基于多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法與流程

本發明涉及大規模風電并網控制技術技術領域，具體地，涉及基于多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法。

背景技術：

隨著大型千萬千瓦級風電基地風電裝機容量急劇增長，風電在系統中的占比增加，風電功率波動對系統電壓穩定性的影響不容忽視。與傳統發電廠并網不同，大型風電場由眾多容量較小的風電機組組成，再由許多風電場匯集成集群并入電網，這些機組和風電場在空間上具有一定的分散性。因此，大型場/群的無功電壓控制不僅需要從時間尺度上研究無功源的動態響應配合，還需要從空間粒度上考慮無功源的物理分布影響。

目前針對風電場/群有功波動引起電壓波動問題，國內外學者對相應的控制方法已經做了很多研究，主要分為以下2個類：

1)采用空間尺度上分層分區的控制思想。在滿足上一級下達的控制目標的要求下，在本空間節點上通過多種無功控制手段實現無功電壓的協調控制。但是，風電場群中的多種無功源存在著橫向、縱向的相互影響和相互作用，除此之外，還有時間響應特性引起的時序遞進關系和交互影響，這些因素都應該納入到解決風電場群的的無功電壓控制中去。

2)采用多時間尺度協調配合的控制思想。根據風電預測功率，在長時間尺度上，安排大容量離散無功補償裝置(電容、電抗器組)的投切計劃，用于電壓的粗調；在短時間尺度上，安排連續無功補償裝置(SVC，SVG)的出力計劃，進行電壓的細調。由于風電功率預測存在誤差，實施多時間尺度的二次計劃調壓后，風電場群節點仍會存在電壓偏差，因此仍然需要在實時控制層面上的通過無功電壓優化控制來進行電壓調整。

綜上所述，雖然現有的風電場/群無功電壓控制方法已經比較成熟，但是在理論和應用方面仍然存在需要改進的方向：1)無功電壓控制中需要考慮多無功源在橫向、縱向上的協調配合；2)采用多時間尺度計劃調壓應對風電場/群電壓波動時，需要考慮實時控制層面上的自動電壓修正，以降低二次計劃調壓的誤差。

技術實現要素：

本發明的目的在于，針對上述問題，提出基于多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法，以實現的能夠考慮多無功源互動作用,進一步平抑風電場/群的電壓波動平抑效果,在確保電網安全的前提下進一步提升電網對風電的接納能力的優點。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：基于多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法，主要包括：

步驟1：獲取大規模風電集中接入區域電網運行控制參數；

步驟2：計算區域電網內風電集群點和各風電場接入點的無功電壓靈敏度系數矩陣；

步驟3：計算區域電網內多無功源的實時無功補償能力；

步驟4：利用動態無功補償裝置平抑小幅度電壓波動；

步驟5：建立基于多無功源互動的風電場/群無功電壓優化控制模型，利用模型求解得到的多無功源協調控制方案平抑較大幅度電壓波動。

進一步地，所述步驟1包括獲取電網的網絡結構參數、獲取區域電網中集群接入點、各風電場并網點運行電壓參考值U_i,ref以及獲取區域電網中場/群接入點連續型無功補償裝置的最大無功補償量和離散型無功補償裝置的最大無功補償量的容量之和，

所述離散型無功補償裝置的最大補償容量為N_i,max·Q_i,c0，N_i,max為電容/電抗器的最大可投切組數；

所述連續型無功補償裝置的最大補償容量為[-Q_i,smin+Q_i,smax]，Q_i,cmax為感性無功最大補償容量，-Q_i,cmin為容性無功最大補償容量。

進一步地，所述步驟2包括，

步驟21：列寫區域電網內風電集群點和各風電場接入點無功電壓靈敏度方程；

設ΔP和ΔQ分別為風電場/群接入點注入的有功變化量和無功變化量，ΔU和Δθ分別為風電場/群接入點的電壓幅值變化量和相角的變化量，J_pu、J_pu、J_pu和J_pu為風電場/群接入區域電網的雅可比矩陣，則系統注入功率變化量與系統節點電壓改變量的關系為：

