CN103368205A - 基于风电总上网有功潮流确定电压可行域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种区域电网基于风电总上网有功潮流确定电压可行域的方法，属于电力系统自动电压控制技术领域。本方法包括：选择表征风电区域总有功发电运行方式的特征量—分区有功P^ref作为运行方式的特征判据，用该特征量值的大小标识目标区域总风电有功出力的运行方式；根据该特征量所在不同的区间确定对应的运行方式下风电区域各母线的电压可行域。本发明针对三级电压控制模式对风电场电压控制存在的效果差，甚至完全失效的问题，根据风电集中接入区域总上网有功，动态生成中枢母线目标电压和上下限以及控制母线的电压上下限，解决了上述难题，即使在极端的“电压乱舞”情况下，仍然可以取得比较好的控制效果。基于本发明的三级电压控制模式有着更好的鲁棒性，更广泛的适用性，可以解决大规模风电并网的电压控制问题。

Description

基于风电总上网有功潮流确定电压可行域的方法

技术领域

本发明属于电力系统自动电压控制技术领域，特别涉及一种基于风电总上网有功潮流确定电压可行域的方法。

背景技术

煤炭等传统能源储量有限，能源问题引起了全世界范围内的极大关注。长期以来,煤炭与人们的生活密切相关,其中一个重要的用途就是用来发电。由于煤炭资源的短缺,世界各国纷纷投入大量的人力、物力探索新的能源利用模式，风电成为公认的具有极大发展潜力的的绿色能源之一。我国在十二五期间制定了相关的政策方针，加大对风电的支持，逐步优化能源结构，降低活力发电的比重。

在我国，风力发电主要是以大规模集中并网的模式，虽然风力发电有很多优势，但仍存在一些技术问题有待解决。其中比较突出的就是不少风电场因为电压问题而连锁脱网，自动电压控制（AVC，Automatic Voltage Control）系统，被认为是解决风电区域电压问题的一个有效方法。

主流的自动电压控制主要有三种模式：

第一种是以德国RWE电力公司代表二级控制，没有所谓分区控制，最优潮流（OPF）的优化计算结果直接发到各电厂的一级电压控制器进行控制。在调度控制中心中，OPF基于状态估计，实时运行在EMS的最高层次上，直接实现考虑运行约束以网损最小为目标的全局无功优化控制，如

图1所示。这种模式虽然控制简单，但完全依赖OPF，AVC的运行可靠性难以保证。OPF作为静态优化计算功能，主要考虑电压上下限约束和网损最小化。如果完全依赖OPF，则AVC难以对电压稳定性进行协调，完全依赖OPF，无法确保电压稳定性。OPF模型计算量大，计算时间较长。当系统中发生大的扰动、负荷陡升或陡降时，如果完全依赖OPF，则AVC的响应速度不够，控制的动态品质难以保证。

第二种是以法国EDF的三级电压控制模式的研究和实施始于上世纪70年代，经历了三十余年的研究、开发和应用，是目前国际上公认为最先进的电压控制系统。在1972年国际大电网会议上，来自EDF（法国电力公司）的工程师提出了在系统范围内实现协调性电压控制的必要性，详细介绍了法国EDF以“中枢母线”、“控制区域”为基础的电压控制方案的结构，其基本方法如

图2所示，该方法中电网被划分成若干解耦的控制区域，整个控制系统分为三个层次：每个控制区中设一个二级电压控制，对该控制区中的多个一级电压控制（PVC,PrimaryVoltage Control）进行控制，各区域的二级电压控制（SVC,Secondary Voltage Control）由一个总的三级电压控制（TVC,Tertiary Voltage Control）进行控制。该控制模式得到了很好的应用，但是该模式仍存在缺点，这是因为区域的二级电压控制（SVC）是基于电力系统无功电压的局域性而开发的，而区域间无功电压是有耦合的，因此控制系统的质量在根本上取决于各区域间无功电压控制的耦合程度。但是，随着电力系统的发展和运行工况的实时变化，设计时认为相对解耦的区域并非一成不变，而且以固定的控制参数形式存在的控制灵敏度更是随运行工况而实时变化，因此这种以硬件形式固定下来的区域控制器难以适应电力系统的不断发展和实时运行工况的大幅度变化，因此难以持久地保证有良好的控制效果。

