CN103490426A - 大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，包括：应用连续潮流计算求解电压稳定极限点，并根据得出的电压稳定极限点求解静态电压稳定裕度;在正常运行方式下，当静态电压稳定裕度

低于10%时，启动电压稳定综合控制；根据电网调度中心下达的电压运行限值，选取电压越出上限或下限的母线作为待调整母线;采用灵敏度分析法，按照电压或无功灵敏度大小确定不同母线处的无功补偿装置的补偿先后顺序；将调度中心下达的电压运行限值与电压实际值相比较，得出待调整母线偏离限值的方向和严重程度，确定无功补偿点的补偿措施。解决大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定性差、系统电压质量低、风电送出受限问题。

Description

大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体地，涉及一种大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法。

背景技术

目前，风力发电作为目前技术最成熟、最具规模的一种新能源利用形式，近年来在我国得到了迅猛的发展，风电年均装机速度已远超世界平均水平。风电的随机性和不确定性使得大规模开发风电在带来绿色能源的同时，也给电力系统带来了一些负面的影响。由于我国风电场一般远离主网架和负荷中心，需要远距离集中外送，使得风电送出通道网架结构较弱，短路容量较低。由于风电的随机波动性，且可控性较差，加之通过弱送端电力系统并网，送电通道上关键变电站母线电压波动幅度剧烈，电压稳定性差。另一方面，集群风电并网点电压支撑能力较弱，无功电压问题突出，容易诱发严重的系统安全稳定事故。2011年频繁发生的大规模风电机组连锁脱网事故，大多是在集群风电弱电网接入、长距离外送的典型网架中，在风电大发、线路重载的运行工况下，有设备故障或风电场调压能力不足导致局部电网电压波动而引发。

为了支撑系统电压水平，风电送出通道配备了多种无功补偿装置和电压调节装置，包括：SVC、SVG、可控高压电抗器、固定高低压电抗器、并联电容器、有载调压变压器等。但各类无功补偿装置都独立运行，未能根据电压稳定性要求协调控制。随着大规模风电通过弱送端电力系统并网，电压稳定问题突出，但是尚无有效的电压稳定综合控制方法，以提高大规模风电接入的弱送端电力系统的电压稳定性。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，以解决大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定性差、系统电压质量低、风电送出受限的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，包括以下步骤：

步骤1：应用连续潮流计算求解电压稳定极限点，并根据得出的电压稳定极限点求解静态电压稳定裕度;

步骤2：在正常运行方式下，当上述静态电压稳定裕度Kv低于10%时，启动电压稳定综合控制，所述电压稳定综合控制包括步骤3～步骤5；

步骤3：根据电网调度中心下达的电压运行限值，选取电压越出上限或下限的母线作为待调整母线;

步骤4：采用灵敏度分析法，按照电压或无功灵敏度大小确定上述上限或下限母线处的无功补偿装置的补偿先后顺序；

步骤5：将步骤3中调度中心下达的电压运行限值与电压实际值相比较，得出待调整母线偏离电压运行界限的方向和严重程度，并由此确定无功补偿点的补偿措施。

根据本发明的优选实施例，上述步骤1中的连续潮流计算方法，用来克服接近稳定极限运行状态时的收敛问题，连续潮流法通过不断更新潮流方程，使得在负荷状态下，潮流方程无论在稳定平衡点还是在不稳定平衡点潮流方程都有解；

所述潮流方程是指描述电网络节点注入功率同节点电压关系的功率方程，为多元二次方程组，应用牛顿-拉普逊法求解；

根据本发明的优选实施例，上述连续潮流法包括以下环节，分别为预测、校正、参数化和步长控制环节：

所述预测环节为：根据潮流方程已知解A，以一个切线预报来估计对于一个规定负荷增长方式的解B，其中，切线通过对含参数的潮流方程进行微分求解得到，在得到切线后，根据切线方向在解A的基础上增加步长便得到解B；

所述校正环节为：以预估得到的近似解B作为初值代入潮流方程进行解的校正，得到精确解C，重复进行预测-校正环节，当预测计算后，新的切线预报电压值超出了准确解，则以该次计算得到的节点电压为固定值来进行下一次的校正；

