CN104318111A

CN104318111A - 一种风电场在线静态安全评估及预警方法

Info

Publication number: CN104318111A
Application number: CN201410593266.1A
Authority: CN
Inventors: 贾宁; 陈伟; 王彬; 孙宏斌; 于云忠; 叶景芳; 蒋春涛; 郭庆来; 葛怀畅
Original assignee: China Power International New Energy Holding Co Ltd; Tsinghua University
Current assignee: China Power International New Energy Holding Co Ltd; Tsinghua University
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: CN104318111B

Abstract

本发明涉及一种风电场在线静态安全评估及预警方法，属于新能源接入电力系统运行和控制领域，包括采集风电场的实时量测数据，得到风电场运行的基态状态变量；在N-1运行方式下对风电场运行状态进行安全评估，得到每鼐节点在单台风电机组断开条件下的电压最大值与电压最小值；分别断开每一条风电集电线路，得到该风电场中每一个节点电压幅值，及在单条风电集电线路断开条件下的电压最大值与电压最小值，进而得到在每个节点的电压幅值超过电压最大值或低于电压最小值时；发送该节点的预警信息；并得到安全约束条件，作为风电场自动电压控制子站的约束条件决策使用。本方法在单机或者单条风电集电线路脱网的条件下，依然能保证风电场其他部分运行安全。

Description

一种风电场在线静态安全评估及预警方法

技术领域

本发明属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域，涉及一种风电场在线静态安全评估及预警方法。

背景技术

近年来，受全球气候变暖及能源危机的影响，清洁能源的重要性日益凸显，其中风力发电由于其巨大的开发潜力以及相对成熟的开发技术，受到世界各国的广泛关注，并迅猛发展。目前我国对风电资源采取的是大规模集中式的开发模式，每个大规模风电开发区域都分布着数十个风电场，而单个风电场的装机容量都达到10万千瓦以上。

由于风力发电固有的间歇性特点，大规模风电并网给电网运行调度带来了极大的挑战。又因为风电并网区域往往缺乏本地负荷，风力发出的电能需要经过高电压等级，长输电线路，送至远方的负荷中心，而这些风电输送通道往往缺乏常规水火电厂进行有功、无功的支撑，系统短路容量较小，且大量风电机组变频器设备的应用导致系统惯性较小，这些因素的综合作用致使风电出力的变化会引发较大的电压波动。

近段时间以来，随着我国风电并网容量越来越大，由于电压问题导致的大规模风电机组连锁脱网事故频频发生。事后分析原因，基本都遵循着一个类似的发展过程：首先由于系统突然出现的某个扰动(有时是一个故障)，导致某台风电机组或者某条风电集电线路由于低电压脱网，然后由于风电场初始无功电压分布不合理导致在新的风电场无功电压运行状态下，有新的风电机组或者风电集电线路不满足电压安全要求而脱网，最终导致整个风电场甚至整个风电汇集区域的连锁脱网。

电压问题已成为阻碍风电正常并网运行的主要障碍之一，风电接入区域需要充分利用本地无功资源，维持风电并网电压安全稳定，为风电机组长久稳定运行提供基础性保障。而在各风电场内搭设自动电压控制(AVC，Automatic Voltage Control)系统，控制场内电压，提供区域电压支持辅助服务，被认为是现有解决风电接入区域电压问题的一个有效方法。但是，传统的风电场自动电压控制只关注风电场的当前运行状态，不能保证给出的控制策略在发生单机脱网或者单条风电集电线路脱网时的可行性，目前工程实际现场缺乏针对风电场的在线静态安全评估及预警方法，导致了由于单机或者单条风电集电线路脱网而诱发风电连锁脱网事故，降低了风电运行的安全性。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种风电场在线静态安全评估及预警方法，用于在线监视风电场的全场无功电压分布和运行状态，并为自动电压控制(以下简称AVC)提供满足N-1安全约束的电压限值运行范围，保障电网在正常条件是安全的，在单机或者单条风电集电线路脱网的条件下，依然能保证风电场其他部分运行安全。本发明适应目前风力发电快速的波动化以及风电场无功电压运行安全的控制需求。