步驟22：計算區域電網內節點無功電壓靈敏度系數，

在風電場接入電網的主要注入量為風電場輸出的有功功率和無功功率，若只考慮無功功率對電壓的作用，根據公式(1)，則由可得節點電壓變化關于注入無功功率變化的靈敏度關系為：

令

則第i個接入點電壓關于第j個風電場輸出無功功率變化的靈敏度關系S_ij為：

S_ij＝A_i,j (4)。

進一步地，所述步驟3包括，

步驟31：獲取區域電網中場/群接入點無功補償裝置的實時狀態，包括離散型無功補償裝置已經向電網補償的無功功率n_i,0·Q_i,c0，所述n_i,0表示電容/電抗器組已經投入的組數；連續型無功補償裝置已經向電網補償無功功率Q_i,s0，-Q_i,smax≤Q_i,s0≤+Q_i,smax；

步驟32：計算區域電網中內風電集群點和各風電場接入點i處無功補償裝置可提供的無功補償能力ΔQ_i，所述ΔQ_i包含兩部分節點i離散電容電抗器能提供的無功補償量ΔQ_i,c和連續無功補償裝置能提供的無功補償量ΔQ_i,s，其中，節點i處離散并聯電容/電抗器組的實時補償能力ΔQ_i,s為：

節點i處連續無功補償裝置的實時補償能力ΔQ_i,s為：

-Q_i,smax-Q_i,s0≤ΔQ_i,s≤Q_i,smax-Q_i,s0(6)

進一步地，所述步驟4包括：

步驟41：讀取風電場/群接入點的實時電壓U_i，并計算其距該處目標電壓偏差ΔU_i，ΔU_i＝U_i-U_i,ref (7)；

步驟42：判斷風電場接入點電壓波動幅度大小，若|ΔU_i|≤ε，所述ε為無功補償裝置動作的電壓偏差閾值，無功補償裝置不動作，等待下一個風電場出口處電壓檢測時刻的到來；若|ΔU_i|＞ε，則執行下一步驟43；

步驟43：調節連續無功補償裝置無功出力ΔQ_i,s，平抑風電場/群接入點小幅度電壓波動，具體為

根據風電集群點和各風電場接入點的無功靈敏度系數S_ii，計算風電場i單獨采用本節點處的SVC/SVG進行無功補償時，所需求的無功補償功率ΔQ_i,s為：

ΔQ_i,s＝S_ii·ΔU_i (8)

若ΔQ_i,s在該節點處連續無功補償裝置的補償能力范圍內，即-Q_i,smax-Q_i,s0≤ΔQ_i,s≤Q_i,smax-Q_i,s0，則判定該次電壓波動為小幅度電壓波動，增發無功功率ΔQ_i,s，電壓波動得以平抑；若無功補償功率需求ΔQ_i,s超出了該節點處連續無功補償裝置的補償能力，則判定該次電壓波動屬于幅值較大的電壓波動，執行步驟5。

進一步地，所述步驟5建立基于多無功源互動的風電場/群無功電壓優化控制模型包括：建立單目標的多元線性優化模型，具體為

根據公式(4)，區域電網內各節點的電壓調整量根據區域電網內各節點的無功功率補償量ΔQ_i進行計算：

式中：系數矩陣S表示該區域電網內各節點的無功電壓靈敏度關系矩陣，其中靈敏度系數S_i,j、S_j,j如公式(4)所示；向量ΔQ＝[ΔQ₁ … ΔQ_n]表示該區域內匯集點、各風電場接入點處的無功補償裝置無功調整量；

其中約束條件包含狀態變量約束，協調優化控制后，區域電網內各節點電壓需要滿足電壓正常運行范圍要求。

U_i,min≤U_i+ΔU_i≤U_i,max i＝1,2,3…n (11)

式中：U_i,min、U_i,max表示各節點電壓運行上、下限。

和控制變量約束，區域電網內各節點的無功補償裝置無功調整量應該在該節點無功補償裝置的可調節容量范圍內，如下式所示：

由公式(10)-(12)可知，多無功源協調控制模型為單目標多元線性優化模型，化為標準形式：

式中：f(X)為目標函數，如公式(10)；X表示由該區域電網內風電集群點和各風電場接入點的連續型無功補償裝置無功調整量ΔQ_i,s和離散型無功補償裝置的投切組數n_i構成的待優化決策向量；

