CN104009499B - 一种解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法，将TCSC考虑到电力系统调度中，并引入双层规划理论，上层模型以调度周期内全网潮流均衡度为优化目标，以常规机组的出力为调控手段，保证整个电网的潮流分布的均衡性和安全稳定；下层模型以调度周期内关键断面潮流均衡度为优化目标，以ESS充放电功率和TCSC为调控手段，以保证这些关键断面的潮流分布的均衡性。通过常规机组出力、ESS充放电功率和TCSC的协调控制，从整体和局部两方面保证潮流的均衡性，较好地解决了风电波动带来的潮流扰动问题，可以增强系统的安全性，优化系统的潮流分布，减小线路的潮流波动，巩固了整个电网的安全稳定状态，满足系统运行调度的要求。

Description

一种解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，具体涉及一种风电并网系统的调度方法。

背景技术

风电存在随机性和间歇性，随着风电渗透率的不断增加，给电力系统的运行带来新的挑战。针对区域电网，风电是从多个集中接入点接入电网，在风电渗透率较高时，多点扰动的风电或许不会对电网整体的有功平衡造成太大影响，但它会造成电网中潮流分布的重大变化，会带来新的系统安全运行问题，主要表现在以下两点：首先高渗透率风电场出力的波动会在接入点中形成功率大范围变化，会引发风电接入系统断面和风电传输关键断面的潮流局部大尺度涌动，潮流局部涌动会降低传输线路安全性、接入点电压安全性，影响风电场自身保护特性；其次高渗透率风电场出力的波动也会在全区域电网中通过潮流进行传递和蔓延，会引起全区域电网的潮流全局窜动，潮流全局窜动会引发网络全局功率不均衡，会使网络全局传输线路可靠性降低，影响全网节点电压的安全性。因此，风电并网系统调度必须面对高渗透风电接入带来的潮流局部涌动和全局窜动的新问题。

目前风电并网调度分别从宏观和微观解决风电场出力的波动性带来的影响，但电力系统需要同时面对潮流全局窜动和局部涌动问题，需要更进一步深入研究。同时也可发现，目前研究工作主要发挥了电源侧的控制能力，如常规水电、火电、电源侧储能等，调控能力还有欠缺，未能充分发挥电力网络的控制特性。目前随着电力电子技术的发展，可控串联补偿装置(TCSC)作为网络调节装置，越来越受到重视。TCSC一般安装在关键断面，若将TCSC作为网络调控手段，可大大加强调控能力。

对于风电并网调度而言，如果仅从全局调度出发，以整个电网的潮流均衡度为优化目标，有可能不能保证电网中的关键断面的潮流分布满足安全运行的条件；如果仅从局部角度出发，保证电网中的关键断面安全性的同时，有可能不能保证电网的整体可靠性和安全性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足提供一种解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法，从整体和局部两个角度尽可能降低风电波动对电网的影响，通过电源侧和网络侧的协同调控制，保证电网潮流分布的均衡性，从而巩固整个电网的安全稳定状态。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法，包括如下步骤：

(1)在电网中的关键断面装设TCSC；

(2)通过数据采集和监控系统SCADA系统、能量管理系统EMS获取风电数据、ESS荷电状态数据、TCSC补偿度、电力系统稳态数据及负荷预测数据；

其中，风电数据包括风速预测数据、风电功率。

电力系统稳态数据包括发电机机端电压、机端有功、母线有功和母线无功。

(3)向计算机中输入步骤(2)获得的数据；

(4)向计算机中输入电力系统静态数据及发电机组固有数据；

电力系统静态数据包括电力网络拓扑数据、线路阻抗导纳数据、变压器阻抗变比数据；

发电机组固有数据包括发电机内部电抗数据、励磁系统数据；

(5)根据步骤(3)、(4)输入的数据在计算机中生成一组常规机组出力数据P_Gi,t,t＝1,2,…24,使其满足：

A、常规机组出力约束：

$P_{\mathrm{Gi}}^{\min }\≤P_{\mathrm{Gi},t}\≤P_{\mathrm{Gi}}^{\max }$

式中：P_Gi,t为常规机组i在时段t的有功出力；分别为常规机组i有功出力的上、下限；

B、常规机组爬坡速率约束：

$R_{\mathrm{di}}^G\mathrm{\Δt}\≤P_{\mathrm{Gi},t}-P_{\mathrm{Gi},t-1}\≤R_{\mathrm{ui}}^G\mathrm{\Δt}$