本发明提出的风电场在线静态安全评估及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以T_collect为采集间隔采集风电场的实时量测数据(T_collect的取值范围是5～20秒)，包括：高压侧母线电压幅值量测值、风电机组的有功功率量测值、风电机组的无功功率量测值、机端电压幅值量测值、风电场内各开关与刀闸的运行状态量测值；利用所述各量测值数据，进行风电场状态估计和风电场潮流计算，得到风电场运行的基态状态变量值，包括：风电场内所有节点电压幅值基态值、各风电集电线路上的有功功率基态值、无功功率基态值，设第i个节点的基态电压幅值为

2)在N-1运行方式下对风电场运行状态进行安全评估，具体包括：

2.1)设为第j台风电机组，j∈Ω^g，其中Ω^g为该风电场中所有风电机组集合，断开第j台风电机组的并网开关后，利用步骤1)所得各基态值重新启动潮流计算，得到该风电场中每一个节点在第j台风电机组脱网条件下的电压幅值，设第i个节点，i∈Ωⁿ，Ωⁿ是该风电场中所有节点的集合，记该节点电压幅值为完成对Ω^g中的所有风电机组的N-1分析后，得到第i个节点在单台风电机组断开条件下的电压最大值：与第i个节点在单台风电机组断开条件下的电压最小值：

V_{i}^{g, \min} = \min_{j &Element; Ω^{g}} (V_{i}^{g, j});

2.2)分别断开每一条风电集电线路，设为第k条风电集电线路，k∈Ω^b，其中Ω^b为该风电场中所有风电集电线路集合，断开第k条风电集电线路两端的开关后，利用步骤1)所得各基态值重新启动潮流计算，得到该风电场中每一个节点在第k条风电集电线路断开条件下的电压幅值，设第i个节点，i∈Ωⁿ，记该节点电压幅值为完成对Ω^b中所有风电集电线路的N-1分析后，得到第i个节点在单条风电集电线路断开条件下的电压最大值：与第i个节点在风电集电线路断开条件下的电压最小值：

V_{i}^{b, \min} = \min_{k &Element; Ω^{b}} (V_{i}^{b, k});

3)根据第2)步的计算结果，得到在第i个节点在N-1方式下的电压最大值：

V_{i}^{\max} = \max (V_{i}^{b, \max}, V_{i}^{g, \max});

和电压最小值：

V_{i}^{\min} = \min (V_{i}^{b, \min}, V_{i}^{g, \min});

4)根据第i个节点的基态电压幅值基态电压上限和基态电压下限得到风电场中各节点满足N-1方式的N-1电压上限和N-1电压下限

N-1电压上限的计算公式为：

{\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} = {\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{0} - (V_{i}^{\max} - V_{i}^{0})

N-1电压下限的计算公式为：

{\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} = {\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{0} + (V_{i}^{0} - V_{i}^{\min})

5)当满足条件或者时，则发送i节点的预警信息；

6)根据N-1电压上限和N-1电压下限得到风电场各节点电压的N-1安全约束条件，作为风电场自动电压控制子站的约束条件决策使用，N-1安全约束条件如下所示：

{\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} < V_{i}^{0} + Δ V_{i} < {\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1}

其中，ΔV_i为风电场自动电压控制子站给出的控制前后节点电压调整量。

本发明提出的风电场在线静态安全评估及预警方法，其优点是：本发明基于当前风电场的潮流运行状态，分别对各风电机组和风电集电线路进行脱网分析，得到各节点电压的运行最大值和最小值，并结合节点电压的基态运行上限和基态运行下限，得到各节点电压满足N‐1安全约束的运行上限和运行下限，同时为后续控制决策提供约束条件。

