风电场无功功率控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种风电场无功功率控制方法及系统，该方法包括：AVC子站获取风电场的目标无功功率，根据目标无功功率向无功补偿设备发送无功调节指令；无功补偿设备根据其工作方式进行无功功率补偿；AVC子站检测到风电场的无功功率达到目标无功功率后，控制风电场内的风电机组增发无功功率，以替换无功补偿设备的无功出力。风电机组和无功补偿设备协调工作，进行无功功率的分配控制，充分利用和协调风电场的无功能力，以调节速度快的无功补偿设备优先动作，迅速满足响应要求；当并网点电压稳定后，增发风电机组的无功功率，替换无功补偿设备无功出力，为无功补偿设备提供更多的裕量，利于下一次无功控制的快速跟进。

权利要求

1.一种风电场无功功率控制方法，其特征在于，包括：

AVC子站获取风电场的目标无功功率，根据所述目标无功功率向无功补偿设备发送无功调节指令；

所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿；

所述AVC子站检测到所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率后，控制所述风电场内的风电机组增发无功功率，以替换所述无功补偿设备的无功出力；

所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿包括：当所述无功补偿设备单独运行时，所述无功补偿设备输出无功功率，使所述风电场的并网点电压维持在预设范围内；

当所述无功补偿设备需要与调度配合时，所述无功补偿设备按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿；

所述预设电压包括：第一电压值、第二电压值、第三电压值、第四电压值和调节死区，其中，所述第一电压值>所述第二电压值>所述第三电压值>所述第四电压值>所述调节死区的上限；

所述无功补偿设备按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿包括：所述AVC子站检测当前并网点电压；

如果所述当前并网点电压属于[第二电压值，第一电压值)或(第四电压值，第三电压值]，所述无功补偿设备将所述风电场的并网点电压调节到(第三电压值，第二电压值)区间内；

如果所述当前并网点电压属于(第三电压值，第二电压值)，所述无功补偿设备按照所述无功调节指令输出无功功率，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；

如果所述当前并网点电压大于等于所述第一电压值，所述无功补偿设备退出无功功率补偿，所述风电机组满发感性无功，不发容性无功；

如果所述当前并网点电压小于等于所述第四电压值，所述无功补偿设备退出无功功率补偿，所述风电机组满发容性无功，不发感性无功；

如果所述当前并网点电压属于所述调节死区，所述无功补偿设备不进行无功功率补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，AVC子站获取风电场的目标无功功率包括：所述AVC子站接收AVC主站下发的无功功率指令，从所述无功功率指令中获取所述目标无功功率；或者，所述AVC子站接收所述AVC主站下发的电压指令，根据所述电压指令中携带的目标并网点电压计算所述目标无功功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述AVC子站根据所述目标无功功率向无功补偿设备发送无功调节指令包括：所述AVC子站判断所述目标无功功率是否超过预设无功功率，其中，所述预设无功功率小于所述无功补偿设备的额定容量；以及所述AVC子站向所述无功补偿设备发送包含判断结果的无功调节指令；

所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿包括：所述无功补偿设备接收所述包含判断结果的无功调节指令；

如果所述判断结果为所述目标无功功率未超过所述预设无功功率，则所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；

如果所述判断结果为所述目标无功功率超过所述预设无功功率，则所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出所述预设无功功率；

在所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出所述预设无功功率之后，还包括：所述AVC子站根据所述风电场内的风电机组的无功上下限，将剩余的目标无功功率分配给所述风电机组输出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述AVC子站控制所述风电场内的风电机组增发无功功率以替换所述无功补偿设备的无功出力包括：所述AVC子站计算所述风电场内的各个风电机组可补偿的无功功率；

所述AVC子站控制各个风电机组按照其可补偿的无功功率进行无功功率的增发。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述AVC子站控制所述风电场内的风电机组增发无功功率以替换所述无功补偿设备的无功出力之后，所述方法还包括：所述AVC子站对所述无功补偿设备进行比例积分调节，减少所述风电场的当前并网点电压与目标并网点电压的差值，其中所述差值由风电场本身的无功损耗导致。

6.一种风电场无功功率控制系统，其特征在于，包括：AVC子站、无功补偿设备以及包含至少一个风电机组的风电场；

所述AVC子站，连接至所述无功补偿设备和所述风电场，用于获取所述风电场的目标无功功率，根据所述目标无功功率向所述无功补偿设备发送无功调节指令；以及在检测到所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率后，控制所述风电场内的风电机组增发无功功率，以替换所述无功补偿设备的无功出力；

所述无功补偿设备，连接至所述AVC子站和所述风电场，用于根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿；

所述无功补偿设备包括：

第一补偿单元，用于当所述无功补偿设备单独运行时，输出无功功率，使所述风电场的并网点电压维持在预设范围内；

第二补偿单元，用于当所述无功补偿设备需要与调度配合时，按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿；

所述预设电压包括：第一电压值、第二电压值、第三电压值、第四电压值和调节死区，其中，所述第一电压值>所述第二电压值>所述第三电压值>所述第四电压值>所述调节死区的上限；