第三种是清华大学电机系调度自动化实验室提出了基于“软分区”的三级电压控制模式，该模式已经在国内十六个地区电网、省级电网中得到广泛应用，并成功推广到北美PJM电网的电压控制中。由于地区电网本身具有主网（220kV对电网）环网运行，110kV电网辐射运行的特点，因此地区电网已经具备了天然的分区特性，这种“分区”也是随着电网的运行方式变化的。因此，基于软分区的三级电压控制模式得到广泛的应用。

目前对于含风电场地区电网AVC控制系统，仍然采用基于软分区的三级电压控制体系，风电场区域控制处于二级控制的层面，使用协调二级电压控制（Coordinated SecondaryVoltage Control，简称CSVC）模型（参见《电力系统分级无功电压闭环控制的研究》（郭庆来，清华大学博士论文，页码57-64），一方面保证二级电压控制尽可能追踪三级电压控制的目标，另一方面保证足够的无功域度。

系统总体的优化控制目标采用三级控制中的全局无功优化最优潮流给出，控制目标的实现由二级控制实现。二级控制为分区控制，综合考虑所有的控制手段，包括电厂和各个电压等级变电站，进行综合协调控制，使分区内的母线电压达到三级控制全局优化的目标。

在实际情况中，常常遇到这样的现象：某区域远离地区电网的负荷中心，并且也远离火电机组，该区域又接入了大量的风电机组，多个风场的220kV母线电气距离近，互相之间的电压影响显著。在风电大发时，该区域的电压波动异常剧烈，经常出现“电压乱舞”的现象。此时无论二级控制采用何种控制策略，都无法追踪三级控制（OPF）给出的可行域指令（目标电压和电压限值），因为三级控制给出的中枢电压常常完全偏离可行域，从而导致AVC控制失败，影响整个系统的稳定。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提出一种基于风机总上网有功潮流确定电压可行域的方法，本方法保证整个AVC系统的控制有效性，提高电力系统的经济性、安全性、可靠性，避免扰动造成的区域电压陡升或陡降。

本发明提出的基于风电总上网有功潮流确定电压可行域的方法，包括以下步骤：

1）选择表征风电区域总有功发电运行方式的特征量—分区有功P^ref作为运行方式的特征判据，用该特征量值的大小标识目标区域总风电有功出力的运行方式；

2）根据该特征量所在不同的区间确定对应的运行方式下风电区域各母线的电压可行域；

2.1）首先根据电网历史上数据，确定顺序排列的功率区间边界值P₁、P₂...P_i-1,P_i..P_n-1和功率区间个数n，n的取值为4或5；

设目标网络的电压等级为Vbase，第一个功率区间(-∞，P₁],P₁对应的电压上下限值U_1u、U_1d分别为0.99Vbase和1.04Vbase，并对该上下限值进行四舍五入；第i个区间（P_i-1,P_i],对应的电压上下限值U_iu、U_id分别为U_1u-i+1，U_1d；各个控制母线的电压上下限值与同一区间的中枢母线电压上下限值相同；

2.2）根据功率区间边界值确定各中枢母线的目标电压值：

对于第i个功率区间（P_i-1,P_i]，对应的电压目标值为

并对目标值进行四舍五入；

3）AVC系统实时监视的线路有功，根据当前有功值，确定其有功所属的区间，并将该区间内对应的母线电压上下限值、中枢母线的控制目标值实时应用到控制模型中。

4）AVC系统的二级电压控制中，对风电接入区域，其中枢母线的控制目标以当前电压可行域中给定的设定值为目标，以区域内各风场无功设备作为控制手段，采用协调二级电压控制（CSVC）方法，计算各风场的高压侧母线电压设定。

本发明的特点及有益效果：

本发明的风电区域中枢母线电压优化控制的目标，没有采用以网损最小为目标进行无功优化计算给出的电压设定值，也没有采用传统逆调压要求的贴电压上限或下限的目标值，而是在电压合格的基础上，保留一定的裕度，尤其是保留一定的向上裕度，即中枢母线电压在正常情况下不能过高。这种控制方案可以避免电网扰动造成部分风机脱网后，该区域的电压在短时间内的剧烈升高造成更多的风机连锁脱网，从而实现风电区域的稳定并网发电。

