CN104319775A - 适应大规模风电并网的无功电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应大规模风电并网的无功电压控制方法，包括无功电压控制和无功优化。依据三级控制模式，根据控制目标的不同，分为三个层次实现全网无功优化。首先由三级控制主站采集全网信息并得出中枢点母线电压参考值，并负责向二级控制下发控制电压参考值。其次二级控制依据三级控制主站下发的电压参考值选择就地控制和远方控制两种方式。一级控制为本地控制，依据二级控制下发的电压参考值，直接控制设备，调控电压。从而达到全局快速优化、分层电压调节、多尺度协调控制的新型电网控制模式，在保障电网安全经济运行的前提下，大幅提高电网对新能源的接纳及送出能力，减少弃风，提高新能源上网电量的目的。

Description

适应大规模风电并网的无功电压控制方法

技术领域

本发明涉及规模化新能源发电过程中无功电压控制技术领域，具体地，涉及一种适应大规模风电并网的无功电压控制方法。

背景技术

近年来，风力发电作为世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视并得到了广泛的开发和利用。我国风电进入规模化发展阶段后所产生的大型新能源基地多数位于“三北地区”(西北、东北、华北)，大型新能源基地一般远离负荷中心，其电力需要经过长距离、高电压输送到负荷中心进行消纳。

以甘肃电网为例，截至2014年4月，甘肃电网并网风电装机容量已达707万千瓦，约占甘肃电网总装机(3500万千瓦)容量的20.2％，成为仅次于火电的第二大主力电源；光伏发电装机容量已达到435万千瓦，约占甘肃电网总装机容量的12.4％，同时甘肃成为我国光伏装机规模最大的省份。目前，甘肃电网风电、光伏发电装机约占甘肃电网总装机容量的1/3。

随着新能源并网规模的不断提高，风电、光伏发电不确定性和不可控性给电网的安全稳定经济运行带来诸多问题。由于风、光资源的间歇性、随机性和波动性，风电出力的波动性会导致大型风电场电压出现相应波动。当风电场发生电压较大扰动时，若没有足够的动态无功支撑，将引起风电场电压跌落。目前，风机本身的低电压耐受能力十分有限，此时风电机组出于自身的保护，往往采取自动切除的方式，造成系统有功失衡，影响系统稳定；同时，异步发电机，不具备维持和调节机端电压水平的能力，在运行时还要从系统吸收无功功率，因此电压稳定性问题比较突出。

当系统电压跌落后，如果电网不能提供足够的无功，基于异步发电机的风电机组机端电压无法重建，导致整个风电场中所有异步风电机组的超速保护或者低电压保护动作切除风电机组；若保护无法正常动作，由于风电机组的机端电压无法重建，则会引起风电场甚至区域电网暂态电压失稳。由于交流联网系统的整个电网的电压和频率之间相互影响、酒泉地区风电出力大幅度变化必然引起整个系统的电压、频率波动，导致事故进一步扩大。2011年甘肃电网发生的三次较大规模风机脱网事故就是由于上述原因造成的。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种适应大规模风电并网的无功电压控制方法，以实现全局快速优化、分层电压调节、多尺度协调控制的新型电网控制模式，在保障电网安全经济运行的前提下，大幅提高电网对新能源的接纳及送出能力，减小弃风，提高新能源上网电量的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适应大规模风电并网的无功电压控制方法，包括无功电压控制和无功优化；

所述无功电压控制包括：三级电压控制、二级电压控制和一级电压控制，所述三级电压控制是最高层，三级电压控制以全网的经济运行为优化目标，且考虑稳定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用；

所述二级电压控制主要目的是保证中枢母线电压等于上述设定的参考值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，二级电压控制则选择就地控制本站无功补偿装置或按照预定的控制规律向一级电压控制器下发调节命令；

所述一级电压控制为本地控制，控制本地发电机电压调节器、有载调压分接头、可投切的电容器和动态无功补偿器，在一级电压控制中，控制设备通过保持输出变量无限接近设定值来补偿电压的快速和随机的变化；

