CN102832627A - 一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法，包括以下步骤：步骤1，读取原始数据，建立风电场电力网络数学模型；步骤2，读取风电场实时运行工况和电网调度下发的电压目标值；步骤3，在前两步骤基础上进行潮流计算获得初始潮流分布；步骤4，根据灵敏度排序策略分配并下发风力发电机的无功功率参考值；步骤5，根据顺序分配策略分配并下发动态无功补偿装置的无功功率参考值；步骤6，根据逐级调整策略确定并下发有载调压变压器的分接头档位参考值。本发明所述的一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法实现了对风电场风力发电机无功功率、动态无功补偿装置无功功率和有载调压变压器分接头的统一协调控制。

Description

一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电并网技术领域，特别是一种应用于风电场的基于电力网络模型的自动电压控制方法。

背景技术

风力发电近年来在国家的大力扶持下获得了巨大的发展，随着风电并网容量的不断增加，由于风能的随机性、间歇性特点以及风机的运行特性，对电网电压稳定性的影响也越来越显著，尤其在大规模风电接入薄弱的末端电网时电压稳定问题更为突出。为解决风电大量入网引起的无功电压问题，部分投运的风电场根据电网调度要求配置了一定容量的动态无功补偿装置（SVC/SVG），但由于目前风力发电机和动态无功补偿装置（SVC/SVG）均独立运行，按各自的控制目标和策略进行控制，各自为战，调节效果非常不好，满足不了电网对风电并网点电压波动范围的要求，也会由于无功分布的不合理导致有功损耗的增加。因此在风电场建设自动电压控制系统，对风力发电机、动态无功补偿装置（SVC/SVG）、有载调压变压器进行统一协调控制，实现风电场并网点电压和无功功率的自动调控，合理协调和优化风电场无功分布，对保证电网安全稳定运行、提高电压质量、减少有功损耗和提高风电场经济效益具有重要意义。

目前国内针对风电场无功电压控制算法的研究主要集中于将常规电厂常用的等功率因数、等调节裕度算法应用到风电场，如中国专利《变速恒频风电机组风电场的电压无功快速控制方法》（专利申请号为200810023250.1）中对风机无功功率分配采用的就是等调节裕度算法。

但是，风电场与常规电厂不同，一般安装数百台风机并且分布在数平方公里的广阔地理范围内。整个风电场相关的电力一次设备构成了一个复杂的辐射状（树状）电力传输网络，与常规电厂相比无功电压分布情况复杂的多，尤其是在风电场内部采用电缆连接的情况下。因此常规电厂常用的等调节裕度、等功率因数等自动电压控制算法应用于风电场并不合适，有必要针对风电场特点采用特殊的优化控制算法协调和优化风电场无功电压的分布。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法，用于实现对风电场风力发电机无功功率、动态无功补偿装置无功功率和有载调压变压器分接头的统一协调控制。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法，包括以下步骤：

步骤1，读取原始数据，建立风电场电力网络数学模型。

步骤2，读取风电场实时运行工况和电网调度下发的电压目标值。

步骤3，以风电场实时运行工况和电网调度下发的电压目标值为初始条件，使用风电场电力网络数学模型进行潮流计算获得初始潮流分布，确定剩余需要补偿的容量。这里，得出在满足给定电压目标值情况下风电场的初始潮流分布，以确定是否需要进行无功补偿，如果不需要补偿则返回步骤2，否则确定剩余需要补偿的容量。

步骤4，根据剩余需要补偿的容量和每台风力发电机的实时无功功率可调容量，按照灵敏度排序策略分配并下发风力发电机的无功功率参考值。如果风力发电机已能充分补偿则返回步骤2，否则确定剩余需要补偿的容量。

步骤5，计算剩余需要补偿的容量和每台动态无功补偿装置的无功功率可调容量，按照顺序分配策略分配并下发动态无功补偿装置的无功功率参考值。如果动态无功补偿装置已能充分补偿则返回步骤2，否则确定剩余需要补偿的容量。

步骤6，计算剩余需要补偿的容量，根据每台有载调压变压器的当前分接头档位和档位范围，按照逐级调整策略确定并下发有载调压变压器的分接头档位参考值。在此步骤后无论是否已充分补偿，均返回步骤2。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1中建立的风电场电力网络数学模型是潮流方程：

