兼顾无功充裕性和电压均衡性的风电场无功电压控制方法

技术领域

本发明涉及兼顾无功充裕性和电压均衡性的风电场无功电压控制方法，属于新能源并网安全稳定领域。

背景技术

受风电的随机波动性和间歇性影响，含高比例风电电力系统的电压稳定问题日益严峻，成为影响电网安全稳定运行的重要因素。

大型风电场常接在电网末端，远离负荷中心，导致电网对风电场并网点电压的支撑能力不足，为维持风电场并网点电压的稳定性，需要大量的无功功率来支撑。目前，针对风电场并网点的电压稳定问题，现有的大量的研究报道内容主要集中在多种无功补偿装置间的无功协调控制以及风电场内风电机组间的无功协调控制等两个方面。

利用外置无功补偿装置实现风电场并网点的无功电压控制，在实践中已经取得了良好的效果，有一些风电场功率协调控制策略，可以有效维持大扰动下并网点电压的稳定。但是，目前风电场无功电压控制主要存在以下问题：1）外置的无功补偿装置调压速度慢或使用配置成本高，且没有考虑风电机组自身的无功调节能力；2）研究聚焦于风电场并网点电压控制或者是集群汇集站电压控制，风电场并网后安全稳定运行的根源还在于风电场内部。

大型风电场往往由数十个甚至数百个风电机组经集电系统组成，受集电系统馈线阻抗等因素的影响，馈线末端机组机端电压偏高，容易造成高压脱网。因此在研究风电场无功电压控制策略时，还需要进一步计及场内机端电压的均衡性。各风机变流器的无功电压控制器常采用固定的下垂增益，增益设置不当会导致并网点调压效果的不理想。设置合适的下垂增益，既可以保证风机变流器的正常工作，又可以确保改善并网点电压。

发明内容

本发明的目的在于兼顾无功充裕性和电压均衡性的风电场无功电压控制方法，根据场内每台风电机组的无功充裕性以及距离并网点的电气距离，自适应地调整风电机组无功电压控制器的下垂增益系数，支撑并网点电压的同时，维持场内风电机组端电压的均衡并减少场内有功损耗。

本发明为实现上述发明目的，采用以下实施方案：

一种兼顾无功充裕性和电压均衡性的风电场无功电压控制方法，包括如下步骤：

步骤1：通过分析永磁直驱风电机组的结构和工作原理，构建永磁直驱风电机组的数学模型；

步骤2：基于永磁直驱风电机组的数学模型，分析永磁直驱风电机组的风速-功率特性曲线，建立全风况下风电机组输出有功功率关于输入风速的表达式和风电机组无功充裕性的表达式，得到全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性；

步骤3：分析永磁直驱风电场内电压分布特性的放射式拓扑结构，通过将所述放射式拓扑结构进行等值处理，构建放射式风电场等值模型；通过分析相关因素对风电场并网点电压和风电机组端电压的影响，构建风电场并网点电压与风电场输出有功功率、无功功率的关系，以及风电机组端电压与风机在馈线中的位置相关的风电场输出有功功率的关系；

步骤4：根据永磁直驱风电场内电压的分布特性，通过分析风电场内有功功率损耗产生的因素，构建风电场内总有功损耗计算表达式，分析电气距离对风电场有功损耗的影响；为简化模拟平坦地形的尾流效应，使用Jensen模型分析尾流效应对风电场无功充裕性的影响；

步骤5：基于所述电气距离对风电场有功损耗的影响及尾流效应对风电场无功充裕性的影响，兼顾全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性以及风电机组端电压的均衡性，确定风电机组无功功率控制器自适应增益系数的计算表达式。

优选的，步骤1中，所述永磁直驱风电机组的结构包括风机、永磁同步发电机、全功率变流器和相关控制结构；所述永磁直驱风电机组的工作原理为所述风机利用桨叶捕获风能后将其转换成机械能，所述永磁同步发电机通过连接轴与风机相连，拖动旋转后将机械能转换成交流电能，最后通过所述全功率变流器后并网，所述数学模型包括风机模型、传动系统模型、永磁同步发电机模型和全功率变流器模型；

根据贝兹理论，所述风机模型的风力机输出功率表达式为：

其中，

其中：

叶尖速比

上式中，

所述传动系统模型的表达式为：

其中

所述永磁同步发电机模型的电磁转矩方程为：

其中，

所述全功率变流器模型的表达式为：

其中，

优选的，步骤2中，所述风速-功率特性曲线分为启动阶段、变功率输出阶段、恒功率输出阶段，根据所述风速-功率特性曲线，建立全风况下风电机组输出有功功率关于输入风速的表达式为：

