極限，然后對每個風電場內(nèi)各單臺雙饋風機無功功率極限求和，得出單個風電場的無功功率調(diào)節(jié)的能力極限，為電網(wǎng)調(diào)度值的設(shè)定提供范圍參考，計算得出各個風電場內(nèi)的無功的極限范圍值，在此基礎(chǔ)上進行風電場群的無功功率分配；獲取各個風電場的無功功率的補償值，對補償值進行順序排序，完成對各有供需的兩兩風電場的無功功率的互相補償，進行多次迭代直到無法完成互相補償，剩余需要補償?shù)牟糠掷孟鄳?yīng)的風電場內(nèi)部的無功補償設(shè)備去完成無功補償，當電網(wǎng)需要大量無功功率時，則可以減少部分雙饋風機的有功輸出，將雙饋風機視為無功源發(fā)出無功，補償電網(wǎng)所需，這樣通過單個風電場內(nèi)部的有功無功的調(diào)節(jié)和對風電場群的無功功率調(diào)度分配既能夠充分利用雙饋風機的無功發(fā)生能力，又能減少風電場無功補償設(shè)備的使用；
具體步驟如下：
1)計算單臺雙饋風機的無功調(diào)節(jié)范圍：
根據(jù)雙饋風機的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點以及有功和無功功率的輸入輸出特性按照式(1)得到風電場群中單臺雙饋風機輸出無功功率的最大值q單機max和輸出無功功率的最小值q單機min，則風電場群單臺雙饋風機總的輸出的無功功率q單機的極限范圍為：q單機min≤q單機≤q單機max，該極限范圍即為單臺雙饋風機的無功調(diào)節(jié)范圍；
式中，lm和ls分別表示雙饋風機定子間的互感和自感，us表示雙饋風機定子側(cè)的電壓，irmax表示雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器允許流過的最大電流，ps表示雙饋風機定子側(cè)輸出的有功功率，ω1表示雙饋風機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，scmax表示雙饋風機網(wǎng)側(cè)換流器的最大容量；s為轉(zhuǎn)差率；
2)確定風電場群的無功功率分配：
2-1設(shè)定所研究的風電場群中風電場的數(shù)量為m個，m≥3，每個風電場中雙饋風機的數(shù)量為n臺，且各個風電場中雙饋風機數(shù)相同；對單個風電場的所有雙饋風機的無功功率極限求和，即將所有單臺雙饋風機輸出無功功率的最大值求和，同時將所有單臺雙饋風機輸出無功功率的最小值求和，分別得到單個風電場的無功功率出力的最大值q單場max和最小值q單場min，則單個風電場的無功調(diào)節(jié)能力范圍為[q單場min,q單場max]；
2-2風電場群功率監(jiān)測控制處對風電場群的每個風電場下發(fā)無功補償指令，且該無功補償指令q調(diào)度滿足式(2)，
q單場min≤q調(diào)度≤q單場max(2)，
通過式(3)求得無功補償指令與單個風電場發(fā)出的總的無功功率值q單場總的差值δq，所述單個風電場發(fā)出的總的無功功率值q單場總由風電場群功率檢測控制處直接獲得，通過判斷該差值δq的大小對風電場群的無功功率進行控制補償；
δq＝q調(diào)度-q單場總(3)，
若δq＞0，則表示該單個風電場無功發(fā)生，不足以補償雙饋風機所需的無功功率，需要對該風電場進行無功補償，如將其他風電場多余的無功功率補償給該風電場所需的無功功率或是啟用該風電場內(nèi)部的無功補償設(shè)備(svc(靜止無功功率補償設(shè)備))等；
若δq＜0，則表示單個風電場發(fā)出的無功功率除了能夠滿足該風電場內(nèi)部無功功率需求補償外，還有多余的無功功率能夠補償給其他風電場；