所述参数化环节为改变电力系统雅科比矩阵的结构，避免奇异问题；

所述步长控制环节是在连续预报中，当电力系统接近电压稳定极限时，为确定准确的最大负荷，逐步减少负荷的增量。

根据本发明的优选实施例，所述电压稳定裕度为，当前电压水平和稳定极限点，稳定极限点即系统即将到达崩溃时的运行状态，电压水平之间的差值，用静态电压稳定储备系数K_v%表示：

$K_x\%=\frac{U_z-U_c}{U_z}\×100\%$

其中，U_z为输电系统稳定极限点的电压水平，U_c为输电系统当前运行点的电压水平。

根据本发明的优选实施例，所述灵敏度分析法，是研究电力系统可控变量与状态变量间关系的方法，电力系统节点功率平衡方程是：

f(x,u)＝0       （1）

式中：u，x分别表示控制变量和状态变量；

设某一区域运行在状态(x(0),u(0))下，如某一扰动使系统相应发生了状态偏移Δx，控制变量会做出相应的调整Δu，则系统的功率平衡方程为：

f(x₀+Δx,u₀+Δu)＝0     （2）；

若稳态情况下各变量的变化很小，则公式（2）可以展开化简为

J_xΔx+J_uΔu＝0     （3）

上述公式（3）为灵敏度方程，其中J_x，J_u分别为f对x、u的偏导数k，则：

$\mathrm{\Δx}=-J_x^{-1}{J}_u\mathrm{\Δu}=S_{\mathrm{xu}}\mathrm{\Δu}---\left(4\right)$

为给定控制变量的变化量，采用上述公式（4）求得状态变量的变化量，S_xu为状态变量对控制的灵敏度系数，其中，状态变量是指待观测节点的电压。

根据本发明的优选实施例，所述电压或无功灵敏度是在特定运行方式下，保持有功注入不变，系统各节点电压微增量同无功注入微增量的比值；

对于大规模风电接入的弱送端电力系统，因输电线路的电抗远大于电阻，有功、无功解耦，各节点电压大小的改变主要同各节点的注入无功功率有关，因此由潮流计算中常用的PQ分解法得到：

ΔQ＝-UB″ΔU（5）

式中：ΔQ为各节点注入的无功变化量，B″为研究区域导纳矩阵，矩阵可逆，且具有很高的稀疏性；

U＝diag(U₁,U₂,…,U_n)，ΔU为区域各个节点电压变化量，上述公式（5）变型得：

ΔU＝-(B″)^-1U^-1ΔQ

则电压对无功的灵敏度系数矩阵为：

S＝-(B″)^-1U^-1

式中：矩阵S中的元素S_ij为第i点电压变化对第j点无功改变的灵敏度系数，其大小与电网各节点电压值及网络结构参数有关。

根据本发明的优选实施例，所述步骤2中的电压运行限值是由调度中心按照运行规程计算实时下达，750kV电压等级的电压运行限值标幺值为0.97～1.07pu；330kV电压等级的电压运行限值标幺值为0.9～1.0pu；330kV及以下电压等级的电压运行界限标幺值为0.9～1.0pu。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过连续潮流方法计算电压稳定临界点、静态电压稳定裕度；当静态电压稳定裕度不满足标准时，依据电压/无功灵敏度生成灵敏度系数排序表，依次调节不同地点的无功补偿装置；以及无功补偿装置的投切策略。解决了大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定性差、系统电压质量低、风电送出受限的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法的流程图；

图2是本发明实施例所述的连续潮流法求解过程示意图；

图3是本发明实施例所述的变电站无功补偿策略图；

图4是本发明实施例所述的规模风电接入的弱送端电力系统的接线示意图；

图5是本发明实施例所述的规模风电接入的弱送端电力系统的P-V曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，包括以下步骤：

步骤101：应用连续潮流计算求解电压稳定极限点，并根据得出的电压稳定极限点求解静态电压稳定裕度;

步骤102：在正常运行方式下，当上述静态电压稳定裕度Kv低于10%时，启动电压稳定综合控制，电压稳定综合控制包括以下步骤103～步骤105；

步骤103：根据电路调度中心下达的电压运行限值，选取电压越出上限或下限的母线作为待调整母线;

