CN104348165B - 针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法,包括以下步骤:计算系统的灵敏度方程;计算包含所研究节点功率或电压灵敏度信息的雅可比矩阵;针对各个风电场的响应特性进行灵敏度控制。在保障电网安全经济运行的前提下,达到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目的。
Description
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,涉及一种针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法。
背景技术
我国风电进入规模化发展阶段以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。
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波动时,若没有足够的无功支撑,将引起风电场电压跌落。由于不同风电场的接入点不同,对系统的无功相应特性也不同,存在空间特性差异。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述问题,提出一种针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法,以实现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:
一种针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法,包括以下步骤:
步骤一、计算系统的灵敏度方程;
步骤二、计算包含所研究节点功率或电压灵敏度信息的雅可比矩阵;
步骤三、针对各个风电场的响应特性进行灵敏度控制。
优选的,所述步骤一具体为:
设电力系统中节点i的发电机功率为PGi+jQGi,负荷功率为PLDi+jQLDi,以极坐标表示节点电压时,节点的功率平衡方程为
ΔPi=PGi-PLDi-UiΣUj(Gijcosδij+Bijsinδij)=0
ΔQi=QGi-QLDi-UiΣUj(Gijsinδij-Bijcosδij)=0(1)
其中,Pi为注入节点i的有功功率;Qi为注入节点i的无功功率;Ui为节点i的电压;Gij+jBij为节点i、j之间的导纳;δij为节点i、j之间的电压相角差,δij=δi-δj;
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,以至忽略其二阶及以上的各项,则式3可以展开化简为:
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Jx、Ju、Jp,则有
JxΔx+JuΔu+JpΔp=0(5)
上式称为灵敏度方程,由该式可解出状态变量的偏离值:
式中, 两者均称为灵敏度矩阵。
优选的,所述步骤二计算包含所研究节点功率或电压灵敏度信息的雅可比矩阵具体为:
设J为系统极坐标形式的全阶雅可比矩阵,ΔY和ΔX分别为系统注入变化量和状态变化量,将ΔY分成两部分,即ΔY=[ΔYIΔYN]T,对应的ΔX则变为ΔX=[ΔXIΔXN]T,其中,ΔYI和ΔXI分别为被控风电场接入地区节点,包括风电场出口节点和接入点,注入变化量和状态变化量;ΔYN和ΔXN分别为其余节点的注入变化量和状态变化量。相应地将J划分为4部分,即:
系统注入量和状态变化量之间的关系为:
设ΔYN=0,即实际注入量只包含ΔYI,则由式8可推出:
JNN非奇异,则通过矩阵变化可以消去ΔXN,从而可得:
对JSI求逆,可以得到下面的关系式:
有被控风电场接入点地区节点之间的关系为:
式中:ΔUW和ΔθW分别为风电场出口节点的电压和相角变化向量;ΔUC和ΔθC分别为接入点的电压和相角变化向量;ΔPW和ΔQW分别为风电场出口节点注入有功、无功变化向量;ΔPC和ΔQC分别为接入点注入有功、无功变化向量;在风电场接入地区的主要注入量为风电场输出的有功和无功功率,若只考虑无功功率对电压的作用,则由式(1)和式(2)可得第i个接入点电压关于第j个风电场输出无功功率变化的灵敏度关系为:
S1=A2m+n+1,m+n+j(14)
第j个风电场出口电压关于自身输出无功功率变化的灵敏度关系为:
S2=Am+j,m+n+j(15)。
优选的,所述步骤三灵敏度控制具体为:
将鼠笼机组等效为PQ节点,双馈机组和永磁直驱机组等效为PV节点;
根据高压电网元件特性,有下列PQ分解法的Q-V迭代方程:
ΔQ=-B″ΔV(16)
式(16)中包括PV节点,式(16)表明,节点无功变化与电压幅值变化强相关;
对式(16)B″求逆可得节点之间无功电压的灵敏度关系:
ΔV=SΔQ(17)。
优选的,所述B″求解包括:
由于发电厂PV节点具有保持电压恒定的控制特性,进行B″求逆计算控制灵敏度时,计及PV节点物理意义即PV节点保持电压恒定的控制特性类似恒压源,表明PV节点对地导纳为极大值,在PV节点对应B″对角元上置极大值;
对于装设可投切无功补偿装置变电站节点,进行B″求逆计算控制灵敏度时,该节点不采用PQ节点模型,而是根据电容或电抗器容量修正节点对地导纳。
本发明的技术方案具有以下有益效果:
本发明的技术方案,计算出灵敏度系数后,当风电场并网点或风电场汇集变电站母线电压需要调节时,就可利用该系数选择计算得出风电场的无功补偿配置方案。从而实现大规模波动性新能源集中并网情况下电网的无功电压控制,以实现通过综合风电场的无功调节能力及电压控制灵敏度,进行相应的电网无功电压控制,从而在保障电网安全经济运行的前提下,达到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针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法流程图。