2-3根據(jù)步驟2-2求得含有m個風電場的風電場群中所有風電場的無功補償指令與該相應(yīng)的單個風電場發(fā)出的總的無功功率值的差值，該差值分別表示第1個到第m個風電場的無功功率補償差值，將差值按照大小(從大到小或從小到大)順序進行排序，排序后表示為δq1,δq2,…,δqm，將排序好的所有無功功率補償差值按照式(4)首尾兩兩組合相加，得到無功補償之后的值：
δqj*＝δqi+δqm-i+1(4)，
式中，
當m為奇數(shù)時，未進行加和的補償差值參加下一次排序；
若兩兩風電場補償后的加和δqj*≠0，則表示其中一個風電場對另一個風電場沒有完成完整的補償，然后將求得的不為零的δqj*值再次進行大小排序后，繼續(xù)帶入式(4)進行求解；當進行多次排序求和迭代之后得出的值均為同號，即風電場之間只剩下容性補償或感性補償，則該風電場群內(nèi)的風電場之間無法完成互相的補償，需要引入相應(yīng)風電場內(nèi)部的無功補償設(shè)備(svc)進行單個風電場內(nèi)部的自我補償；
svc表示的是單個風電場內(nèi)的無功補償設(shè)備，每個風電場都有，當兩兩風電場進行完無功互相補償后，其中一個風電場會完全得到補償，所以這個風電場就無需進行無功補償，而另一個風電場則需要進行下一輪的補償計算，補償量為δqj*，也就是說最終目的是讓更少的單個風電場內(nèi)部無功補償設(shè)備動作，即使需要單個風電場內(nèi)svc進行補償，也比之前未補償計算的svc啟用的容量要小，從而達到本發(fā)明的目的；
若求得的需要自我補償?shù)闹郸膓j*小于無功補償設(shè)備的最大無功補償容量qsvcmax，則該風電場所需的多余的無功容量直接用無功補償設(shè)備補償；若
本發(fā)明中每個風電場的有功和無功出力都不盡相同的情況，所以無功功率差值全為正和全為負值的情況下均需要直接啟用風電場內(nèi)部的無功補償設(shè)備。本申請針對有無功發(fā)生能力的風機，雙饋風機具有較寬的無功功率調(diào)節(jié)裕度，其他類型風機不適用本申請，含永磁同步電機的風機自身無法調(diào)節(jié)無功功率。
本發(fā)明方法風電場內(nèi)各臺雙饋風機的相關(guān)信息上傳到單個風電場功率監(jiān)測控制處，計算各臺雙饋風機的無功輸出范圍，進而得到各個風電場的無功輸出范圍，風電場群功率監(jiān)測控制處根據(jù)各個風電場的無功輸出范圍下發(fā)調(diào)度無功補償指令到各個風電場的功率監(jiān)測控制處，經(jīng)過補償處理后，將無功調(diào)節(jié)指令(自我補償)下發(fā)到相應(yīng)風電場的各臺雙饋風機或無功功率補償設(shè)備，每臺雙饋風機發(fā)出該給出多少有功和無功的動作或者啟用風電場內(nèi)的無功功率補償設(shè)備，將動作結(jié)果傳輸線傳送到相應(yīng)的單個風電場功率監(jiān)測控制處，然后各個風電場功率監(jiān)測控制處把此次補償結(jié)果傳送到風電場群功率監(jiān)測控制處，為下一次調(diào)度提供參考，實現(xiàn)信息的閉環(huán)反饋控制。
實施例1
本實施例所述風電場群中風電場的數(shù)量m＝5個，每個風電場中有33臺1.5mw的雙饋風機。
本實施例基于雙饋風機無功發(fā)生能力的風電場群的無功補償方法的實現(xiàn)步驟如下：
1)計算單臺雙饋風機的無功調(diào)節(jié)范圍：
1-1根據(jù)風電場內(nèi)各臺雙饋風機上傳到單個風電場功率監(jiān)測控制處的各臺雙饋風機的基本信息對雙饋風機的無功發(fā)生能力范圍進行定量計算：
根據(jù)雙饋風機的輸出功率由定子輸出功率和轉(zhuǎn)子輸出功率共同決定的：
