CN103208803B - 风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了风电和光电并网控制技术领域中的一种风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法。包括：设置用于控制单个风电场/光电场的执行站，设置用于控制执行站的子站，设置用于控制所有子站的主站；主站计算每个子站的设定电压参考值U_ref；采用3σ法处理设定电压参考值U_ref，得到设定电压参考值区间；调节子站高压侧母线电压，以使其落入设定电压参考值区间中；如果子站高压侧母线电压未落入设定电压参考值区间中，则通过执行站调节风电场/光电场中的设备。本发明为实际运行的电力系统提供了指导。

Description

风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法

技术领域

本发明属于风电和光电并网控制技术领域，尤其涉及一种风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法。

背景技术

为改善能源结构，加强环保建设，大规模风/光发电基地陆续建成，形成了风/光电集中并网的运行模式。风/光电场集群化、规模化加剧了风/光电不稳定性对电网电压的影响，导致电压频繁波动，给无功电压优化控制层次衔接带来困难。因此建立一种适应大规模风/光电集中并网的无功电压优化控制模式具有重要意义。

目前，无功电压优化控制均没考虑大规模风/光电集中并网对电网电压的影响，需要建立一种适应大规模风/光电集中并网的无功电压优化控制模式。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法，用于解决大规模风/光电集中并网的随机性和波动性对电网电压造成的影响，以提高电网电压的运行质量。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在单个风电场/光电场的汇集点设置用于控制单个风电场/光电场的执行站，在风电场/光电场的集群并网点设置用于控制执行站的子站，设置用于控制所有子站的主站；

步骤2：主站通过子站和执行站采集每个风电场/光电场的电力数据，并根据采集的数据计算每个子站的设定电压参考值U_ref；

步骤3：采用3σ法处理设定电压参考值U_ref，得到设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]；

步骤4：调节子站高压侧母线电压，以使其落入设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]中；

步骤5：如果子站高压侧母线电压未落入设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]中，则通过执行站调节风电场/光电场中的设备；具体是，当需要降低电压时，则减少容性补偿设备的投入和/或增加感性补偿设备的投入；当需要提高电压时，则增加容性补偿设备的投入和/或减少感性补偿设备的投入。

所述步骤3具体是：

步骤101：将设定电压参考值U_ref作为数学期望μ，即令μ＝U_ref；

步骤102：计算子站的无功电压控制灵敏度S，其计算公式为其中J_Pθ、J_PV、J_Qθ和J_QV分别为雅各比矩阵，J_Pθ为将ΔP/Δθ的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_PV为将ΔP/ΔV的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_Qθ为将ΔQ/Δθ的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_QV为将ΔQ/ΔV的元素列在一起形成的雅各比矩阵，ΔP、ΔQ、Δθ和ΔV分别为子站的有功微增量、无功微增量、电压相角微增量及幅值微增量；

步骤103：确定每个子站的最小可调节设备的容量值Q_min；

步骤104：根据公式计算方差σ，将[μ-3σ,μ+3σ]作为设定电压参考值区间。

本发明提供的控制方法，综合考虑了大规模风/光电集中接入系统后，电源频繁波动对无功电压优化控制的影响，通过全网优化进行分层控制，同时电压参考值的采用3σ法进行处理，使得优化控制模式能适应风/光电场电压频繁波动的特点，增加实施控制可行性，为实际运行的电力系统提供指导。

附图说明

图1是适应于大规模风电/光电集中并网的三级优化控制体系示意图；

图2是无功优化功能结构示意图；

图3无功电压三级优化控制模式示意图；

图4是一个含大规模风/光电基地的区域电力系统示意图；

图5是一个含大规模风/光电基地的三级无功电压控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

本发明提供的风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法包括：

步骤1：在单个风电场/光电场的汇集点设置用于控制单个风电场/光电场的执行站，在风电场/光电场的集群并网点设置用于控制执行站的子站，设置用于控制所有子站的主站。

在本发明中，主站可虚设，完成全网无功优化的目标；子站装设在风/光电场集群并网点，完成二级电压控制；执行站装设在单个风/光电场汇集点，完成一级电压控制。适应与大规模风电/光电集中并网的三级优化控制体系具体结构如图1所示。

