电气工程学报, 2016, 11(10): 13-18 doi: 10.11985/2016.10.003

基于密切值法的风电场低电压穿越性能综合评价

范新桥1, 李慧1, 郭秋婷2, 王卫3, 张再驰4, 张利1, 张芳1

1. 北京信息科技大学自动化学院 北京 100192

2. 南京南瑞集团公司 北京 102200

3. 国网北京市电力公司 北京 100031

4. 国网北京电力科学研究院 北京 100075

Comprehensive Evaluation of Wind Farms Low-Voltage Ride-Through Performance Based on Intimate Data Method

Fan Xinqiao1, Li Hui1, Guo Qiuting2, Wang Wei3, Zhang Zaichi4, Zhang Li1, Zhang Fang1

1. Beijing Information Science and Technology University Beijing 100192 China

2. Nanjing NARI Group Corporation Beijing 102200 China

3. State Grid Beijing Electric Power Company Beijing 100031 China

4. State Grid Beijing Electric Power Research Institute Beijing 100075 China

收稿日期: 2016-05-26   网络出版日期: 2016-10-25

基金资助: 北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目.  CID&TCD201404126
北京市教委科技计划面上项目资助.  KM201511232008

Received: 2016-05-26   Online: 2016-10-25

作者简介 About authors

范新桥, 男 1982年生,博士,讲师,主要从事新能源场站运行性能及常规机组动态性能评价等方面的研究。

李慧, 女 1976年生,副教授,主要从事柔性直流输电稳定与控制、微电网控制技术及新能源发电技术等方面的研究。

摘要

为实现对风电场内风电机组整体低电压穿越性能的综合评价,建立了风电场低电压穿越及动态无功支撑能力指标体系,提出了基于密切值法的风电场低电压穿越性能综合评价方法。利用计算所得低电压穿越及无功支撑相关指标和基于密切值的综合指标计算方法,实现了对风电场低电压穿越及动态无功支撑能力的综合评价。最后,采用某地区多座风电场的监测数据对所提综合评价方法的有效性和可行性进行了验证。

关键词: 低电压穿越 ; 动态无功 ; 密切值法 ; 综合评价 ; 风电场

Abstract

To realize the whole low-voltage ride-through performance comprehensive evaluation of wind trubines in a wind farm, an index system of the low-voltage ride-through and dynamic reactive power support is built, and a comprehensive evaluation method of wind farms low-voltage ride-through performance based on the intimate data method is presented. The indexes on the low-voltage ride-through and the dynamic reactive power support are calculated, and the comprehensive evaluation of wind farms low-voltage ride-through performance is realized based on the intimate data method by using them. Finally, the effectiveness and feasiblity of the presented comprehensive evaluation method is verified by using the monitoring data from some wind farms operation.

Keywords: Low-voltage ride-through ; dynamic reactive power ; intimate data method ; comprehensive evaluation ; wind farms

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本文引用格式

范新桥, 李慧, 郭秋婷, 王卫, 张再驰, 张利, 张芳. 基于密切值法的风电场低电压穿越性能综合评价. 电气工程学报[J], 2016, 11(10): 13-18 doi:10.11985/2016.10.003

Fan Xinqiao. Comprehensive Evaluation of Wind Farms Low-Voltage Ride-Through Performance Based on Intimate Data Method. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(10): 13-18 doi:10.11985/2016.10.003

1 引言

风力发电技术在我国起步较晚,运行管理经验相对缺乏,目前相关技术标准正在逐步完善当中[1]。风电大规模集中开发和风电项目的快速投产对电网安全造成巨大隐患,因场内风电机组低电压穿越性能及动态无功支撑能力不足造成的风电机组脱网事故时有发生[2,3,4]。如何综合风电场内风电机组低电压穿越及动态无功支撑能力相关指标实现对其全面客观评价,为提高风电场抵御事故的能力提供技术依据,是当前电力监管面临的一个重要难题。

目前,一些相关标准主要从场内设备单项技术指标以及管理指标等方面进行考核,尚缺少风电场综合运行状况的评价标准。文献[5]提出了采用蒙特卡罗方法和风机功率曲线对风电机组运行性能进行评价的方法。文献[6]采用模糊数学理论,从技术经济、功能和可靠性等几个方面探讨了风电机组性能综合评价的方法和过程,对制定提高发电机组性能的技术措施具有一定的指导作用。文献[7]基于蒙特卡罗抽样给出风电并网电压波动的评价流程,定义了电压分布指数等三个电压波动评价指标。文献[8]引入风电机组分布系数、风资源系数和损失系数三个指标,从风电场的机组分布、风资源和故障停运方面对风电场运行情况进行了定量评价,可为决策部门评价风电场运行情况提供一定的依据。由相关研究成果可见,目前从电网侧主要关注的风电场内机组的低电压穿越能力出发,对风电场整体的低电压穿越性能及动态无功支撑能力进行综合评价的研究还很少。有鉴于此,本文尝试对风电场的低电压穿越相关性能进行分析评价,提出量化的综合评价指标,为不同风电场的整体低电压穿越性能比较分析提供技术参考。

