一种风电场的稳态无功控制方法及装置

摘要

本申请公开了一种风电场的稳态无功控制方法及装置，方法包括：根据预置风速信息计算双馈风力发电机的合成尾流风速和双馈风力发电机的有功功率；根据有功功率分别计算系统无功需求量和机组的约束无功容量；根据约束无功容量分别获取双馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考值；基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的无功容量为辅的原则，根据双馈风力发电机的无功控制参考值、分配定子侧无功控制参考值、网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考值对风电场机组进行综合稳态无功控制。解决了现有技术无法同时提供足够的无功补偿容量和较快的响应速度的技术问题。

权利要求

1.一种风电场的稳态无功控制方法，其特征在于，包括：采用预置Jensen模型计算风电场下游风力发电机的尾流风速，所述预置Jensen模型表达为：

其中，vw(x)为所述尾流风速，v0为风电场上游风机的自由风速，vw0为上游风机的背风面风速，rrot为上游风机半径，r(x)为上游风机对下游风机投影的半径；

通过所述尾流风速计算双馈风力发电机在不同角度投影覆盖约束下的合成尾流风速；

根据所述合成尾流风速计算各个所述双馈风力发电机的有功功率；

根据所述有功功率分别计算系统无功需求量和机组的约束无功容量，所述约束无功容量包括在功率因数约束下的第一约束无功容量和在机组安全约束下的第二约束无功容量，所述第一约束无功容量根据预置功率因数和所述有功功率计算得到，所述第二约束无功容量根据所述有功功率计算得到；

在所述约束无功容量中获取最小值作为双馈风力发电机的无功控制参考值；

根据所述第二约束无功容量和所述双馈风力发电机的无功控制参考值计算分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值；

根据所述分配定子侧无功控制参考值和所述分配网侧无功控制参考值计算静止无功补偿器的补偿无功控制参考值；

基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的无功容量为辅的原则，根据所述双馈风力发电机的无功控制参考值、所述分配定子侧无功控制参考值、所述网侧无功控制参考值和所述补偿无功控制参考值对风电场机组进行综合稳态无功控制。

2.根据权利要求1所述的风电场的稳态无功控制方法，其特征在于，所述第一约束无功容量的计算过程为：

根据所述预置功率因数和所述有功功率计算各个双馈风力发电机的第一约束无功容量，计算过程表达为：

Qgci＝Pgitan(arccosζ)；

其中，ζ为所述预置功率因数，Qgci和Pgi分别为第i台双馈风电机组的第一约束无功容量和所述有功功率。

3.根据权利要求1所述的风电场的稳态无功控制方法，其特征在于，所述第二约束无功容量的计算过程为：

在预置机组安全约束下，根据所述有功功率分别计算定子侧无功容量和网侧无功容量，所述第二约束无功容量为所述定子侧无功容量和所述网侧无功容量之和。

4.一种风电场的稳态无功控制装置，其特征在于，包括：第一计算模块，用于采用预置Jensen模型计算风电场下游风力发电机的尾流风速，所述预置Jensen模型表达为：其中，vw(x)为所述尾流风速，v0为风电场上游风机的自由风速，vw0为上游风机的背风面风速，rrot为上游风机半径，r(x)为上游风机对下游风机投影的半径；

通过所述尾流风速计算双馈风力发电机在不同角度投影覆盖约束下的合成尾流风速；

根据所述合成尾流风速计算各个所述双馈风力发电机的有功功率；

第二计算模块，用于根据所述有功功率分别计算系统无功需求量和机组的约束无功容量，所述约束无功容量包括在功率因数约束下的第一约束无功容量和在机组安全约束下的第二约束无功容量，所述第一约束无功容量根据预置功率因数和所述有功功率计算得到，所述第二约束无功容量根据所述有功功率计算得到；

第三计算模块，用于在所述约束无功容量中获取最小值作为双馈风力发电机的无功控制参考值；

根据所述第二约束无功容量和所述双馈风力发电机的无功控制参考值计算分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值；