所述AVC子站还用于检测当前并网点电压；

所述第二补偿单元，具体用于如果所述当前并网点电压属于[第二电压值，第一电压值)或(第四电压值，第三电压值]，将所述风电场的并网点电压调节到(第三电压值，第二电压值)区间内；如果所述当前并网点电压属于(第三电压值，第二电压值)，按照所述无功调节指令输出无功功率，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；如果所述当前并网点电压大于等于所述第一电压值，退出无功功率补偿，所述风电机组满发感性无功，不发容性无功；如果所述当前并网点电压小于等于所述第四电压值，退出无功功率补偿，所述风电机组满发容性无功，不发感性无功；如果所述当前并网点电压属于所述调节死区，不进行无功功率补偿。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：AVC主站，连接至所述AVC子站，用于向所述AVC子站下发无功功率指令或电压指令；

所述AVC子站具体用于接收所述无功功率指令，从所述无功功率指令中获取所述目标无功功率；或者，接收所述电压指令，根据所述电压指令中携带的目标并网点电压计算所述目标无功功率。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述AVC子站，具体用于判断所述目标无功功率是否超过预设无功功率；向所述无功补偿设备发送包含判断结果的无功调节指令；以及在所述无功补偿设备输出所述预设无功功率后，根据所述风电场内的风电机组的无功上下限，将剩余的目标无功功率分配给所述风电机组输出；其中，所述预设无功功率小于所述无功补偿设备的额定容量；

所述无功补偿设备，具体用于接收所述包含判断结果的无功调节指令；在所述判断结果为所述目标无功功率未超过所述预设无功功率的情况下，根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；以及在所述判断结果为所述目标无功功率超过所述预设无功功率的情况下，根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出所述预设无功功率。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述AVC子站包括：计算单元，用于计算所述风电场内的各个风电机组可补偿的无功功率；

控制单元，用于控制各个风电机组按照其可补偿的无功功率进行无功功率的增发。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述AVC子站包括：调节单元，用于在控制所述风电场内的风电机组增发无功功率以替换所述无功补偿设备的无功出力之后，对所述无功补偿设备进行比例积分调节，减少所述风电场的当前并网点电压与目标并网点电压的差值，其中所述差值由风电场本身的无功损耗导致。

说明书

风电场无功功率控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及风电场控制领域，尤其涉及一种风电场无功功率控制方法及系统。

背景技术

[0002] 随着世界各国对风电产业的重视，风电在电力生产中的比重越来越大。风电的随机性、波动性与电网的安全稳定性产生严重冲突，大型风电场接入电网，给电网安全生产带来严重危害。建立电网友好型风电场，使风电场适应电网要求，成为风电技术发展的首要问题。

[0003] 风力发电机作为风力发电中最基本的单元，其理论以及相关技术越来越成熟，其中以双馈感应电机(Doubly Fed Induction Generator，简称为DFIG)最为典型。学术界对风电机组的数学建模与仿真、风电机组的并网特性进行了大量研究，并对其低电压穿越能力进行了分析，目前大多数DFIG已具备低电压穿越能力。但由于对风电机组故障时穿越性能的要求，往往使DFIG的无功能力得不到利用，这需要对风力发电机进行进一步改进。

[0004] 国内外有很多学者提出利用DFIG的无功调节能力将风机群综合为一个连续可控的无功源，使其外特性类似配有自动电压调节器的常规电厂，这种控制策略具有调节范围大且响应快速的优点。但DFIG的无功容量受转子变流器容量的限制，高有功出力下的DFIG的无功容量有限，而此时风电场的无功需求却很大，无法保障风电场的安全性。同时，DFIG的初始视在功率越大，故障发生时造成的过电流、过电压现象将越严重，DFIG穿越故障的可能性将越低，对电网的损害将越大。

[0005] 因此，为保证各种工况下的电压控制质量，风电场需综合利用多种无功补偿装置。那么，如何对风电场的无功功率进行控制，以充分利用和协调风电场的无功设备，保证风电场内部节点电压稳定，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种风电场无功功率控制方法及系统，以至少解决如何优化风电场的无功功率控制的问题。

[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种风电场无功功率控制方法，包括：AVC子站(自动电压控制系统，Automatic Voltage Control)获取风电场的目标无功功率，根据所述目标无功功率向无功补偿设备发送无功调节指令；所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿；所述AVC子站检测到所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率后，控制所述风电场内的风电机组增发无功功率，以替换所述无功补偿设备的无功出力。

[0008] 在一个实施例中，AVC子站获取风电场的目标无功功率包括：所述AVC子站接收AVC主站下发的无功功率指令，从所述无功功率指令中获取所述目标无功功率；或者，所述AVC子站接收所述AVC主站下发的电压指令，根据所述电压指令中携带的目标并网点电压计算所述目标无功功率。

