[发明专利]降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制系统及方法

权利要求书

1.降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制系统，其特征在于：包括：风电场AVC子站、风力发电机及无功补偿装置SVC；具本是由风电场AVC子站分别与风力发电机服务器、风电场AGC、无功补偿装置SVC及调度主站相连接。

2.降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制系统的控制方法，其特征在于：包括风电场AVC子站、风力发电机及无功补偿装置SVC；还包括处理器、存储模块、输入输出模块、MODBUS(TCP/IP)通信接口、检测模块、服务器；处理器执行控制算法，对存储模块和输入输出模块进行调用；输入输出模块通过MODBUS(TCP/IP)通信接口与检测模块通信，并通过服务器与各台风机的SCADA进行通信。

3.根据权利要求1和2所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制系统的控制方法，其特征在于：所述的风电场AVC子站与风电场现有的能量管理平台交换的信息包括风电场信息、风电场SVC设备的状态信息及控制指令，与风机服务器交换的信息包括各风机实时状态信息及控制指令；风电场AVC子站无功或电压目标值直接下发给风电场SVC，由风电场SVC进行调控；

AVC子站系统具备通信、采集、控制、计算、存储、监视、参数设置等功能；风力发电机具备无功输出能力，且风机SCADA能够被AVC系统控制；无功补偿装置主要为SVC或SVG，SVC和SVG均可以通过对控制器下发无功或电压指令实现无功的平滑调节；主变分接头能够对高压母线电压进行调节。

4.根据权利要求1和2所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制系统的控制方法，其特征在于：步骤如下：

第一步，AVC控制系统判断电压偏差值是否越限，将并网点实时电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，得到电压偏差值：

ΔU＝|U_mean-U_target|   （1）；

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中ΔU为的幅值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定；

第二步，首先实测当前各风机有功输出值P_gen，由风机有功与无功输出的约束关系每台风机实时最大输出能力Q_reg(i)＝λP_gen(i)，然后AVC系统设定的风电机组无功参考值总共为Q_Wref，即风机总无功出力给定其中风机最大无功约束条件为：

PW1-λL2λL≤Qreg≤PW1-λH2λH---(2);]]>

式中λ为风机的功率因数，风机正常工作情况下的功率因数范围为λ_L≤λ≤λ_H，由式（2）可以看出，当风机满发时，将失去无功调节能力；

单台风机输出无功功率的极限计算公式为：

Qregmax=|U1|Xm2X12Irmax2-Pk2-|U1|X12Qregmin=|U1|X12-|U1|Xm2X12Irmax2-Pk2---(3);]]>

式中U₁为风机定子端电压，P_k为风机出口有功功率，X₁为定子漏抗与励磁电抗之和，I_rmax为变流器电流限定值，一般为变流器额定电流的1.5倍；

第三步，通过电压与无功的关系，计算出无功功率补偿量：

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4）；

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5）；

式（4）、（5）中，ΔQ为无功功率变化量，S_sc为系统母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部由风机发，此时，单台风机无功给定值为Q_reg(i)＝ΔQ×Q_reg(i)/Q_Wref；

若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC系统将给出调节主变分接头的告警提示；

第四步，风电场内部引起功率损耗主要风机箱变、集电线路、主变和集中无功补偿装置，而在一定风速下，风机有功功率已定，为了使风电场输出功率最大化，需使风电场场内总有功功率损耗最小，总功率损耗：

ΔPΣ(S,V)=P0(V)+PS(S,V)+PLL(S,V)+Psvc=(VVN)2·PN0+(SSN)2·(VNV)·PNS+(SSN)2·(VNV)·PNL+Psvc---(6)]]>

式中ΔP_Σ为风电场总的功率损耗，P₀为变压器空载损耗，P_S为变压器短路损耗，P_LL为线路损耗，V为变压器运行电压值，V_N为变压器额定电压值，S为变压器运行视在功率值，S_N为变压器额定视在功率值，P_N0为变压器额定空载损耗，P_NS为变压器额定短路损耗，P_NL为线路额定功率损耗，P_svc为无功补偿装置的功率损耗；