本发明动态给出电压可行域而不是直接使用三级控制的指令，解决了三级控制指令不可行的难题，从而保证整个AVC系统的控制有效性，提高电力系统的经济性、安全性、可靠性。对于风电集中接入电网分区，其总体电压控制目标为区域内各风电场的稳定并网发电，而不采用传统的以网损最小的控制目标。具体说来，该区域电压目标应为风场的高压并网母线电压合格，并尽量提供较大的向上和向下的电压裕度，避免扰动造成的区域电压陡升或陡降。

本发明可根据运行境况，在不同的风电区域发电方式下，风电接入区域的电压水平相差较大，其电压控制目标也相差较大，因此AVC系统需要根据风电区域的运行方式，确定风电区域的风电场和集中接入变电站各母线的电压可行域，并在适当的可行域基础上实现电压的自动控制。

附图说明

图1是已有的两级自动电压协调控制；

图2是已有的三级自动电压协调控制图；

图3是已有的基于软分区的三级自动电压协调控制图；

图4是本发明自动匹配风电区域确定电压可行域方法流程图；

图5是本实施例中电网的沽源风电接入区域的电气结构图。

具体实施方式

本发明提出的基于风电总上网有功潮流确定电压可行域的方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的流程如图4所示。AVC系统实时监视的线路有功，根据当前有功值，确定其有功所属的区间，并将该区间内对应的母线电压上下限值、中枢母线的控制目标值实时应用到控制模型中；

AVC系统的二级电压控制中，对风电接入区域，其中枢母线的控制目标以当前电压可行域中给定的设定值为目标，以区域内各风场无功设备作为控制手段，采用协调二级电压控制（CSVC）方法，计算各风场的高压侧母线电压设定值。

本方法包括以下步骤：

1）选择表征风电区域总有功发电运行方式的特征量—分区有功P^ref作为运行方式的特征判据，用该特征量值的大小标识目标区域总风电有功出力的运行方式；

2）根据该特征量所在不同的区间确定对应的运行方式下风电区域各母线的电压可行域；

2.1）首先根据电网历史上数据，确定顺序排列的功率区间边界值P₁、P₂...P_i-1,P_i..P_n-1和功率区间个数n，n的取值为4或5；

设目标网络的电压等级为Vbase，第一个功率区间(-∞，P₁],P₁对应的电压上下限值U_1u、U_1d分别为0.99Vbase和1.04Vbase，并对该上下限值进行四舍五入；第i个区间（P_i-1,P_i],对应的电压上下限值U_iu、U_id分别为U_1u-i+1，U_1d；各个控制母线的电压上下限值与同一区间的中枢母线电压上下限值相同；

2.2）根据功率区间边界值确定各中枢母线的目标电压值：

对于第i个功率区间（Pi-1,Pi]，对应的电压目标值为

并对目标值进行四舍五入；

3）AVC系统实时监视的线路有功，根据当前有功值，确定其有功所属的区间，并将该区间内对应的母线电压上下限值、中枢母线的控制目标值实时应用到控制模型中。

4）AVC系统的二级电压控制中，对风电接入区域，其中枢母线的控制目标以当前电压可行域中给定的设定值为目标，以区域内各风场无功设备作为控制手段，采用协调二级电压控制（CSVC）方法，计算各风场的高压侧母线电压设定值。

下面以某电网沽源风电接入区域风电接入区域为例，介绍本发明的一个具体实施案例，

该实施例地区接线方式如图5所示，具体步骤如下：

1）选择风电总上网有功作为表征风电区域总有功发电运行方式的特征值，作为运行方式的特征判据：

本实施例中选择沽源-察北站之间的沽察一线线路的有功P^ref作为特征量，这是因为该线路是风机集中上网接入线路，其值大小可以标识沽源区域总风电有功出力的运行方式。

2）针对特征量所在不同的区间对应的各运行方式，按照下面步骤各运行方式下风电区域各母线的电压可行域。

2.1）首先根据历史上网数据，确定生序排列的区间边界值P₁、P₂.....P_n-1和个数n。

本实施例根据历史数据，可以划分为5个区间（n=4），其中边界值P₁=350MW，P₄=800MW,其他边界值P₂、P₃按照等差数列确定。

目标网络的电压等级为220kV，第一个区间(-∞,P1],P1对应的电压U_1u、U_1d上下限值分别为0.99Vbase和1.04Vbase，对其进行四舍五入后对应为229和218。对于第i个区间（P_i-1,P_i],对应的电压U_iu、Ui_d分别为U_1u-i+1，U_1d。各个控制母线的上下限值，参考同一区间的中枢母线电压上下限值。