步骤2：主站通过子站和执行站采集每个风电场/光电场的电力数据，并根据采集的数据计算每个子站的设定电压参考值U_ref。

以牛拉法潮流计算作为基础，进行状态估计，利用改进微分进化算法计算以全网网损最小为目标的最优潮流分布。其中，主站计算U_ref的过程包括潮流计算、状态估计、优化计算。计算所用实时数据由SCADA系统提供。SCADA系统将电网实时数据进行远方采集、处理，再提供给潮流计算、状态估计和优化计算，从而求取出U_ref。图2为无功优化功能体系示意图，图3为无功电压三级优化控制模式示意图。

步骤3：采用3σ法处理设定电压参考值U_ref，得到设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]。

首先近似认为电压微小波动符合正态分布规律，基于正态分布3σ法，得出置信度为99%的执行区间[μ-3σ,μ+3σ]。在此区间内认为电压波动微小，不需要进行电压优化调整，超出此范围才进行优化调整。

采用3σ法处理设定电压参考值U_ref的过程具体是：

步骤101：将设定电压参考值U_ref作为数学期望μ，即令μ＝U_ref。

步骤102：利用公式

$S=(J_{\mathrm{QV}}-J_{\mathrm{Q\θ}}{J}_{\mathrm{P\θ}}^{-1}{J}_{\mathrm{PV}})---\left(1\right)$

计算子站的无功电压控制灵敏度S，其中

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}\\ \mathrm{\ΔQ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{J}_{\mathrm{P\θ}}& J_{\mathrm{PV}}\\ J_{\mathrm{Q\θ}}& J_{\mathrm{QV}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\θ}\\ \mathrm{\ΔV}\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\mathrm{\ΔQ}=(J_{\mathrm{QV}}-J_{\mathrm{Q\θ}}{J}_{\mathrm{P\θ}}^{-1}{J}_{\mathrm{PV}})\mathrm{\ΔV}---\left(3\right)$

公式（1）、（2）和（3）中，J_Pθ、J_PV、J_Qθ和J_QV分别为雅各比矩阵，J_Pθ为将ΔP/Δθ的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_PV为将ΔP/ΔV的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_Qθ为将ΔQ/Δθ的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_QV为将ΔQ/ΔV的元素列在一起形成的雅各比矩阵，ΔP、ΔQ、Δθ和ΔV分别为子站的有功微增量、无功微增量、电压相角微增量及幅值微增量。雅各比矩阵中的各元素是由网络结构自身决定，已知特定电网的电抗等网络参数和拓扑结构时，利用节点电压法等方法即可求取。

步骤103：确定每个子站的最小可调节设备的容量值Q_min。

实际电网中每一个子站都安装有不同的无功补偿设备，其中电容电抗器等设备为阶跃式调节，有固定容量和可调节方式。Q_min就是指某一个子站中可以调节的最小的一个设备的容量。主站可通过SCADA系统软件来召唤每个子站无功补偿设备详细信息，从而获得Q_min值。

步骤104：根据公式计算方差σ，将[μ-3σ,μ+3σ]作为设定电压参考值区间。

步骤4：调节子站高压侧母线电压，以使其落入设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]中。

子站调节为就地调节，调节方式种类可多样，其中一种是按照无功补偿设备响应时间快慢来选择设备动作的先后顺序，调节的对象为SVG（静止无功发生器）、SVC（静止式无功补偿装置）、电容电抗器等无功补偿设备。

子站调节是一个连续循环过程，可以在中间设置间断点，即如果电压合格（即子站高压侧母线电压落在区域[U_ref-min,U_ref-max]）或者无功补偿设备调节容量用尽，则停止调节。

步骤5：如果子站高压侧母线电压未落入设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]中，则通过执行站调节风电场/光电场中的设备；具体是，当需要降低电压时，则减少容性补偿设备的投入和/或增加感性补偿设备的投入；当需要提高电压时，则增加容性补偿设备的投入和/或减少感性补偿设备的投入。