所述无功优化为将三级优化功能部署于调度主站，以网损最小为目标进行优化计算，并将优化结果即子站电压参考值下发至子站，子站根据优化结果进行相应调节，从而达到电压参考值目标，调整完成后由主站再次优化计算，根据检验优化结果进行再次调整，形成循环，直到优化结果精确度满足预期要求为止，且加入电压判断环节，当优化过程中出现电压越线时，可启动一级或二级电压控制模式。

优选的，所述三级优化具体步骤包括：

步骤201：触发启动，在风电计划发生变化时触发启动优化流程并进行电压判断；

步骤202：电压判断，判断全网各主站，中间站及终端站电压，当电压均满足运行曲线要求时，启动三级优化控制模式，执行步骤203；否则闭锁，并启动一级或二级电压控制模式；

步骤203：信息上送，由子站、执行站向主站上送电压及无功补偿运行状况信息并执行步骤204；

步骤204：优化计算，在主站进行全网潮流计算，状态估计，无功优化计算，从而得到各子站电压参考值并信息下送；

步骤205：信息下送，主站向子站下达电压参考值，进行子站电压控制调整；

步骤206：子站电压控制调整，首先是子站内部无功补偿装置动作调整，其次基于灵敏度分析原理进行子站电压控制。

优选的，所述二级电压控制模式具体步骤如下：

步骤301：二级电压控制模式启动，判断子站电压，当某一子站电压不满足运行曲线要求时启动二级电压控制模式，执行步骤302；

步骤302：子站就地调节，若子站有就地无功补偿装置可调，可根据电压越线情况进行就地调控，调控后判断子站电压，电压合格则结束二级电压控制，不合格则进行远方调节，执行步骤303，若无就地无功补偿装置，直接执行步骤303；

步骤303：启动远方调节，子站收集其他子站及下级执行站信息并根据灵敏度判断选择纵向或横向调节优先级，若选择纵向调节优先，则执行步骤304，若选择横向调节优先，执行步骤305；

步骤304：纵向调节，下级执行站无功补偿对子站电压灵敏度排序，选择灵敏度最高的执行站进行电压调控，执行站按照一级电压控制模型执行后再次判断子站电压，若电压合格，则结束二级电压控制，不合格则返回循环执行步骤303至到子站电压合格为止；

步骤305：横向调节，根据控制灵敏度选择联调子站，联调子站根据二级电压控制模式进行电压调控后再次判断子站电压，若电压合格则结束二级控制，不合格则返回循环执行步骤303至到子站电压合格为止。

优选的，所述一级电压控制模式，为面向设备级的控制，直接作用于调控设备，一级电压控制中，首先调节动态无功补偿装置，其次调节风机无功出力；再次由执行站向上级子站申请协调控制，子站在保证自身电压合格的情况下，进行子站本地调节或向其他执行站下发控制信息，由其他执行站进行横向协调控制。

优选的，所述动态无功补偿装置包括动态无功补偿器、电容电抗、变压器分接头控制和风机无功出力控制。

优选的，所述灵敏度分析：

设电力系统中节点i的发电机功率为P_Gi+jQ_Gi，负荷功率为P_LDi+jQ_LDi，以极坐标表示节点电压时，节点的功率平衡方程为

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_iΣU_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

                                               (1)

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_iΣU_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0

其中，P_i为注入节点i的有功功率；Q_i为注入节点i的无功功率；U_i为节点i的电压；G_ij+jB_ij为节点i、j之间的导纳；δ_ij为节点i、j之间的电压相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j，

若以p、u、x分别表示扰动变量、控制变量和状态变量。电力系统节点功率平衡方程可表示为：

f(x,u,p)＝0   (2)

设包含风电场区域运行在状态(x(0),u(0),p(0))下，如某一风电场有功出力波动Δp，常规发电机做了相应的调整Δu，系统相应发生了状态偏离Δx，则系统的功率平衡方程应为：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0   (3)

假设稳态情况下各变量的变化很小，以至可忽略其二阶及以上的各项，则式3可以展开化简为：

$f(x^{\left(0\right)},u^{\left(0\right)},p^{\left(0\right)})+{\frac{\∂f}{\∂x}|}_0\mathrm{\Δx}+{\frac{\∂f}{\∂u}|}_0\mathrm{\Δu}+{\frac{\∂f}{\∂p}|}_0\mathrm{\Δp}=0---\left(4\right)$

