基于双馈风机无功发生能力的风电场群的无功补偿方法

摘要

本发明基于双馈风机无功发生能力的风电场群的无功补偿方法，其特征在于该方法的内容是：根据风电场内部的输出的有功功率信息和双馈电机以及换流器的基本信息，计算出单台双馈风机无功极限，然后对每个风电场内各单台双馈风机无功功率极限求和，得出单个风电场的无功功率调节的能力极限，为电网调度值的设定提供范围参考，计算得出各个风电场内的无功的极限范围值，在此基础上进行风电场群的无功功率分配；获取各个风电场的无功功率的补偿值，对补偿值进行顺序排序，完成对各有供需的两两风电场的无功功率的互相补偿，进行多次迭代直到无法完成互相补偿，剩余需要补偿的部分利用相应的风电场内部的无功补偿设备去完成无功补偿。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电并网无功功率补偿控制技术领域，具体涉及一种基于双馈风机无功发生能力的风电场群的无功补偿方法。

背景技术

近几年风电作为清洁无污染的能源被广泛推崇利用，然而风电场量化建设使得我国风电行业有了量的积累，但没有质的提升，由于我国大部分风场的风机都采用功率因数为1的恒功率方式运行，这样运行起来简单，但是没有充分利用到双馈风机能发出无功功率的特点，而且采用恒功率因数为1的方式运行的风电场由于双馈风机只发出有功功率不发出无功功率，所以风电场并网时需要配备大容量的无功补偿器来补偿电网所需的大量的无功功率来保证电压的稳定，然而无功补偿设备的安装和维护成本很高，而且故障率极高，这也变相增加了风电场的后期维护成本，减小了双馈风机的发电效率。我国大部分风电场大都采用的是双馈电机的风机，这类风机采用定转子结构，定子直接接入电网，转子通过换流器接入电网，通过换流器的控制实现有功和无功的解耦控制，且能运行在非单位功率因数下，通过调节功率因数能够使得风机发出一部分无功功率。

针对我国大多数风电场中的双馈风机采用功率因数为1的恒功率运行，没有充分利用双馈风机的无功发生能力，而且风电场群内的各个风电场之间缺乏统一合理的无功功率分配方式，朗永强等人在《双馈电机风电场无功功率分析及控制策略》(郎永强,张学广,徐殿国,等.双馈电机风电场无功功率分析及控制策略[J].中国电机工程学报,2007,27(9):77-82.)中提出了对风电场发出的无功功率对当地用户直接补偿，双馈风机内部定转子之间的无功功率互相补偿以及各台风机之间的无功功率互相补偿，由于风电场大多建在地广人稀的地区，很难有用户近距离直接进行无功补偿，该控制策略强调的是对单个风电场的无功控制策略，虽然该策略能满足单个风电场内部的无功需求，但是该策略需要对风机做许多控制动作，容易导致风机故障率的提高，并且该策略没有考虑到多个风电场组成的风电场群的内部互补偿，资源没有充分利用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题，提供了一种基于双馈风机(或风机)无功发生能力的风电场群的无功补偿方法，该方法解决了现有技术对风电场之间缺乏无功功率信息交互的问题，通过对风电场群内各个风电场的有功和无功功率的输出进行分析，判断出该风电场对无功功率是欠补偿(需要无功功率的补偿)还是过补偿(有多余的无功功率)，然后通过传输线把信息传到风电场群功率监测控制处(对各个风电场的无功功率进行接收，计算和分配的场所)，经过对风电场群内所有风电场的无功功率的欠补偿、过补偿进行分配计算实现各个风电场无功的供需平衡。采用本发明的控制方法能使单个风电场内的风机充分发挥自身的无功发生能力，减少风电场内无功补偿设备的使用容量，不用对现有风电场进行大的改动，控制方法简单易行，实现风电场之间的无功功率的交互补偿。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种基于双馈风机无功发生能力的风电场群的无功补偿方法，其特征在于该方法的内容是：根据风电场内部的输出的有功功率信息和双馈电机以及换流器的基本信息，计算出单台双馈风机无功极限，然后对每个风电场内各单台双馈风机无功功率极限求和，得出单个风电场的无功功率调节的能力极限，为电网调度值的设定提供范围参考，计算得出各个风电场内的无功的极限范围值，在此基础上进行风电场群的无功功率分配；获取各个风电场的无功功率的补偿值，对补偿值进行顺序排序，完成对各有供需的两两风电场的无功功率的互相补偿，进行多次迭代直到无法完成互相补偿，剩余需要补偿的部分利用相应的风电场内部的无功补偿设备去完成无功补偿，当电网需要大量无功功率时，则可以减少部分双馈风机的有功输出，将双馈风机视为无功源发出无功，补偿电网所需。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有技术大都是根据单个风电场内部双馈风机的无功功率进行单场的补偿，单个风电场有时会过补偿，有时会欠补偿，只注重单个风电场内部的无功功率补偿，忽略了风电场之间的无功功率的互相补偿；而本发明侧重风电场群内各个风电场之间的无功功率互相补偿，建立了各个风电场之间的无功功率的供需联系，充分利用双馈风机自身的无功调节能力来对电网进行无功补偿，让各个风电场变为一个动态可调的无功源，减少了各个风电场内的无功补偿设备的使用容量，并且以风电场群为依托，把几个风电场的数据综合处理后优化分配给各个风电场无功补偿容量任务，使得风机本身发出的无功资源利用达到最大化。