$\stackrel{\·}{I}=\stackrel{\·}{Y}\stackrel{\·}{U}$

式中为节点电流列向量，

为节点导纳矩阵，

为节点电压列向量。上式也即是：

$\frac{P_i-{\mathrm{jQ}}_i}{{\stackrel{*}{U}}_i}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\·}{U}}_j,i=1...n$

式中，P_i为节点i的注入有功功率，Q_i为节点i的注入无功功率，

为节点i电压向量的共轭，Y_ij为节点i和节点j的互导纳即节点导纳矩阵

第i行第j列元素，

为节点j的电压向量。可知，建立上述模型需要读入的原始数据包括并网线路、主变、汇流线路、箱变、风力发电机、动态无功补偿装置等元件在内的电气参数、元件之间的连接关系以及风力发电机、动态无功补偿装置和变压器分接头的调节特性参数。

进一步，所述步骤2读取的风电场实时运行工况包括风电场并网点的实时有功功率、无功功率和电压，还包括风力发电机的并网状态、输出的实时有功功率和无功功率，还包括动态无功补偿装置的投入状态、输出的实时无功功率。

进一步，所述步骤3中的潮流计算的初始条件包括：

初始条件A，取风电场并网点电压为给定的电压目标值；

初始条件B，风力发电机支路根据并网状态决定是否接入，其注入功率取为风力发电机实时有功功率和无功功率；

初始条件C，动态无功补偿装置支路根据投入状态决定是否接入，其注入功率取为动态无功补偿装置实时有功功率和无功功率。

进一步，所述步骤3的潮流计算采用前推回代算法。前推回代法具有方法简单，计算速度快的优点，是较为普遍使用的辐射型网络潮流算法。

进一步，所述步骤4的具体步骤为：

步骤41，使用PQ分解法计算风力发电机对并网点电压的灵敏度；

步骤42，计算每台风力发电机的实时无功功率可调容量，采用的计算式为：

式中P_Gi为第i台风力发电机输出的有功功率，Q_Gi,min为第i台风力发电机无功功率下限，

为第i台风力发电机允许的功率因数下限，Q_Gi,max为第i台风力发电机无功功率上限，为第i台风力发电机允许的功率因数上限；

步骤43，以求得的灵敏度大小对风力发电机进行排序，按照该顺序逐台计算风力发电机的无功功率参考值。这种排序方式如下：

Q_rem＜Q_Gi,min,Q_Gi,ref=Q_Gi,min

Q_Gi,min,≤Q_rem<Q_Gi,max,Q_Gi,ref=Q_rem

Q_rem＞Q_Gi,max,Q_Gi,ref=Q_Gi,max

式中，Q_Gi,ref为第i台风力发电机无功功率参考值；、

步骤44，在计算完一台风力发电机的无功功率参考值后以该无功功率参考值作为该风力发电机支路的注入无功功率代入重新进行潮流计算。如此，获得了新的剩余需要补偿的容量Q_rem，然后进行下一台风力发电机的分配，直到最后一台风力发电机分配完毕或者已不需要进行无功补偿。

进一步，所述步骤5的具体步骤为：

步骤51，计算剩余需要补偿的容量，再按顺序分配的补偿策略计算每台动态无功补偿装置的无功功率参考值。这种排序方式如下：

Q_rem＜Q_ci,min,Q_ci,rfe=Q_ci,min

Q_Ci,min,≤Q_rem<Q_Ci,max,Q_Ci,ref=Q_rem

Q_rem＞Q_ci,max,Q_ci,ref=Q_ci,max

式中Q_ci,ref为第i台动态无功补偿装置无功功率参考值，Q_Ci,min为第i台动态无功补偿装置无功功率下限，Q_ci,max为第i台动态无功补偿装置无功功率上限；

步骤52，在计算完一台动态无功补偿装置的无功功率参考值后以该无功功率参考值作为该动态无功补偿装置支路的注入无功功率代入重新进行潮流计算。如此，获得了新的剩余需要补偿的容量Q_rem，然后进行下一台动态无功补偿装置的分配，直到最后一台动态无功补偿装置分配完毕或者已不需要进行无功补偿。