根据所述分配定子侧无功控制参考值和所述分配网侧无功控制参考值计算静止无功补偿器的补偿无功控制参考值；

稳态无功控制模块，用于基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的无功容量为辅的原则，根据所述双馈风力发电机的无功控制参考值、所述分配定子侧无功控制参考值、所述网侧无功控制参考值和所述补偿无功控制参考值对风电场机组进行综合稳态无功控制。

5.根据权利要求4所述的风电场的稳态无功控制装置，其特征在于，所述第一约束无功容量的计算过程为：

根据所述预置功率因数和所述有功功率计算各个双馈风力发电机的第一约束无功容量，计算过程表达为：

Qgci＝Pgitan(arccosζ)；

其中，ζ为所述预置功率因数，Qgci和Pgi分别为第i台双馈风电机组的第一约束无功容量和所述有功功率。

6.根据权利要求4所述的风电场的稳态无功控制装置，其特征在于，所述第二约束无功容量的计算过程为：

在预置机组安全约束下，根据所述有功功率分别计算定子侧无功容量和网侧无功容量，所述第二约束无功容量为所述定子侧无功容量和所述网侧无功容量之和。

说明书

一种风电场的稳态无功控制方法及装置

技术领域

[0001] 本申请涉及风电场无功控制技术领域，尤其涉及一种风电场的稳态无功控制方法及装置。

背景技术

[0002] 大部分风能资源主要集中在“三北”地区及东南沿海地区，与负荷中心逆向分布，因此风电主要采取大规模集中式开发，远距离高电压输送的发展模式，使风电在送端电网
大量汇集，逐步形成了高比例风电送出系统。高比例风电送出系统的电网强度较弱，电网对
风电场并网点电压支撑能力不足。由于风电的随机性和波动性较强，尤其是当风速快速波
动时，风电场有功功率大幅变化，导致风电送出线路的无功损耗增加，若不及时采取合理的
无功电压控制手段，可能威胁风电场并网点电压的稳定性。某风电基地曾观测到风电场并
网点电压在10s内平均波动超过6kV，甚至在2s内电压波动超过5kV。

[0003] 在风速波动过程中，目前主要利用无功补偿设备平抑风电场并网点电压的波动；电容器可满足大容量无功补偿的需求，但是投切速度较慢。而静止无功补偿器受电压影响
较大，在稳态运行时大量投入，在暂态过程中电压跌落期间可能导致较大的无功缺额，电压
恢复期间也可能造成电压过冲现象。

发明内容

[0004] 本申请提供了一种风电场的稳态无功控制方法及装置，用于解决现有无功补偿控制技术无法同时提供足够的无功补偿容量和较快的响应速度的技术问题。

[0005] 有鉴于此，本申请第一方面提供了一种风电场的稳态无功控制方法，包括：

[0006] 根据预置风速信息计算各个双馈风力发电机的合成尾流风速和所述双馈风力发电机的有功功率；

[0007] 根据所述有功功率分别计算系统无功需求量和机组的约束无功容量，所述约束无功容量包括在功率因数约束下的第一约束无功容量和在机组安全约束下的第二约束无功
容量；

[0008] 根据所述约束无功容量分别获取各个双馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考值；

[0009] 基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的无功容量为辅的原则，根据所述双馈风力发电机的无功控制参考值、所述分配定子侧无功控制参考值、所述网侧
无功控制参考值和所述补偿无功控制参考值对风电场机组进行综合稳态无功控制。

[0010] 可选的，所述根据预置风速信息计算各个双馈风力发电机的合成尾流风速和所述双馈风力发电机的有功功率，包括：

[0011] 采用预置Jensen模型计算风电场下游风力发电机的尾流风速，所述预置Jensen模型表达为：

[0012]

[0013] 其中，vw(x)为所述尾流风速，v0为风电场上游风机的自由风速，vw0为上游风机的背风面风速，rrot为上游风机半径，r(x)为上游风机对下游风机投影的半径；