式中，均为雅可比矩阵，如将基于状态(x(0),u(0),p(0))的矩阵分别简记为J_x、J_u、J_p，则有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0   (5)

上式称为灵敏度方程，对于任意给定变化量的控制变量或扰动变量，采用上式即式5均可求得各状态变量的变化量，从而阐明了系统对于控制变量或扰动变量的既定变化量所作出的响应。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，依据三级控制模式，根据控制目标的不同，分为三个层次实现全网无功优化。首先由三级控制主站采集全网信息并得出中枢点母线电压参考值，并负责向二级控制下发控制电压参考值。其次二级控制依据三级控制主站下发的电压参考值选择就地控制和远方控制两种方式，其中就地控制负责本站无功电压调节，远方控制即向一级控制下发控制命令。一级控制为本地控制，依据二级控制下发的电压参考值，直接控制设备，调控电压。其中，三级控制中每一级都有其各自的目的，多级协调，逐级细化，下级控制接受上级的控制信号作为自己的控制目标，并向更下一级发出控制信号。从而达到全局快速优化、分层电压调节、多尺度协调控制的新型电网控制模式，在保障电网安全经济运行的前提下，大幅提高电网对新能源的接纳及送出能力，减少弃风，提高新能源上网电量的目的。

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三级无功电压优化控制体系结构框图；

图2为本发明实施例所述的无功优化系统结构框图；

图3为本发明实施例所述的空间维度协调控制框图；

图4为本发明实施例所述的河西大规模风电无功电压综合优化控制三级模式及控制站点总汇框图；

图5为本发明实施例所述的站点间控制信息流向框图；

图6为本发明实施例所述的三级优化框图；

图7为本发明实施例所述的三级优化流程图；

图8为本发明实施例所述的二级控制框图；

图9为本发明实施例所述的二级控制流程图；

图10为本发明实施例所述的一级控制框图。

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。

一种适应大规模风电并网的无功电压控制方法，包括无功电压控制和无功优化；

无功电压控制包括：三级电压控制、二级电压控制和一级电压控制，三级电压控制是最高层，三级电压控制以全网的经济运行为优化目标，且考虑稳定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用；

二级电压控制主要目的是保证中枢母线电压等于上述设定的参考值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，二级电压控制则选择就地控制本站无功补偿装置或按照预定的控制规律向一级电压控制器下发调节命令；

一级电压控制为本地控制，控制本地发电机电压调节器、有载调压分接头、可投切的电容器和动态无功补偿器，在一级电压控制中，控制设备通过保持输出变量无限接近设定值来补偿电压的快速和随机的变化；

无功优化为将三级优化功能部署于调度主站，以网损最小为目标进行优化计算，并将优化结果即子站电压参考值下发至子站，子站根据优化结果进行相应调节，从而达到电压参考值目标，调整完成后由主站再次优化计算，根据检验优化结果进行再次调整，形成循环，直到优化结果精确度满足预期要求为止，且加入电压判断环节，当优化过程中出现电压越线时，可启动一级或二级电压控制模式。

优选的，三级优化具体步骤包括：

步骤201：触发启动，在风电计划发生变化时触发启动优化流程并进行电压判断；

步骤202：电压判断，判断全网各主站，中间站及终端站电压，当电压均满足运行曲线要求时，启动三级优化控制模式，执行步骤203；否则闭锁，并启动一级或二级电压控制模式；

步骤203：信息上送，由子站、执行站向主站上送电压及无功补偿运行状况信息并执行步骤204；

步骤204：优化计算，在主站进行全网潮流计算，状态估计，无功优化计算，从而得到各子站电压参考值并信息下送；

步骤205：信息下送，主站向子站下达电压参考值，进行子站电压控制调整；

步骤206：子站电压控制调整，首先是子站内部无功补偿装置动作调整，其次基于灵敏度分析原理进行子站电压控制。

优选的，二级电压控制模式具体步骤如下：

步骤301：二级电压控制模式启动，判断子站电压，当某一子站电压不满足运行曲线要求时启动二级电压控制模式，执行步骤302；

步骤302：子站就地调节，若子站有就地无功补偿装置可调，可根据电压越线情况进行就地调控，调控后判断子站电压，电压合格则结束二级电压控制，不合格则进行远方调节，执行步骤303，若无就地无功补偿装置，直接执行步骤303；