[0009] 在一个实施例中，所述AVC子站根据所述目标无功功率向无功补偿设备发送无功调节指令包括：所述AVC子站判断所述目标无功功率是否超过预设无功功率，其中，所述预设无功功率小于所述无功补偿设备的额定容量；以及所述AVC子站向所述无功补偿设备发送包含判断结果的无功调节指令；所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿包括：所述无功补偿设备接收所述包含判断结果的无功调节指令；如果所述判断结果为所述目标无功功率未超过所述预设无功功率，则所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；如果所述判断结果为所述目标无功功率超过所述预设无功功率，则所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出所述预设无功功率；在所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出所述预设无功功率之后，还包括：所述AVC子站根据所述风电场内的风电机组的无功上下限，将剩余的目标无功功率分配给所述风电机组输出。

[0010] 在一个实施例中，所述无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿包括：当所述无功补偿设备单独运行时，所述无功补偿设备输出无功功率，使所述风电场的并网点电压维持在预设范围内；当所述无功补偿设备需要与调度配合时，所述无功补偿设备按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿。

[0011] 在一个实施例中，所述预设电压包括：第一电压值、第二电压值、第三电压值、第四电压值和调节死区，其中，所述第一电压值>所述第二电压值>所述第三电压值>所述第四电压值>所述调节死区的上限；所述无功补偿设备按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿包括：所述AVC子站检测当前并网点电压；如果所述当前并网点电压属于[第二电压值，第一电压值)或(第四电压值，第三电压值]，所述无功补偿设备将所述风电场的并网点电压调节到(第三电压值，第二电压值)区间内；如果所述当前并网点电压属于(第三电压值，第二电压值)，所述无功补偿设备按照所述无功调节指令输出无功功率，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；如果所述当前并网点电压大于等于所述第一电压值，所述无功补偿设备退出无功功率补偿，所述风电机组满发感性无功，不发容性无功；如果所述当前并网点电压小于等于所述第四电压值，所述无功补偿设备退出无功功率补偿，所述风电机组满发容性无功，不发感性无功；如果所述当前并网点电压属于所述调节死区，所述无功补偿设备不进行无功功率补偿。

[0012] 在一个实施例中，所述AVC子站控制所述风电场内的风电机组增发无功功率以替换所述无功补偿设备的无功出力包括：所述AVC子站计算所述风电场内的各个风电机组可补偿的无功功率；所述AVC子站控制各个风电机组按照其可补偿的无功功率进行无功功率的增发。

[0013] 在一个实施例中，在所述AVC子站控制所述风电场内的风电机组增发无功功率以替换所述无功补偿设备的无功出力之后，所述方法还包括：所述AVC子站对所述无功补偿设备进行比例积分调节，减少所述风电场的当前并网点电压与目标并网点电压的差值，其中所述差值由风电场本身的无功损耗导致。

[0014] 根据本发明的另一个方面，提供了一种风电场无功功率控制系统，包括：AVC子站、无功补偿设备以及包含至少一个风电机组的风电场；所述AVC子站，连接至所述无功补偿设备和所述风电场，用于获取所述风电场的目标无功功率，根据所述目标无功功率向所述无功补偿设备发送无功调节指令；以及在检测到所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率后，控制所述风电场内的风电机组增发无功功率，以替换所述无功补偿设备的无功出力；所述无功补偿设备，连接至所述AVC子站和所述风电场，用于根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿。

[0015] 在一个实施例中，所述系统还包括：AVC主站，连接至所述AVC子站，用于向所述AVC子站下发无功功率指令或电压指令；所述AVC子站具体用于接收所述无功功率指令，从所述无功功率指令中获取所述目标无功功率；或者，接收所述电压指令，根据所述电压指令中携带的目标并网点电压计算所述目标无功功率。

[0016] 在一个实施例中，所述AVC子站，具体用于判断所述目标无功功率是否超过预设无功功率；向所述无功补偿设备发送包含判断结果的无功调节指令；以及在所述无功补偿设备输出所述预设无功功率后，根据所述风电场内的风电机组的无功上下限，将剩余的目标无功功率分配给所述风电机组输出；其中，所述预设无功功率小于所述无功补偿设备的额定容量；所述无功补偿设备，具体用于接收所述包含判断结果的无功调节指令；在所述判断结果为所述目标无功功率未超过所述预设无功功率的情况下，根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；以及在所述判断结果为所述目标无功功率超过所述预设无功功率的情况下，根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出所述预设无功功率。

[0017] 在一个实施例中，所述无功补偿设备包括：所述第一补偿单元，用于当所述无功补偿设备单独运行时，输出无功功率，使所述风电场的并网点电压维持在预设范围内；所述第二补偿单元，用于当所述无功补偿设备需要与调度配合时，按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿。

[0018] 在一个实施例中，所述预设电压包括：第一电压值、第二电压值、第三电压值、第四电压值和调节死区，其中，所述第一电压值>所述第二电压值>所述第三电压值>所述第四电压值>所述调节死区的上限；AVC子站还用于检测当前并网点电压；所述第二补偿单元，具体用于如果所述当前并网点电压属于[第二电压值，第一电压值)或(第四电压值，第三电压值]，将所述风电场的并网点电压调节到(第三电压值，第二电压值)区间内；如果所述当前并网点电压属于(第三电压值，第二电压值)，按照所述无功调节指令输出无功功率，使所述风电场的无功功率达到所述目标无功功率；如果所述当前并网点电压大于等于所述第一电压值，退出无功功率补偿，所述风电机组满发感性无功，不发容性无功；如果所述当前并网点电压小于等于所述第四电压值，退出无功功率补偿，所述风电机组满发容性无功，不发感性无功；如果所述当前并网点电压属于所述调节死区，不进行无功功率补偿。