其中p總、q總分別表示雙饋風機出口處輸出的有功功率和無功功率，ps、pr分別為定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)輸出的有功功率，qs、qr分別為定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)輸出的無功功率；
根據(jù)雙饋異步電機的矢量坐標變換，把雙饋電機輸入的三相靜止條件下的三相電壓和磁鏈轉(zhuǎn)化為兩相條件下的d-q-0軸下的兩相分量，變換后的定子側(cè)的有功和無功功率輸出為：
其中us為定子電壓的峰值，達到穩(wěn)定后取恒定的值；lm、ls分別為定子間互感和自感；iqr、idr分別為轉(zhuǎn)子在q、d軸上的電流；ω1為定子的同步旋轉(zhuǎn)角速度；
對(6)、(7)式進行整理得到：
由于雙饋電機的定子側(cè)發(fā)出的有功功率和無功功率的范圍是受定、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的電流限制影響，但是轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的最大電流irmax起主要限制作用：
將式(8)和式(9)式帶入式(10)整理得:
整理求得定子側(cè)的無功范圍：
其中irmax表示轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的最大電流值；
由于轉(zhuǎn)子側(cè)輸出的有功和無功功率是通過網(wǎng)側(cè)換流器直接連接到電網(wǎng)的，有功和無功的交換也發(fā)生在網(wǎng)側(cè)換流器上，所以設(shè)網(wǎng)側(cè)變流器設(shè)計的最大功率為scmax，則網(wǎng)側(cè)換流器自身的的無功能力范圍可用式(13)計算：
求解的網(wǎng)側(cè)換流器的無功范圍可得：
在雙饋異步電機中轉(zhuǎn)子側(cè)有功輸出以及網(wǎng)側(cè)換流器的有功輸出為：
pr＝sps，pc＝pr(15)
其中pc表示網(wǎng)側(cè)換流器的有功輸出，s表示轉(zhuǎn)差率；
把式(15)帶入式(14)中可得：
將式(12)和(16)綜合起來可求得單臺雙饋風機的總的輸出的無功功率的極限范圍：
2)確定風電場群的無功功率分配：
2-1設(shè)定所研究的風電場群中風電場的數(shù)量為5個，每個風電場中1.5mw的雙饋風機的數(shù)量為33臺，且各個風電場中雙饋風機數(shù)相同；對單個風電場的所有雙饋風機的無功功率極限求和，即將所有單臺雙饋風機輸出無功功率的最大值求和，同時將所有單臺雙饋風機輸出無功功率的最小值求和，分別得到單個風電場的無功功率出力的最大值16.27mvar和最小值-16.27mvar，則單個風電場的無功調(diào)節(jié)能力范圍為[-16.27mvar,16.27mvar]；
2-2風電場群功率監(jiān)測控制處對風電場群的每個風電場下發(fā)無功補償指令，且該無功補償指令q調(diào)度滿足式(2)，
q單場min≤q調(diào)度≤q單場max(2)
代入步驟2-1中的數(shù)值為：-16.27mvar≤q調(diào)度≤16.27mvar，其中給定5個風電場的調(diào)度值分別為q1調(diào)度＝7.5mvar，q2調(diào)度＝5mvar，q3調(diào)度＝6.8mvar，q4調(diào)度＝9mvar，q5調(diào)度＝12mvar，5個風電場的調(diào)度指令都滿足(2)式，下角標分別代表風電場代號1到5，通過式(3)求得無功補償指令與單個風電場發(fā)出的總的無功功率值q單場總的差值δq，所述單個風電場發(fā)出的總的無功功率值q單場總由風電場群功率檢測控制處直接獲得，本實施例中各個風電場發(fā)出的總無功功率分別為q1單場總＝13mvar，q2單場總＝7mvar，q3單場總＝8mvar，q4單場總＝5mvar，q5單場總＝4mvar，通過判斷該差值δq的大小對風電場群的無功功率進行控制補償；