步骤303：启动远方调节，子站收集其他子站及下级执行站信息并根据灵敏度判断选择纵向或横向调节优先级，若选择纵向调节优先，则执行步骤304，若选择横向调节优先，执行步骤305；

步骤304：纵向调节，下级执行站无功补偿对子站电压灵敏度排序，选择灵敏度最高的执行站进行电压调控，执行站按照一级电压控制模型执行后再次判断子站电压，若电压合格，则结束二级电压控制，不合格则返回循环执行步骤303至到子站电压合格为止；

步骤305：横向调节，根据控制灵敏度选择联调子站，联调子站根据二级电压控制模式进行电压调控后再次判断子站电压，若电压合格则结束二级控制，不合格则返回循环执行步骤303至到子站电压合格为止。

优选的，一级电压控制模式，为面向设备级的控制，直接作用于调控设备，一级电压控制中，首先调节动态无功补偿装置，其次调节风机无功出力；再次由执行站向上级子站申请协调控制，子站在保证自身电压合格的情况下，进行子站本地调节或向其他执行站下发控制信息，由其他执行站进行横向协调控制。

优选的，动态无功补偿装置包括动态无功补偿器、电容电抗、变压器分接头控制和风机无功出力控制。

灵敏度分析：

设电力系统中节点i的发电机功率为P_Gi+jQ_Gi，负荷功率为P_LDi+jQ_LDi，以极坐标表示节点电压时，节点的功率平衡方程为

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_iΣU_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

                                               (1)

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_iΣU_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0

其中，P_i为注入节点i的有功功率；Q_i为注入节点i的无功功率；U_i为节点i的电压；G_ij+jB_ij为节点i、j之间的导纳；δ_ij为节点i、j之间的电压相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j，

若以p、u、x分别表示扰动变量、控制变量和状态变量。电力系统节点功率平衡方程可表示为：

f(x,u,p)＝0   (2)

设包含风电场区域运行在状态(x(0),u(0),p(0))下，如某一风电场有功出力波动Δp，常规发电机做了相应的调整Δu，系统相应发生了状态偏离Δx，则系统的功率平衡方程应为：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0   (3)

假设稳态情况下各变量的变化很小，以至可忽略其二阶及以上的各项，则式3可以展开化简为：

$f(x^{\left(0\right)},u^{\left(0\right)},p^{\left(0\right)})+{\frac{\∂f}{\∂x}|}_0\mathrm{\Δx}+{\frac{\∂f}{\∂u}|}_0\mathrm{\Δu}+{\frac{\∂f}{\∂p}|}_0\mathrm{\Δp}=0---\left(4\right)$

式中，均为雅可比矩阵，如将基于状态(x(0),u(0),p(0))的矩阵分别简记为J_x、J_u、J_p，则有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0   (5)

上式称为灵敏度方程，对于任意给定变化量的控制变量或扰动变量，采用上式即式5均可求得各状态变量的变化量，从而阐明了系统对于控制变量或扰动变量的既定变化量所作出的响应。

本发明的技术方案包括无功优化和电压控制两大方面。

控制目标：其中无功优化以全局网损最小为目标，基于全网潮流计算，并采用改进遗传算法进行计算；电压控制以各站点电压满足运行曲线要求为目标，基于灵敏度原理进行控制。两部分共同构成了分级协调控制的三级模式。该模式即从全局出发优化无功分配，又重点考虑对风电场及风电场集群的电压控制，形成适应风电场及风电场集群的综合无功电压控制模式如图1所示。

各级控制的协调关系如下：

三级电压控制是其中的最高层，它以全系统的经济运行为优化目标，并考虑稳定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用。