[0019] 在一个实施例中，所述AVC子站包括：计算单元，用于计算所述风电场内的各个风电机组可补偿的无功功率；控制单元，用于控制各个风电机组按照其可补偿的无功功率进行无功功率的增发。

[0020] 在一个实施例中，所述AVC子站包括：调节单元，用于在控制所述风电场内的风电机组增发无功功率以替换所述无功补偿设备的无功出力之后，对所述无功补偿设备进行比例积分调节，减少所述风电场的当前并网点电压与目标并网点电压的差值，其中所述差值由风电场本身的无功损耗导致。

[0021] 通过本发明的风电场无功功率控制方法及系统，风电机组和无功补偿设备协调工作，进行无功功率的分配控制，充分利用和协调风电场的无功能力，使得风电场并网点电压(即PCC电压)可以自动跟踪目标电压以满足电网需求，且稳定风电场内部各节点的电压。并且，以调节速度快的无功补偿设备优先动作，迅速满足响应要求；当并网点电压稳定后(即达到目标无功)，增发风电机组的无功功率，从而替换无功补偿设备无功出力，为无功补偿设备提供更多的裕量，以利于下一次的快速跟进(即下一次无功功率控制)。

附图说明

[0022] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

[0023] 图1是本发明实施例的风电场无功功率控制方法的流程图；

[0024] 图2是本发明实施例的SVG工作原理图；

[0025] 图3是本发明一实施例的风电场无功功率控制系统的结构示意图；

[0026] 图4是本发明另一实施例的风电场无功功率控制系统的结构示意图；

[0027] 图5是本发明实施例的系统简化模型示意图；

[0028] 图6是本发明实施例的预设电压区间划分及对应的具体操作示意图。

具体实施方式

[0029] 下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0030] 静态同步补偿器(Static Synchronous Compensator，简称为STATCOM，也称为SVG)和静止无功补偿器(Static Var Compensator，简称为SVC)相比拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能力更强的优点，同时谐波含量和占地面积都大大减小。所以，SVG的应用范围更广。

[0031] 基于SVG的上述优点，本发明实施例提供了一种风电场无功功率控制方法，其中的无功补偿设备优选地是SVG。

[0032] 图1是本发明实施例的风电场无功功率控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

[0033] 步骤S101，AVC子站获取风电场的目标无功功率，根据目标无功功率向无功补偿设备发送无功调节指令；

[0034] 步骤S102，无功补偿设备根据无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿；

[0035] 步骤S103，AVC子站检测到风电场的无功功率达到目标无功功率后，控制风电场内的风电机组增发无功功率，以替换无功补偿设备的无功出力。

[0036] 通过本发明实施例的风电场无功功率控制方法，风电机组和无功补偿设备协调工作，进行无功功率的分配控制，充分利用和协调风电场的无功能力，使得风电场并网点电压(即PCC电压)可以自动跟踪目标电压以满足电网需求，且稳定风电场内部各节点的电压。并且，以调节速度快的无功补偿设备优先动作，迅速满足响应要求；当并网点电压稳定后(即达到目标无功)，增发风电机组的无功功率，从而替换无功补偿设备无功出力，为无功补偿设备提供更多的裕量，以利于下一次的快速跟进(即下一次无功功率控制)。

[0037] 可以理解为进行了二次分配，第一次分配优先考虑无功补偿设备进行无功补偿，如果超过其预设容量，则使用风电机组配合无功补偿设备进行无功补偿，直到达到目标无功；第二次分配是在风电场并网点电压跟踪目标电压的基础上，增发风电机组无功，替换无功补偿设备无功出力(无功补偿设备在并网点电压稳定后，即电压恒定，不会继续输出无功)，使得下次无功补偿时无功补偿设备能够快速响应。上述的并网点电压可以是高压侧母线电压。

[0038] 在一个实施例中，步骤S101中AVC子站获取风电场的目标无功功率可以通过以下方式实现：(1)AVC子站接收AVC主站下发的无功功率指令，从无功功率指令中获取目标无功功率；或者，(2)AVC子站接收AVC主站下发的电压指令，根据电压指令中携带的目标并网点电压计算目标无功功率。

[0039] 本实施例中，当AVC主站下发无功功率指令Q时，不需要进行系统电抗计算及系统无功预测，直接进行无功功率的分配，即风电场目标无功Qtarget＝Q。当AVC主站下发电压指令(即风电场母线电压指令V)时，需计算出系统电抗，进而计算出风电场等效的目标无功Qtarget。在实际应用中，AVC主站为了更好地管理地区电压，一般下发母线电压指令。

[0040] 在一个实施例中，在步骤S101中AVC子站根据目标无功功率向无功补偿设备发送无功调节指令可以包括：AVC子站判断目标无功功率是否超过预设无功功率，其中，预设无功功率小于无功补偿设备的额定容量；以及AVC子站向无功补偿设备发送包含判断结果的无功调节指令。例如，预设无功功率可以设定为额定容量的95％。