进一步，所述步骤6的具体步骤为：

步骤61，计算剩余需要补偿的容量Q_rem，根据剩余需要补偿的容量的符号将所有有载调压变压器的分接头上调或下调一个档位重新进行潮流计算；

步骤62，若不需要补偿或有载调压变压器分接头档位已达到最大限制，则将当前档位作为分接头档位参考，否则返回到步骤61。

进一步，所述步骤3、步骤4、步骤5和步骤6中是否需要进行无功补偿以及剩余需要补偿的容量的计算方法为：

是否需要补偿的判据为：

|Q_pcc|≤ε

如果需要补偿，剩余需要补偿的容量的计算式为：

Q_rem=-Q_pcc

式中，Q_pcc为潮流计算结果中风电场并网点的无功功率，Q_rem为剩余需要补偿的容量，ε为风电场并网点无功功率允许误差。

本发明所述的一种基于电力网络模型的自动电压控制方法的有益效果主要表现在三个方面：

一是本发明实现的基于电力网络模型的自动电压控制方法可以将风电场并网点电压维持在电网调度下发的电压目标值死区范围内，可以显著改善风电场电压质量，大大提高电网的安全稳定水平，同时有效降低运维人员的工作强度；

二是本发明实现的基于电力网络模型的自动电压控制方法，能够协调风力发电机、动态无功补偿装置和有载调压变压器等多种无功补偿手段，优化风电场内的无功电压分布，降低有功功率损耗，对风电场具有直接的经济效益；

三是本发明实现的基于电力网络模型的自动电压控制方法与常规自动电压控制算法如等功率因数、等调节裕度等相比，在达到同样控制目标的情况下能够使用尽量少的设备参与调整、尽量少的控制调节次数，因而可以大大降低控制成本并提高控制响应性能，实现风电场的优化运行。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法的总体流程图；

图2为本发明实施例中风力发电机无功功率分配算法的流程图；

图3为本发明实施例中动态无功补偿装置无功功率分配算法流程图；

图4为本发明实施例中有载调压变压器分接头档位选择算法流程图；

图5为本发明实施例的方案结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本实施例所述一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，读取原始数据，建立风电场电力网络数学模型。

在所述步骤1中建立的风电场电力网络数学模型是潮流方程：

$\stackrel{\&CenterDot;}{I}=\stackrel{\&CenterDot;}{Y}\stackrel{\&CenterDot;}{U}$

式中

为节点电流列向量，为节点导纳矩阵，

为节点电压列向量。上式也即是：

$\frac{P_i-{\mathrm{jQ}}_i}{{\stackrel{*}{U}}_i}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_j,i=1...n$

式中，P_i为节点i的注入有功功率，Q_i为节点i的注入无功功率，

为节点i电压向量的共轭，Y_ij为节点i和节点j的互导纳即节点导纳矩阵

第i行第j列元素，

为节点j的电压向量。可知，建立上述模型需要读入的原始数据包括并网线路、主变、汇流线路、箱变、风力发电机、动态无功补偿装置等元件在内的电气参数、元件之间的连接关系以及风力发电机、动态无功补偿装置和变压器分接头的调节特性参数。

步骤2，读取风电场实时运行工况和电网调度下发的电压目标值。

这里，所述步骤2读取的风电场实时运行工况包括风电场并网点的实时有功功率、无功功率和电压，还包括风力发电机的并网状态、输出的实时有功功率和无功功率，还包括动态无功补偿装置的投入状态、输出的实时无功功率。

步骤3，以风电场实时运行工况和电网调度下发的电压目标值为初始条件，使用风电场电力网络数学模型进行潮流计算，得出在满足给定电压目标值情况下风电场的初始潮流分布，以确定是否需要进行无功补偿，如果不需要补偿则返回步骤2，否则确定剩余需要补偿的容量。

这里，所述步骤3中的潮流计算的初始条件包括：

初始条件A，取风电场并网点电压为给定的电压目标值；

初始条件B，风力发电机支路根据并网状态决定是否接入，其注入功率取为风力发电机实时有功功率和无功功率；

初始条件C，动态无功补偿装置支路根据投入状态决定是否接入，其注入功率取为动态无功补偿装置实时有功功率和无功功率。

并且所述步骤3的潮流计算采用前推回代算法。前推回代法具有方法简单，计算速度快的优点，是较为普遍使用的辐射型网络潮流算法。

步骤4，根据步骤3得出的剩余需要补偿的容量和每台风力发电机的实时无功功率可调容量，按照灵敏度排序的顺序补偿策略，分配并下发每台风力发电机的无功功率参考值。如果风力发电机已能充分补偿则返回步骤2，否则确定剩余需要补偿的容量。