二级电压控制主要目的是保证中枢母线(pilot node)电压等于设定值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，二级电压控制则选择就地控制本站无功补偿装置或按照预定的控制规律向一级电压控制器下发调节命令，二级电压控制是一种区域控制，只用本区域内的信息。

一级电压控制为本地控制，只用本地的信息。控制本地发电机电压调节器、有载调压分接头(OLTC)、可投切的电容器(电抗器)、动态无功补偿器(SVC/SVG)。在一级电压控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能的接近设定值来补偿电压的快速和随机的变化。如图2所示。

设备层面协调：

1)空间维度协调控制

从纵向上形成风电场/风电场汇集群点，风电场/风机汇集点的协调控制。这种纵向协调控制体现了分层控制的思想，其中二级控制针对风电场/风电场汇集点级，一级控制针对风电场/风机汇集点级，两者为监控对象，负责监视电压运行状况，向风机级和设备级下发指令。风机级和设备级为调控对象，负责接收指令，从而调节集群级和场站级的电压。总体上形成上下级之间的协调控制和反馈。

从横向上形成设备级之间的协调控制，风电场站之间的协调控制，以及设备级和风机级之间的协调控制。总体上形成平级之间的相互支持和补充。空间维度协调控制如图3所示：

2)各种类型设备协调

具有无功补偿能力的设备主要包括SVC/SVG，电容电抗，变压器分接头控制，风机无功出力控制。计及其相应特性差异，形成设备级之间的协调控制。可投退电容电抗以及变压器分接头调节属于离散调节，机械开关，动作时间为秒级，可以用于粗调压；SVC/SVG等动态无功补偿设备属于连续调节，电子开关，动作时间为毫秒级，可以用于细调压；风机无功出力控制也属于连续调节，自动控制系统调节，受限于风机自身特性动作时间介于前两者之间。可以用于辅调压。总体上形成粗细搭配，辅助配合，协调控制，实现精细化调节，可完成电压控制目标。设备协调控制如表1所示：

表一、设备协调控制表：

名称	方式	响应时间	精度
				SVC/SVG	连续调节	毫秒级	细调压
电容电抗	离散调节	秒级	粗调压
				风机无功出力	连续调节	毫秒级	微调压(辅助调节)

现以甘肃河西地区为例，河西地区大规模风电入网综合优化控制总体框架采取三级模式。该模式综合考虑了无功电压补偿分层分区的原则，河西地区风电火电地理位置分布差异，风电集中入网及随机波动的特点。纵向上看上下级站点之间双向收发信息，从主站到子站再到执行站下行控制，反之形成上行反馈环节；横向上看同级站点之间双向收发信息，协调控制。再从功能上看，模式以各级站点电压为切入点，根据电压合格与否又分为优化和控制两大部分。优化部分以潮流优化计算为基础，河西地区全网有功网损最小为目标，控制部分以控制灵敏度为基础，以各级站点电压合格为目标。

(1)控制站点

根据上述三级控制理论，结合河西电网网架结构特点，确定控制站点的安装位置。首先设定综合优化控制中心作为控制主站；其次考虑河西地区风电集群入网的突出特点，将330kV风电场并网站点及瓜州、玉门两个330kV公网变电站作为子站；再次考虑直接针对风电场的控制目标，将风机汇集点级作为执行站，如图4所示。

主站——大规模风电无功综合优化控制中心；

子站——瓜州、玉门、干东、干西、干北、桥东、桥西、桥湾、红柳共9个330kV变电站；

执行站——安西风、大梁风、向阳风、北大桥风、昌马西风、昌马西、大唐风、大唐昌马风、玉新风、黑崖子风、华电黑崖子风、洁源风、三十里井南风、三十里井北风、三十里井风、中节能大坝风、干东一风，干东二风、干东三风、干西一风、干西二风、干西三风、干北一风、干北二风、桥东一风、桥东二风、桥东三风、桥西一风、桥西二风、桥西三风、桥湾一风，桥湾二风、桥湾三风、桥湾四风、柳园一风、柳园二风共36个风场执行站。