本发明可集成在各风电场监控中心运行的风电自动电压控制子站系统中，保证该系统给出的无功电压控制策略在正常运行方式是安全可行的，同时一旦发生单机或者单条风电集电线路脱网，依然能保证控制策略是安全可行的，满足风电场无功电压运行的安全、优质、经济控制需求。

具体实施方式

本发明提出的风电场在线静态安全评估及预警方法，包括以下步骤：

1)以T_collect为采集间隔采集风电场的实时量测数据(T_collect的取值范围是5～20秒，典型值为10秒)，实时量测数据包括：高压侧母线电压幅值量测值、风电机组的有功功率量测值、风电机组的无功功率量测值、机端电压幅值量测值、风电场内各开关与刀闸的运行状态量测值；利用所述各量测值数据，进行风电场状态估计和风电场潮流计算，得到风电场运行的基态状态变量，基态状态值包括：风电场内所有节点电压幅值基态值、各风电集电线路上的有功功率基态值、无功功率基态值，设第i个节点的基态电压幅值为

2)在N-1运行方式下对风电场运行状态进行安全评估(N-1运行方式即为开断一个发电机或者风电集电线路的运行方式下)，具体包括：

2.1)分别对每一个台风电机组进行脱网分析：分别断开每一台风电机组，设为第j台风电机组，j∈Ω^g，其中Ω^g为该风电场中所有风电机组集合，断开第j台风电机组的并网开关后，利用步骤1)所得各基态值重新启动潮流计算，得到该风电场中每一个节点在第j台风电机组脱网条件下的电压幅值，设第i个节点，i∈Ωⁿ，Ωⁿ是该风电场中所有节点的集合，记该节点电压幅值为完成对Ω^g中的所有风电机组的N-1分析后，得到第i个节点在单台风电机组断开条件下的电压最大值：与第i个节点在单台风电机组断开条件下的电压最小值：

2.2)对每一条风电集电线路进行脱网分析：分别断开每一条风电集电线路，设为第k条风电集电线路，k∈Ω^b，其中Ω^b为该风电场中所有风电集电线路集合，断开第k条风电集电线路两端的开关后，利用步骤1)所得各基态值重新启动潮流计算，得到该风电场中每一个节点在第k条风电集电线路断开条件下的电压幅值，设第i个节点，i∈Ωⁿ，记该节点电压幅值为完成对Ω^b中所有风电集电线路的N-1分析后，得到第i个节点在单条风电集电线路断开条件下的电压最大值：与第i个节点在风电集电线路断开条件下的电压最小值：

3)根据第2)步的计算结果，得到在第i个(i∈Ωⁿ)节点在N-1方式下的电压最大值：

V_{i}^{\max} = \max (V_{i}^{b, \max}, V_{i}^{g, \max})

和电压最小值：

V_{i}^{\min} = \min (V_{i}^{b, \min}, V_{i}^{g, \min});

4)根据第i个(i∈Ωⁿ)节点的基态电压幅值基态电压上限和基态电压下限(均来源于风电场运行管理人员制定的季度电压曲线)，得到风电场中各节点满足N-1方式的N-1电压上限和N-1电压下限

N-1电压上限的计算公式为：

{\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} = {\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{0} - (V_{i}^{\max} - V_{i}^{0})

N-1电压下限的计算公式为：

{\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} = {\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{0} + (V_{i}^{0} - V_{i}^{\min})

5)当满足条件或者时，说明该风电场i节点(i∈Ωⁿ)基态电压不满足N-1方式的运行要求，则发送i节点的预警信息(给运行管理人员)；

{\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} < V_{i}^{0} + Δ V_{i} < {\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1}

本发明提出的风电场在线静态安全评估及预警方法，其中涉及的数据采集与监视控制系统(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)以计算机和网络通信为基础，对电力系统实时运行状态进行监视和控制。

本发明中涉及到的风电场状态估计是利用从SCADA系统中采集到的风电场各种电气量测信息，估计出风电场当前的电气运行状态(包括各母线节点的电压值、各输电线路的有功值和无功值等)，为后续潮流分析、灵敏度计算等高级应用提供基础数据。