[0014] 通过所述尾流风速计算所述双馈风力发电机在不同角度投影覆盖约束下的合成尾流风速；

[0015] 根据所述合成尾流风速计算各个所述双馈风力发电机的有功功率。

[0016] 可选的，所述第一约束无功容量的计算过程为：

[0017] 根据预置功率因数和所述有功功率计算各个双馈风力发电机的第一约束无功容量，计算过程表达为：

[0018] Qgci＝Pgitan(arccosζ)；

[0019] 其中，ζ为所述预置功率因数，Qgci和Pgi分别为第i台双馈风电机组的第一约束无功容量和所述有功功率。

[0020] 可选的，所述第二约束无功容量的计算过程为：

[0021] 在预置机组安全约束下，根据所述有功功率分别计算定子侧无功容量和网侧无功容量，所述第二约束无功容量为所述定子侧无功容量和所述网侧无功容量之和。

[0022] 可选的，所述根据所述约束无功容量分别获取各个双馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考
值，包括：

[0023] 在所述约束无功容量中获取最小值作为双馈风力发电机的无功控制参考值；

[0024] 根据所述第二约束无功容量和所述双馈风力发电机的无功控制参考值计算分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值；

[0025] 根据所述分配定子侧无功控制参考值和所述分配网侧无功控制参考值计算静止无功补偿器的补偿无功控制参考值。

[0026] 本申请第二方面提供了一种风电场的稳态无功控制装置，包括：

[0027] 第一计算模块，用于根据预置风速信息计算各个双馈风力发电机的合成尾流风速和所述双馈风力发电机的有功功率；

[0028] 第二计算模块，用于根据所述有功功率分别计算系统无功需求量和机组的约束无功容量，所述约束无功容量包括在功率因数约束下的第一约束无功容量和在机组安全约束
下的第二约束无功容量；

[0029] 第三计算模块，用于根据所述约束无功容量分别获取各个双馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制参考值和补偿无功控
制参考值；

[0030] 稳态无功控制模块，用于基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的无功容量为辅的原则，根据所述双馈风力发电机的无功控制参考值、所述分配定子侧无
功控制参考值、所述网侧无功控制参考值和所述补偿无功控制参考值对风电场机组进行综
合稳态无功控制。

[0031] 可选的，所述第一计算模块具体用于：

[0032] 采用预置Jensen模型计算风电场下游风力发电机的尾流风速，所述预置Jensen模型表达为：

[0033]

[0034] 其中，vw(x)为所述尾流风速，v0为风电场上游风机的自由风速，vw0为上游风机的背风面风速，rrot为上游风机半径，r(x)为上游风机对下游风机投影的半径；

[0035] 通过所述尾流风速计算所述双馈风力发电机在不同角度投影覆盖约束下的合成尾流风速；

[0036] 根据所述合成尾流风速计算各个所述双馈风力发电机的有功功率。

[0037] 可选的，所述第一约束无功容量的计算过程为：

[0038] 根据预置功率因数和所述有功功率计算各个双馈风力发电机的第一约束无功容量，计算过程表达为：

[0039] Qgci＝Pgitan(arccosζ)；

[0040] 其中，ζ为所述预置功率因数，Qgci和Pgi分别为第i台双馈风电机组的第一约束无功容量和所述有功功率。

[0041] 可选的，所述第二约束无功容量的计算过程为：

[0042] 在预置机组安全约束下，根据所述有功功率分别计算定子侧无功容量和网侧无功容量，所述第二约束无功容量为所述定子侧无功容量和所述网侧无功容量之和。

[0043] 可选的，所述第三计算模块具体用于：

[0044] 在所述约束无功容量中获取最小值作为双馈风力发电机的无功控制参考值；

[0045] 根据所述第二约束无功容量和所述双馈风力发电机的无功控制参考值计算分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值；

