CN110907728A - 一种改进的风电场功率控制能力并网检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其通过有功功率控制能力检测和无功功率控制能力检测，综合判定风电场的功率控制能力。本发明的检测效率高、检测效果和经济性好。

Description

一种改进的风电场功率控制能力并网检测方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电场功率控制能力并网检测方法。

背景技术

随着经济社会发展，能源生产和消费持续增长，化石能源的大量开发和使用，导致资源紧张，环境污染，气候变暖，冰川消融，海平面上升等突出问题，严重威胁人类生存和可持续发展。据统计，我国煤炭，石油，天然气储产比分别为31年，11.9年和28年，远低于世界平均水平；能源消费总量达37.5亿吨标准煤，约占世界能源消费总量的22％；石油和天然气对外依存度分别达到58.6％，和31.6％，能源形势尤为严峻。光伏、风电等新能源不仅具备清洁高效、可再生的特点，而且储量丰富。自此我国开始倡导清洁能源的高效利用，进行能源结构转型，实现清洁替代。风电是新能源发电中技术发展最快、装机规模最大。2017年，中国风电新增装机容量1，966万千瓦，累计装机容量达到1.88亿千瓦。2019年我国风电装机量将达到2.23亿千瓦，未来五年(2019-2023)年均复合增长率约为9.02％，2023年将达到3.15亿千瓦。

随着风力发电技术的发展及社会对环境保护的要求，风电机组的装机容量逐年攀升，风力发电占总发电量的比重也逐年提高，致使风力发电所具有的间歇性和波动性等特点对电网的运行控制及电能质量造成的影响也日益凸显。在有功功率方面，因为风电的发电功率不稳定，受到风速的影响，使其发电量不稳定。因此输出功率不是恒定值，风速变动大的时候会使其输出有功功率波动。一方面导致电网内的有功变化，进而影响电网频率，如果一个地区的风电所占份额过大，某一时刻有功频率变动过大将会导致频率崩溃，使得整个电网瘫痪；另一方面大规模风电有功功率的波动，将会导致常规火电机组的有功功率频繁变化甚至频繁起停，造成火电机组发电效率地下，发电成本上升，同时也会对减少发电设备的寿命。在无功功率方面，受风力发电技术的限制，风电机组的低电压穿越水平较低。在电网电压降低进而导致风电场并网母线降低时，若风电场内的逆变器、SVG和电容器组等无功补偿设备不能通过AVC(自动电压控制)系统的控制有效的提高风电场并网点的电压，风电机组应为低压而产生脱网风险。

风力发电并网系统的功率控制系统指AGC(自动发电控制)系统和AVC系统。风电场的AGC系统是指通过调节逆变器的电气参数进而控制风电场发出的有功功率对调度系统指令进行跟踪的系统。AVC系统是指通过协调控制控制风电场内包括逆变器、SVG等无功补偿装置调节风电场输出的无功功率进而对调度系统电压指令进行跟踪的系统。

风电场必须具有功率控制功能，为检验风电场的功率控制能力是否符合相关标准要求，应开展功率控制能力检测，然而现有检测手段在检测效率、检测效果和经济性等方面存在不足，给电网运行和管理带来了一系列挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测效率高、检测效果和经济性好的改进的风电场功率控制能力并网检测方法。

本发明采用如下技术方案：

一种改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其通过有功功率控制能力检测和无功功率控制能力检测，判定风电场功率控制系统(AGC和AVC)能否准确响应控制指令，实现连续平滑调节，且响应时间和控制精度是否满足标准要求。

其中，所述有功功率控制能力检测是设定风电场额定有功功率的基准功率值，然后依次设定有功功率值，判断AVC控制系统对调节指令的跟踪能力。

其中，所述风电场额定有功功率的基准功率值P₀为风电场装机容量的50％以上。

其中，所述设定有功功率值依次为100％-80％-60％-40％-20％-100％五个阶段，步长为20％。

其中，所述无功功率控制能力检测是分别在AVC的恒无功功率模式和恒电压模式下，通过设定无功功率或风电场母线电压，通过响应时间的控制精度来检测AVC系统对无功功率调节指令的跟踪能力。

