CN104201686A - 计及山地风资源特性的风电场无功控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计及山地风资源特性的风电场无功补偿的控制方法，包括以下步骤：对目标山地风电场各风机的实测历史风速序列进行特征分解，获得风速序列的空间特征向量的各分量及各分量对应的方差贡献率；按照各空间特征向量方差贡献率由大到小排列，选出第一个方差贡献率最高的空间特征向量；根据所属方差贡献率最高的空间特征向量的各分量相对大小安排风机的出力，并对各个风电场出力水平进行离线优化计算，得到各风机的无功出力值；根据各风机的无功出力值对风机及无功补偿设备进行控制。

Description

计及山地风资源特性的风电场无功控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电场无功的控制方法，尤其涉及一种计及山地风资源特性的风电场无功的控制方法，属于电力系统新能源发电领域。

背景技术

风电是一种间歇式能源，出力具有随机性和波动性的特征，在传统的普通风电场中由于集电线路很短，这种波动性所带来的风电场内的电压问题并不明显。

然而随着山地风电场的发展，山地风电场具有集电线路长、风资源分散性强、变化快的特点，这导致了山地风电场内有较明显的无功电压问题，已经发生过多起由于电压不合格导致的部分风机脱网事故，因此充分考虑山地风电场内地形和风资源的差异，建立合适的无功电压控制方法和策略，对山地风电的开发、指导实际山地风电场运行具有重大意义。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够充分考虑山地风电场内地形和风资源的差异的风电场无功控制方法。

一种计及山地风资源特性的风电场无功补偿的控制方法，包括以下步骤：对目标山地风电场各风机的实测历史风速序列进行特征分解，获得风速序列的空间特征向量的各分量及各分量对应的方差贡献率；按照各空间特征向量方差贡献率由大到小排列，选出第一个方差贡献率最高的空间特征向量；根据所属方差贡献率最高的空间特征向量的各分量相对大小安排风机的出力，并对各个风电场出力水平进行离线优化计算，得到各风机的无功出力值；根据各风机的无功出力值对风机及无功补偿设备进行控制。

相对于现有技术，本发明提供的风电场无功控制方法，以山地风资源特性为基础，利用特征分解在挖掘资源共性与特性方面的优势，进行山地风资源特性提取，适应存在明显地形起伏导致风资源分散性强、风速变化快的山地风电场，改善了山地风电场内的电压分布，提高了优化控制的速度。

附图说明

图1为本发明提供的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法的流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅图1，本发明提供的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，包括如下步骤：

步骤S10，对目标山地风电场各风机的实测历史风速序列进行特征分解，获得风速序列的空间特征向量及与各空间特征向量对应的方差贡献率；

步骤S20，按照各空间特征向量方差贡献率由大到小排列，选出第一个方差贡献率最高的空间特征向量；

步骤S30，按照空间特征向量的相对大小安排风机的出力，并对各个风电场出力水平进行离线优化计算，得到各风机的无功出力值；

步骤S40，根据各风机的无功出力值对风机及无功补偿设备进行控制。

在步骤S10中，所述空间特征向量及其对应的方差贡献率的获取具体包括如下步骤：

步骤S11，对风电场的风机进行编号，并得到风机的实测风速序列。

对风电场的所有风机进行编号，假设风电场有m台风机，则某时刻t所述风电场内所有风机的风速可以用一个m维向量X_t来表示，设已知有n个时刻的实测风速序列：

X_t＝(x_1t，x_2t，...，x_ij，...，x_mt)^T，t=1，2，...，n   (1)

式中，x_ij为i号风机在时刻j时的风速。

步骤S12，根据风机的实测风速序列，构建实测风速序列的协方差矩阵Σ。

所述协方差矩阵Σ为一个m行m列的矩阵，它的第i行第j列元素具体表示如下：

Σ_ij＝X_i1X_j1+X_i2X_j2+...+X_inX_jn   (2)

步骤S13，计算协方差矩阵Σ的特征值λ。

所述特征值λ可通过解以下方程式得到：

|Σ-λI|＝0   (3)