所述利用模型求解得到的多無功源協調控制方案平抑較大幅度電壓波動包括，根據模型的求解結果，調節該區域電網內風電集群點和各風電場接入點的無功補償裝置的無功補償量，并判斷調節后的區域電網內風電集群點和各風電場接入點電壓偏差量ΔU′，若|ΔU_i′|＞ε，則重復步驟4；否則，電壓調節結束，等待下一個風電場接入點電壓檢測時刻的到來。

本發明各實施例的基于多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法，由于通過讀取大規模風電集中接入區域電網運行控制參數；計算區域電網內風電集群點和各風電場接入點的無功電壓靈敏度系數矩陣；計算區域電網內多無功源的實時無功補償能力；利用動態無功補償裝置平抑小幅度電壓波動；構建考慮多無功源互動的風電場/群無功電壓優化控制模型，利用模型求解得到的多無功源協調控制方案平抑較大幅度電壓波動。充分考慮到了大規模風電集中接入區域電網多無功源在橫向、縱向上相互影響和相互作用,在無功電壓實時控制層面將風電變化引起的電壓波動控制在合理范圍內,在確保電網安全的前提下進一步提升電網對風電的接納能力。

本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1為本發明實施例所述的基于多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法控制流程圖；

圖2為本發明實施例所述的基于多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法大規模風電集中接入區域電網示意圖；

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。

具體地，圖1是考慮多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法的流程圖。圖1中，控制方法流程圖包括：

S1：讀取大規模風電集中接入區域電網運行控制參數；

S2：計算區域電網內風電集群點和各風電場接入點的無功電壓靈敏度系數矩陣；

S3：計算區域電網內多無功源的實時無功補償能力；

S4：利用動態無功補償裝置平抑小幅度電壓波動；

S5：構建考慮多無功源互動的風電場/群無功電壓優化控制模型，利用模型求解得到的多無功源協調控制方案平抑較大幅度電壓波動。

所述S1包括以下步驟：

S101：獲取大規模風電集中接入區域電網的網絡結構參數；

S102：獲取區域電網內風電集群點和各風電場接入點運行電壓參考值U_i,ref；

S103：獲取區域電網內風電集群點和各風電場接入點安裝的連續、離散無功補償裝置容量。其中離散無功補償裝置(并聯電容/電抗器組)的補償容量可表示為：N_i,max·Q_i,0，N_i,max表示電容/電抗器的最大可投切組數；連續無功補償裝置(SVC、SVG)的補償容量為[-Q_i,cmin +Q_i,cmax]，Q_i,cmax表示感性無功最大補償容量，-Q_i,cmin表示容性無功最大補償容量。

所述S2包括以下步驟：

S201:列寫區域電網內風電集群點和各風電場接入點無功電壓靈敏度方程。

設ΔP和ΔQ分別為風電場/群接入點(包括風電場接入點和風電集群接入點)注入的有功、無功變化量，ΔU和Δθ分別為風電場/群接入點的電壓幅值和相角的變化量。J_pu、J_pu、J_pu和J_pu為風電場/群接入區域電網的雅可比矩陣，雅各比矩陣中的各元素是由網絡結構自身決定,已知特定電網的電抗等網絡參數和拓撲結構時,利用節點電壓法等方法即可求取。

則系統注入功率變化量與系統節點電壓改變量的關系為：

S202:計算區域電網內節點無功電壓靈敏度系數。

在風電場接入電網的主要注入量為風電場輸出的有功和無功功率，若只考慮無功功率對電壓的作用，根據公式(1)，則由可得節點電壓變化關于注入無功功率變化的靈敏度關系為：

令

則第i個接入點電壓關于第j個風電場輸出無功功率變化的靈敏度關系S_ij為：

S_ij＝A_i,j (4)

所述S3包括以下步驟：

S301：獲取區域電網中風電集群點和各風電場接入點無功補償裝置的實時狀態。這其中包括：離散型無功補償裝置(電容/電抗器組)已經向電網補償的無功功率n_i,₀·Q_i,c0，n_i,0表示電容/電抗器組已經投入的組數；連續型無功補償裝置(SVC、SVG)已經向電網補償無功功率Q_i,s0，-Q_i,smax≤Q_i,s0≤+Q_i,smax。