其中，AVC处于恒无功功率模式下的无功功率控制能力检测方法为：AVC系统由远方控制改为人工就地控制，以风电场的出现无功功率为控制对象；

(1)将无功功率设定为容性最小；

(2)将无功功率从容性最小调节至允许的容性无功功率最大值，容性无功功率最大值以风电场母线电压不超过调度要求的最大值和风机允许运行的电压最大值时的无功功率；

(3)将无功功率从允许的容性无功功率最大值调至允许的感性无功功率最大值，感性无功功率最大值以风电场母线电压不低于调度要求的最小值和风电场的低电压穿越的电压值时的无功功率；

(4)将无功功率从允许的感性无功功率最大值调至容性无功功率的最小值，在无功功率调节过程中在每个控制点上持续运行2min；

通过以上无功功率的闭环调节实现无功功率控制能力的检测。

其中，AVC系统在恒无功功率模式下控制能力检测的响应时间设定为30ms，无功功率调节的超调量不超过目标功率值的10％，响应精度通过控制过程中稳定后的功率值与目标值的相对误差来计算。

其中，AVC处于恒电压模式下的无功功率控制能力检测方法为：

(a)设定风电场的有功功率水平为P₀，在AVC系统在恒无功功率模式下将风电场功率外送线路的无功功率设定为0，并记录此时的风电场母线电压U₀，通过询问风电场的运行人员得到风电场运行电压的上、下限值U_MAX、U_MIN,由此确定电压向上和向下调节的基准值：

U_UP＝U_MAX-U₀，U_DOWN＝U₀-U_MIN

(b)在20％P₀、40％P₀、60％P₀、80％P₀和100％P₀的有功功率水平下依次将风电场母线电压控制为U₀-75％U_DOWN、U₀-50％U_DOWN、U₀-25％U_DOWN和U₀+25％U_UP、U₀+50％U_UP、U₀+75％U_UP，每个控制点上持续运行2min，记录检测过程中的有功功率、无功功率和风电场母线电压，检测AVC系统对电压控制指令的跟踪效果。

其中，AVC系统在恒无功功率模式下控制能力检测的响应时间设定为30ms，响应精度通过控制过程中稳定后的电压值与目标值的相对误差来计算。

其中，无功功率控制能力检测的控制精度计算公式为：

(AVC恒无功功率模式)

(AVC恒电压模式)

式中：

Q_S、U_S—恒无功功率模式下为无功功率设定值和恒电压模式下的电压设定值；

Q_i、U_i—每个调节过程的最后1min内每个采样点的无功功率值和母线电压值。

f—功率控制能力检测装置的采样频率。

本发明的有益效果在于：

风电场功率控制能力检测的有功功率水P₀平降为风电场装机容量的50％及以上，控制过程为100％-80％-60％-40％-20％-100％，在不影响检测效果的基础上有三个优点：1、降低了功率控制检测对有功功率水平的要求，提高了风电场具备检测条件的概率，进而提高了检测效率；2、可反映AGC系统在不同调节步长下对有功功率控制指令的跟踪能力；3、降低了功率控制能力检测过程中对有功功率进行限制对风电场所造成的经济损失。

无功功率控制能力检测采用AVC的恒无功功率模式和恒电压模式两种检测方法，既检测了AVC系统对风电场内的逆变器、SVG和电容器组等无功补偿设备的分层协调控制能力，又反映了AVC系统在两种模式下分别对无功功率控制指令和电压控制指令的跟踪水平能力，更加全面的考察了风电场的无功功率控制能力。

附图说明

图1为有功功率控制能力检测控制指令曲线图。

图2为P＝P₀时，AVC恒无功功率模式下的无功功率控制能力检测控制指令曲线图。

图3为某有功功率水平下，AVC恒电压模式下的无功功率控制能力检测控制指令曲线图。

具体实施方式

本发明提供实施例是为了详尽的且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本方法适应于通过110kV及以上电压等级线路接入电网的装机容量大于40MW的风电场。