式中，I为单位矩阵。设解式(3)可得到k个解，记为λ_i，i＝1,2,…k。

步骤S14，针对每个特征值λ_i，求特征值λ_i对应的单位特征向量V_i。

所述单位特征向量V_i可通过以下公式获取：

(Σ-λI)V＝0   (4)

k个特征值λ可以得到k个单位特征向量，记为V_i，i＝1,2,…k，每个单位特征向量V_i又称为描述空间特征的空间特征向量。

步骤S15，计算每个单位特征向量V_i的方差贡献率Q_i。

所述单位特征向量V_i的方差贡献率Q_i可通过以下公式计算：

$Q_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j}\×100\%---\left(5\right)$

在步骤S20中，按照方差贡献率Q_i的大小将单位特征向量V_i由大到小进行排列，并选出方差贡献率Q_i最高的单位特征向量V_max，将其余单位特征向量舍去不考虑。

在步骤S30中，所述各风电场出力水平的离线优化计算包括如下步骤：

步骤S31，将风电场可能的出力水平范围(0～P_max)进行离散化处理：

P＝0,1,2,…,P_max(单位：MW)   (6)

其中P为风电场的整体出力水平，P_max为风电场的最大出力，针对实际情况可适当增大或减小离散间隔。

步骤S32，设所选出的单位特征向量V_max可以表示为：

V_max＝(v₁,v₂,…,v_m)^T   (7)

则根据每个风电场的整体出力水平P可以计算对应的各风机的假想出力p_i为：

p_i＝P*v_i/(v₁+v₂+…+v_m)   (8)

式中p_i为第i台风机的假想出力。

步骤S33，在各风机假想有功出力情况下，分别对风机的无功出力进行离线优化，优化模型为：

$\begin{array}{c}\min F=\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\ΔU}}_i\right)}^2\\ s.t.\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Li}}=U_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Li}}+Q_{\mathrm{ci}}=U_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.\\ \mathrm{\Δ}{U}_i=U_i-U^{\mathrm{ref}}\\ Q_{\mathrm{ci}\min }\≤Q_{\mathrm{ci}}\≤Q_{\mathrm{ci}\max }\\ Q_{\mathrm{Gi}\min }\≤Q_{\mathrm{Gi}}\≤Q_{\mathrm{Gi}\max }\end{array}---\left(9\right)$

式中g为双馈风力发电机的台数，U_i为节点i电压实测值，U^ref为机端电压参考值，一般设为1.0p.u.，P_Gi和Q_Gi分别是节点i风机发出的有功功率和无功功率(若该节点没有风机接入则为0)，P_Li和Q_Li分别是是节点i的有功负荷和无功负荷(在山地风电场中此项一般为0)，Q_ci为节点i的无功补偿装置发出的无功补偿值(非无功补偿装置接入节点此项为0)，G_ij和B_ij分别为节点i和节点j间的节点电导和节点电纳，δ_ij是节点i和节点j之间电压的相角差，Q_ci min和Q_ci max分别为无功补偿装置补偿量的上下限，Q_Gi min和Q_Gi max分别为双馈发电机无功出力的上下限。

解式(9)所示的优化模型得到优化结果----风机及无功补偿装置的无功出力值。

在步骤S40中，对风机及无功补偿设备进行控制包括如下步骤：

步骤S41，测得风电场实时有功出力，找到与实时有功出力对应的离散出力水平P；

步骤S42，调取离散出力水平P下的离散优化结果，以该离散优化结果作为初值，按风机的无功出力的离线优化模型进行计算，得到风机及无功补偿设备的无功出力值；

步骤S43，根据风机及无功补偿设备的无功出力值对风机及无功补偿设备进行控制。

本发明提供的风电场无功控制方法，以山地风资源特性为基础，利用特征分解在挖掘资源共性与特性方面的优势，进行山地风资源特性提取，并将得到的风资源特性用于离线的无功优化计算中，离线优化的结果作为初值参与实时在线无功优化控制，所述风电场无功控制方法更加适应存在明显地形起伏导致风资源分散性强、风速变化快、山地风电场集电线路长的山地风电场，改善了山地风电场内的电压分布，提高了优化控制的速度。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，包括以下步骤：

对目标山地风电场各风机的实测历史风速序列进行特征分解，获得风速序列的空间特征向量及与个空间特征向量对应的方差贡献率；

按照各空间特征向量的方差贡献率由大到小排列，选出第一个方差贡献率最高的空间特征向量；

按照空间特征向量的相对大小安排风机的出力，并对各个风电场出力水平进行离线优化计算，得到各风机的无功出力值；

根据各风机的无功出力值对风机及无功补偿设备进行控制。

2.如权利要求1所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，风速序列的空间特征向量及对应的方差贡献率包括如下步骤：