[0046] 根据所述分配定子侧无功控制参考值和所述分配网侧无功控制参考值计算静止无功补偿器的补偿无功控制参考值。

[0047] 从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

[0048] 本申请中，提供了一种风电场的稳态无功控制方法，包括：根据预置风速信息计算各个双馈风力发电机的合成尾流风速和双馈风力发电机的有功功率；根据有功功率分别计
算系统无功需求量和机组的约束无功容量，约束无功容量包括在功率因数约束下的第一约
束无功容量和在机组安全约束下的第二约束无功容量；根据约束无功容量分别获取各个双
馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制
参考值和补偿无功控制参考值；基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的
无功容量为辅的原则，根据双馈风力发电机的无功控制参考值、分配定子侧无功控制参考
值、网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考值对风电场机组进行综合稳态无功控制。

[0049] 本申请提供的风电场的稳态无功控制方法，利用了静止无功补偿器采用晶闸管控制电抗器和电容器，响应速度快，以及双馈风电机组的无功容量不易受到电压跌落的影响
的原理，将双馈风电机组与静止无功补偿器结合进行稳态无功控制，既可以避免静止无功
补偿器受电压影响，又能够提升控制的响应速度。因此，本申请能够解决现有无功补偿控制
技术无法同时提供足够的无功补偿容量和较快的响应速度的技术问题。

附图说明

[0050] 图1为本申请实施例提供的一种风电场的稳态无功控制方法的一个流程示意图；

[0051] 图2为本申请实施例提供的一种风电场的稳态无功控制装置的结构示意图；

[0052] 图3为本申请实施例提供的风电场并网系统结构示意图；

[0053] 图4为本申请实施例提供的风电场和静止无功补偿器的无功容量及系统无功需求量示意图；

[0054] 图5为本申请应用例提供的双馈风电场并网系统仿真模型；

[0055] 图6为本申请应用例提供的考虑尾流效应时不同双馈风电机组风速的仿真结果图；

[0056] 图7为本申请应用例提供的不同双馈风电机组有功出力的仿真结果图；

[0057] 图8为本申请应用例提供的双馈风电场有功出力与系统无功需求的仿真结果图；

[0058] 图9为本申请应用例提供的分别考虑机组安全约束和功率因数约束时双馈风电机组无功容量的仿真结果图；

[0059] 图10为本申请应用例提供的本申请方法与不采用时双馈风电机组与静止无功补偿器发出无功功率的仿真对比结果图；

[0060] 图11为本申请应用例提供的本申请方法与不采用时风电场并网点电压的仿真结果图；

[0061] 图12为本申请应用例提供的本申请提到的方案一与方案二的双馈风电机组与静止无功补偿器暂态无功出力仿真对比结果图；

[0062] 图13为本申请应用例提供的本申请提到的方案一与方案二的时风电场并网点暂态电压的仿真对比结果图。

具体实施方式

[0063] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本
申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

[0064] 为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种风电场的稳态无功控制方法的实施例，包括：

[0065] 步骤101、根据预置风速信息计算各个双馈风力发电机的合成尾流风速和双馈风力发电机的有功功率。

[0066] 进一步地，采用预置Jensen模型计算风电场下游风力发电机的尾流风速，预置Jensen模型表达为：

[0067]

[0068] 其中，vw(x)为尾流风速，v0为风电场上游风机的自由风速，vw0为上游风机的背风面风速，rrot为上游风机半径，r(x)为上游风机对下游风机投影的半径；

[0069] 通过尾流风速计算双馈风力发电机在不同角度投影覆盖约束下的合成尾流风速；

[0070] 根据合成尾流风速计算各个双馈风力发电机的有功功率。

[0071] 预置风速信息主要是指除下游风力发电机的尾流风速以外的其他风速数据信息，结合这些信息就可以计算得到尾流风速。在风电场中，风电机组可能面临上游多个风机不
同角度的投影覆盖，因此，需要考虑这些不测因素对尾流风速的影响，得到的合成尾流风速
才更加准确。本申请实施例中双馈风电机组采用最大功率进行跟踪控制。