步骤104：采用灵敏度分析法，按照电压或无功灵敏度大小确定上限或下限的母线处的无功补偿装置的补偿先后顺序；

步骤105：将调度中心下达的电压运行限值与电压实际值相比较，可以得出待调整母线偏离电压运行极限的方向和严重程度，并由此确定无功补偿点的补偿措施。

其中步骤101中的连续潮流计算方法，是电压稳定性分析的有力工具，用来克服接近稳定极限运行状态时的收敛问题，连续潮流法通过不断更新潮流方程，使得在负荷状态下，潮流方程保持良态，无论在稳定平衡点还是在不稳定平衡点潮流方程都有解；

潮流方程是指描述电网络节点注入功率同节点电压关系的功率方程，数学上是一个多元二次方程组，应用牛顿-拉普逊法求解。（参考文献：陈珩.电力系统稳态分析[M].中国电力出版社.2007.）

连续潮流法包括以下环节，分别为预测、校正、参数化和步长控制环节：

预测步环节为：根据正常情况下的潮流方程已知解A开始，以一个切线预报来估计对于一个规定负荷增长方式的解B，其中，切线是对含参数的潮流方程进行微分求解得到的，在得到切线后，根据切线方向在解A的基础上增加一个步长便可得到解B；

校正环节为：以预估得到的近似解B作为初值代入潮流方程进行解的校正，得到精确解C，重复进行预测-校正环节。当进行一次预测计算后，发现新的切线预报电压值超出了准确解，则以上一次计算得到的节点电压为固定值来进行下一次的校正。

参数化环节是选择连续性参数，构造一个方程，使得它与参数化的潮流方程一起构成方程组。从而改变了电力系统雅科比矩阵的结构，来避免奇异问题。

步长控制环节是在连续预报中，当接近电压稳定极限时，为确定准确的最大负荷，负荷的增量应逐步减少。

电压稳定裕度为，当前运行点的电压水平和稳定极限点(即系统即将到达崩溃时的运行状态)电压水平之间的差值，用静态电压稳定储备系数K_v%表示：

$K_v\%=\frac{U_z-U_c}{U_z}\×100\%$

其中，U_z为输电系统稳定极限点的电压水平，U_c为输电系统当前运行点的电压水平。

灵敏度分析法，是研究电力系统可控变量与状态变量间关系的方法，电力系统节点功率平衡方程是：

f(x,u)＝0

式中：u，x分别表示控制变量和状态变量；

设某一区域运行在状态(x(0),u(0))下，如某一扰动使系统相应发生了状态偏移Δx，控制变量会做出相应的调整Δu，则系统的功率平衡方程为：

f(x₀+Δx,u₀+Δu)＝0；

若稳态情况下各变量的变化很小，则上式可以展开化简为

J_xΔx+J_uΔu＝0

上式为灵敏度方程，其中J_x，J_u分别为f对x、u的偏导数k，则：

$\mathrm{\Δx}=-J_x^{-1}{J}_u\mathrm{\Δu}=S_{\mathrm{xu}}\mathrm{\Δu}$

为给定控制变量的变化量，采用上式求得各状态变量的变化量，S_xu为状态变量对控制的灵敏度系数，其中，状态变量是指待观测节点的电压。

电压或无功灵敏度是在特定运行方式下，保持有功注入不变，系统各节点电压微增量同无功注入微增量的比值，运行方式是指电网络中元件（发电机、线路、变压器）是否投运、如何接线等。

对于大规模风电接入的弱送端电力系统，因输电线路的电抗远大于电阻，有功、无功解耦，各节点电压大小的改变主要同各节点的注入无功功率有关，因此由潮流计算中常用的PQ分解法得到：