附图说明

图1是本发明基于双馈风机无功发生能力的风电场群的无功补偿方法的控制流程图；

图中单个风电场功率监测控制处和风电场群功率监测控制处均为风电场和风电场群已有的设备，本发明只是在这些设备的基础上提供无功功率的控制方法，使双馈风机发出的无功功率利用达到最大化。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明基于双馈风机无功发生能力的风电场群的无功补偿方法(参见图1)，根据风电场内部的输出的有功功率信息和双馈电机以及换流器的基本信息，计算出单台双馈风机无功极限，然后对每个风电场内各单台双馈风机无功功率极限求和，得出单个风电场的无功功率调节的能力极限，为电网调度值的设定提供范围参考，计算得出各个风电场内的无功的极限范围值，在此基础上进行风电场群的无功功率分配；获取各个风电场的无功功率的补偿值，对补偿值进行顺序排序，完成对各有供需的两两风电场的无功功率的互相补偿，进行多次迭代直到无法完成互相补偿，剩余需要补偿的部分利用相应的风电场内部的无功补偿设备去完成无功补偿，当电网需要大量无功功率时，则可以减少部分双馈风机的有功输出，将双馈风机视为无功源发出无功，补偿电网所需，这样通过单个风电场内部的有功无功的调节和对风电场群的无功功率调度分配既能够充分利用双馈风机的无功发生能力，又能减少风电场无功补偿设备的使用；

具体步骤如下：

1)计算单台双馈风机的无功调节范围：

根据双馈风机的定转子结构特点以及有功和无功功率的输入输出特性按照式(1)得到风电场群中单台双馈风机输出无功功率的最大值Q_单机max和输出无功功率的最小值Q_单机min，则风电场群单台双馈风机总的输出的无功功率Q_单机的极限范围为：Q_单机min≤Q_单机≤Q_单机max，该极限范围即为单台双馈风机的无功调节范围；

式中，L_m和L_s分别表示双馈风机定子间的互感和自感，U_s表示双馈风机定子侧的电压，I_rmax表示双馈风机转子侧换流器允许流过的最大电流，P_s表示双馈风机定子侧输出的有功功率，ω₁表示双馈风机的转子转速，S_cmax表示双馈风机网侧换流器的最大容量；s为转差率；

2)确定风电场群的无功功率分配：

2-1设定所研究的风电场群中风电场的数量为m个，m≥3，每个风电场中双馈风机的数量为n台，且各个风电场中双馈风机数相同；对单个风电场的所有双馈风机的无功功率极限求和，即将所有单台双馈风机输出无功功率的最大值求和，同时将所有单台双馈风机输出无功功率的最小值求和，分别得到单个风电场的无功功率出力的最大值Q_单场max和最小值Q_单场min，则单个风电场的无功调节能力范围为[Q_单场min,Q_单场max]；