密切值法是一种决策过程简明客观、决策结果直观的多目标优化决策方法,它适用于多指标的综合评价,且该方法已在电能质量、电厂节能降耗等领域得到一定应用,并取得了一定成果[9,10]。本文在建立风电场低电压穿越及动态无功支撑能力指标体系的基础上,将密切值法用于风电场的低电压穿越性能综合评价,并采用风电场监测数据对所提风电场低电压穿越性能综合评价方法的有效性进行验证。

2 基于密切值法的综合评价指标计算算法

作为一种多目标优化决策方法,密切值法的计算过程主要包括指标矩阵建立、虚拟最优/最劣指标计算和综合评价指标即密切值计算等步骤。

2.1 评价指标矩阵建立

(1)初始矩阵建立。假定被评价对象的数量为n,分别表示为z1z2z3、…、zn。被评价对象的指标数均为m,分别表示为s1s2、…、sm。若被评价对象zi的指标sj取值用cij表示,则由n个被评价对象的m个指标可构成初始评价指标矩阵Y,即

式中,i = 1,2,…,n;j = 1,2,…,m

(2)指标矩阵规范化处理。值越大越优的指标为正向指标,值越小越好的指标为逆向指标。对指标矩阵进行规范化处理就是将指标同向化,把逆向指标转化为正向指标,然后再对指标进行归一化。对于正向指标和逆向指标,分别进行规范化处理,即

规范化处理后的指标值用r表示,进而可得规范化样本指标矩阵为

式中,i = 1,2,…,n;j = 1,2,…,m

考虑到各指标重要程度不同,可根据专家知识确定各指标的权重w。确定指标权重后,利用下式可计算得到加权数据矩阵Z′,其中指标值为r′。

2.2 虚拟最优/最劣指标计算

虚拟最优/最劣指标为正向/逆向指标的理想值,与最优/最劣指标的距离越近说明指标越优。即

式中,rj+rj-分别为虚拟最优指标和虚拟最劣指标,j = 1,2,…,m

虚拟最优指标和虚拟最劣指标的集合A+和A-分别由经归一化后的相应指标的最大值和最小值组成,即

2.3 综合评价指标计算

根据欧式空间距离的计算方法,各被评价对象指标值与最优指标、最劣指标的欧式距离di+di-分别为

其中,i = 1,2,…,n;j = 1,2,…,m

, 。计算出di+di-以后,第i个被评价对象的综合指标即密切值Ei

通过比较计算出的被评价对象的综合指标Ei值的大小,即可实现对不同被评价对象综合性能的排序。

3 风电场低电压穿越性能指标体系

本文主要选取风电场低电压穿越性能指标、动态无功补偿装置响应时间指标、动态无功补偿装置无功贡献指标等,对风电场低电压穿越性能进行综合比较与分析评价。

(1)风电场低电压穿越性能指标。风电机组不具备低电压穿越能力时会对电网的安全稳定运行带来很大影响。相关技术规定要求风电机组应具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力,风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时,风电机组应具有不脱网连续运行的能力。风电场内一般有十几台至几十台风电机组,风电场低电压穿越性能指标表征该风电场内所有风电机组的整体性能。因此,选取低电压穿越能力作为风电场性能的一项重要评价指标。

图1所示,因故障导致并网点电压跌落后,若风电场并网点考核电压全部在图1中电压轮廓线及以上的区域内,风电机组需能够保证不脱网连续运行,否则允许风电机组切出。

图1

图1   0.5 倍额定电压对应的风电机组允许脱网时间

Fig.1   The allowed taking off time of the wind turbine corresponding to 0.5 time rated voltage


为客观比较不同电压跌落水平下风电机组的脱网时间,将与0.2倍额定电压对应的风电机组允许脱网时间的对应比例时间作为相应电压水平下的风电机组允许脱网时间。0.2倍额定电压对应的风电机组允许脱网时间为625ms,以图1所示0.5倍额定电压对应的允许脱网时间t0.5为例,可计算得到该电压水平对应的风电机组允许脱网时间t0.5,即

可根据比例计算出x倍额定电压对应的允许脱网时间tx,即

为直观说明脱网时间,图2列出了电压跌落至60%额定电压值情况下所对应的允许脱网时间tx = 1.41s。

图2

图2   0.6 倍额定电压对应的风电机组允许脱网时间

Fig.2   The allowed taking off time of the wind turbine corresponding to 0.6 time rated voltage


假定风电场内风机总台数为N,一定时间段内共发生K次低电压跌落事件,第i次电压跌落情况下脱网风机台数为Mi,相应电压跌落值下计算出的允许风机切出时间为ti,Mi台风机脱网前持续运行时间分别为tjj = 1, 2, …, M)。为客观比较不同风电场内风机的低电压穿越性能,首先对所有低电压事件下场内风机脱网时间与允许脱网时间的比值进行累加,再将其与低电压跌落事件次数和场内风机数的乘积作比值,该值表明该风电场内平均每台次风机的持续运行时间。利用该比值表征风电场的低电压穿越性能指标Indlvrt,指标值越大说明该风电场的低电压穿越性能越好。Indlvrt计算式为