一种改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其通过有功功率控制能力检测和无功功率控制能力检测，判定风电场功率控制系统(AGC和AVC)能否准确响应控制指令，实现连续平滑调节，且响应时间和控制精度是否满足标准要求。

1、有功功率控制能力检测

有功功率控制能力检测是设定风电场额定有功功率的基准功率值，然后依次设定有功功率值，判断AVC控制系统对调节指令的跟踪能力。

所述风电场额定有功功率的基准功率值P₀为风电场装机容量的50％以上。

所述设定有功功率值依次为100％-80％-60％-40％-20％-100％五个阶段，步长为20％。

有功功率控制能力检测的响应时间是指功率变化值首次不超过目标功率值的5％所需的调节时间。

考虑风电场在运行过程中的惯性较大，设定有功功率控制的响应时间为1min，有功功率调节的超调量不超过目标功率值的15％，每个控制点持续运行2min。

有功功率控制能力检测控制指令曲线图如图1所示。

2、无功功率控制能力检测

无功功率控制能力检测是分别在AVC的恒无功功率模式和恒电压模式下，通过设定无功功率或风电场母线电压，通过响应时间的控制精度来检测AVC系统对无功功率调节指令的跟踪能力。

(1)AVC处于恒无功功率模式下的无功功率控制能力检测方法

具体包括：AVC系统由远方控制改为人工就地控制，以风电场的出现无功功率为控制对象；

(i)将无功功率设定为容性最小；

(ii)将无功功率从容性最小调节至允许的容性无功功率最大值，容性无功功率最大值以风电场母线电压不超过调度要求的最大值和风机允许运行的电压最大值时的无功功率；

(iii)将无功功率从允许的容性无功功率最大值调至允许的感性无功功率最大值，感性无功功率最大值以风电场母线电压不低于调度要求的最小值和风电场的低电压穿越的电压值时的无功功率；

(iv)将无功功率从允许的感性无功功率最大值调至容性无功功率的最小值，在无功功率调节过程中在每个控制点上持续运行2min；

通过以上无功功率的闭环调节实现无功功率控制能力的检测。

其中，AVC系统在恒无功功率模式下控制能力检测的响应时间设定为30ms，无功功率调节的超调量不超过目标功率值的10％，响应精度通过控制过程中稳定后的功率值与目标值的相对误差来计算。

P＝P₀时，AVC恒无功功率模式下的无功功率控制能力检测的控制指令曲线图如图2所示。

(2)AVC处于恒电压模式下的无功功率控制能力检测方法

(a)设定风电场的有功功率水平为P₀，在AVC系统在恒无功功率模式下将风电场功率外送线路的无功功率设定为0，并记录此时的风电场母线电压U₀，通过询问风电场的运行人员得到风电场运行电压的上、下限值U_MAX、U_MIN，由此确定电压向上和向下调节的基准值：

U_UP＝U_MAX-U₀，U_DOWN＝U₀-U_MIN

(b)在20％P₀、40％P₀、60％P₀、80％P₀和100％P₀的有功功率水平下依次将风电场母线电压控制为U₀-75％U_DOWN、U₀-50％U_DOWN、U₀-25％U_DOWN和U₀+25％U_UP、U₀+50％U_UP、U₀+75％U_UP，每个控制点上持续运行2min，记录检测过程中的有功功率、无功功率和风电场母线电压，检测AVC系统对电压控制指令的跟踪效果。

其中，AVC系统在恒电压模式下控制能力检测的响应时间不大于30ms，无功功率调节的超调量不超过目标功率值的10％，响应精度通过控制过程中稳定后的电压值与目标值的相对误差来计算。

无功功率控制能力检测的响应时间计算公式为：

t_r＝t_m-T₀

式中：

t_m—无功功率变化90％第一次达到目标功率值的时刻；

T₀—无功功率控制的开始时刻。

其中，无功功率控制能力检测的控制精度计算公式为：

(AVC恒无功功率模式)

