CN104242324A - 适用于风电场群接入地区的无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于风电场群接入地区的无功补偿方法，属于电力系统分析、运行与控制技术领域。本发明基于目前风电场大规模集中接入电网的现状通过有功增量的等效灵敏度来确定无功调整量和远区的无功补偿对于观测点电压的支撑作用来对对无功补偿方案的确定进行分析的适用于风电场群接入地区的无功补偿方法。本发明通过改进的风电场的电压修正方程、无功补偿点的确定、无功补偿容量的确定三个步骤来完成。本方法克服了风电的波动性和随机性对于电压调整量确定的影响，提高了计算的准确性，增加了补偿的候选节点数量，使系统的无功调整更具灵活性。

Description

适用于风电场群接入地区的无功补偿方法

技术领域

本发明属于电力系统分析、运行与控制技术领域。

背景技术

随着风电比重的日益增加，大规模风电场群并网地区的电能质量和经济调度的影响不容忽视。其中，风电系统的无功电压问题是风电场并网运行最受关注的问题之一。大规模风电接入电网后会对线路传输功率、电网电压水平产生影响；诸如风速变化等扰动因素会影响风机并网引起的电压波动等都是风场并网所引起的问题表现。在风电发展初期，由于风电占接入地区的发电比重较低，并且各风场容量较小又都处于电网末端，其电压稳定问题往往只局限于风场近区，对接入地区的电网电压产生的影响有限。但是，随着风电的大规模集中开发，同一风带梯级往往有多个风场，以风电场群的形式集中接入电网。风电并网容量的增加，使风功率波动给地区电压稳定带来的问题更加突出。目前针对上述电压稳定问题，通常的解决方法是在电压薄弱点进行就地补偿，但是在所有的节点都安装无功补偿装置明显不具经济性，也是没有必要的。因此，研究风电场群接入的结构特点，合理的确定无功补偿点位置及补偿容量，是提高风电场接入地区电能质量和维持电压稳定的有效途径。

现阶段对于无功补偿方法的研究都是主要从风电场和风电场内部入手，电压与无功功率强耦合的角度出发，来选取薄弱节点进行无功补偿，对于无功/电压灵敏度的应用也是基于雅可比矩阵来对并网风电场局部静态电压进行评估，但该方法所包含的灵敏度信息并不全面且适合风电场群开发特点的无功补偿点选取的研究还较少。

发明内容

本发明基于目前风电场大规模集中接入电网的现状通过有功增量的等效灵敏度来确定无功调整量和远区的无功补偿对于观测点电压的支撑作用来对对无功补偿方案的确定进行分析的适用于风电场群接入地区的无功补偿方法。

本发明的步骤是：

a、改进的风电场的电压修正方程：对经典雅可比矩阵进行降阶，形成包含综合改进的综合灵敏度信息的降阶雅可比矩阵，潮流计算的修正方程：

                                                        （1）

将和分为两部分，即，；和为研究近区的状态和控制增量，和为其他各节点的状态和控制增量，同时将矩阵也分成对应的四块，即将（1）式化为

                      （2）

由于较远距离的有功增量对于研究近区节点的电压影响有限，故对于而言，只考虑其无功增量对于研究节点电压的影响，设，则式（2）可变形为

                          （3）

对式（3）进行变换，消去得到式（4）

      （4）

其中，表征研究近区的有功无功增量对研究节点电压的灵敏度信息；，表征其他节点的无功增量对研究节点电压增量的灵敏度信息，并设，，具体的，式（4）可化为

           （5）

若为非奇异阵，消去，可得到

（6）

进一步，若非奇异，可得到包含反映节点电压/无功（有功）之间变化关系灵敏度矩阵的（7）式

                     （7）

其中，

            （8）

和分别反映了研究近区和远区的无功功率与研究点电压之间的变化关系，但由于研究近区的有功波动对于研究点的电压影响不可忽略，因此在此处引入反映观测点的电压与研究近区的有功功率之间的变化关系的；

b、无功补偿点的确定：

为个风场接入点电压， n为风场个数；为并网点电压， 其中有m个风场处于研究近区，有个风场处于研究远区，则近区可选择的补偿点包括并网点共有个，远区的可选择补偿点有个；

由（8）可以得到维的矩阵、和的矩阵，并将式（7）变型得到式（9）~（11）四个关系式

   （9）

                         （10）

                      （11）

式中，表示研究近区的有功功率波动量；对应研究近区的无功无功负荷和无功补偿量；对应研究远区的无功无功负荷和无功补偿量；当选择并网点作为电压观测点时，其有功波动为研究近区内，所有与之相连的风场有功波动之和，即