(2)动态无功补偿装置响应时间指标。风电场发生故障以后,动态无功补偿装置(SVG)应快速响应为风电场提供无功支撑,风电场配置的动态无功补偿装置动态调节的响应时间应不大于30ms。

假定某风电场动态无功补偿装置响应次数为N,第i次响应时间为ti(单位ms),则将响应时间ti与要求响应时间30ms的比值之和的均值作为动态无功补偿装置响应性能指标。该指标值越小,说明动态无功补偿装置响应速度越快。即

(3)动态无功补偿装置无功贡献指标。风电场并网电压发生跌落后,动态无功补偿装置应尽可能提供较多无功功率对并网电压起到支撑作用。因此,动态无功补偿装置在并网电压跌落期间发出的无功功率越多,说明其对当前电压的支撑作用越大。

假定风电场动态无功补偿装置的容量为Qs,发出的无功功率变化量为ΔQcur,则动态无功补偿装置无功贡献指标IndQ计算式(15)为

式中,IndQ为正指标,指标值越大说明动态无功补偿装置对电压支撑的贡献越大。

(4)动态无功补偿与低电压穿越配合指标。并网电压发生跌落后,动态无功补偿装置应多发容性无功。并网电压升高后,动态无功补偿装置应发出感性无功。动态无功补偿装置与低电压穿越之间的配合,是指动态无功补偿装置的无功功率应向着稳定并网电压的方向变化。

假定共发生K次低电压跌落事件,动态无功补偿装置无功响应方向正确的次数为D,将动态无功补偿装置的无功变化方向正确次数与低电压跌落事件次数之比的百分比定义为动态无功补偿与低电压穿越配合指标IndLQ,即

式中,IndLQ为正指标,指标值越大越好。

4 算例分析

为验证所提出的基于密切值法的风电场低电压穿越性能综合评价方法,选用了某地区3个风电场同一月内的广域测量系统(WAMS)实测数据进行指标计算,各指标计算结果见表1

表1   风电场低电压穿越性能指标计算结果

Tab.1  Calculation results of wind farms low-voltage ride-through performance indexes

风电场IndlvrtIndsvgIndQIndLQ
风电场10.990.810.980.019
风电场20.961.580.830.010
风电场30.981.510.930.012

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表中,Indlvrt表示低电压穿越性能指标;Indsvg表示动态无功补偿装置响应时间指标;IndQ表示动态无功补偿装置无功贡献指标;IndLQ表示动态无功补偿与低电压穿越配合指标。

各指标的权重w均取1/4,即:w{Indlvrt,Indsvg,IndQ,IndLQ}={0.25,0.25,0.25,0.25}。

根据上述基于密切值法的风电场低电压穿越性能评价指标计算方法,可得表2表征各风电场低电压穿越综合性能的密切值Ei

表2   风电场低电压穿越性能综合评价结果

Tab.2  Comprehensive evaluation results of farms low-voltage ride-through performance

风电场di+di-Ei综合排序
风电场10.091 50.086 00.229 41
风电场30.078 20.073 30.198 52
风电场20.086 00.091 50.100 13

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由评价结果可以看出,风电场1的低电压穿越综合性能最好,风电场3次之,风电场2最差。

根据表2的数据指标计算值可知,风电场1的低电压穿越性能指标为0.99,动态无功补偿装置响应时间指标为0.81,动态无功补偿装置无功贡献指标为0.98,动态无功补偿与低电压穿越配合指标为0.19,其中动态无功补偿装置响应时间指标、动态无功补偿与低电压穿越配合指标为负指标,其值越小越优,其他两个指标为正指标,其值越大越优。与风电场2和风电场3相比,除动态无功补偿与低电压穿越配合指标外,风电场1的其他指标值均明显最优,考虑到指标权重相同,因此风电场1的低电压穿越综合性能应最优,这与计算结果是一致的。另外,风电场2除动态无功补偿与低电压穿越配合指标与风电场3基本接近外,其余指标均优于风电场2,因此风电场3的低电压穿越综合性能应优于风电场2,计算结果与分析结果一致。

此外,本文还选用了其他多座风电场的监测数据进行了大量测试。测试结果表明,利用所提风电场低电压穿越性能综合评价方法能够对风电场低穿性能进行有效的综合评价。

5 结束语

(1)建立了能够表征风电场低电压穿越及动态无功支撑能力的指标体系,主要涵盖低电压穿越性能、动态无功补偿装置响应时间、动态无功补偿装置无功贡献及动态无功补偿与低电压穿越配合等评价指标。

(2)提出了基于密切值法的风电场低电压穿越性能综合评价方法。基于低电压穿越及无功支撑能力指标体系,采用密切值法进行综合指标计算,实现了对风电场低电压穿越及动态无功支撑能力的有效综合评价。

(3)采用某地区多座风电场的监测数据对提出的风电场低电压穿越性能综合评价方法进行了验证,结果表明所提方法是有效和可行的。

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