(AVC恒电压模式)

式中：

Q_S、U_S—恒无功功率模式下为无功功率设定值和恒电压模式下的电压设定值；

Q_i、U_i—每个调节过程的最后1min内每个采样点的无功功率值和母线电压值。

f—功率控制能力检测装置的采样频率。

某有功功率水平下，AVC恒电压模式下的无功功率控制能力控制指令曲线图如图3所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，通过有功功率控制能力检测和无功功率控制能力检测，判定风电场功率控制系统能否准确响应控制指令，实现连续平滑调节，且响应时间和控制精度是否满足标准要求。

2.根据权利要求1所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，所述有功功率控制能力检测是设定风电场额定有功功率的基准功率值，然后依次设定有功功率值，判断AVC控制系统对调节指令的跟踪能力。

3.根据权利要求2所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，所述风电场额定有功功率的基准功率值P₀为风电场装机容量的50％以上。

4.根据权利要求3所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，所述设定有功功率值依次为100％-80％-60％-40％-20％-100％五个阶段，步长为20％。

5.根据权利要求4所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，所述无功功率控制能力检测是分别在AVC的恒无功功率模式和恒电压模式下，通过设定无功功率或风电场母线电压，通过响应时间的控制精度来检测AVC系统对无功功率调节指令的跟踪能力。

6.根据权利要求5所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，AVC处于恒无功功率模式下的无功功率控制能力检测方法为：AVC系统由远方控制改为人工就地控制，以风电场的出现无功功率为控制对象；

第一，将无功功率设定为容性最小；

第二，将无功功率从容性最小调节至允许的容性无功功率最大值，容性无功功率最大值以风电场母线电压不超过调度要求的最大值和风机允许运行的电压最大值时的无功功率；

第三，将无功功率从允许的容性无功功率最大值调至允许的感性无功功率最大值，感性无功功率最大值以风电场母线电压不低于调度要求的最小值和风电场的低电压穿越的电压值时的无功功率；

第四，将无功功率从允许的感性无功功率最大值调至容性无功功率的最小值，在无功功率调节过程中在每个控制点上持续运行2min；

通过以上无功功率的闭环调节实现无功功率控制能力的检测。

7.根据权利要求6所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，AVC系统在恒无功功率模式下控制能力检测的响应时间设定为30ms，无功功率调节的超调量不超过目标功率值的10％，响应精度通过控制过程中稳定后的功率值与目标值的相对误差来计算。

8.根据权利要求7所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，AVC处于恒电压模式下的无功功率控制能力检测方法为：

首先，设定风电场的有功功率水平为P₀，在AVC系统在恒无功功率模式下将风电场功率外送线路的无功功率设定为0，并记录此时的风电场母线电压U₀，通过询问风电场的运行人员得到风电场运行电压的上、下限值U_MAX、U_MIN,由此确定电压向上和向下调节的基准值：

U_UP＝U_MAX-U₀，U_DOWN＝U₀-U_MIN

然后，在20％P₀、40％P₀、60％P₀、80％P₀和100％P₀的有功功率水平下依次将风电场母线电压控制为U₀-75％U_DOWN、U₀-50％U_DOWN、U₀-25％U_DOWN和U₀+25％U_UP、U₀+50％U_UP、U₀+75％U_UP，每个控制点上持续运行2min，记录检测过程中的有功功率、无功功率和风电场母线电压，检测AVC系统对电压控制指令的跟踪效果。

9.根据权利要求8所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，AVC系统在恒无功功率模式下控制能力检测的响应时间设定为30ms，响应精度通过控制过程中稳定后的电压值与目标值的相对误差来计算。

10.根据权利要求9所述的改进的风电场功率控制能力并网检测方法，其特征在于，无功功率控制能力检测的控制精度计算公式为：

式中：

Q_S、U_S—恒无功功率模式下为无功功率设定值和恒电压模式下的电压设定值；

Q_i、U_i—每个调节过程的最后1min内每个采样点的无功功率值和母线电压值。

f—功率控制能力检测装置的采样频率。

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