ΔQ＝-UB″ΔU

式中：ΔQ为各节点注入的无功变化量，B″为研究区域导纳矩阵，矩阵可逆，且具有很高的稀疏性；

U＝diag(U₁,U₂,…,U_n)，ΔU为区域各个节点电压变化量，上式5变型得：

ΔU＝-(B″)^-1U^-1ΔQ

则电压对无功的灵敏度系数矩阵为：

S＝-(B″)^-1U^-1

式中：矩阵S中的元素S_ij为第i点电压变化对第j点无功改变的灵敏度系数，其大小与电网各节点电压值及网络结构参数有关。

由此求出灵敏度系数S_ij越大，表明i点的电压变化随j点的无功变化越大，当i点的电压不合格时，控制j点的无功最有效。一般来说，对于运行电压不合格的节点i，电压/无功灵敏度系数最大的点就是i点。但当该节点的无功补偿设备不足或者没有安装无功补偿设备，此点不能参与调压，需要借助区域内其他节点调压时，就应在灵敏度系数排序表中选择系数大小仅次于前一个电压/无功灵敏度系数节点的调压设备进行调压。

步骤102中的电压运行限值是由调度中心按照运行规程计算实时下达，750kV电压等级的电压运行限值标幺值为0.97～1.07pu；330kV电压等级的电压运行限值标幺值为0.9～1.0pu；330kV及以下电压等级的电压运行界限标幺值为0.9～1.0pu。

其中，步骤105中的无功补偿策略如图3所示：

①高压侧母线电压越上（或下）限，而中压侧越下（或上）限，则中压测分接头上（或下）调一级；

②母线电压越上（或下）限，如果有可调电容、电抗，则切除电容、投入电抗（或切除电抗、投入电容），直至电压落入限值内；如无可调电容、电抗，则由灵敏度系数排序表中下一个无功补偿点调节；

③母线电压在限值内，但靠近上（或下）限，则通过动态无功补偿装置微调。

按照上述方法，以某实际系统作为校验模型，分析如下：

该实际系统为包含大规模风电的国内某区域电网，区域内包含11个大型风电场，总装机容量为5200MW，其中风电场F由鼠笼风电机组成，其余风电场由双馈或永磁直驱风电机组成；风电场通过变电站1～5并入弱送端电力系统。区域的接线图如图4所示。

某时段风电出力达2600MW。通过连续潮流计算得到PV曲线如图5所示。此时静态电压稳定裕度为9.4%，不满足静态电压稳定裕度（K_v）为10%～15%的要求。此时的无功/电压灵敏度是：

$S=\left[\begin{array}{ccccc}0.112& 0.071& 0.066& 0.080& 0.064\\ 0.071& 0.242& 0.144& 0.161& 0.056\\ 0.066& 0.144& 0.224& 0.164& 0.055\\ 0.080& 0.161& 0.164& 0.192& 0.055\\ 0.064& 0.056& 0.055& 0.055& 0.287\end{array}\right]$

系统母线电压及控制措施如表1所示。

表一：母线电压及调整措施表：

通过上述实施例例分析表明：本方法技术方案针对性地解决了大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定性差、电压质量低、风电送出受限的问题。通过连续潮流方法计算电压稳定临界点、静态电压稳定裕度；当静态电压稳定裕度不满足标准时，依据电压/无功灵敏度生成灵敏度系数排序表，依次调节不同地点的无功补偿装置；以及无功补偿装置的投切策略。本方法简洁、实用、有效，提高了大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (7)

1.一种大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：应用连续潮流计算求解电压稳定极限点，并根据得出的电压稳定极限点求解静态电压稳定裕度;

步骤2：在正常运行方式下，当上述静态电压稳定裕度Kv低于10%时，启动电压稳定综合控制，所述电压稳定综合控制包括步骤3～步骤5；

步骤3：根据电网调度中心下达的电压运行限值，选取电压越出上限或下限的母线作为待调整母线;

步骤4：采用灵敏度分析法，按照电压或无功灵敏度大小确定上述上限或下限母线处的无功补偿装置的补偿先后顺序；

步骤5：将步骤3中调度中心下达的电压运行限值与电压实际值相比较，得出待调整母线偏离电压运行界限的方向和严重程度，并由此确定无功补偿点的补偿措施。

2.根据权利要求1所述的大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，其特征在于，上述步骤1中的连续潮流计算方法，用来克服接近稳定极限运行状态时的收敛问题，连续潮流法通过不断更新潮流方程，使得在负荷状态下，潮流方程无论在稳定平衡点还是在不稳定平衡点潮流方程都有解；