设定风电场总功率损耗ΔP_Σ为目标函数，由于所有串连在一条集电线路上的设备功率损耗：

P=I2R=(SN/3UN)2R=(Pgen×n/cosφ/k/3UN)2R---(7);]]>

其中cosφ=λ，n为风机总台数，k为实际电压占额定电压的百分比；

无功补偿装置的功率损耗P_svc包括固定电容器组的固定损耗和TCR支路中电抗器的损耗，实际运用中，电抗器的损耗随电压而变化，但是变化不大，对10Mvar-50Mvar的TCR型SVC而言，其损耗约为容量的0.5%-0.7%，可以根据风电场实际情况设定为已知量；

所以由公式（5）-（7）可知，风电场总功率损耗ΔP_Σ只与各个风力发电机的无功功率Q_W有关，将公式（6）转换为风机无功最有分配的目标函数为：

T＝ΔP_Σ(S,V)＝ΔP_Σ(Q_gen)   （8）；

第五步，对目标函数T进行求最小值处理，求出目标函数存在最小值时风力发机的无功功率值风电机组总体输出能力为而该过程需考虑风电场内无功功率平衡的约束条件：

PW1-λL2λL≤Qreg≤PW1-λH2λHQregmin≤Qreg≤Qregmax---(9);]]>

ΔQ=QWref*+QSVC-ΔQΣ---(10);]]>

其中：为风电场风电机组总体输出能力；

ΔQ为无功功率变化量，即风电场总无功功率的调度值；

ΔQ_Σ为风电场总无功损耗，可以用风机无功表示；

第六步，通过对Q_Wref和进行比较，如果则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果则风机无功给定为此时集中无功补偿装置无功给定为其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗。

5.根据权利要求4所述的降低风电场功率损耗的风电场AVC无功控制系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤如下：

第一步，通过实时测量并网点的电压U_mean与调度中心下达的并网点目标电压U_target进行比较，将U_mean与U_target进行比较，判断电压偏差值是否越限，

ΔU＝|U_mean-U_target|   （1）；

为了防止设备的频繁调节，设置电压死区范围，设置范围为ΔU≤0.01，其中ΔU为的幅值；如果电压偏差值ΔU小于死区模块的阈值，则中止本次程序执行，风电场无功保持上一时刻给定值；如果电压偏差值ΔU大于误差死区模块的阈值时，则进行下一步的无功整定；

第二步，计算出风机实时无功输出能力：

Qreg=λPgenQWref=Σk=1nQreg---(2);]]>

其中Q_reg的约束条件为：

PW1-λL2λL≤Qreg≤PW1-λH2λHQregmin≤Qreg≤Qregmax---(3);]]>

第三步，计算出无功功率补偿量：

ΔU＝ΔQ/S_sc   （4）；

S_sc＝(U_now-U_last)/(ΣQ_now/U_now-ΣQ_last/U_last)   （5）；

式中，ΔQ为，S_sc为系统母线侧的短路容量，ΣQ_now、ΣQ_last为上次总无功和当前总无功，U_last、U_now上次母线电压、当前母线电压。若总无功功率需求ΔQ大于风机总体无功输出能力Q_Wref，则进入第四步；若ΔQ≤Q_Wref，则所需无功全部由风机发；若|Q_SVCmax+Q_Wref|≤|ΔQ|，则AVC系统将给出调节主变分接头的告警提示；

第四步，建立风力发电机组无功功率与风电场损耗之间的目标函数：

T＝ΔP_Σ(S,V)＝P₀(V)+P_S(S,V)+P_LL(S,V)+P_svc＝ΔP_Σ(Q_gen)   （6）；

约束条件：

Qregmin≤Qreg≤QregmaxPW1-λL2λL≤Qreg≤PW1-λH2λHΔQ=QWref*+QSVC-ΔQΣ---(7);]]>

对目标函数求偏导，进行最小化处理，获得时风电场损耗最小的风机总无功出力

第五步，通过对Q_Wref和进行比较，如果则风机无功给定为Q_reg，集中无功补偿装置无功给定为Q_svc＝ΔQ-Q_Wref-Q_T-Q_LL；如果则风机无功给定为此时集中无功补偿装置无功给定为其中Q_T和Q_LL分别为变压器和线路无功损耗；

第六步，AVC子站将各台风机和集中无功补偿装置的无功功率整定值作为控制指令，发送至各风电机组和SVC，完成风电场的无功控制。