(2)优化与控制双模式选择切换

以各站点电压为切入点。采集各主站，子站站及执行站电压并判断。当电压均满足运行曲线要求时，启动优化模式。当有某个站点电压不满足时，启动控制模式，调节站点电压至合格后，再启动优化模式。

(3)控制信息流图如图5所示。

三级全网优化：

三级全网优化功能部署于调度主站，以河西电网为控制对象，以网损最小为目标进行优化计算，并将优化结果(子站电压参考值)下发至子站，子站决定如何调节，从而达到电压参考值目标。调整完成后由主站再次优化计算，根据检验优化结果进行再次调整，形成循环。直到优化结果精确度满足预期要求为止。且加入电压判断环节，当优化过程中出现电压越线时，可启动一级或二级电压控制模式。该优化模式基于全网潮流计算，并采用改进遗传算法进行计算。可较快速，准确地求取全网网损，求解有约束目标规划问题，解决无功补偿装置之间的合理优化分配问题。三级优化控制的核心部分为主站及子站之间的目标函数优化计算，优化结果的具体执行由各个子站进行电压控制，采用二级和一级电压控制的统一模式。如图6所示，为三级无功优化示意图。

三级优化模式的详细流程如下：

(1)触发启动：

一方面三级优化时间跨度较长，一般需要十几分钟到一个小时；另一方面全网无功优化不易过于频繁，防止无功补偿设备频繁动作。再考虑河西地区大规模风电入网的特点，在风电计划发生变化时触发启动优化流程并进行电压判断；

(2)电压判断：

判断全网各主站，中间站及终端站电压。当电压均满足运行曲线要求时，启动三级优化控制模式，执行步骤(3)；否则闭锁，并启动一级或二级电压控制模式；

(3)信息上送：

由子站、执行站向主站上送电压及无功补偿运行状况等信息并执行步骤(4)；

(4)优化计算：

在主站进行全网潮流计算，状态估计，无功优化计算，从而得到各子站电压参考值并信息下送；

(5)信息下送：

主站向子站下达电压参考值，进行子站电压控制调整；

(6)子站电压控制调整：

首先是子站内部无功补偿装置动作调整，其次利用灵敏度分析原理进行子站电压控制。具体措施有其余子站联调、下发信息至执行站，进行远方一级电压控制调节(子站电压控制模式同二级电压控制模式)。

三级无功优化的具体流程如图7所示：

二级协调控制：

目标：面向区域，完成控制区域内子站电压合格，调节子站电压为参考值的目标。

概述：二级电压控制为面向局部区域电压的控制,采用无功灵敏度原则,反应速度较快,可靠,可以实现区域电网控制。当子站电压不合格时，首先启动子站就地控制，其次根据电压综合分析判断并选择横向调节或者纵向调节。其中横向调节为同等级别的其他子站协调控制，纵向调节为一级电压控制调节，由子站选择调节执行站并向执行站下发控制命令，执行站根据一级电压模式进行调控。纵向、横向控制完成后，再次检验子站电压，合格即完成二级控制，不合格时循环进行控制，直至子站电压合格或调节措施用完为止。如图8所示。

二级控制模式的详细流程如图9所示，具体如下：

(1)二级控制模式启动:

判断子站电压。当某一子站电压不满足要求时启动二级控制控制模式，执行步骤(2)；

(2)子站就地调节：

若子站有就地无功补偿装置可调，可根据电压越线情况进行就地调控，调控后判断子站电压，电压合格则结束二级控制，不合格则进行远方调节，执行步骤(3)；若无就地无功补偿装置，直接执行步骤(3)；

(3)启动远方调节：

子站收集其他子站及下级执行站信息并根据灵敏度判断选择纵向或横向调节优先级。若选择纵向调节优先，则执行步骤(4)，若选择横向调节优先，执行步骤(5)。

(4)纵向调节：

下级执行站无功补偿对子站电压灵敏度排序，选择灵敏度最高的执行站进行电压调控，执行站按照一级电压控制模型执行后再次判断子站电压，若电压合格，则结束二级控制，不合格则返回循环执行步骤(3)至到子站电压合格为止；

(5)横向调节：

根据控制灵敏度选择联调子站，联调子站根据二级控制模式进行电压调控后再次判断子站电压，若电压合格则结束二级控制，不合格则返回循环执行步骤(3)至到子站电压合格为止。