[0041] 步骤S102无功补偿设备根据所述无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿可以包括：无功补偿设备接收包含判断结果的无功调节指令；如果判断结果为目标无功功率未超过预设无功功率，则无功补偿设备根据无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，使风电场的无功功率达到目标无功功率；如果判断结果为目标无功功率超过预设无功功率，则无功补偿设备根据无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出预设无功功率。

[0042] 在无功补偿设备根据无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿，输出预设无功功率之后，还包括：AVC子站根据风电场内的风电机组的无功上下限，将剩余的目标无功功率分配给风电机组输出。

[0043] 本实施例中，获得风电场目标无功功率后，优先考虑使用无功补偿设备(无功补偿设备)进行无功补偿。如果无功补偿设备的容量满足需求，将目标无功功率都分配给无功补偿设备，不在风电机组间分配；如果无功补偿设备的容量不能满足需求，先给无功补偿设备分配其最大容量(例如，额定容量的95％)的无功功率，然后再将剩余无功功率在各个风电机组间进行分配，在风电机组间分配时，需要考虑风电机组的机组无功上下限。本实施例给无功补偿设备留有一定的无功裕度，避免了无功补偿设备负担过重。

[0044] SVG的工作原理如图2所示，U1为无功补偿设备与系统连接处的系统电压有效值，U2为逆变器输出电压有效值。在理想状态下，首先将U1与U2同步，然后通过控制U2的幅值，控制U2与U1的电压差，以达到调节无功补偿设备无功输出的目的。当U2＞U1时，无功补偿设备处于超前运行状态，发出无功功率；当U2＜U1时，无功补偿设备处于滞后运行状态，吸收无功功率；当U2＝U1时，无功补偿设备与系统不交换无功功率。通过发出或吸收无功功率，最终达到调整系统电压U1的目的。

[0045] 在一个实施例中，无功补偿设备根据无功补偿设备的工作方式进行无功功率补偿可以包括：当无功补偿设备单独运行时，无功补偿设备输出无功功率，使风电场的并网点电压维持在预设范围内，预设范围可以是风电场的额定并网点电压的-3％至7％。当无功补偿设备需要与调度(即AVC子站)配合时，无功补偿设备按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿。

[0046] 上述预设电压包括：第一电压值、第二电压值、第三电压值、第四电压值和调节死区，其中，第一电压值>第二电压值>第三电压值>第四电压值>调节死区的上限。例如，第一电压值可以为1.07p.u.(p.u.为标幺值，表示额定值的倍数，此处，表示额定并网点电压的倍数)，第二电压值可以为1.06p.u.，第三电压值可以为1.0p.u.，第四电压值可以为0.97p.u.，调节死区可以为±0.01p.u.。

[0047] 无功补偿设备按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿可以通过以下步骤实现：

[0048] AVC子站检测当前并网点电压。AVC子站每隔一定时间(例如10分钟)主动监测电压、无功等参数。

[0049] 如果当前并网点电压属于[第二电压值，第一电压值)或(第四电压值，第三电压值]，无功补偿设备将风电场的并网点电压调节到(第三电压值，第二电压值)区间内；

[0050] 如果当前并网点电压属于(第三电压值，第二电压值)，无功补偿设备按照无功调节指令输出无功功率，使风电场的无功功率达到目标无功功率；

[0051] 如果当前并网点电压大于等于第一电压值，无功补偿设备退出无功功率补偿，风电机组满发感性无功，不发容性无功；

[0052] 如果当前并网点电压小于等于第四电压值，无功补偿设备退出无功功率补偿，风电机组满发容性无功，不发感性无功；

[0053] 如果当前并网点电压属于调节死区，无功补偿设备不进行无功功率补偿。

[0054] 本实施例中对无功补偿设备的工作方式进行划分，以及在需要与调度配合的情况下，划分了电压区间，从而能够更加充分地利用无功补偿设备的无功补偿能力。如果当前并网点电压大于等于第一电压值或小于等于第四电压值，无功补偿设备退出无功功率补偿，此处，也可以理解为第二次分配，即增加无功补偿设备的裕度，利于下一次跟进。

[0055] 在一个实施例中，步骤S103中AVC子站控制风电场内的风电机组增发无功功率以替换无功补偿设备的无功出力包括：AVC子站计算风电场内的各个风电机组可补偿的无功功率；AVC子站控制各个风电机组按照其可补偿的无功功率进行无功功率的增发。本实施例中按照风电机组可补偿的无功进行无功分配，以风电场内各节点电压偏差最小为目标，实现目标无功在风机组间的分配，保证能够达到目标无功。如果包括多个风电机组，可以在风电机组中进行平均分配；也可以在某一风电机组的容量允许的情况下，只分配给该风电机组；还可以使某一风电机组容量用尽，将剩余的无功分配给其余风电机组。