                         （12）

式中，为处于同一风速梯度带的各风场间，考虑了尾流影响等因素的相关系数；

当仅考虑研究近区的无功变化量时，令，即可得到研究近区内电压观测点电压对第个节点的无功补偿量的灵敏度关系为

                     （13）

当仅考虑风场远区的无功变化量时，令，即可得到研究近区内电压观测点电压对风场远区第个节点的无功补偿量的灵敏度关系为

                    （14）

根据式（13）（14）分别计算出和的最大值记为和 ；

c、无功补偿容量的确定：

由式（9）和（12）可得，在对研究近区的第个节点电压进行分析时，其考虑了有功波动的电压幅值变化量可表示为

                           （15）

式中为系统侧原因引起电压观测点的电压的偏离值，为由于风场风功率波动引起的观测点的电压的改变量，其值为

                            （16） 

当偏离参考值较大时，需要对该点进行无功补偿，所需无功补偿量可估算为

                             （17）

若由研究近区节点进行无功调整，所需无功补偿量可估算为

                            （18）

同时，为了防止在风电场出口处进行无功补偿时使风电场接入点电压越限，需要满足

                           （19）

式中，式中 ,分别为第i个风电场的出口电压的上下限；

若在无功补偿时发生电压越限，则按下式进行调整

                    （20）。

本发明基于目前风电场大规模集中接入电网的现状，从以下两个角度对无功补偿方案的确定进行分析：（1）考虑到大容量风电场群风功率波动对地区电压稳定性的影响，应用记及有功增量的等效灵敏度来确定无功调整量；（2）考虑到风场远区的无功补偿对于观测点电压的支撑作用，在对无功补偿点进行选择时，将远区的节点也作为候选节点。对于风电并网系统，利用提出的一种改进的风电场的电压修正方程来计算电压调整量和无功补偿量。本方法克服了风电的波动性和随机性对于电压调整量确定的影响，提高了计算的准确性，增加了补偿的候选节点数量，使系统的无功调整更具灵活性。本发明公开了一种旨在提高风电场群并网地区的电压稳定性的无功补偿点选择和无功补偿容量确定的方法。提出了改进的风电场的电压修正方程，通过雅可比矩阵的降阶方法消去了对电压影响较小的风场远区的有功功率波动，得到了更为精确的电压调整量和不同区域的无功补偿量对观测点电压的灵敏度。该电压修正方程中包含了风场研究近区的有功、无功波动，风场远区的无功波动对研究点电压的灵敏度信息，利用近区的有功波动信息确定电压控制点的电压调整量，然后通过比较各个补偿位置对控制点的灵敏度信息选择最佳的无功补偿位置，并计算需要补偿的无功调整量，起到对控制点电压的支撑作用。

附图说明

图1是风电场群接入系统拓扑；

图2是不同功率因数下的灵敏度曲线。

具体实施方式

本发明的步骤是：

参见附图1，本发明提出的一种适用于风电场群接入地区的无功补偿方法，具体实施步骤如下：

a、改进的风电场的电压修正方程：

系统潮流的雅可比矩阵中包含系统内各个节点的注入功率对于电压和相角的灵敏度信息，而在实际的电力系统中，并不是所有节点都与电场或负荷相连。因此，为了减少系统中观测节点的数量，也为了避免无功率注入的节点的存在对于稳定性分析的影响，有学者提出将网络中的节点分为有功率注入的“注入节点”和无功率注入的“联络节点”，并在分析过程中忽略联络节点，形成只由注入节点信息构成的“注入节点降阶雅可比矩阵”，有学者将此概念进一步应用到风电场局部地区的电压稳定支撑评估中，忽略其他区域的所有节点，形成只由局部区域内的注入节点信息构成的“部分节点雅可比矩阵”。在此基础上，本文结合风电场群的结构特点，对经典雅可比矩阵进行降阶，同时考虑研究近区有功增量和区域内无功增量对研究节点电压稳定的影响，由此形成包含综合改进的综合灵敏度信息的降阶雅可比矩阵，具体求取方法如下。