2.2）根据区间边界值确定各中枢母线的目标电压值。

对于第i个区间（P_i-1,P_i]，对应的目标值为

且对目标值进行四舍五入（因为控制指令一般为整数）。典型的电压可行域方案如下表所示。

风电区域的母线电压可行域

上表中，察北和义缘作为中枢母线（分区内具有代表性的母线，一般是电网中心，大型变电站的母线），其他母线作为控制母线（可控的发电厂的高压母线，即可以直接控制电压的母线）。

从表中可以看到，在不同风电发电运行方式下，区域中各风电场以及集中接入变电站的母线电压可行域是不同的。即对应于沽察一线上网有功值范围的不同，各母线电压上下限也不同。同时，表中也给出了中枢母线如察北站220kV母线、义缘站220kV母线的优化控制目标值。该目标值在电压合格的范围内，距离电压上下限均保留了一定裕度。该目标值即为风电区域自动电压控制的目标，通过控制风场的无功，从而使中枢母线电压达到设定的目标值。

还可以看到，风电区域中枢母线电压优化控制的目标，没有采用以网损最小为目标进行无功优化计算给出的电压设定值，也没有采用传统逆调压要求的贴电压上限或下限的目标值，而是在电压合格的基础上，保留一定的裕度，尤其是保留一定的向上裕度，即中枢母线电压在正常情况下不能过高。这种控制方案可以避免电网扰动造成部分风机脱网后，该区域的电压在短时间内的剧烈升高造成更多的风机连锁脱网，从而实现风电区域的稳定并网发电。

3）AVC系统实时监视的线路有功，根据当前有功值，确定其有功所属的区间，并将该区间内对应的母线电压上下限值、中枢母线的控制目标值实时应用到控制模型中。

4）AVC系统的二级电压控制中，对风电接入区域，其中枢母线的控制目标以当前电压可行域中给定的设定值为目标，以区域内各风场无功设备作为控制手段，采用协调二级电压控制（CSVC）方法，计算各风场的高压侧母线电压设定值。

Claims (1)

1.一种基于风电总上网有功潮流确定电压可行域的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）选择表征风电区域总有功发电运行方式的特征量—分区有功P^ref作为运行方式的特征判据，用该特征量值的大小标识目标区域总风电有功出力的运行方式；

2）根据该特征量所在不同的区间确定对应的运行方式下风电区域各母线的电压可行域；

2.1）首先根据电网历史上数据，确定顺序排列的功率区间边界值P₁、P₂...P_i-1,P_i..P_n-1和功率区间个数n，n的取值为4或5；

设目标网络的电压等级为Vbase，第一个功率区间(-∞，P₁],P₁对应的电压上下限值U_1u、U_1d分别为0.99Vbase和1.04Vbase，并对该上下限值进行四舍五入；第i个区间（P_i-1,P_i],对应的电压上下限值U_iu、U_id分别为U_1u-i+1，U_1d；各个控制母线的电压上下限值与同一区间的中枢母线电压上下限值相同；

2.2）根据功率区间边界值确定各中枢母线的目标电压值：

对于第i个功率区间（P_i-1,P_i]，对应的电压目标值为

并对目标值进行四舍五入；

3）AVC系统实时监视的线路有功，根据当前有功值，确定其有功所属的区间，并将该区间内对应的母线电压上下限值、中枢母线的控制目标值实时应用到控制模型中。

4）AVC系统的二级电压控制中，对风电接入区域，其中枢母线的控制目标以当前电压可行域中给定的设定值为目标，以区域内各风场无功设备作为控制手段，采用协调二级电压控制CSVC方法，计算各风场的高压侧母线电压设定值。

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