一级电压控制：

目标：直接面向设备级，实现执行站电压合格的目的。

概述：一级电压控制为面向设备级的控制，直接作用于调控设备，反应速度最快,可靠，实现简单，能实现执行站电压的监控。一级控制中，首先调节SVC/SVG等动态无功补偿装置，其次调节风机无功出力；再次由执行站向上级子站申请协调控制，子站在保证自身电压合格的情况下，进行子站本地调节或向其他执行站下发控制信息，由其他执行站进行横向协调控制。如图10所示，为一级电压控制示意图。

针对河西电网大规模风电并网的特点，本文中控制框架具有以下优点：

(1)全局快速优化

基于河西数据采集系统，状态估计系统，潮流计算系统等成熟的应用系统，可实时采集河西电网全网数据，实现全局优化的目标。基于改进优化算法，实现快速优化计算。

(2)分层电压调节

依据三级控制模式，根据控制目标的不同，分为三个层次实现全网无功优化。首先由三级控制主站采集全网信息，经潮流计算、状态估计、优化计算得出中枢点母线电压参考值，并负责向二级控制下发控制电压参考值。其次二级控制依据三级控制主站下发的电压参考值选择就地控制和远方控制两种方式，其中就地控制负责本站无功电压调节，远方控制即向一级控制下发控制命令。一级控制为本地控制，依据二级控制下发的电压参考值，直接控制设备，调控电压。需要特别指出的是，三级控制中每一级都有其各自的目的，多级协调，逐级细化，下级控制接受上级的控制信号作为自己的控制目标，并向更下一级发出控制信号。

(3)多尺度协调控制

三级优化控制利用整个系统的信息进行优化，考虑整个计算时间及逐级调节时间，三级控制的时间常数在十几分钟到小时级。

二级控制实质上包括就地控制和远方控制，考虑二级远方控制的执行时间，二级控制的时间常数约为几十秒钟到分钟级。

一级控制直接与被控设备联系，由于被控设备的相应特性差别(如SVC、SVG及并联电容器或电抗动作时间差别)，一级控制的时间常数一般为毫秒级到秒级。

三级控制模式从时间尺度上协调统一，共同完成全网无功优化的目标。

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 (6)

1.一种适应大规模风电并网的无功电压控制方法，其特征在于，包括无功电压控制和无功优化；

所述无功电压控制包括：三级电压控制、二级电压控制和一级电压控制，所述三级电压控制是最高层，三级电压控制以全网的经济运行为优化目标，且考虑稳定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用；

所述二级电压控制主要目的是保证中枢母线电压等于上述设定的参考值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，二级电压控制则选择就地控制本站无功补偿装置或按照预定的控制规律向一级电压控制器下发调节命令；

所述一级电压控制为本地控制，控制本地发电机电压调节器、有载调压分接头、可投切的电容器和动态无功补偿器，在一级电压控制中，控制设备通过保持输出变量无限接近设定值来补偿电压的快速和随机的变化；

所述无功优化为将三级优化功能部署于调度主站，以网损最小为目标进行优化计算，将优化结果即子站电压参考值下发至子站，子站根据优化结果进行相应调节，从而达到电压参考值目标，调整完成后由主站再次优化计算，根据检验优化结果进行再次调整，形成循环，直到优化结果精确度满足预期要求为止，且加入电压判断环节，当优化过程中出现电压越线时，可启动一级或二级电压控制模式。

2.根据权利要求1所述的适应大规模风电并网的无功电压控制方法，其特征在于，所述三级优化具体步骤包括：

步骤201：触发启动，在风电计划发生变化时触发启动优化流程并进行电压判断；

步骤202：电压判断，判断全网各主站，中间站及终端站电压，当电压均满足运行曲线要求时，启动三级优化控制模式，执行步骤203；否则闭锁，并启动一级或二级电压控制模式；