当子站调节措施使用完毕，但电压仍超出范围[U_ref-min,U_ref-max]，由子站向下级执行站发令，进行一级电压调控。调控设备包括电容电抗、SVC（静止式无功补偿装置）/SVG（静止无功发生器）及风/光电发电机自身调节系统。电容电抗、SVC（静止式无功补偿装置）/SVG（静止无功发生器）及风/光电发电机自身调节系统均具有接收指令的控制接口，当其中一个接收到调节命令（目标电压值）后，可以根据子站高压侧母线电压的高低进行调节。具体调节过程为实际电压值高于目标电压值时，减少容性补偿设备的投入或增加感性补偿设备的投入，反之亦然。调节到实际电压值与目标电压值之差小于设定门槛值时即可满足要求，停止调节或者直到所有调节设备容量用尽为止。

实施例2

图4是一个含大规模风/光电基地的区域电力系统示意图，以此为例，本发明提供的无功电压优化控制方法包括：

步骤1：根据图4所示实际电网网架结构，建立三级无功优化控制体系，如图5所示。

步骤2：全网无功优化计算。在大规模风/光电入网无功综合优化控制主站进行状态估计、潮流计算及优化计算，得到9个子站的电压调控参考值U_ref1-U_ref9。

步骤3：采用3σ法处理U_ref。基于步骤2潮流计算结果，计算9个子站的无功电压灵敏度系数S₁-S₉，再计算每个子站的最小可调节无功补偿设备Q_min1-Q_min9，从而计算出σ₁-σ₉，最终得到9个子站各自的电压调节控制区间[U_ref-min,U_ref-max]。

步骤4：二级电压调控。以设定参考值区间为调控目标进行，当子站电压超出范围[U_ref-min,U_ref-max]时，进行子站调节，直至满足此电压范围。其中子站电压是指子站高压侧母线电压。

步骤5：一级电压调控。当子站调节措施使用完毕但电压仍超出区间[U_ref-min,U_ref-max]时，由子站向下级执行站发令，进行一级电压调控，即通过执行站对设备进行调控。调控设备包括电容电抗、SVC（静止式无功补偿装置）/SVG（静止无功发生器）及风/光电发电机自身调节系统。

根据上述方法对图4所示案例进行计算分析，结果如表1，表2所示。

表1.无功优化子站电压参考值计算结果

表2电压调控子站无功补偿设备动作次数/天统计结果

上述实例分析表明：本方法克服了传统无功优化控制模式中电压调控参考值固定的问题，从而能适应大规模风/光电集中接入电网时，系统电压频繁波动的情况，在顾忌调节效果的同时，减少了无功补偿设备调节动作的次数。为大规模风/光电集中接入的电网优化运行提供指导。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种风电和光电集中并网的无功电压优化控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在单个风电场/光电场的汇集点设置用于控制单个风电场/光电场的执行站，在风电场/光电场的集群并网点设置用于控制执行站的子站，设置用于控制所有子站的主站；

步骤2：主站通过子站和执行站采集每个风电场/光电场的电力数据，并根据采集的数据计算每个子站的设定电压参考值U_ref；

步骤3：采用3σ法处理设定电压参考值U_ref，得到设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]，具体是：

子步骤101：将设定电压参考值U_ref作为数学期望μ，即令μ＝U_ref；

子步骤102：计算子站的无功电压控制灵敏度S，其计算公式为其中J_Pθ、J_PV、J_Qθ和J_QV分别为雅各比矩阵，J_Pθ为将ΔP/Δθ的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_PV为将ΔP/ΔV的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_Qθ为将ΔQ/Δθ的元素列在一起形成的雅各比矩阵，J_QV为将ΔQ/ΔV的元素列在一起形成的雅各比矩阵，ΔP、ΔQ、Δθ和ΔV分别为子站的有功微增量、无功微增量、电压相角微增量及幅值微增量；

子步骤103：确定每个子站的最小可调节设备的容量值Q_min；

子步骤104：根据公式计算方差σ，将[μ-3σ,μ+3σ]作为设定电压参考值区间；

步骤4：调节子站高压侧母线电压，以使其落入设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]中；

步骤5：如果子站高压侧母线电压未落入设定电压参考值区间[U_ref-min,U_ref-max]中，则通过执行站调节风电场/光电场中的设备；具体是，当需要降低电压时，则减少容性补偿设备的投入和/或增加感性补偿设备的投入；当需要提高电压时，则增加容性补偿设备的投入和/或减少感性补偿设备的投入。