S302：計算區域電網中內風電集群點和各風電場接入點i處無功補償裝置可提供的無功補償能力ΔQ_i，ΔQ_i包含兩部分節點i離散電容電抗器能提供的無功補償量ΔQ_i,c和連續無功補償裝置能提供的無功補償量ΔQ_i,s。

其中，節點i處離散并聯電容/電抗器組的實時補償能力ΔQ_i,s為：

節點i處連續無功補償裝置(SVC、SVG)的實時補償能力ΔQ_i,s為：

-Q_i,smax-Q_i,s0≤ΔQ_i,s≤Q_i,smax-Q_i,s0 (6)

所述S4包括以下步驟：

S401:讀取風電集群點和各風電場接入點的實時電壓U_i，并計算其距該處目標電壓偏差ΔU_i為：

ΔU_i＝U_i-U_i,ref (7)

S402:判斷風電場接入點電壓波動幅度大小。若|ΔU_i|≤ε(ε為無功補償裝置動作的電壓偏差閾值)，表示電壓波動的幅值很小，此時無功補償裝置不動作，等待下一個風電場出口處電壓檢測時刻的到來；若|ΔU_i|＞ε，則執行下一步驟S403；

S403：調節連續無功補償裝置無功出力，用于平抑風電場出口處小幅度電壓波動。

根據風電集群點和各風電場接入點的無功靈敏度系數S_ii，計算風電場i單獨采用本節點處的SVC/SVG進行無功補償時，所需求的無功補償功率ΔQ_i,s為：

ΔQ_i,s＝S_ii·ΔU_i (8)

若ΔQ_i,s在該節點處連續無功補償裝置的補償能力范圍內，即-Q_i,smax-Q_i,s0≤ΔQ_i,s≤Q_i,smax-Q_i,s0，則判定該次電壓波動為小幅度電壓波動，增發無功功率ΔQ_i,s，電壓波動得以平抑；若無功補償功率需求ΔQ_i,s超出了該節點處連續無功補償裝置的補償能力，則判定該次電壓波動屬于幅值較大的電壓波動，轉而執行步驟S5。

所述S5包括以下步驟：

S501：構建并求解考慮多無功源互動的風電場群無功電壓優化控制模型。

考慮到多種無功源之間存在著橫向、縱向的相互影響和相互作用的特性，當風電場的動態無功補償裝置容量不足以平抑其接入點的電壓波動時，結合該風電集群點和各風電場接入點的無功電壓靈敏度系數，以該電網集群點和各風電場接入點電壓修正量的平方和為優化目標，以集群點和其他風電場接入點的無功補償調節量為控制變量，構建一個單目標的多元線性優化模型。將該電網集群點本身的剩余無功補償能力和該區域電網內其他風電場接入點的剩余無功補償容量進行協調優化分配，從而實現平抑風電場幅度較大電壓波動的控制目標。風電接入區域內集群點與風電場接入點電壓偏差的平方和最小。目標函數如下式所示：

式中：U＝[U₁ U₂ U₃ … U_n]表示協調優化補償前區域電網內各節點電壓向量；ΔU＝[ΔU₁ ΔU₂ ΔU₃ … ΔU_n]表示協調優化補償后區域電網內各節點的電壓調整向量；U_ref＝[U_ref,1 U_ref,2 U_ref,3 … U_ref,n]表示該時間段內匯集區域電網內各節點電壓的參考值。

根據公式(4)，區域電網內各節點的電壓調整量可以根據區域電網內各節點的無功功率補償量ΔQ_i進行計算：

式中：系數矩陣S表示該區域電網內各節點的無功電壓靈敏度關系矩陣，其中靈敏度系數S_i,j、S_j,j如公式(4)所示；向量ΔQ＝[ΔQ₁ … ΔQ_n]表示該區域內匯集點、各風電場接入點處的無功補償裝置無功調整量。

其中約束條件包含狀態變量約束和控制變量約束。

1)狀態變量約束。協調優化控制后，區域電網內各節點電壓需要滿足電壓正常運行范圍要求。

U_i,min≤U_i+ΔU_i≤U_i,max i＝1,2,3…n (11)