这里，如图2所示，所述步骤4的具体步骤为：

步骤41，使用PQ分解法计算风力发电机对并网点电压的灵敏度；

步骤42，计算每台风力发电机的实时无功功率可调容量

式中P_Gi为第i台风力发电机输出的有功功率，Q_Gi,min为第i台风力发电机无功功率下限，

为第i台风力发电机允许的功率因数下限，Q_Gi,max为第i台风力发电机无功功率上限，

为第i台风力发电机允许的功率因数上限；

步骤43，以求得的灵敏度大小对风力发电机进行排序，按照该顺序逐台分配风力发电机的无功功率参考值。

Q_rem＜Q_Gi,min,Q_Gi,ref=Q_Gi,min

Q_Gi,min,≤Q_rem<Q_Gi,max,Q_Gi,ref=Q_rem

Q_rem＞Q_Gi,max,Q_Gi,ref=Q_Gi,max

式中，Q_Gi,ref为第i台风力发电机无功功率参考值；、

步骤44，在计算完一台风力发电机的无功功率参考值后以该无功功率参考值作为该风力发电机支路的注入无功功率代入重新进行潮流计算获得新的剩余需要补偿的容量Q_rem，然后进行下一台风力发电机的分配，直到最后一台风力发电机分配完毕或者已不需要进行无功补偿。

步骤5，计算剩余需要补偿的容量，根据每台动态无功补偿装置的无功功率可调容量，按照顺序分配的补偿策略，分配并下发每台动态无功补偿装置的无功功率参考值。如果动态无功补偿装置已能充分补偿则返回步骤2，否则确定剩余需要补偿的容量。

这里，如图3所示，所述步骤5的具体步骤为：

步骤51，计算剩余需要补偿的容量，再按顺序分配的补偿策略计算每台动态无功补偿装置的无功功率参考值。

Q_rem＜Q_ci,min,Q_Ci,ref=Q_Ci,min

Q_Ci,min,≤Q_rem<Q_Ci,max,Q_Ci,ref=Q_rem

Q_rem＞Q_ci,max,Q_ci,ref=Q_ci,max

式中Q_ci,ref为第i台动态无功补偿装置无功功率参考值，Q_Ci,min为第i台动态无功补偿装置无功功率下限，Q_ci,max为第i台动态无功补偿装置无功功率上限；

步骤52，在计算完一台动态无功补偿装置的无功功率参考值后以该无功功率参考值作为该动态无功补偿装置支路的注入无功功率代入重新进行潮流计算获得新的剩余需要补偿的容量Q_rem，然后进行下一台动态无功补偿装置的分配，直到最后一台动态无功补偿装置分配完毕或者已不需要进行无功补偿。

步骤6，根据剩余需要补偿的容量，再根据每台有载调压变压器的当前分接头档位以及档位范围，按照逐级上调或下调的补偿策略确定并下发每台有载调压变压器的分接头档位参考值。在此步骤后无论是否已充分补偿，均返回步骤2。

这里，如图4所示，所述步骤6的具体步骤为：

步骤61，计算剩余需要补偿的容量Q_rem，根据剩余需要补偿的容量的符号将所有有载调压变压器的分接头上调或下调一个档位重新进行潮流计算；

步骤62，若不需要补偿或有载调压变压器分接头档位已达到最大限制，则将当前档位作为分接头档位参考，否则返回到步骤61。

另外，所述步骤3、步骤4、步骤5和步骤6中是否需要进行无功补偿以及剩余需要补偿的容量的计算方法为：

是否需要补偿的判据为：

|Q_pcc|≤ε

如果需要补偿，剩余需要补偿的容量的计算式为：

Q_rem=-Q_pcc

式中，Q_pcc为潮流计算结果中风电场并网点的无功功率，Q_rem为剩余需要补偿的容量，ε为风电场并网点无功功率允许误差。

本实施例中上述的风电场自动电压控制方法通过算法软件运行于风电场自动电压控制装置中来实现。这里，本实施例的方案结构示意图如图5所示，具体地：

风电场自动电压控制后台监控工作站提供图形界面完成本发明所述风电场电力网络模型的建模，并下装到风电场自动电压控制装置中供算法软件使用。

风电场自动电压控制装置通过电力调度数据网与电网调度中心主站系统通信接收本发明所述的电网调度下发的电压目标值。

风电场自动电压控制装置通过本地局域网与风机监控系统、动态无功补偿装置和升压站综自系统连接，采集本发明所述的包括风力发电机、动态无功补偿装置和升压站在内的风电场实时运行工况。