[0072] 具体的，上游风机对下游风机投影的半径r(x)可以表示为：

[0073] r(x)＝rrot+tanα·x；

[0074] 其中，x为沿风向上游风机至下游风机的距离，α为投影的顶点因子，对于未受到上游风机影响的自由风，tanα＝0.04，否则，tanα＝0.08。

[0075] 在投影覆盖影响下的合成尾流风速为：

[0076]

[0077] 其中，vi为任意风机i的合成尾流风速，vw(xki)为经过上游风机k流向风机i的风速，可以根据上述尾流风速的计算公式求得，vi0为是风机i的自由风速，n为风机总数，βk为
投影重合区域Ashad_ik占风机i转动区域Arot_i的比例，具体可以表示为：

[0078]

[0079] 双馈风力发电机的有功功率表示为：

[0080]

[0081] 其中，k1为风轮机相关系数，vi为风机i的合成尾流风速，Cp为风能利用系数，用于表示叶尖速比λ与桨距角β的函数。当λ为最优叶尖速比λopt且β＝0时，Cp达到最大风能利用
系数Cpmax。

[0082] 步骤102、根据有功功率分别计算系统无功需求量和机组的约束无功容量，约束无功容量包括在功率因数约束下的第一约束无功容量和在机组安全约束下的第二约束无功
容量。

[0083] 求取系统无功需求量的具体过程为：将双馈风力发电机的有功功率求和，得到风机的总有功功率，即风电场的有功功率，具体表示为：

[0084]

[0085] 请参阅图3，根据潮流方程可以求得风电场并网点电压的表达式为

[0086]

[0087] 其中，UG为电网电压，Uacc为风电场并网点电压，Pw和Qw分别为风电场的有功功率和无功功率，XL为输电线路电抗。风电场并网点电压由风电场的有功功率Pw和无功功率Qw以及
输电线路电抗XL决定，并且与Qw成正比，与Pw成反比。当风速上升时，风电场的有功功率增
加，如果风电场的无功功率保持不变，风电场并网点电压将会下降。为维持风电场并网点电
压不变，风电场应该补偿更多的无功功率。假设风电场并网点电压目标值为Uob，那么通过上
式可以得到系统无功需求量：

[0088]

[0089] 进一步地，第一约束无功容量的计算过程为：

[0090] 根据预置功率因数和有功功率计算各个双馈风力发电机的第一约束无功容量，计算过程表达为：

[0091] Qgci＝Pgitan(arccosζ)；

[0092] 其中，ζ为预置功率因数，Qgci和Pgi分别为第i台双馈风电机组的第一约束无功容量和有功功率。

[0093] 根据《风电场接入电力系统技术规定》双馈风电机组可运行在±0.95功率因数范围内，因此，当风速波动使有功功率变化时，双馈风电机组可以发出与有功功率对应的无功
功率，支撑风电场并网点电压，在预置功率因数ζ约束下，第i台双馈风电机组的第一约束无
功容量即为Qgci。本实施例中的ζ＝0.95。

[0094] 第二约束无功容量的计算过程为：

[0095] 在预置机组安全约束下，根据有功功率分别计算定子侧无功容量和网侧无功容量，第二约束无功容量为定子侧无功容量和网侧无功容量之和。

[0096] 双馈风电机组在采取无功控制时，不仅受到功率因数的约束，还受到转子电流和网侧变流器容量的约束，即机组自身安全约束。据此可得双馈风电机组定子侧和网侧变流
器的无功容量分别为：

[0097]

[0098]

[0099] 其中，Usm为定子电压幅值，Imax为转子电流允许最大值，Rs和Xs分别为定子电阻和电抗，Xm为激磁电抗，s为转差率，Pg为双馈风电机组的总有功功率，Sgac是网侧变流器的容
量，一般为双馈风电机组额定容量的30％。因此，在预置机组安全约束下，双馈风电机组的
第二约束无功容量为：