[0056] 二次分配结束后，由于系统本身的无功损耗，当前无功和目标无功之间还会存在一个差值，本发明提供了一个实施例中，在步骤S103之后，上述方法还可以包括：AVC子站对无功补偿设备进行比例积分调节(即PI调节)，减少风电场的当前并网点电压与目标并网点电压的差值，其中差值由风电场本身的无功损耗导致。使得系统输出的无功无限接近目标无功。具体的，可以输入当前并网点电压与目标并网点电压的差值，比例积分调节器根据差值计算得到需要的无功功率，然后无功补偿设备或风电机组。

[0057] 基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种风电场无功功率控制系统，可以用于实现上述实施例所描述的风电场无功功率控制方法，如下面的实施例所述。由于风电场无功功率控制系统解决问题的原理与风电场无功功率控制方法相似，因此风电场无功功率控制系统的实施可以参见风电场无功功率控制方法的实施，重复之处不再赘述。

[0058] 图3是本发明实施例的风电场无功功率控制系统的结构示意图，如图3所示，该系统包括：AVC子站10、无功补偿设备20以及包含至少一个风电机组31的风电场30。下面对其结构进行具体说明。

[0059] AVC子站10，连接至无功补偿设备20和风电场30，用于获取风电场30的目标无功功率，根据目标无功功率向无功补偿设备20发送无功调节指令；以及在检测到风电场30的无功功率达到目标无功功率后，控制风电场30内的风电机组31增发无功功率，以替换无功补偿设备20的无功出力。

[0060] 无功补偿设备20，连接至AVC子站10和风电场30，用于根据无功补偿设备20的工作方式进行无功功率补偿。

[0061] 通过本发明实施例的风电场无功功率控制系统，风电机组和无功补偿设备协调工作，进行无功功率的分配控制，充分利用和协调风电场的无功能力，使得风电场并网点电压(即PCC电压)可以自动跟踪目标电压以满足电网需求，且稳定风电场内部各节点的电压。并且，以调节速度快的无功补偿设备优先动作，迅速满足响应要求；当并网点电压稳定后(即达到目标无功)，增发风电机组的无功功率，从而替换无功补偿设备无功出力，为无功补偿设备提供更多的裕量，以利于下一次的快速跟进(即下一次无功功率控制)。

[0062] 在一个实施例中，如图4所示，上述系统还包括：AVC主站40，连接至AVC子站10，用于向AVC子站10下发无功功率指令或电压指令。AVC子站10具体用于接收无功功率指令，从无功功率指令中获取目标无功功率；或者，接收电压指令，根据电压指令中携带的目标并网点电压计算目标无功功率。

[0063] 在一个实施例中，AVC子站10，具体用于判断目标无功功率是否超过预设无功功率；向无功补偿设备20发送包含判断结果的无功调节指令；以及在无功补偿设备20输出预设无功功率后，根据风电场30内的风电机组31的无功上下限，将剩余的目标无功功率分配给风电机组31输出；其中，预设无功功率小于无功补偿设备20的额定容量。无功补偿设备20，具体用于接收包含判断结果的无功调节指令；在判断结果为目标无功功率未超过预设无功功率的情况下，根据无功补偿设备20的工作方式进行无功功率补偿，使风电场30的无功功率达到目标无功功率；以及在判断结果为目标无功功率超过预设无功功率的情况下，根据无功补偿设备20的工作方式进行无功功率补偿，输出预设无功功率。

[0064] 在一个实施例中，无功补偿设备20包括：第一补偿单元，用于当无功补偿设备20单独运行时，输出无功功率，使风电场的并网点电压维持在预设范围内；第二补偿单元，用于当无功补偿设备20需要与调度配合时，按照当前并网点电压与预设电压的大小关系进行无功功率补偿。

[0065] 上述预设电压包括：第一电压值、第二电压值、第三电压值、第四电压值和调节死区，其中，第一电压值>第二电压值>第三电压值>第四电压值>调节死区的上限。

[0066] AVC子站10还用于检测当前并网点电压；第二补偿单元，具体用于如果当前并网点电压属于[第二电压值，第一电压值)或(第四电压值，第三电压值]，将风电场30的并网点电压调节到(第三电压值，第二电压值)区间内；如果当前并网点电压属于(第三电压值，第二电压值)，按照无功调节指令输出无功功率，使风电场30的无功功率达到目标无功功率；如果当前并网点电压大于等于第一电压值，退出无功功率补偿，风电机组31满发感性无功，不发容性无功；如果当前并网点电压小于等于第四电压值，退出无功功率补偿，风电机组31满发容性无功，不发感性无功；如果当前并网点电压属于调节死区，不进行无功功率补偿。

[0067] 在一个实施例中，AVC子站10包括：计算单元，用于计算风电场30内的各个风电机组31可补偿的无功功率；控制单元，连接至计算单元，用于控制各个风电机组31按照其可补偿的无功功率进行无功功率的增发。

[0068] 在一个实施例中，AVC子站10包括：调节单元，用于在控制风电场30内的风电机组31增发无功功率以替换无功补偿设备20的无功出力之后，对无功补偿设备20进行比例积分调节，减少风电场的当前并网点电压与目标并网点电压的差值，其中差值由风电场本身的无功损耗导致。调节单元可以是比例积分调节器。