式中：分别为常规机组i有功出力的最大上升速率和下降速率；Δt为一个时段的长度，单位为h；

(6)根据步骤(5)获得的常规机组出力数据在计算机中生成一万组ESS出力数据P_Ek,t，k＝1,2,…,N_W使其满足：

C、ESS充放电功率约束

$-P_{\mathrm{Ec},k}^{\max }\≤P_{\mathrm{Ek},t}\≤P_{\mathrm{Ed},k}^{\max }$

式中：和分别为第k个ESS充、放电的最大功率；

D、ESS充放电等式约束

$S_{\mathrm{Ek},t}=\left\{\begin{array}{cc}{S}_{E,k,t-1}-\frac{P_{\mathrm{Ek},t}\mathrm{\&Delta;t}}{{\mathrm{\&eta;}}_{E,d}}& P_{\mathrm{Ek},t}>0\\ S_{E,k,t-1}& P_{\mathrm{Ek},t}=0\\ S_{E,k,t-1}-{\mathrm{\&eta;}}_{E,c}{P}_{\mathrm{Ek},t}\mathrm{\&Delta;t}& P_{\mathrm{Ek},t}<0\end{array}\right.$

式中：S_Ek,t为第k个ESS在时段t结束时刻的容量；η_E,c和η_E,d分别为第k个ESS的充电效率和放电效率；

假定η_E为ESS的综合充放电效率。考虑到充放电功率损耗后，在放电时，ESS实际放电功率扣除损耗后需满足所需放电功率的要求，其值为所需放电功率除以放电效率；在充电时，ESS实际充电功率为所需充电功率扣除充电损耗后的值，应为所需充电功率乘以充电效率。

E、ESS稳定运行约束

$\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{P_{\mathrm{Ek},t}^{\&prime;}\mathrm{\&Delta;t}}{3600}=0$

式中：P′_Ek,t为第k个ESS实际充、放电的功率，当P′_Ek,t≥0时，当P′_Ek,t＜0时，P′_Ek,t＝η_cP_Ek,t；Δt/3600的意义是将时间单位“s”折算为时间单位“h”；

(7)根据步骤(5)获得的常规机组出力数据在计算机中生成一万组TCSC补偿度数据β_n,t，，n＝1,2,…,N_W使其满足：

TCSC补偿度范围约束

${\mathrm{\&beta;}}_n^{\min }\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{n,t}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_n^{\max }$

式中：β_n,t为第n个TCSC在时段t的补偿度；和分别为第n个TCSC补偿度范围的上、下限；

(8)将步骤(5)、(6)、(7)得到的数据输入潮流计算工具，算出调度周期内全网潮流均衡度D和关键断面潮流均衡度d，记录关键断面潮流均衡度d为最小时的P_Ek,t和β_n,t，并记录此时对应的P_Gi,t；

选取方差模型来描述潮流的均衡性，则潮流均衡度D的数学表达式如式(2)所示：

$D=\frac{1}{N_l}\underset{j=1}{\overset{N_l}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&mu;}}_j-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}})---\left(2\right)$

式中：μ_i为线路i的负载率，j＝1,2,…,N_l，N_l为线路数；为线路i的最大有功传输容量，P_i为系统运行时线路i的实际潮流，为电网中所有线路的平均负载率；

(9)重复步骤(5)～(8)，直到已经生成一万组P_Gi,t；记录使全网潮流均衡度D最小的P_Gi,t和对应的使关键断面潮流均衡度最小的P_Ek,t和β_n,t。，此时的P_Gi,t、P_Ek,t和β_n,t即为调度的常规机组出力、储能出力和TCSC补偿度。

对本发明技术方案重要内容的进一步说明：

1、潮流分布均衡性的描述

电力系统的运行状态在时刻变化着，导致电网中每条线路的负载率也在不断变化。考虑线路潮流安全限制，以线路负载率的方差定义电网运行的均衡度并将其作为安全指标，通过求解系统经济、安全协调的双目标问题确定优化调度。以线路负载率为指标，分析了在不同调度方式下，安全经济调度、输电能力及其分布间的关系。因此，本文将潮流均衡度引入含风电场的调度。

电力系统运行时，当所有线路的负载率都相同时，电网的潮流就处于最均衡的状态，整个电网的潮流均衡度就是0；当有的线路负载率很大，而有的线路负载率很小时，整个电网的潮流均衡度就很大，潮流窜动明显，容易发生连锁故障。整个电网的潮流均衡度反映的是整个电网潮流的综合水平，具有全局性。当系统的关键断面中的线路的负载率都相同时，此时的断面中的潮流分布就处于最均衡的状态，关键断面的潮流均衡度就是0；当断面中有的线路负载率很大，而有的线路负载率很小时，潮流涌动突出，线路的利用率就不合理，关键断面的潮流均衡度就很大。关键断面的的潮流均衡度反映的是断面中潮流的分布情况，具有局部性。本文应用全网潮流均衡度表征风电并网系统的全局潮流窜动特性，应用关键断面潮流均衡度表征局部潮流涌动特性。