[0100] Qgc＝Qgscc+Qsc。

[0101] 除了计算双馈风电机组的无功容量，还需要计算静止无功补偿器的无功容量：

[0102]

[0103] 其中，usvc为静止无功补偿器的端电压，Bsvcm为静止无功补偿器的导纳最大值。

[0104] 步骤103、根据约束无功容量分别获取各个双馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考值。

[0105] 进一步地，根据约束无功容量分别获取各个双馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考值，包
括：

[0106] 在约束无功容量中获取最小值作为双馈风力发电机的无功控制参考值；

[0107] 根据第二约束无功容量和双馈风力发电机的无功控制参考值计算分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值；

[0108] 根据分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值计算静止无功补偿器的补偿无功控制参考值。

[0109] 在第一约束无功容量和第二约束无功容量中选取最小值作为双馈风力发电机的无功控制参考值 按照上述求得定子侧无功容量和网侧无功容量进行分配，计算定分配
定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值：

[0110]

[0111] 其中， 为第i台双馈风力发电机的分配网侧无功控制参考值， 为第i台双馈风力发电机的分配定子侧无功控制参考值，Qgscci为第i台双馈风力发电机的网侧变流器无
功容量，Qsci为第i台双馈风力发电机的定子侧无功容量。

[0112] 系统无功需求量减去所有风电机组的无功出力，可得静止无功补偿器的补偿无功控制参考值：

[0113]

[0114] 可以根据补偿无功控制参考值和端电压计算导纳参考值：

[0115]

[0116] 步骤104、基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的无功容量为辅的原则，根据双馈风力发电机的无功控制参考值、分配定子侧无功控制参考值、网侧无功控
制参考值和补偿无功控制参考值对风电场机组进行综合稳态无功控制。

[0117] 双馈风电机组和静止无功补偿器跟踪以上的这些无功控制参考值，即可发出无功功率支撑风电场并网点电压。

[0118] 考虑到双馈风电机组与静止无功补偿器受电压跌落影响的程度不同，本申请实施例中对比两种稳态无功控制方案对暂态无功出力的影响：方案一，优先利用双馈风电机组
的无功容量；方案二，优先利用静止无功补偿器的无功容量。在暂态过程中，双馈风电机组
与静止无功补偿器增发无功功率需要一定的响应时间，因此暂态过程初期双馈风电机组与
静止无功补偿器的无功出力决定了电压跌落程度；在暂态过程后期，双馈风电机组与静止
无功补偿器都能根据电压跌落程度和无功容量上限增发无功功率，使两种方案电压恢复水
平基本一致。因此，本申请实施例将故障发生时刻电压跌落前后双馈风电机组或静止无功
补偿器无功出力的减少量定义为动态无功落差，以动态无功落差作为稳态无功控制方案选
择的依据。

[0119] 作出系统无功需求量曲线、机组安全约束下的风电场无功容量曲线、功率因数约束下的风电场无功容量曲线和静止无功补偿器的无功容量曲线如图4所示。其中，A点表示
风电场额定有功出力，B‑G点分别对应各曲线在风电场额定有功出力条件下的无功功率取
值，静止无功补偿器的额定无功容量按补偿风电场额定有功出力时系统的一半无功需求来
配置，即AD＝AG/2。

[0120] 双馈风电机组一般运行在中低风速，假设风电场有功出力对应A1点，此时系统无功需求为A1G1。对于方案一，优先利用双馈风电机组进行无功补偿，由于功率因数约束下的
无功容量小于机组安全约束下的无功容量，即A1E1＜A1F1，因此双馈风电机组发出无功功率
A1E1，静止无功补偿器发出无功功率为E1G1。当电压降低至0.9pu时，由于A1E1＜A1B1，因此保
持A1E1不变，而静止无功补偿器发出的无功功率减小为0.81E1G1，动态无功落差为
0.19E1G1。