潮流计算的修正方程通常可写为

                                                        （1）

其中：为系统节点的节点雅可比矩阵，矩阵中，，，；状态变量增量，和分别表示节点有功和无功注入变化量；控制变量增量，和分别表示节点电压相角和幅值的变化量。

将和分为两部分，即，；和为研究近区的状态和控制增量，和为其他各节点的状态和控制增量，同时将矩阵也分成对应的四块，即将（1）式化为

                      （2）

由于较远距离的有功增量对于研究近区节点的电压影响有限，故对于而言，只考虑其无功增量对于研究节点电压的影响，设，则式（2）可变形为

                          （3）

对式（3）进行变换，消去得到式（4）

      （4）

其中，表征研究近区的有功无功增量对研究节点电压的灵敏度信息；，表征其他节点的无功增量对研究节点电压增量的灵敏度信息，并设，，具体的，式（4）可化为

           （5）

若为非奇异阵，消去，可得到

（6）

进一步，若非奇异，可得到包含反映节点电压/无功（有功）之间变化关系灵敏度矩阵的（7）式

                     （7）

其中，

            （8）

和分别反映了研究近区和远区的无功功率与研究点电压之间的变化关系，但由于研究近区的有功波动对于研究点的电压影响不可忽略，因此在此处引入反映观测点的电压与研究近区的有功功率之间的变化关系的；能够更加准确的反映系统的实际情况。 

b、无功补偿点的确定：

由于风电场群地理分布广，风场的建设不会严格的处于同一均匀风带上，而同一风带梯级风场之间的功率波动分析，也会受到尾流效应等因素的影响，使得它们的有功波动灵敏度所反映的稳定相对程度不能直接比较，因此在对风场无功补偿点的选择进行综合分析时，只考虑与电压研究点距离较近的风场的有功变化量对于研究点电压的影响。风场并网地区的等效系统如图1所示，该系统中包含了n个风场，为个风场接入点电压，为并网点电压， 其中有m个风场处于研究近区，有个风场处于研究远区，则近区可选择的补偿点包括并网点共有个，远区的可选择补偿点有个；

由（8）可以得到维的矩阵、和的矩阵，并将式（7）变型得到式（9）~（11）四个关系式

   （9）

                         （10）

                      （11）

式中，表示研究近区的有功功率波动量；对应研究近区的无功无功负荷和无功补偿量；对应研究远区的无功无功负荷和无功补偿量；当选择并网点作为电压观测点时，其有功波动为研究近区内，所有与之相连的风场有功波动之和，即

                         （12）

式中，为处于同一风速梯度带的各风场间，考虑了尾流影响等因素的相关系数；

当仅考虑研究近区的无功变化量时，令，即可得到研究近区内电压观测点电压对第个节点的无功补偿量的灵敏度关系为

                     （13）

当仅考虑风场远区的无功变化量时，令，即可得到研究近区内电压观测点电压对风场远区第个节点的无功补偿量的灵敏度关系为

                    （14）

根据式（13）（14）分别计算出和的最大值记为和 ；对于电压观测点来说，若有，说明研究近区节点的无功变化量对观测点电压影响较大，适宜选择该点进行无功补偿；反之则说明风场远区节点的无功变化量对观测点电压影响更大，此时在远区节点进行无功补偿效果更好。

c、无功补偿容量的确定：

在电力系统的分析中，一般认为电压与无功功率是强耦合关系，经常忽略有功功率变化对电压的影响。但是有功功率对电压的影响只是相对无功功率较小，并不是完全不起作用，尤其在对大容量风电场群接入地区进行电压稳定性分析时，若不考虑风场的有功率波动，必将对该地区电压稳定造成严重影响。

由式（9）和（12）可得，在对研究近区的第个节点电压进行分析时，其考虑了有功波动的电压幅值变化量可表示为

                           （15）

式中为系统侧原因引起电压观测点的电压的偏离值，为由于风场风功率波动引起的观测点的电压的改变量，其值为

                            （16） 

当偏离参考值较大时，需要对该点进行无功补偿，将实际值拉回到参考值附近，由前文所述的灵敏度关系可知，若由研究近区节点进行无功调整，所需无功补偿量可估算为

                             （17）

若由研究近区节点进行无功调整，所需无功补偿量可估算为

                            （18）

同时，为了防止在风电场出口处进行无功补偿时使风电场接入点电压越限，需要满足

                           （19）

式中，式中 ,分别为第i个风电场的出口电压的上下限；

若在无功补偿时发生电压越限，则按下式进行调整

                    （20）。

验证：

为验证本文所提出的方法的有效性和正确性，采用拓扑结构如附图1的算例系统进行算例分析，设研究近区和风场远区各包含一个风场，即，，设风场各项参数如表1所示。

表1.算例系统参数

1.方法的准确性校验

为说明补偿的无功功率对于观测点电压的影响，认为各风场没有无功功率输出，即在功率因数为1的状态下，从以下两个方面，来对方法准确性进行校验：（1）为说明本文所述的电压调整量确定方法的准确性，对考虑风功率波动时的电压误差进行计算分析；（2）为说明本文所述的无功补偿点选择的准确性，分别对研究近区和风场远区的无功补偿效果的误差进行计算分析。在进行以上校验时，都通过与实际潮流计算的结果进行比较来进行验证。验证结果如表2、表3所示。