[0069] 以上所使用的，术语“单元”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。上述模块划分只是一种示意划分，本发明并不局限于此。例如，AVC子站可以包括：控制单元，用于执行与计算、控制和比例积分调节相关的功能；又如，无功补偿设备可以包括补偿单元，用于执行上述第一补偿单元和第二补偿单元的功能。只要能实现本发明目的的模块划分，均应属于本发明的保护范围。

[0070] 下面结合具体的实施例来进行说明，无功补偿设备以SVG为例。值得注意的是，该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。

[0071] 风电场无功功率控制包括：AVC子站根据AVC主站下发的母线电压指令计算目标无功功率，生成无功功率调节指令。AVC子站在风电机组和SVG中进行无功功率分配(二次分配)：根据SVG的工作方式(或称为运行状态)，以风电场内风电机组节点电压最优(即各节点电压偏差最小)为目标，实现对目标无功的分配，使得风电场发出的无功等于目标无功，以达到控制高压侧母线电压稳定的目的，同时，保证场内各节点电压稳定在一定范围。

[0072] 系统简化模型如图5所示，S为大系统，G为风电机组，UG为发电机定子电压，UM为母线电压，U为系统电压，Xs为系统电抗，XT为主变电抗，Xd为风电机组到低电压侧母线的输电线路的电抗值，P+jQ为风电场母线注入系统的功率。

[0073] A、计算目标无功：

[0074] 首先计算系统电抗Xs，考虑到S为无穷大系统，认为系统电压U不变，系统电阻R很小，PR值很小，可忽略不计，则有：

[0075]

[0076]

[0077] 其中，UM+为当前母线电压，P为当前机组有功(P是不变的，当前与上次检测的值一样)，Q+为当前机组无功，UM-为上次母线电压，Q-为上次机组无功。

[0078] 由(1)、(2)两式得出系统电抗：

[0079]

[0080] 然后结合系统电抗Xs，进行全场无功预测，即计算目标无功。

[0081] 设UMtarget为目标母线电压，Qtarget为机组目标无功，则

[0082]

[0083] 由(1)、(4)式可知

[0084]

[0085] 以上公式针对单机大系统推导，如果是多机大系统，∑Qtarget为全场目标总无功，则

[0086]

[0087] 其中，∑Q+为全场总无功。

[0088] 由(6)式可知，预测无功的变化方向与母线目标电压变化的方向始终是相同的，即ΔU>0，ΔQ>0。在调节过程中，母线电压由一个稳态值逐渐向目标电压变化，通过系统电抗计算(为确保系统电抗尽量反映系统的稳态特性，可以对每次系统电抗计算结果进行迭代，求其加权平均值)，得到无功预测值。

[0089] B、场内无功协调分配

[0090] 本发明实施例中，针对风电场内的无功功率设备进行功率分配时，采用二次分配。

[0091] 一次分配：以调节速度快的SVG优先动作，迅速满足响应要求。当SVG不能满足系统要求时，风电机组随后跟进，风电机组感性无功满发或容性无功满发，配合SVG稳定并网点电压。

[0092] 二次分配：当并网点电压稳定，即达到目标无功Qtarget后，为了给快速响应的SVG提供更多的裕量，增发风电机组的无功功率，从而替换SVG无功出力，以利于下一次的快速跟进(即下一次无功功率优化)。具体的，以风电场内各节点电压偏差最小为目标，实现对目标无功在风机组间的分配，使得风电场发出的无功等于目标无功，以达到控制高压侧母线电压稳定的目的，同时稳定风电场内部节点电压。

[0093] 下面对无功功率的分配进行详细说明。

[0094] 1、风电场无功功率一次分配

[0095] 风电场获得目标无功功率后，优先考虑使用SVG进行无功补偿，SVG的容量按照其额定容量的95％考虑，如果SVG容量满足需求，将目标无功都分配给SVG，不在机组间分配；如果SVG容量不能满足需求，先给SVG分配其最大容量(即额定容量的95％)的无功，然后将剩余无功在各个机组间进行分配，机组内分配时，考虑机组的机组无功上下限。

[0096] 本实施例中划分了SVG的工作方式，以便更好更快地进行无功补偿，如下：

[0097] 1)当SVG单独运行时，工作于恒电压模式，自动维持高压侧母线电压为设定范围内。其中，设定范围指的是风电场应当能够保证风电场并网点电压波动不超过额定电压的-3％至7％。SVG工作于恒电压模式，控制输出的无功功率，调节并网点电压。

[0098] 2)当SVG需要与调度配合时，工作于综合方式。预先设定以下定值：电压极高限值、电压高限值、电压低限值、电压极低限值和调节死区。预设值及其对应的具体操作如图6所示。

[0099] 当高压侧母线电压值在(电压低限值，电压高限值)之间时，SVG接收风电场AVC子站的指令，迅速使并网点无功功率达到Qtarget，稳定风电场电压。

[0100] 当高压侧母线电压在(电压极低限值，电压低限值]之间或在[电压高限值，电压极高限值)之间时，SVG自动控制，将高压侧母线电压调节到(电压低限值，电压高限值)之间，进而在该范围内使风电场电压稳定。