2、TCSC的工作原理与数学模型

TCSC(ThyristorControlledSeriesCompensation)，即晶闸管控制串联电容器补偿技术，是可控串联补偿的实现方案之一，也是最为成熟和使用最广的可控串联补偿的实现方案。TCSC可以快速连续地改变所补偿的输电线路的等值电抗，因而在一定的运行范围内，可以将此线路的输送功率控制为期望的常数。在暂态过程中，通过快速地改变线路等值电抗，从而提高系统的稳定性。最早的TCSC于1991年在美国投运。TCSC的构造形式很多，但其原理结构图如图1所示。与机械开关控制的补偿装置相比，晶闸管控制补偿装置可以实现串联补偿度的快速调节，其性能可以满足电力系统稳定控制和快速潮流控制的需要。

风电场接入系统中，可能会经过多条线路构成的断面向系统传输功率，这些线路类似于并联的关系。风电场功率的波动使这些线路上的功率也在不断波动，可能出现有些线路的负载率很高，有些线路的负载率却很低这种功率分配不合理的现象。因此，在风电场出口处这些并联的线路上装设TCSC，通过这些TCSC的协调控制，将风电场出口处断面的潮流均衡性保持在理想的状态。

本文主要分析电力系统的稳态行为和潮流控制，因此采用TCSC的稳态模型，TCSC在可调运行状态下可等效为串联在输电线路中的可变电抗X_TCSC，因此线路电抗变为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ij}}^{\&prime;}=X_{\mathrm{ij}}+X_{\mathrm{TCSC}}\\ X_{\mathrm{TCSC}}=-\mathrm{\&beta;}{X}_{\mathrm{ij}}\end{array}\right.\backslash *\mathrm{MERGEFORMAT}---\left(3\right)$

式中：X_ij、X′_ij分别为补偿前和补偿后的支路电抗；β为TCSC对支路电抗的补偿度。

3、含风电场的双层调度模型

双层规划(BilevelProgrammingProblem，简称BLPP)是一种具有二层递阶结构的系统优化问题，上层问题和下层问题都有各自的决策变量、约束条件和目标函数。本发明将双层规划理论引入含风电场的电力系统调度中，上层模型以调度周期内全网潮流均衡度为优化目标，以常规发电机组的有功出力为决策变量；下层模型以调度周期内关键断面潮流均衡度为优化目标，以ESS充放电功率和TCSC为决策变量。上层优化后的方案成为下层规划的初始变量，下层规划在此基础上将下层优化方案传递到上层求解，由此反复，直到满足要求的最优方案出现。

本发明的优点：

本发明将TCSC考虑到电力系统调度中，并引入双层规划理论，上层模型以调度周期内全网潮流均衡度为优化目标，以常规机组的出力为调控手段，以保证整个电网的潮流分布的均衡性和安全稳定；下层模型以调度周期内关键断面潮流均衡度为优化目标，以ESS充放电功率和TCSC为调控手段，以保证这些关键断面的潮流分布的均衡性。通过常规机组出力、ESS充放电功率和TCSC的协调控制，从整体和局部两方面保证潮流的均衡性，较好地解决了风电波动带来的潮流扰动问题，可以增强系统的安全性，优化系统的潮流分布，减小线路的潮流波动，巩固了整个电网的安全稳定状态，满足了系统运行调度的要求。

附图说明

附图1是TCSC原理结构示意图。

附图2是实施例一调度周期内全网潮流均衡度曲线。

附图3是实施例一关键断面S1内线路在调度周期内的负载率。

附图4是实施例一关键断面S2内线路在调度周期内的负载率。

附图5是实施例一关键断面S3内线路在调度周期内的负载率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明

实施例一

以改进的新英格兰10机39节点测试系统为例，利用本发明方法进行优化调度。节点31为平衡节点。分别在节点32、33和35接入风电场，装机容量都为5.0p.u.。10台常规机组的参数如表1所示。分别在3个风电场中装设相同型号的ESS，容量为5.0p.u.。最大充、放电功率均为1.5p.u.·h^-1和3.0p.u.·h^-1。ESS

的综合充放电效率为95％。

表1常规机组参数

机组	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39
											有功上限/p.u.	3	5	4	3	6	5	3	5	5	6
有功下限/p.u.	0.9	1.5	1.2	0.9	1.8	1.5	0.9	1.5	1.5	1.8
											爬坡率上限/p.u.·h-1	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6
爬坡率下限/p.u.·h-1	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6

将线路10-11和10-13构成的断面，线路19-16和19-20构成的断面、线路22-21和22-23构成的断面定义为关键断面S1、S2和S3。关键断面内的TCSC的补偿度范围均为-0.2～0.3。