式中，

基于风电机组最大无功调节容量，由风机变流器的视在功率和风电机组输出的有功功率决定，所述风电机组无功充裕性的表达式为：

式中，

由式（9）可知，全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性取决于风机的输入风速和变流器视在功率，给定切入风速、额定风速和切出风速及永磁直驱风电机组参数，得到全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性。

优选的，步骤3中，所述永磁直驱风电场由n×m台风电机组组成，所述放射式拓扑 结构由n条馈线组成，每条馈线上串联有m台永磁直驱风电机组；将所述放射式拓扑结构标 幺化并进行等值，得到放射式风电场等值模型；以无穷大电网电压

式中

所述相关因素包括风电场输出的有功功率、无功功率、外部电网的等值阻抗以及电网电压，当风电场输出的有功功率、无功功率越多时，风电场并网点电压越高，其中无功功率占据主导地位；

则第i条馈线上第j台风电机组端电压的表达式为：

式中，

分析风机在馈线中的位置、箱变阻抗以及风机输出的有功功率和无功功率对风电机组端电压的影响，得到在同一条馈线上，风电机组端电压随着风机台数的增加而逐渐递增，随着场内输出有功功率的增加而逐渐抬升。

优选的，步骤4中，所述风电场内有功功率损耗产生的因素是馈线线路电阻以及箱变电阻；计算不同馈线上每台风电机组到风电场并网点的电气距离以及风电场内总有功损耗，风电场内总有功损耗计算表达式为：

式中，

分析尾流效应对风电场无功充裕性的影响，为简化模拟平坦地形的尾流效应，使 用Jensen模型来分析尾流效应对风电场无功充裕性的影响；根据Jensen模型，

式中，

式中，

优选的，步骤5中， 所述风电机组无功功率控制器自适应增益系数的计算表达式的确定方法如下：

风电机组无功功率控制器的自适应增益系数

式中，

式中，

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据风电场内每台风电机组的无功充裕性以及距离并网点的电气距离，自适应的调整风电机组无功电压控制器的下垂增益系数，支撑并网点电压的同时，维持场内风电机组端电压的均衡并减少场内有功损耗，既可以保证风机变流器的正常工作，又可以确保改善并网点电压；由于风速的大小时刻都在波动变化，因此各个机组的无功充裕性也是随时间变化的，增益系数需要随着输入风速大小的变化而自适应的调整。而自适应增益系数随空间变化，一方面是因为风速的尾流效应，使得不同位置的风电机组具有不同的无功充裕性，另一方面是因为受距离并网点电气距离的影响；当风电机组输入风速大于或等于额定风速时，自适应增益系数设为零，以确保风电机组的安全稳定运行，旨在提高对并网点电压的支撑能力以及减少风电场有功损耗，从而保证永磁直驱风电场并网后的安全稳定运行。

附图说明

图1为永磁直驱风电机组基本结构图；

图2为永磁直驱风电机组的风速-功率特性曲线；

图3为全风况下永磁直驱风电机组无功充裕性；

图4为无功功率控制器自适应增益方案控制框图；

图5为兼顾机组无功充裕性和电压均衡性的风电场无功电压控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图5所示，本实施例介绍一种兼顾机组无功充裕性和电压均衡性的风电场无功电压控制方法，控制方法如下：

步骤1：通过分析永磁直驱风电机组的基本结构和基本工作原理，构建永磁直驱风电机组的数学模型，包括风机数学模型、传动系统模型、永磁同步发电机模型、全功率变流器模型。

步骤2：分析永磁直驱风电机组的风速-功率特性曲线，永磁直驱风电机组的风速-功率特性曲线分为三个阶段，即启动阶段、变功率输出阶段、恒功率输出阶段。建立全风况下风电机组输出有功功率关于输入风速的表达式，从而构建风电机组无功充裕性的表达式，得到全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性。

步骤3：分析永磁直驱风电场内电压分布特性，永磁直驱风电场内电压分布特性为放射式拓扑结构，通过将该放射式拓扑结构进行等值，构建放射式风电场等值模型。通过相关因素对风电场并网点电压和风电机组端电压的影响，构建风电场并网点电压与风电场输出有功功率、无功功率的关系以及风电机组端电压与风机在馈线中的位置的风电场输出有功功率的关系。