式中：U_i,min、U_i,max表示各節點電壓運行上、下限。

2)控制變量約束。區域電網內各節點的無功補償裝置無功調整量應該在該節點無功補償裝置的可調節容量范圍內，如下式所示：

由公式(10)-(12)可知，本文所建的多無功源協調控制模型為單目標多元線性優化模型，化為標準形式如下所示：

式中：f(X)為目標函數，如公式(10)；X表示由該區域電網內風電集群點和各風電場接入點的連續型無功補償裝置無功調整量ΔQ_i,s和離散型無功補償裝置的投切組數n_i構成的待優化決策向量。

S502：根據求解結果形成多無功源協調控制方案。

根據模型的求解結果，調節該區域電網內風電集群點和各風電場接入點的無功補償裝置的無功補償量。并判斷調節后的區域電網內風電集群點和各風電場接入點電壓偏差量ΔU′，若|ΔU_i′|＞ε，則重復步驟S4；否則，電壓調節結束，等待下一個風電場接入點電壓檢測時刻的到來。

圖2是一個風電集中接入區域電網示意圖，以此為例，本發明提供的一種考慮多無功源互動的風電場/群無功電壓實時控制方法包括：

S1：獲取電網參數

該區域電網內，共有330kV變電站兩座，風電場9座，風電裝機容量為1000MW。其中風電場a-f匯集到變電站A的低壓側(110kV)，風電場g、h和k，匯集到變電站B，的低壓側(110kV),風電功率由A、B變電站匯集后送至主網。該區域電網內，變電站A、B和風電場a－h處均安裝有離散型無功補償裝置(電容器/電抗器)和連續型無功補償裝置(SVC/SVG),無功補償裝置的安裝容量如表1所示。

某一正常運行方式下，該區域電網風電出力60％，區域電網外送功率為600MW。在風電功率波動的擾動下，某時刻區域電網中各節點的電壓情況如表2所示。

(1)區域電網內部多無功源的安裝情況

表1區域電網內無功補償裝置的安裝容量情況表

(2)節點電壓參考值與實際值

表2區域電網內各節點的電壓分布表

S2：計算區域電網內風電集群點和各風電場接入點的無功電壓靈敏度系數矩陣

表3區域電網內節點無功電壓靈敏度系數矩陣

S3：計算區域電網內多無功源的實時無功補償能力

根據區域電網內實時投切狀態，得到區域電網內離散無功補償裝置和連續無功補償裝置的剩余無功補償能力如表4、表5所示。

表4區域電網內各節點處離散無功補償裝置的實時補償能力

表5區域電網內各節點處連續無功補償裝置的實時補償能力

S4：利用動態無功補償裝置平抑小幅度電壓波動

根據各節點電壓的偏差量ΔU_i和無功電壓靈敏度系數S_ii，結合公式ΔQ_i,s＝S_ii·ΔU_i，求得各節點的無功功率需求量，如表6所示；

表6小幅度電壓波動連續無功補償裝置調節信息表

設置無功補償裝置動作的電壓偏差閾值ε為1.000kV，根據表6可知：風電場a、b、c、f和k的電壓偏差大于ε，需要采用無功補償裝置進行無功電壓調節。對比表(4)中的連續無功補償裝置剩余無功補償能力和表(6)的區域電網內各節點的無功調壓需求，可以得知風電場f、k節點處的連續無功補償容量大于其電壓波動引起的無功調壓需求，屬于小幅度電壓波動；同理，風電場a、b、c節點的電壓波動屬于較大幅度電壓波動。

表(6)中的第三、四列表示調節風電場f、k節點處SVC和SVG的無功功率后，區域電網內集群點和風電場的接入點電壓。可以看出，風電場f、k節點的電壓波動得到平抑，風電場a、b、c節點的電壓偏差雖然得到降低，但是依然大于無功補償裝置動作的電壓偏差閾值，因此轉向步驟S5，繼續調節。

S5：在S4調節的基礎上，構建多無功源互動的風電場群無功電壓優化控制模型，模型的求解結果如表7的第三、四和五列所示。根據模型求解結果調節多無功源的無功出力后，區域電網的節點電壓如下表所示。

表7多無功源協調控制模型的電壓平抑效果

至少可以達到以下有益效果：

最后應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。