[0101] 当高压侧母线电压大于等于电压极高限值时，可调风机满发感性无功，不发容性无功。此时，SVG退出无功功率补偿，可以理解为第二次分配，即增加SVG的动态裕量，利于下一次跟进。

[0102] 当高压侧母线电压小于等于电压极低限值时，可调风机满发容性无功，不发感性无功。此时，SVG退出无功功率补偿，可以理解为第二次分配，即增加SVG的动态裕量，利于下一次跟进。

[0103] 一次分配结束后，即并网点电压稳定在目标电压，风电场无功达到了目标无功，为增加SVG的动态裕量，将无功分配给可调风机，以便SVG能够快速跟进下次的无功补偿。

[0104] 2、风电场无功功率二次分配

[0105] SVG稳态工作时，即SVG工作在电压极低限值和电压极高限值之间时，风电场AVC子站为了充分利用DFIG的无功能力，对全场内部节点电压进行优化，保证风电机组机端电压偏差最小，同时风电机组增发的无功功率可以替换SVG裕量，有利于下次跟进。

[0106] 风电机组在有功给定的基础上，根据风电机组实发有功功率和无功功率计算各风电机组可补偿的无功功率，确定可调机组和不可调机组。可采用以下优化策略将无功功率分配到可调机组，使风电机组机端电压偏差最小，这样可以有效防止由于机端电压不稳造成的低电压穿越，同时可以保证风电场并网点电压跟踪调度指令(即达到调度指令中的目标电压)。

[0107] 计算风电机组可补偿的无功功率Qic的过程如下：

[0108] (1)目标函数：

[0109] ～minf＝(Ui-1)2   (7)

[0110] 其中，Ui为风电机组机端电压。

[0111] (2)风电机组机端电压Ui：

[0112]

[0113] 其中，UMtarget为风电场的目标并网点电压，Pi是编号为i的风电机组的实发有功功率，Qi是编号为i的风电机组的实发无功功率，Ri为风电机组馈线的电阻，Xi为风电机组馈线的电抗。

[0114] (3)等式约束：

[0115]

[0116] 其中，θij为电压与电流的相位差，Gij为风电机组馈线的电导，Bij为风电机组馈线的电纳。

[0117] (4)不等式约束：

[0118] 1)电压约束：

[0119]

[0120] 其中，Upcc为风电场的并网点电压。

[0121] 2)无功约束：

[0122] 0.95Qi_min≤Qi≤0.95Qi_max   (11)

[0123] 其中，Qi_min为风电机组在有功出力一定的情况下可吸收的最大无功功率，Qi_max为风电机组在有功出力一定的情况下可发出的最大无功功率，0.95为安全系数，给风电机组留有一定的无功裕度，可以保证和提高其低电压穿越的性能。

[0124] 3)功率因数约束：

[0125]

[0126] 其中， 为电压与电流的相位差， 为有功功率与总功率(有功功率与无功功率之和)的比值。

[0127] (5)算法介绍：

[0128] 目前，由于风机厂家对风机保护政策，风电场以风电机组为单位，风电场AVC子站不控制到单机，因此，对于以上优化算法，阶数较小，比较简单，上述问题为非线性问题，可采用逐步逼近法、拉格朗日乘数法、二次规划法以及粒子群等算法得到上述公式的最优解。

[0129] 以拉格朗日乘数法(二次逼近法)为例，其主要思想是将非线性问题转换为线性问题来求解，通过建立拉格朗日目标函数来实现：

[0130] L(x,λ)＝f(x)+λ1g(x)+λ2h(x)   (13)

[0131] 其中，f(x)、g(x)、h(x)分别表示目标函数、等式及不等式约束条件，λ1、λ2均为系数。对式(13)做二次泰勒展开：

[0132]

[0133] 其中，Hk为海森矩阵，sk为逼近方向，k为迭代次数，T表示矩阵的转置。

[0134] αk为最优系数，则可得到：

[0135] xk+1＝xk+αksk   (15)

[0136] 满足

[0137] min f(xk+1)+λgg(xk+1)λhmax［0,h(xk+1)］   (16)

[0138] 其中，λg、λh均为系数，即可得到最优解xk+1。

[0139] 由以上算法得到最优解Qic。之后，由各个风电机组增发Qic，即可在保证风场并网点电压(即PCC点电压)稳定的情况下，使风电场内部各节点电压得到优化(即各节点电压偏差最小)，并能提高SVG的可用裕量。

[0140] 综上所述，本发明针对由双馈风力发电机构成的、含有SVG的风电场，提出一种无功功率控制方法，主要是双馈风力发电机配合SVG进行控制，使风电场并网点电压可以自动跟踪目标电压，并以此为基础对风电场内部的无功功率进行优化，充分利用和协调风电场的无功设备，保证风电场内部节点电压稳定。同时，在保证风电场PCC电压跟踪目标电压的基础上，通过优化分配策略不但为SVG提供更多的裕量，还能够对风电场内各节点的电压进行优化。

[0141] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

[0142] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0143] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。