基于双馈感应风机无功发生能力的风电场无功优化配置方法

摘要

本发明是一种基于双馈感应风机无功发生能力的风电场无功优化配置方法，其特点是，它包括基于双馈感应风机无功发生能力的定量计算、单风电场无功优化配置模型和风电场无功优化配置等步骤，得到满足目标函数最小的的各机组无功出力优化结果，配置风电机组功率因数以及接入点容性无功补偿设备配置参考值，取该地区实际风速进行生产模拟，检验配置方案的可行性，并得到感性无功配置容量参考值。具有计算简单、结果合理、易于实现且应用价值高等优点。无需对现有风电场进行大规模改造，在不改变现有风机控制策略的前提下，实现对双馈感应风机风电场的无功配置的优化。

主权项

1.一种基于双馈感应风机无功发生能力的风电场无功优化配置方法，其特征是，它包括以下步骤：1)基于双馈感应风机无功发生能力的定量计算双馈感应风机输出功率由定子输出功率与网侧变流器输出功率共同决定，即$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}=P_s+P_r\\ Q_{\mathrm{out}}=Q_s+Q_r\end{array}\right.---\left(1\right)$其中，P_s、P_r为定子侧与转子侧有功功率，Q_s、Q_r为定子侧与转子侧无功功率，P_out、Q_out为双馈感应风机出口输出有功功率与无功功率，定子侧功率输出，受转子电流控制，其定子侧功率与转子电流的关系如式(2)、式(3)$P_s=\frac{3}{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|i_{\mathrm{qs}}=\frac{3}{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|\frac{x_m}{x_s}{i}_{\mathrm{qr}}---\left(2\right)$$Q_s=\frac{3}{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|i_{\mathrm{ds}}=\frac{3}{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|\frac{x_m}{x_s}\left(\right|i_{\mathrm{ms}}^{·}|-i_{\mathrm{dr}})=\frac{3}{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|\frac{x_m}{x_s}(\frac{{|\stackrel{·}{U}}_s|}{x_m}-i_{\mathrm{dr}})---\left(3\right)$式中：为定子端电压模值，x_m为激磁电抗，x_s为定子电抗，i_ds、i_qs分别为定子d轴q轴电流，i_dr，i_qr分别为转子d轴q轴电流，由式(2)和式(3)得定子侧无功功率极限受转子最大电流约束，一般为转子额定电流的1.5倍，即$P_s^2+{(Q_s-\frac{3}{2}\frac{x_m}{x_s}|{\stackrel{·}{U}}_s\left|\right)}^2\le {\left(\frac{3}{2}\right|{\stackrel{·}{U}}_s\left|\frac{x_m}{x_s}\right)}^2{\left(i_{r\max }\right)}^2---\left(4\right)$由此，得到$-\sqrt{{\left(\frac{3}{2}\right|{\stackrel{·}{U}}_s\left|\frac{x_m}{x_s}\right)}^2{\left(i_{r\max }\right)}^2-P_s^2}+\frac{3}{2}\frac{x_m}{x_s}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|\le Q_s\le \sqrt{{\left(\frac{3}{2}\right|{\stackrel{·}{U}}_s\left|\frac{x_m}{x_s}\right)}^2{\left(i_{r\max }\right)}^2-P_s^2}+\frac{3}{2}\frac{x_m}{x_s}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|---\left(5\right)$式中：i_rmax为最大转子电流约束，如果不忽略网侧变流器无功输出能力，则网侧变流器输出无功功率一般由网侧最大输出功率决定，即$-\sqrt{P_{c.\max }^2-P_r^2}\le Q_r\le \sqrt{P_{c.