δq＝q調(diào)度-q單場總(3)，
從第一個風電場到第五個風電場求得的相應(yīng)的δq分別為：-5.5mvar、-2mvar、-1.2mvar、4mvar、8mvar。
若δq＞0，則表示該單個風電場無功發(fā)生，不足以補償雙饋風機所需的無功功率，需要對該風電場進行無功補償，如將其他風電場多余的無功功率補償給該風電場所需的無功功率或是啟用該風電場內(nèi)部的無功補償設(shè)備(svc(靜止無功功率補償設(shè)備))等；
若δq＜0，則表示單個風電場發(fā)出的無功功率除了能夠滿足該風電場內(nèi)部無功功率需求補償外，還有多余的無功功率能夠補償給其他風電場；
上述第1個風電場、第2個風電場和第3個風電場均為負，表示這三個風電場發(fā)出的無功功率除了能夠滿足各自風電場內(nèi)部無功功率需求補償外，還有多余的無功功率能夠補償給其他風電場；第4個風電場和第5個風電場均為正，表示這兩個風電場無功發(fā)生，不足以補償雙饋風機所需的無功功率，需要對該風電場進行無功補償。
2-3根據(jù)步驟2-2求得含有5個風電場的風電場群中所有風電場的無功補償指令與該相應(yīng)的單個風電場發(fā)出的總的無功功率值的差值，該差值分別表示第1個到第5個風電場的無功功率補償差值，將差值按照從小到大的順序進行排序，排序后表示為δq1＝-5.5mvar，δq2＝-2mvar，δq3＝-1.2mvar，δq4＝4mvar，δq5＝8mvar，將排序好的所有無功功率補償差值按照式(4)首尾兩兩組合相加，得到無功補償之后的值：
δqj*＝δqi+δqm-i+1(4)，
式中，
將排序后的無功差值帶入(4)式得到2.5mvar和2mvar，由于風電場的個數(shù)為奇數(shù)，所以未進行加和的補償差值參加下一次排序，即再次參加排序的數(shù)值為：2.5mvar、-1.2mvar、2mvar；若兩兩風電場補償后的加和δqj*≠0，則表示其中一個風電場對另一個風電場沒有完成完整的補償，然后將求得的不為零的δqj*值再次進行大小排序后，繼續(xù)帶入式(4)進行求解，再次求解得1.3mvar，其中2mvar未進行加和，再次參加排序，此時排序的數(shù)值為1.3mvar、2mvar，即多次排序求和迭代之后得出的值均為同號，即風電場之間只剩下容性補償或感性補償，則該風電場群內(nèi)的風電場之間無法完成互相的補償，需要引入相應(yīng)風電場內(nèi)部的無功補償設(shè)備(svc)進行單個風電場內(nèi)部的自我補償；
經(jīng)過第一次兩兩風電場互相補償，第1個風電場和第2個風電場由于無功功率絕對值較小，所以被完全補償，經(jīng)過第二次排序計算后第3個風電場由于無功功率絕對值小所以得到完全補償，剩余的兩個同號的無功功率補償值分別為第4個風電場和第5個風電場需要補償?shù)臒o功功率值，第4個風電場的補償值為2mvar，第5個風電場的補償值為1.3mvar，
含33臺1.5mw的雙饋風機的風電場svc(無功補償設(shè)備)的最大補償容量為22.5mvar,上面補償結(jié)果都沒有超過svc補償量的最大值，所以計算后的補償值直接用風電場內(nèi)的svc補償即可。補償之后風電場1，風電場2，風電場3都被完全補償，所以不需要相應(yīng)風電場的svc進行補償動作，風電場4需要的補償值為2mvar,風電場5需要的補償值為1.3mvar，相比之前未經(jīng)過本發(fā)明的無功控制方法需要的補償總量減少，單個風電場的補償量也減少。
本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。