步骤203：信息上送，由子站、执行站向主站上送电压及无功补偿运行状况信息并执行步骤204；

步骤204：优化计算，在主站进行无功优化计算，从而得到各子站电压参考值并信息下送；

步骤205：信息下送，主站向子站下达电压参考值，进行子站电压控制调整；

步骤206：子站电压控制调整，首先是子站内部无功补偿装置动作调整，其次基于灵敏度分析原理进行子站电压控制。

3.根据权利要求2所述的适应大规模风电并网的无功电压控制方法，其特征在于，所述二级电压控制模式具体步骤如下：

步骤301：二级电压控制模式启动，判断子站电压，当某一子站电压不满足运行曲线要求时启动二级电压控制模式，执行步骤302；

步骤302：子站就地调节，若子站有就地无功补偿装置可调，可根据电压越线情况进行就地调控，调控后判断子站电压，电压合格则结束二级电压控制，不合格则进行远方调节，执行步骤303，若无就地无功补偿装置，直接执行步骤303；

步骤303：启动远方调节，子站收集其他子站及下级执行站信息并根据灵敏度判断选择纵向或横向调节优先级，若选择纵向调节优先，则执行步骤304，若选择横向调节优先，执行步骤305；

步骤304：纵向调节，下级执行站无功补偿对子站电压灵敏度排序，选择灵敏度最高的执行站进行电压调控，执行站按照一级电压控制模型执行后再次判断子站电压，若电压合格，则结束二级电压控制，不合格则返回循环执行步骤303至到子站电压合格为止；

步骤305：横向调节，根据控制灵敏度选择联调子站，联调子站根据二级电压控制模式进行电压调控后再次判断子站电压，若电压合格则结束二级控制，不合格则返回循环执行步骤303至到子站电压合格为止。

4.根据权利要求2或3所述的适应大规模风电并网的无功电压控制方法，其特征在于，所述一级电压控制模式，为面向设备级的控制，直接作用于调控设备，一级电压控制中，首先调节动态无功补偿装置，其次调节风机无功出力；再次由执行站向上级子站申请协调控制，子站在保证自身电压合格的情况下，进行子站本地调节或向其他执行站下发控制信息，由其他执行站进行横向协调控制。

5.根据权利要求4所述的适应大规模风电并网的无功电压控制方法，其特征在于，所述动态无功补偿装置包括动态无功补偿器、电容电抗、变压器分接头控制和风机无功出力控制。

6.根据权利要求5所述的适应大规模风电并网的无功电压控制方法，其特征在于，所述灵敏度分析：

设电力系统中节点i的发电机功率为P_Gi+jQ_Gi，负荷功率为P_LDi+jQ_LDi，以极坐标表示节点电压时，节点的功率平衡方程为

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_iΣU_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

                                               (1)

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_iΣU_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0

其中，P_i为注入节点i的有功功率；Q_i为注入节点i的无功功率；U_i为节点i的电压；G_ij+jB_ij为节点i、j之间的导纳；δ_ij为节点i、j之间的电压相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j，

若以p、u、x分别表示扰动变量、控制变量和状态变量。电力系统节点功率平衡方程可表示为：

f(x,u,p)＝0   (2)

设包含风电场区域运行在状态(x(0),u(0),p(0))下，如某一风电场有功出力波动Δp，常规发电机做了相应的调整Δu，系统相应发生了状态偏离Δx，则系统的功率平衡方程应为：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0   (3)

假设稳态情况下各变量的变化很小，以至可忽略其二阶及以上的各项，则式3可以展开化简为：

$f(x^{\left(0\right)},u^{\left(0\right)},p^{\left(0\right)})+{\frac{\∂f}{\∂x}|}_0\mathrm{\Δx}+{\frac{\∂f}{\∂u}|}_0\mathrm{\Δu}+{\frac{\∂f}{\∂p}|}_0\mathrm{\Δp}=0---\left(4\right)$

式中，均为雅可比矩阵，如将基于状态(x(0),u(0),p(0))的矩阵分别简记为J_x、J_u、J_p，则有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0   (5)

上式称为灵敏度方程，对于任意给定变化量的控制变量或扰动变量，采用上式即式5均可求得各状态变量的变化量，从而阐明了系统对于控制变量或扰动变量的既定变化量所作出的响应。