所述潮流方程是指描述电网络节点注入功率同节点电压关系的功率方程，为多元二次方程组，应用牛顿-拉普逊法求解。

3.根据权利要求2所述的大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，其特征在于，上述连续潮流法包括以下环节，分别为预测、校正、参数化和步长控制环节：

所述预测环节为：根据潮流方程已知解A，以一个切线预报来估计对于一个规定负荷增长方式的解B，其中，切线通过对含参数的潮流方程进行微分求解得到，在得到切线后，根据切线方向在解A的基础上增加步长便得到解B；

所述校正环节为：以预估得到的近似解B作为初值代入潮流方程进行解的校正，得到精确解C，重复进行预测-校正环节，当预测计算后，新的切线预报电压值超出了准确解，则以该次计算得到的节点电压为固定值来进行下一次的校正；

所述参数化环节为改变电力系统雅科比矩阵的结构，避免奇异问题；

所述步长控制环节是在连续预报中，当电力系统接近电压稳定极限时，为确定准确的最大负荷，逐步减少负荷的增量。

4.根据权利要求1所述的大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，其特征在于，所述电压稳定裕度为，当前电压水平和稳定极限点，稳定极限点即系统即将到达崩溃时的运行状态，电压水平之间的差值，用静态电压稳定储备系数K_v%表示：

$K_v\%=\frac{U_z-U_c}{U_z}\×100\%$

其中，U_z为输电系统稳定极限点的电压水平，U_c为输电系统当前运行点的电压水平。

5.根据权利要求1所述的大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，其特征在于，所述灵敏度分析法，是研究电力系统可控变量与状态变量间关系的方法，电力系统节点功率平衡方程是：

f(x,u)＝0         （1）

式中：u，x分别表示控制变量和状态变量；

设某一区域运行在状态(x(0),u(0))下，如某一扰动使系统相应发生了状态偏移Δx，控制变量会做出相应的调整Δu，则系统的功率平衡方程为：

f(x₀+Δx,u₀+Δu)＝0     （2）；

若稳态情况下各变量的变化很小，则公式（2）可以展开化简为

J_xΔx+J_uΔu＝0      （3）

上述公式（3）为灵敏度方程，其中J_x，J_u分别为f对x、u的偏导数k，则：

$\mathrm{\Δx}=-J_x^{-1}{J}_u\mathrm{\Δu}=S_{\mathrm{xu}}\mathrm{\Δu}---\left(4\right)$

为给定控制变量的变化量，采用上述公式（4）求得状态变量的变化量，S_xu为状态变量对控制的灵敏度系数，其中，状态变量是指待观测节点的电压。

6.根据权利要求1所述的大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，其特征在于，所述电压或无功灵敏度是在特定运行方式下，保持有功注入不变，系统各节点电压微增量同无功注入微增量的比值；

对于大规模风电接入的弱送端电力系统，因输电线路的电抗远大于电阻，有功、无功解耦，各节点电压大小的改变主要同各节点的注入无功功率有关，因此由潮流计算中常用的PQ分解法得到：

ΔQ＝-UB″ΔU     （5）

式中：ΔQ为各节点注入的无功变化量，B″为研究区域导纳矩阵，矩阵可逆，且具有很高的稀疏性；

U＝diag(U₁,U₂,…,U_n)，ΔU为区域各个节点电压变化量，上述公式（5）变型得：

ΔU＝-(B″)^-1U^-1ΔQ

则电压对无功的灵敏度系数矩阵为：

S＝-(B″)^-1U^-1

式中：矩阵S中的元素S_ij为第i点电压变化对第j点无功改变的灵敏度系数，其大小与电网各节点电压值及网络结构参数有关。

7.根据权利要求1所述的大规模风电接入的弱送端电力系统电压稳定综合控制方法，其特征在于，所述步骤2中的电压运行限值是由调度中心按照运行规程计算实时下达，750kV电压等级的电压运行限值标幺值为0.97～1.07pu；330kV电压等级的电压运行限值标幺值为0.9～1.0pu；330kV及以下电压等级的电压运行界限标幺值为0.9～1.0pu。

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