经过上述步骤得到的常规发电机和负荷的动态调度方案如表2所示，风电场、ESS和TCSC补偿度的动态调度方案如附录表3所示。全网和关键断面潮流均衡度分别为为0.2742和0.0083。调度周期内，全网潮流均衡度曲线如图1所示。关键断面S1、S2、S3内线路在调度周期内的负载率分别如图2、3、4所示。可见，通过TCSC的协调控制，关键断面的潮流分布的比较均衡。

表2最终的调度方案

表3最终的的调度方案

Claims (3)

1.一种解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法，包括如下步骤：

(1)在电网中的关键断面装设TCSC；

(2)通过数据采集和监控系统SCADA系统、能量管理系统EMS获取风电数据、ESS荷电状态数据、TCSC补偿度、电力系统稳态数据及负荷预测数据；

(3)输入步骤(2)获得的数据；

(4)输入电力系统静态数据及发电机组固有数据；

(5)根据步骤(3)、(4)输入的数据生成一组常规机组出力数据P_Gi,t,t＝1,2,…24,使其满足：

A、常规机组出力约束：

$P_{Gi}^{\min }\&le;P_{Gi,t}\&le;P_{Gi}^{\max }$

式中：P_Gi,t为常规机组i在时段t的有功出力；分别为常规机组i有功出力的上、下限；

B、常规机组爬坡速率约束：

$R_{di}^G\mathrm{\&Delta;}t\&le;P_{Gi,t}-P_{Gi,t-1}\&le;R_{ui}^G\mathrm{\&Delta;}t$

式中：分别为常规机组i有功出力的最大上升速率和下降速率；Δt为一个时段的长度，单位为h；

(6)根据步骤(5)获得的常规机组出力数据生成一万组ESS出力数据P_Ek,t，k＝1,2,…,N_W，N_W为风电场的数量，使其满足：

C、ESS充放电功率约束

$-P_{Ec,k}^{max}\&le;P_{Ek,t}\&le;P_{Ed,k}^{max}$

式中：和分别为第k个ESS充、放电的最大功率；

D、ESS充放电等式约束

$S_{Ek,t}=\left\{\begin{array}{cc}{S}_{E,k,t-1}-\frac{P_{Ek,t}\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{\&eta;}}_{E,d}}& P_{Ek,t}>0\\ S_{E,k,t-1}& P_{Ek,t}=0\\ S_{E,k,t-1}-{\mathrm{\&eta;}}_{E,c}{P}_{Ek,t}\mathrm{\&Delta;}t& P_{Ek,t}<0\end{array}\right.$

式中：S_Ek,t为第k个ESS在时段t结束时刻的容量；η_E,c和η_E,d分别为第k个ESS的充电效率和放电效率；

E、ESS稳定运行约束

$\underset{t=1}{\overset{T}{\&Sigma;}}\frac{P_{Ek,t}^{\&prime;}\mathrm{\&Delta;}t}{3600}=0$

式中：P′_Ek,t为第k个ESS实际充、放电的功率，当P′_Ek,t≥0时，当P′_Ekt,＜0时，P′_Ek,t＝η_cP_Ek,t；Δt/3600的意义是将时间单位“s”折算为时间单位“h”；

(7)根据步骤(5)获得的常规机组出力数据生成一万组TCSC补偿度数据β_n,t，n＝1,2,…,N_W，使其满足：

TCSC补偿度范围约束

${\mathrm{\&beta;}}_n^{min}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{n,t}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_n^{max}$

式中：β_n,t为第n个TCSC在时段t的补偿度；和分别为第n个TCSC补偿度范围的上、下限；

(8)将步骤(5)、(6)、(7)得到的数据输入潮流计算工具，算出调度周期内全网潮流均衡度D和关键断面潮流均衡度d，记录关键断面潮流均衡度d为最小时的P_Ek,t和β_n,t，并记录此时对应的P_Gi,t；

选取方差模型来描述潮流的均衡性，则潮流均衡度D的数学表达式如式(2)所示：

$D=\frac{1}{N_l}\underset{j=1}{\overset{N_l}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&mu;}}_j-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}})---\left(2\right)$

式中：μ_j为线路j的负载率，N_l为线路数，N_S为关键断面线路数；为线路j的最大有功传输容量，P_j为系统运行时线路j的实际潮流，为电网中所有线路的平均负载率，为电网关键断面中线路的平均负载率；

(9)重复步骤(5)～(8)，直到已经生成一万组P_Gi,t；记录使全网潮流均衡度D最小的P_Gi,t和对应的使关键断面潮流均衡度最小的P_Ek,t和β_n,t，此时的P_Gi,t、P_Ek,t和β_n,t即为调度的常规机组出力、储能出力和TCSC补偿度。

2.如权利要求1所述的解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法，其特征在于所述风电数据包括风速预测数据和风电功率。

3.如权利要求1所述的解决风电并网系统潮流不均衡的调度方法，其特征在于所述电力系统稳态数据包括发电机机端电压、机端有功、母线有功和母线无功。