步骤4：根据永磁直驱风电场内电压的分布特性，通过分析风电场内有功功率损耗产生的相关因素，得到风电场内总有功损耗计算方法，分析电气距离对风电场有功损耗的影响。简化模拟平坦地形的尾流效应，使用Jensen模型分析尾流效应对风电场无功充裕性的影响。

步骤5：综合考虑到全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性以及风电机组端电压的均衡性，提出一种风电机组无功功率控制器自适应增益系数的计算方法，旨在提高对并网点电压的支撑能力以及减少风电场有功损耗，从而保证永磁直驱风电场并网后的安全稳定运行。

如图1所示，步骤1中，永磁直驱风电机组的基本结构包括风机、永磁同步发电机、全功率变流器（机侧、网侧变流器）和相关控制结构。永磁直驱风电机组的工作原理为：风机利用桨叶捕获风能后将其转换成机械能，永磁同步发电机通过连接轴与风机相连，拖动旋转后将机械能转换成交流电能，最后通过全功率变流器后并网。为构建永磁直驱风电机组的数学模型，分别构建风机模型、传动系统模型、永磁同步发电机模型、全功率变流器模型等。根据贝兹理论，风机输出的机械功率为：

其中，

其中：

叶尖速比

永磁直驱风电机组的传动系统模型为：

其中

永磁同步发电机的电磁转矩方程为：

其中，

全功率变流器主要由机侧变流器、网侧变流器、直流电容等组成，忽略变流器有功损耗，全功率变流器模型表达式为：

其中，

如图2所示，步骤2中，分析永磁直驱风电机组的风速-功率特性，得到其风速功率特性曲线，可分为以下三个阶段：启动阶段A~B、变功率输出阶段B~D、恒功率输出阶段D~E。根据风电机组的风速-功率特性曲线，忽略风机变流器的有功损耗，建立全风况下风电机组输出有功功率关于输入风速的表达式为：

式中，

根据永磁直驱风电机组的无功充裕性定义，即风电机组最大无功调节容量，由风机变流器的视在功率和风电机组输出的有功功率决定，则风电机组无功充裕性表达式为：

式中，

由式（9）可知，全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性取决于风机的输入风速和变流器视在功率。给定切入风速、额定风速和切出风速及永磁直驱风电机组参数，得到全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性如图3所示。

步骤3中，由于单个风电机组容量较小，大型风电场通常由n×m台风电机组组成，永磁直驱风电场的集电系统的典型结构为放射式结构，由n条馈线组成，每条馈线上串联有m台永磁直驱风电机组。将永磁直驱风电场放射式拓扑结构标幺化并进行等值，得到的放射式风电场等值模型，以无穷大电网电压

式中，

分析风电场输出的有功功率、无功功率、外部电网的等值阻抗以及电网电压对风电场并网点电压的影响，得到若不考虑风机变流器额定容量对风电机组输出无功的限制，当风电场输出的有功功率、无功功率越多时，风电场并网点电压越高，其中无功功率占据主导地位。以第i条馈线为例分析该条馈线上第j台风电机组端电压的表达式为：

式中，

由此可知风电机组端电压与集电系统馈路阻抗、风机在馈线中的位置、箱变阻抗以及风机输出的有功功率和无功功率密切相关。进而再分析风机在馈线中的位置、箱变阻抗以及风机输出的有功功率和无功功率对风电机组端电压的影响，得到在同一条馈线上，风电机组端电压随着风机台数的增加而逐渐递增，随着场内输出有功功率的增加而逐渐抬升。

步骤4中，根据永磁直驱风电场内电压的分布特性，分析电气距离对风电场有功损耗的影响。风电场内有功功率损耗产生的相关因素是馈线线路电阻

式中，

当

式中，

式中，

步骤5中，基于电气距离对风电场有功损耗的影响及尾流效应对风电场无功充裕 性的影响，兼顾全风况下永磁直驱风电机组的无功充裕性以及风电机组端电压的均衡性， 提出风电机组无功功率控制器自适应增益系数的计算方法，无功功率控制器自适应增益方 案的控制框图如图4所示，

其中

式中，

由于风速的大小时刻都在波动变化，因此各个机组的无功充裕性也是随时间变化的，增益系数需要随着输入风速大小的变化而自适应的调整。而自适应增益系数随空间变化，一方面是因为风速的尾流效应，使得不同位置的风电机组具有不同的无功充裕性，另一方面是因为受距离并网点电气距离的影响。当风电机组输入风速大于或等于额定风速时，自适应增益系数设为零，以确保风电机组的安全稳定运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。