2-2风电场群功率监测控制处对风电场群的每个风电场下发无功补偿指令，且该无功补偿指令Q_调度满足式(2)，

Q_单场min≤Q_调度≤Q_单场max>

通过式(3)求得无功补偿指令与单个风电场发出的总的无功功率值Q_单场总的差值ΔQ，所述单个风电场发出的总的无功功率值Q_单场总由风电场群功率检测控制处直接获得，通过判断该差值ΔQ的大小对风电场群的无功功率进行控制补偿；

ΔQ＝Q_调度-Q_单场总>

若ΔQ＞0，则表示该单个风电场无功发生，不足以补偿双馈风机所需的无功功率，需要对该风电场进行无功补偿，如将其他风电场多余的无功功率补偿给该风电场所需的无功功率或是启用该风电场内部的无功补偿设备(SVC(静止无功功率补偿设备))等；

若ΔQ＜0，则表示单个风电场发出的无功功率除了能够满足该风电场内部无功功率需求补偿外，还有多余的无功功率能够补偿给其他风电场；

2-3根据步骤2-2求得含有m个风电场的风电场群中所有风电场的无功补偿指令与该相应的单个风电场发出的总的无功功率值的差值，该差值分别表示第1个到第m个风电场的无功功率补偿差值，将差值按照大小(从大到小或从小到大)顺序进行排序，排序后表示为ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_m，将排序好的所有无功功率补偿差值按照式(4)首尾两两组合相加，得到无功补偿之后的值：

ΔQ_j^*＝ΔQ_i+ΔQ_m-i+1(4)，

式中，表示两个风电场无功功率补偿差值的加和，ΔQ_i表示排序后的第i个风电场的无功功率溢出量，ΔQ_m-i+1表示排序后的第m-i+1个风电场的无功功率溢出量，此时

当m为奇数时，未进行加和的补偿差值参加下一次排序；

若两两风电场补偿后的加和ΔQ_j^*≠0，则表示其中一个风电场对另一个风电场没有完成完整的补偿，然后将求得的不为零的ΔQ_j^*值再次进行大小排序后，继续带入式(4)进行求解；当进行多次排序求和迭代之后得出的值均为同号，即风电场之间只剩下容性补偿或感性补偿，则该风电场群内的风电场之间无法完成互相的补偿，需要引入相应风电场内部的无功补偿设备(SVC)进行单个风电场内部的自我补偿；

SVC表示的是单个风电场内的无功补偿设备，每个风电场都有，当两两风电场进行完无功互相补偿后，其中一个风电场会完全得到补偿，所以这个风电场就无需进行无功补偿，而另一个风电场则需要进行下一轮的补偿计算，补偿量为ΔQ_j^*，也就是说最终目的是让更少的单个风电场内部无功补偿设备动作，即使需要单个风电场内SVC进行补偿，也比之前未补偿计算的SVC启用的容量要小，从而达到本发明的目的；

若求得的需要自我补偿的值ΔQ_j^*小于无功补偿设备的最大无功补偿容量Q_svcmax，则该风电场所需的多余的无功容量直接用无功补偿设备补偿；若则该风电场内的无功补偿设备无法满足相应风电场内的无功需求，需要减少该风电场内部的双馈风机的有功功率的输出量，增加双馈风机的无功功率发生，从而完成对风电场群的无功功率的补偿。

本发明中每个风电场的有功和无功出力都不尽相同的情况，所以无功功率差值全为正和全为负值的情况下均需要直接启用风电场内部的无功补偿设备。本申请针对有无功发生能力的风机，双馈风机具有较宽的无功功率调节裕度，其他类型风机不适用本申请，含永磁同步电机的风机自身无法调节无功功率。

本发明方法风电场内各台双馈风机的相关信息上传到单个风电场功率监测控制处，计算各台双馈风机的无功输出范围，进而得到各个风电场的无功输出范围，风电场群功率监测控制处根据各个风电场的无功输出范围下发调度无功补偿指令到各个风电场的功率监测控制处，经过补偿处理后，将无功调节指令(自我补偿)下发到相应风电场的各台双馈风机或无功功率补偿设备，每台双馈风机发出该给出多少有功和无功的动作或者启用风电场内的无功功率补偿设备，将动作结果传输线传送到相应的单个风电场功率监测控制处，然后各个风电场功率监测控制处把此次补偿结果传送到风电场群功率监测控制处，为下一次调度提供参考，实现信息的闭环反馈控制。