对风电场的风机进行编号，并得到风机的实测风速序列；

根据风机的实测风速序列，构建实测风速序列的协方差矩阵Σ；

计算协方差矩阵Σ的特征值λ_i；

针对每个特征值λ_i，求特征值对应的多个单位特征向量V_i；以及

计算每个单位特征向量V_i的方差贡献率Q_i。

3.如权利要求2所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，设风电场有m台风机，以m维向量X_t来表示某时刻t所述风电场内所有风机的风速，则n个时刻的实测风速序列：

X_t＝(x_1t，x_2t，...，x_ij，...，x_mt)^T，t=1，2，...，n；

式中，x_ij为i号风机在时刻j时的风速。

4.如权利要求2所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，所述协方差矩阵Σ为一个m行m列的矩阵，它的第i行第j列元素具体表示如下：

Σ_ij＝X_i1X_j1+X_i2X_j2+...+X_inX_jn。

5.如权利要求4所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，所述特征值λ通过解以下方程式得到：

|Σ-λI|＝0，

式中，I为单位矩阵，解方程式得到k个解，记为λ_i，i＝1,2,…k。

6.如权利要求5所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，所述单位特征向量V可通过以下公式获取：

(Σ-λI)V＝0，

其中，k个特征值λ可以得到k个单位特征向量，记为V_i，i＝1,2,…k，每个单位特征向量V_i即为描述空间特征的空间特征向量。

7.如权利要求6所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，所述单位特征向量V_i的方差贡献率Q_i通过以下公式计算：

$Q_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j}\×100\%.$

8.如权利要求7所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，按照方差贡献率Q_i的大小将单位特征向量V_i由大到小进行排列，并选出方差贡献率Q_i最高的单位特征向量V_max，将其余单位特征向量舍去不考虑。

9.如权利要求1所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，各个风电场出力水平进行离线优化计算包括如下步骤：

将风电场可能的出力水平范围(0～P_max)进行离散化处理：

P＝0,1,2,…,P_max(单位：MW)，

其中P为风电场的整体出力水平，P_max为风电场的最大出力；

将所选出的空间特征向量表示为：

V_max＝(v₁,v₂,…,v_m)^T，

根据每个风电场的整体出力水平P计算对应的各风机的假想出力p_i为：

p_i＝P*v_i/(v₁+v₂+…+v_m)，

式中p_i为第i台风机的假想出力；

在各风机假想有功出力情况下，分别对风机的无功出力进行离线优化，优化模型为：

$\begin{array}{c}\min F=\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\ΔU}}_i\right)}^2\\ s.t.\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Li}}=U_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Li}}+Q_{\mathrm{ci}}=U_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.\\ \mathrm{\Δ}{U}_i=U_i-U^{\mathrm{ref}}\\ Q_{\mathrm{ci}\min }\≤Q_{\mathrm{ci}}\≤Q_{\mathrm{ci}\max }\\ Q_{\mathrm{Gi}\min }\≤Q_{\mathrm{Gi}}\≤Q_{\mathrm{Gi}\max }\end{array},$

式中g为风机的台数，U_i为节点i电压实测值，U^ref为机端电压参考值，P_Gi和Q_Gi分别是节点i风机发出的有功功率和无功功率，P_Li和Q_Li分别是是节点i的有功负荷和无功负荷，Q_ci为节点i的无功补偿装置发出的无功补偿值，G_ij和B_ij分别为节点i和节点j间的节点电导和节点电纳，δ_ij是节点i和节点j之间电压的相角差，Q_ci min和Q_ci max分别为无功补偿装置补偿量的上下限，Q_Gi min和Q_Gi max分别为双馈发电机无功出力的上下限。

10.如权利要求9所述的计及山地风资源特性的风电场无功控制方法，其特征在于，风机及无功补偿设备进行控制包括如下步骤：

测得风电场实时有功出力，找到与实时有功出力对应的离散出力水平P；

调取离散出力水平P下的离散优化结果，以该离散优化结果作为初值，按风机的无功出力的离线优化模型进行计算，得到风机及无功补偿设备的无功出力值；

根据风机及无功补偿设备的无功出力值对风机及无功补偿设备进行控制。