本发明中涉及到的风电场潮流计算研究风电场稳态运行情况的一种基本电气计算。它的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压(幅值及相角)、网络中的功率分布以及功率损耗等。

本发明中涉及到的风电场N‐1运行方式是指风电场的N个元件中的任一独立元件(比如风电机组或者风电集电线路)发生故障而被切除后，风电场其他部分电网的潮流运行状态；

本发明中涉及的风电场自动电压控制(AVC)子站是风电场无功电压调整和控制的一种功能或者装置，是风电场调度自动化的主要内容之一，风电场AVC子站利用风电场的监控计算机、通讯通道、风电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，通过控制风电机组、并联电容电抗器、静止无功补偿器等装置的无功出力，实时跟踪调度主站下达的控制指令，保证风电场安全和经济运行。

Claims

1.一种风电场在线静态安全评估及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以T_collect为采集间隔采集风电场的实时量测数据，实时量测数据包括：高压侧母线电压幅值量测值、风电机组的有功功率量测值、风电机组的无功功率量测值、机端电压幅值量测值、风电场内各开关与刀闸的运行状态量测值；利用所述各量测值数据，进行风电场状态估计和风电场潮流计算，得到风电场运行的基态状态变量，基态状态变量包括：风电场内所有节点电压幅值基态值、各风电集电线路上的有功功率基态值、无功功率基态值，设第i个节点的基态电压幅值为V_i ⁰；

2.1)设为第j台风电机组，j∈Ω^g，其中Ω^g为该风电场中所有风电机组集合，断开第j台风电机组的并网开关后，利用步骤1)所得各基态值重新启动潮流计算，得到该风电场中每一个节点在第j台风电机组脱网条件下的电压幅值，设第i个节点，i∈Ωⁿ，Ωⁿ是该风电场中所有节点的集合，记该节点电压幅值为V_i ^g,j；完成对Ω^g中的所有风电机组的N-1分析后，得到第i个节点在单台风电机组断开条件下的电压最大值：与第i个节点在单台风电机组断开条件下的电压最小值：

{V_{i}}^{g, \min} = \min_{j &Element; Ω^{g}} ({V_{i}}^{g, j});

2.2)分别断开每一条风电集电线路，设为第k条风电集电线路，k∈Ω^b，其中Ω^b为该风电场中所有风电集电线路集合，断开第k条风电集电线路两端的开关后，利用步骤1)所得各基态值重新启动潮流计算，得到该风电场中每一个节点在第k条风电集电线路断开条件下的电压幅值，设第i个节点，i∈Ωⁿ，记该节点电压幅值为V_i ^b,k；完成对Ω^b中所有风电集电线路的N-1分析后，得到第i个节点在单条风电集电线路断开条件下的电压最大值：与第i个节点在风电集电线路断开条件下的电压最小值：

{V_{i}}^{b, \min} = \min_{k &Element; Ω^{b}} ({V_{i}}^{b, k});

3)根据第2)步的计算结果，得到在第i个节点在N-1方式下的电压最大值：V_i ^max＝max(V_i ^b,max,V_i ^g,max)和电压最小值：V_i ^min＝min(V_i ^b,min,V_i ^g,min)；

4)根据第i个节点的基态电压幅值V_i ⁰、基态电压上限和基态电压下限得到风电场中各节点满足N-1方式的N-1电压上限和N-1电压下限

N-1电压上限的计算公式为：

{\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} = {\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{0} - ({V_{i}}^{\max} - {V_{i}}^{0})

N-1电压下限的计算公式为：

{\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} = {\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{0} + ({V_{i}}^{0} - {V_{i}}^{\min}),

5)当满足条件或者时，则发送i节点的预警信息；

{\underset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1} < {V_{i}}^{0} + {ΔV}_{i} < {\overset{&OverBar;}{V}}_{i}^{1}