[0121] 对于方案二，优先利用静止无功补偿器进行无功补偿，发出无功功率为A1D1，双馈风电机组发出无功功率为D1G1。当电压降低至0.9pu时，由于D1G1＜A1B1，因此风电场发出的
无功功率保持D1G1不变，而静止无功补偿器发出的无功功率减小为0.81A1D1，动态无功落差
为0.19A1D1＝0.19DG＞0.19EG＞0.19E1G1。

[0122] 综合可知方案一和方案二相比，静止无功补偿器发出的无功功率更少，由于静止无功补偿器发出的无功功率与电压平方成正比，而风电场发出的无功功率在中低风速下基
本不受电压降低的影响，因此在电压跌落时方案一的动态无功落差更小，更适合于风速波
动下的无功控制。这也是本申请优先利用双馈风电机组的无功容量进行控制的原因。

[0123] 为了便于理解，提供本申请实施例对应的应用例，其中，DFIG表示双馈风电机组，SVC表示静止无功补偿器。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如图5所示。其中风电场通过
25kV/220kV的升压变压器和300km的输电线路接入电网。风电场由108台1.5MW的双馈风电
机组构成，在仿真中采用容量加权的方法等值成9台机组。三条集电馈线与风电场并网点相
连，每条集电馈线上接有3台等值双馈风电机组。相邻两台双馈风电机组的距离为0.6km。双
馈风电机组的额定风速为15m/s。静止无功补偿器通过8kV/25kV的升压变压器连接风电场，
在额定电压下其无功补偿范围为‑7.6～21.4MVar。风电场并网点电压的允许范围为0.97‑
1.07pu，控制目标值为1.02pu。

[0124] 风速采用四种风进行模拟，包括基本风、阵风、渐变风和随机风。设置风电场的输入风速从45°方向接近一号机组(#1)，初始值为11m/s，然后在4s内快速上升至15m/s，根据
尾流效应模型可求得#1至#9机组的风速，由于空间对称性本发明只给出#1、#5和#9机组的
风速，如图6所示。上游风机风速与风电场输入风速相同，而下游风机受到尾流效应的影响，
风速上升幅度比较小。

[0125] 由于双馈风电机组的有功功率与风速成正比，因此各台机组的有功功率也逐渐上升，如图7所示。其中，#1机组的有功功率从0.66pu快速上升到0.94pu左右，#5机组和#9机组
则分别上升到0.39pu和0.29pu。风电场的总有功功率如图8所示，由于6台上游风机的有功
功率占比较大，使风电场的有功功率从0.5pu提升到0.68pu左右，相应的系统无功需求从
0.1pu增加到0.14pu。若双馈风电机组与静止无功补偿器不及时采取无功控制手段调整无
功出力，风电场并网点电压将因无功补偿容量不足而降低至0.93pu左右，如图11所示。可
见，在风速快速波动过程中，可能导致风电场并网点电压越限，双馈风电机组与静止无功补
偿器需及时采取无功控制手段。

[0126] 双馈风电机组的无功容量随着有功功率动态变化，如图9所示。可见功率因数约束下无功容量与有功功率成正比，机组安全约束下无功容量与有功功率成反比。上游机组有
功功率变化幅度大，机组安全约束下的无功容量快速下降，可能低于功率因数约束下的无
功容量，因此制定无功控制策略时根据两者大小设置无功控制参考值是有必要的。本应用
例中所有机组都以功率因数约束下的无功容量作为无功控制参考值。

[0127] 采用本申请实施例中的稳态无功协调控制策略，双馈风电机组与静止无功补偿器跟踪无功控制参考值，增发无功功率，如图10所示。相比未采取无功协调控制，无功功率增
加0.05pu左右，基本满足系统的无功需求。因此，在采取无功协调控制后，风电场并网点电
压在整个风速波动过程中大于0.98pu，如图11所示，提升了电压稳定水平，证明了所提无功
协调控制策略的有效性。