\max }^2-P_r^2}---\left(6\right)$式中：P_c.max为网侧最大输出功率，由此，得到双馈风机无功输出能力$Q_{\mathrm{out}}^{\min }\le Q_{\mathrm{out}}\le Q_{\mathrm{out}}^{\max }---\left(7\right)$其中，$Q_{\mathrm{out}}^{\min }=Q_s^{\min }+Q_r^{\min }=-\sqrt{{\left(\frac{3}{2}\right|{\stackrel{·}{U}}_s\left|\frac{x_m}{x_s}\right)}^2{\left(i_{r\max }\right)}^2-P_s^2}+\frac{3}{2}\frac{x_m}{x_s}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|-\sqrt{P_{c.\max }^2-P_r^2}---\left(8\right)$$Q_{\mathrm{out}}^{\max }=Q_s^{\max }+Q_r^{\max }=\sqrt{{\left(\frac{3}{2}\right|{\stackrel{·}{U}}_s\left|\frac{x_m}{x_s}\right)}^2{\left(i_{r\max }\right)}^2-P_s^2}+\frac{3}{2}\frac{x_m}{x_s}\left|{\stackrel{·}{U}}_s\right|+\sqrt{P_{c.\max }^2-P_r^2}---\left(9\right)$基于现实状况，当无功输出功率接近无功极限时会导致转子发热，所以双馈风机实际的无功调节能力要小于无功极限范围，按照极限的95％确定双馈感应风机无功最大调节能力$0.95Q_{\mathrm{out}}^{\min }\le Q_{\mathrm{out}}\le 0.95Q_{\mathrm{out}}^{\max }---\left(10\right)$式中：Q_out、分别为双馈感应风机出口输出无功功率，及其上下限，分别为定子无功输出上下限与转子无功输出上下限；2)单风电场无功优化配置模型根据风电场无功优化配置原则与规定，对无功优化配置模型做了适当修改，目标函数在考虑系统有功网损最小的同时，考虑风电场与电网无功交换量Q_change最少，其中，λ₁与λ₂分别为两目标的权系数，其比例根据需要设定，λ₁、λ₂均设为1，对于每台机组的无功约束上下限，由双馈感应风机自身无功调节能力，即式(8)计算得出，电压约束与可调变压器变比上下限按照电网安全规定设定，电压下限为额定电压的0.95倍，上限为额定电压的1.05倍，可调变比约束下限为0.95上限为1.05，具体模型如下：目标函数：min f₁(x)＝λ₁∑P_loss+λ₂Q_change    (11)式中：f₁(x)为目标函数，P_loss为风电场内部总有功网损，Q_change为风电场与电网无功交换量，λ₁与λ₂分别为两目标的权系数，等式约束：$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=U_i\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\delta }_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\theta }_{\mathrm{ij}})\\ Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\delta }_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\theta }_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.---\left(12\right)$式中P_i、Q_i为节点注入有功功率与无功功率，U_i、U_j分别为节点i、节点j的电压，G_ij、B_ij分别为节点i与节点j的之间线路的电导与电纳与、θ_ij为i节点与j节点之间的电压相角差，N为总节点数。不等式约束：节点电压幅值的约束：U_imin≤U_i≤U_imax   (13)其中，U_i、U_imin、U_imax分别为第i个节点的电压，以及其电压上下限，变压器分接头位置约束：T_imin≤T_i≤T_imax    (14)其中，T_i、T_imin、T_imax分别为第i个节点上的可调变压器变比，以及其变比上下限，风电机组无功出力的约束$0.95Q_{\mathrm{out}}^{\min }\le Q_i\le 0.95Q_{\mathrm{out}}^{\max }---\left(15\right)$其中，Q_ci、Q_cimin、Q_cimax分别为第i个节点上无功补偿设备注入无功，以及其注入无功上下限；3)风电场无功优化配置计算风电场风电机组满发时无功调节能力，给出机组无功约束上下限，依次代入式(10)～式(15)计算，得到满足目标函数最小的的各机组无功出力优化结果，配置风电机组功率因数以及接入点容性无功补偿设备配置参考值，取该地区实际风速进行生产模拟，检验配置方案的可行性，并得到感性无功配置容量参考值。