表2.近区各节点电压调整量计算值及误差

表3.两个区域进行无功补偿的计算值及误差

通过表1可以看出，在对电压观测点的无功电压波动进行计算时，如果忽略了风场的有功波动，会对计算结果产生影响。尤其是当电压观测点设在近区的风电场群接入点时，由于电压会受到多个风场的波动影响，其计算误差相较于风电场出口处的会更大。由此可以说明本问提出的电压变化量的计算方法更符合实际情况，更有利于无功补偿的准确性。

由表2可知，当对观测点的电压进行调整时，无论是无功补偿点选在研究近区还是风场远区，调整的最大误差仅为0.1，这说明两个区域的无功控制都可以有效的对观测点电压进行调节。

2无功补偿点的确定

分析可知，在进行无功补偿时，将近区和风场远区作为无功补偿点都能达到理想的效果，但若没有选择合适的区域进行无功补偿，不仅会使无功补偿量无法得到充分利用，还可能造成补偿点的电压越限，因此，附图2给出了对应不同的功率因数时，两区域最优补偿点所对应灵敏度和的变化曲线。如图中曲线所示，当对应某一功率因数时，有，当，在研究近区进行无功补偿，当时，将风场远区作为无功补偿点时的补偿效果更好。 

Claims (1)

1.一种适用于风电场群接入地区的无功补偿方法，其特征在于：

a、改进的风电场的电压修正方程：对经典雅可比矩阵进行降阶，形成包含综合改进的综合灵敏度信息的降阶雅可比矩阵，潮流计算的修正方程：

                                                        （1）

将和分为两部分，即，；和为研究近区的状态和控制增量，和为其他各节点的状态和控制增量，同时将矩阵也分成对应的四块，即将（1）式化为

                      （2）

由于较远距离的有功增量对于研究近区节点的电压影响有限，故对于而言，只考虑其无功增量对于研究节点电压的影响，设，则式（2）可变形为

                          （3）

对式（3）进行变换，消去得到式（4）

      （4）

其中，表征研究近区的有功无功增量对研究节点电压的灵敏度信息；，表征其他节点的无功增量对研究节点电压增量的灵敏度信息，并设，，具体的，式（4）可化为

           （5）

若为非奇异阵，消去，可得到

（6）

进一步，若非奇异，可得到包含反映节点电压/无功（有功）之间变化关系灵敏度矩阵的（7）式

                     （7）

其中，

            （8）

和分别反映了研究近区和远区的无功功率与研究点电压之间的变化关系，但由于研究近区的有功波动对于研究点的电压影响不可忽略，因此在此处引入反映观测点的电压与研究近区的有功功率之间的变化关系的；

b、无功补偿点的确定：

为个风场接入点电压， n为风场个数；为并网点电压， 其中有m个风场处于研究近区，有个风场处于研究远区，则近区可选择的补偿点包括并网点共有个，远区的可选择补偿点有个；

由（8）可以得到维的矩阵、和的矩阵，并将式（7）变型得到式（9）~（11）四个关系式

   （9）

                         （10）

                      （11）

式中，表示研究近区的有功功率波动量；对应研究近区的无功无功负荷和无功补偿量；对应研究远区的无功无功负荷和无功补偿量；当选择并网点作为电压观测点时，其有功波动为研究近区内，所有与之相连的风场有功波动之和，即

                         （12）

式中，为处于同一风速梯度带的各风场间，考虑了尾流影响等因素的相关系数；

当仅考虑研究近区的无功变化量时，令，即可得到研究近区内电压观测点电压对第个节点的无功补偿量的灵敏度关系为

                     （13）

当仅考虑风场远区的无功变化量时，令，即可得到研究近区内电压观测点电压对风场远区第个节点的无功补偿量的灵敏度关系为

                    （14）

根据式（13）（14）分别计算出和的最大值记为和 ；

c、无功补偿容量的确定：

由式（9）和（12）可得，在对研究近区的第个节点电压进行分析时，其考虑了有功波动的电压幅值变化量可表示为

 （15）

式中为系统侧原因引起电压观测点的电压的偏离值，为由于风场风功率波动引起的观测点的电压的改变量，其值为

                            （16） 

当偏离参考值较大时，需要对该点进行无功补偿，所需无功补偿量可估算为

                             （17）

若由研究近区节点进行无功调整，所需无功补偿量可估算为

                            （18）

同时，为了防止在风电场出口处进行无功补偿时使风电场接入点电压越限，需要满足

                           （19）

式中，式中 ,分别为第i个风电场的出口电压的上下限；

若在无功补偿时发生电压越限，则按下式进行调整

                    （20）。