实施例1

本实施例所述风电场群中风电场的数量m＝5个，每个风电场中有33台1.5MW的双馈风机。

本实施例基于双馈风机无功发生能力的风电场群的无功补偿方法的实现步骤如下：

1)计算单台双馈风机的无功调节范围：

1-1根据风电场内各台双馈风机上传到单个风电场功率监测控制处的各台双馈风机的基本信息对双馈风机的无功发生能力范围进行定量计算：

根据双馈风机的输出功率由定子输出功率和转子输出功率共同决定的：

其中P_总、Q_总分别表示双馈风机出口处输出的有功功率和无功功率，P_s、P_r分别为定子侧和转子侧输出的有功功率，Q_s、Q_r分别为定子侧和转子侧输出的无功功率；

根据双馈异步电机的矢量坐标变换，把双馈电机输入的三相静止条件下的三相电压和磁链转化为两相条件下的d-q-0轴下的两相分量，变换后的定子侧的有功和无功功率输出为：

其中U_s为定子电压的峰值，达到稳定后取恒定的值；L_m、L_s分别为定子间互感和自感；i_qr、i_dr分别为转子在q、d轴上的电流；ω₁为定子的同步旋转角速度；

对(6)、(7)式进行整理得到：

由于双馈电机的定子侧发出的有功功率和无功功率的范围是受定、转子绕组和转子侧换流器的电流限制影响，但是转子侧换流器的最大电流I_rmax起主要限制作用：

将式(8)和式(9)式带入式(10)整理得:

整理求得定子侧的无功范围：

其中I_rmax表示转子侧换流器的最大电流值；

由于转子侧输出的有功和无功功率是通过网侧换流器直接连接到电网的，有功和无功的交换也发生在网侧换流器上，所以设网侧变流器设计的最大功率为S_cmax，则网侧换流器自身的的无功能力范围可用式(13)计算：

求解的网侧换流器的无功范围可得：

在双馈异步电机中转子侧有功输出以及网侧换流器的有功输出为：

P_r＝sP_S，P_c＝P_r>

其中P_c表示网侧换流器的有功输出，s表示转差率；

把式(15)带入式(14)中可得：

将式(12)和(16)综合起来可求得单台双馈风机的总的输出的无功功率的极限范围：

2)确定风电场群的无功功率分配：

2-1设定所研究的风电场群中风电场的数量为5个，每个风电场中1.5MW的双馈风机的数量为33台，且各个风电场中双馈风机数相同；对单个风电场的所有双馈风机的无功功率极限求和，即将所有单台双馈风机输出无功功率的最大值求和，同时将所有单台双馈风机输出无功功率的最小值求和，分别得到单个风电场的无功功率出力的最大值16.27MVar和最小值-16.27MVar，则单个风电场的无功调节能力范围为[-16.27MVar,16.27MVar]；

2-2风电场群功率监测控制处对风电场群的每个风电场下发无功补偿指令，且该无功补偿指令Q_调度满足式(2)，

Q_单场min≤Q_调度≤Q_单场max(2)

代入步骤2-1中的数值为：-16.27MVar≤Q_调度≤16.27MVar，其中给定5个风电场的调度值分别为Q_1调度＝7.5MVar，Q_2调度＝5MVar，Q_3调度＝6.8MVar，Q_4调度＝9MVar，Q_5调度＝12MVar，5个风电场的调度指令都满足(2)式，下角标分别代表风电场代号1到5，通过式(3)求得无功补偿指令与单个风电场发出的总的无功功率值Q_单场总的差值ΔQ，所述单个风电场发出的总的无功功率值Q_单场总由风电场群功率检测控制处直接获得，本实施例中各个风电场发出的总无功功率分别为Q_1单场总＝13MVar，Q_2单场总＝7MVar，Q_3单场总＝8MVar，Q_4单场总＝5MVar，Q_5单场总＝4MVar，通过判断该差值ΔQ的大小对风电场群的无功功率进行控制补偿；