风电场自动电压控制装置内的算法软件根据采集的风电场实时运行工况和接收的电压目标值，按照本发明所述步骤计算风力发电机的无功功率参考值、动态无功补偿装置无功功率的参考值以及有载调压变压器的分接头档位参考值，并分别下发给风机监控系统、动态无功补偿装置和升压站综自系统执行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电力网络模型的风电场自动电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，读取原始数据，建立风电场电力网络数学模型；

步骤2，读取风电场实时运行工况和电网调度下发的电压目标值；

步骤3，以风电场实时运行工况和电网调度下发的电压目标值为初始条件，使用风电场电力网络数学模型进行潮流计算获得初始潮流分布，确定剩余需要补偿的容量；

步骤4，根据剩余需要补偿的容量和每台风力发电机的实时无功功率可调容量，按照灵敏度排序策略分配并下发风力发电机的无功功率参考值；

步骤5，计算剩余需要补偿的容量和每台动态无功补偿装置的无功功率可调容量，按照顺序分配策略分配并下发动态无功补偿装置的无功功率参考值；

步骤6，计算剩余需要补偿的容量，根据每台有载调压变压器的当前分接头档位和档位范围，按照逐级调整策略确定并下发有载调压变压器的分接头档位参考值。

2.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤1中建立的风电场电力网络数学模型是潮流方程：

$\stackrel{\&CenterDot;}{I}=\stackrel{\&CenterDot;}{Y}\stackrel{\&CenterDot;}{U}$

式中，

为节点电流列向量，

为节点导纳矩阵，

为节点电压列向量。

3.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤2中读取的风电场实时运行工况包括风电场并网点的实时有功功率、无功功率和电压，还包括风力发电机的并网状态、输出的实时有功功率和无功功率，还包括动态无功补偿装置的投入状态、输出的实时无功功率。

4.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤3中的潮流计算的初始条件包括：

初始条件A，取风电场并网点电压为给定的电压目标值；

初始条件B，风力发电机支路根据并网状态决定是否接入，其注入功率取为风力发电机实时有功功率和无功功率；

初始条件C，动态无功补偿装置支路根据投入状态决定是否接入，其注入功率取为动态无功补偿装置实时有功功率和无功功率。

5.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤3的潮流计算采用前推回代算法。

6.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：

步骤41，使用PQ分解法计算风力发电机对并网点电压的灵敏度；

步骤42，计算每台风力发电机的实时无功功率可调容量；

步骤43，以求得的灵敏度大小对风力发电机进行排序，按照该顺序逐台计算风力发电机的无功功率参考值；

步骤44，以计算完的一台风力发电机的无功功率参考值作为该风力发电机支路的注入无功功率代入重新进行潮流计算，获得新的剩余需要补偿的容量，进行下一台风力发电机的无功功率参考值分配。

7.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤5的具体步骤为：

步骤51，计算剩余需要补偿的容量和每台动态无功补偿装置的无功功率可调容量，按顺序分配的补偿策略计算每台动态无功补偿装置的无功功率参考值；

步骤52，以计算完的一台动态无功补偿装置的无功功率参考值作为该动态无功补偿装置支路的注入无功功率代入重新进行潮流计算，获得新的剩余需要补偿的容量，进行下一台动态无功装置的无功功率参考值的分配。

8.根据权利要求1所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤6的具体步骤为：

步骤61，计算剩余需要补偿的容量，根据剩余需要补偿的容量的符号将所有有载调压变压器的分接头上调或下调一个档位重新进行潮流计算；

步骤62，若不需要补偿或有载调压变压器分接头档位已达到最大限制，则将当前档位作为分接头档位参考，否则重新执行步骤6。

9.根据权利要求1至8中任一所述的风电场自动电压控制方法，其特征在于，所述步骤3、步骤4、步骤5、步骤6中是否需要进行无功补偿以及剩余需要补偿的容量的计算方法为：

是否需要补偿的判据为：

|Q_pcc|≤ε

如果需要补偿，剩余需要补偿的容量的计算式为：

Q_rem=-Q_pcc

式中，Q_pcc为潮流计算结果中风电场并网点的无功功率，Q_rem为剩余需要补偿的容量，ε为风电场并网点无功功率允许误差。

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