[0128] 为了验证稳态无功控制方案对暂态无功电压的影响，在电网侧设置故障，如图5所示。故障电阻10Ω，故障持续时间100ms。故障期间双馈风电机组与静止无功补偿器发出的
无功功率如图12所示，可见当稳态过程中优先利用静止无功补偿器的无功容量，即静止无
功补偿器发出的无功功率越大，在暂态过程中动态无功落差越大，风电场并网点电压越低。
相比优先利用双馈风电机组的无功容量，风电场并网点电压降低0.07pu左右，如图13所示。
因此在风速快速波动过程中，优先利用双馈风电机组进行无功控制可以提升暂态无功电压
支撑能力。

[0129] 本申请实施例提供的风电场的稳态无功控制方法，利用了静止无功补偿器采用晶闸管控制电抗器和电容器，响应速度快，以及双馈风电机组的无功容量不易受到电压跌落
的影响的原理，将双馈风电机组与静止无功补偿器结合进行稳态无功控制，既可以避免静
止无功补偿器受电压影响，又能够提升控制的响应速度。因此，本申请实施例能够解决现有
无功补偿控制技术无法同时提供足够的无功补偿容量和较快的响应速度的技术问题。

[0130] 为了便于理解，请参阅图2，本申请提供了一种风电场的稳态无功控制装置的实施例，包括：

[0131] 第一计算模块201，用于根据预置风速信息计算各个双馈风力发电机的合成尾流风速和双馈风力发电机的有功功率；

[0132] 第二计算模块202，用于根据有功功率分别计算系统无功需求量和机组的约束无功容量，约束无功容量包括在功率因数约束下的第一约束无功容量和在机组安全约束下的
第二约束无功容量；

[0133] 第三计算模块203，用于根据约束无功容量分别获取各个双馈风力发电机的无功控制参考值，并计算分配定子侧无功控制参考值、分配网侧无功控制参考值和补偿无功控
制参考值；

[0134] 稳态无功控制模块204，用于基于以双馈风电机组的无功容量优先，静止无功补偿器的无功容量为辅的原则，根据双馈风力发电机的无功控制参考值、分配定子侧无功控制
参考值、网侧无功控制参考值和补偿无功控制参考值对风电场机组进行综合稳态无功控
制。

[0135] 进一步地，第一计算模块201具体用于：

[0136] 采用预置Jensen模型计算风电场下游风力发电机的尾流风速，预置Jensen模型表达为：

[0137]

[0138] 其中，vw(x)为尾流风速，v0为风电场上游风机的自由风速，vw0为上游风机的背风面风速，rrot为上游风机半径，r(x)为上游风机对下游风机投影的半径；

[0139] 通过尾流风速计算双馈风力发电机在不同角度投影覆盖约束下的合成尾流风速；

[0140] 根据合成尾流风速计算各个双馈风力发电机的有功功率。

[0141] 进一步地，第一约束无功容量的计算过程为：

[0142] 根据预置功率因数和有功功率计算各个双馈风力发电机的第一约束无功容量，计算过程表达为：

[0143] Qgci＝Pgitan(arccosζ)；

[0144] 其中，ζ为预置功率因数，Qgci和Pgi分别为第i台双馈风电机组的第一约束无功容量和有功功率。

[0145] 进一步地，第二约束无功容量的计算过程为：

[0146] 在预置机组安全约束下，根据有功功率分别计算定子侧无功容量和网侧无功容量，第二约束无功容量为定子侧无功容量和网侧无功容量之和。

[0147] 进一步地，第三计算模块203具体用于：

[0148] 在约束无功容量中获取最小值作为双馈风力发电机的无功控制参考值；

[0149] 根据第二约束无功容量和双馈风力发电机的无功控制参考值计算分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值；

[0150] 根据分配定子侧无功控制参考值和分配网侧无功控制参考值计算静止无功补偿器的补偿无功控制参考值。

[0151] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅
仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结
合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的
相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通
信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0152] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目
的。

[0153] 另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单
元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0154] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上
或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式
体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机
设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全
部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read‑Only 
Memory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：
RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0155] 以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前
述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些
修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。