ΔQ＝Q_调度-Q_单场总>

从第一个风电场到第五个风电场求得的相应的ΔQ分别为：-5.5MVar、-2MVar、-1.2MVar、4MVar、8MVar。

若ΔQ＞0，则表示该单个风电场无功发生，不足以补偿双馈风机所需的无功功率，需要对该风电场进行无功补偿，如将其他风电场多余的无功功率补偿给该风电场所需的无功功率或是启用该风电场内部的无功补偿设备(SVC(静止无功功率补偿设备))等；

若ΔQ＜0，则表示单个风电场发出的无功功率除了能够满足该风电场内部无功功率需求补偿外，还有多余的无功功率能够补偿给其他风电场；

上述第1个风电场、第2个风电场和第3个风电场均为负，表示这三个风电场发出的无功功率除了能够满足各自风电场内部无功功率需求补偿外，还有多余的无功功率能够补偿给其他风电场；第4个风电场和第5个风电场均为正，表示这两个风电场无功发生，不足以补偿双馈风机所需的无功功率，需要对该风电场进行无功补偿。

2-3根据步骤2-2求得含有5个风电场的风电场群中所有风电场的无功补偿指令与该相应的单个风电场发出的总的无功功率值的差值，该差值分别表示第1个到第5个风电场的无功功率补偿差值，将差值按照从小到大的顺序进行排序，排序后表示为ΔQ₁＝-5.5MVar，ΔQ₂＝-2MVar，ΔQ₃＝-1.2MVar，ΔQ₄＝4MVar，ΔQ₅＝8MVar，将排序好的所有无功功率补偿差值按照式(4)首尾两两组合相加，得到无功补偿之后的值：

ΔQ_j^*＝ΔQ_i+ΔQ_m-i+1(4)，

式中，表示两个风电场无功功率补偿差值的加和，ΔQ_i表示排序后的第i个风电场的无功功率溢出量，ΔQ_m-i+1表示排序后的第m-i+1个风电场的无功功率溢出量，此时j＝1,2,3；

将排序后的无功差值带入(4)式得到2.5MVar和2MVar，由于风电场的个数为奇数，所以未进行加和的补偿差值参加下一次排序，即再次参加排序的数值为：2.5MVar、-1.2MVar、2MVar；若两两风电场补偿后的加和ΔQ_j^*≠0，则表示其中一个风电场对另一个风电场没有完成完整的补偿，然后将求得的不为零的ΔQ_j^*值再次进行大小排序后，继续带入式(4)进行求解，再次求解得1.3MVar，其中2MVar未进行加和，再次参加排序，此时排序的数值为1.3MVar、2MVar，即多次排序求和迭代之后得出的值均为同号，即风电场之间只剩下容性补偿或感性补偿，则该风电场群内的风电场之间无法完成互相的补偿，需要引入相应风电场内部的无功补偿设备(SVC)进行单个风电场内部的自我补偿；

经过第一次两两风电场互相补偿，第1个风电场和第2个风电场由于无功功率绝对值较小，所以被完全补偿，经过第二次排序计算后第3个风电场由于无功功率绝对值小所以得到完全补偿，剩余的两个同号的无功功率补偿值分别为第4个风电场和第5个风电场需要补偿的无功功率值，第4个风电场的补偿值为2MVar，第5个风电场的补偿值为1.3MVar，

含33台1.5MW的双馈风机的风电场SVC(无功补偿设备)的最大补偿容量为22.5MVar,上面补偿结果都没有超过SVC补偿量的最大值，所以计算后的补偿值直接用风电场内的SVC补偿即可。补偿之后风电场1，风电场2，风电场3都被完全补偿，所以不需要相应风电场的SVC进行补偿动作，风电场4需要的补偿值为2MVar,风电场5需要的补偿值为1.3MVar，相比之前未经过本发明的无功控制方法需要的补偿总量减少，单个风电场的补偿量也减少。

本发明未述及之处适用于现有技术。