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。
如图1所示,
步骤一、计算系统的灵敏度方程:
设电力系统中节点i的发电机功率为PGi+jQGi,负荷功率为PLDi+jQLDi,以极坐标表示节点电压时,节点的功率平衡方程为
ΔPi=PGi-PLDi-UiΣUj(Gijcosδij+Bijsinδij)=0
ΔQi=QGi-QLDi-UiΣUj(Gijsinδij-Bijcosδij)=0(1)
其中,Pi为注入节点i的有功功率;Qi为注入节点i的无功功率;Ui为节点i的电压;Gij+jBij为节点i、j之间的导纳;δij为节点i、j之间的电压相角差,δij=δi-δj。
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:
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Jx、Ju、Jp,则有
JxΔx+JuΔu+JpΔp=0(5)
上式称为灵敏度方程,由该式可解出状态变量的偏离值:
式中, 两者均称为灵敏度矩阵。
对于任意给定变化量的控制变量或扰动变量,采用上式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。
步骤二、计算包含所研究节点功率/电压灵敏度信息的雅可比矩阵:
电力系统雅可比矩阵包含了系统中所有节点的注入功率同电压之间的灵敏度信息,基于潮流雅可比矩阵的灵敏度指标在电压稳定分析中得到了广泛的应用。可利用“注入节点降阶雅可比矩阵”,将网络中的节点分为包含功率注入的“注入节点”和不包含功率注入的“联络节点”。利用注入节点降阶雅可比矩阵消去网络中的联络节点,从而避免了不可能存在的功率注入对灵敏度分析结果的影响。在此基础上,只考虑所研究区域的部分节点,将研究区域中的发电机节点和负荷节点以及可能的无功补偿安装地点视为注入节点,系统中所有其它节点(包括其他区域的负荷节点)视为联络节点,对雅可比矩阵进行进一步降阶,由此求得包含所研究节点功率/电压灵敏度信息的雅可比矩阵,具体的求取方法如下。
设J为系统极坐标形式的全阶雅可比矩阵,ΔY和ΔX分别为系统注入变化量和状态变化量,将ΔY分成两部分,即ΔY=[ΔYIΔYN]T,对应的ΔX则变为ΔX=[ΔXIΔXN]T。其中,ΔYI和ΔXI分别为被控风电场接入地区节点(包括风电场出口节点和接入点)的注入变化量和状态变化量;ΔYN和ΔXN分别为其余节点的注入变化量和状态变化量。相应地将J划分为4部分,即:
系统注入量和状态变化量之间的关系为:
设ΔYN=0,即实际注入量只包含ΔYI,则由式8可推出:
一般地,JNN非奇异,则通过矩阵变化可以消去ΔXN,从而可得:
对JSI求逆,可以得到下面的关系式:
进一步,有被控风电场接入点地区节点之间的关系为:
式中:ΔUW和ΔθW分别为风电场出口节点的电压和相角变化向量;ΔUC和ΔθC分别为接入点的电压和相角变化向量;ΔPW和ΔQW分别为风电场出口节点注入有功、无功变化向量(对应风电场输出无功和无功补偿量变化);ΔPC和ΔQC分别为接入点注入有功、无功变化向量(对应本地无功负荷和无功补偿量变化)。在风电场接入地区的主要注入量为风电场输出的有功和无功功率,若只考虑无功功率对电压的作用,则由式(6)和式(7)可得第i个接入点电压关于第j个风电场输出无功功率变化的灵敏度关系为:
S1=A2m+n+1,m+n+j(14)
第j个风电场出口电压关于自身输出无功功率变化的灵敏度关系为
S2=Am+j,m+n+j(15)
步骤三、针对各个风电场的响应特性进行灵敏度控制:
鼠笼机组基本没有无功调节能力,在风电场电压波动需要无功调节时,自身机组不能参与,只能通过风电场升压变与无功补偿设备来进行控制;双馈机组和永磁直驱机组均具备无功调节能力。因此,在进行控制灵敏度计算时,鼠笼机组可等效为PQ节点,双馈机组和永磁直驱机组可等效为PV节点。
根据高压电网元件特性,有下列PQ分解法的Q-V迭代方程:
ΔQ=-B″ΔV(16)
上式中包括PV节点。上式表明,节点无功变化与电压幅值变化强相关,在稳态时可以利用该式求解无功电压灵敏度,误差在工程允许范围内。
对上式B″求逆可得节点之间无功电压的灵敏度关系:
ΔV=SΔQ(17)。
相对于常规灵敏度,控制灵敏度求解需要进行如下处理:
1)由于发电厂PV节点具有可保持电压恒定的控制特性,进行B″求逆计算控制灵敏度时,计及PV节点物理意义(PV节点保持电压恒定的控制特性类似恒压源,表明PV节点对地导纳为极大值),在PV节点对应B″对角元上置极大值。
2)对于装设可投切无功补偿装置变电站节点,进行B″求逆计算控制灵敏度时,该节点不采用PQ节点模型,而是根据电容/电抗器容量修正节点对地导纳。
3)考虑对动态控制过程的模拟,采用逐次求解方法计算控制灵敏度,而不是一次性地将所有发电机的控制灵敏度求出,其对应的物理含义是在只调节本发电机节点无功时其它节点的电压响应。以发电机为例并考虑最简单情况来说明,设电力系统中有A、B两台发电机,则求解发电机A的控制灵敏度时,A所在节点设为PQ节点,而B机所在节点则根据其是否安装AVR装置并具有机端电压调节能力来决定其是为PV节点还是PQ节点。而在求解发电机B的控制灵敏度之前,需要将A设回为PV节点,而将B设为PQ节点。
重复逐次求解过程,可获得所有被控节点电压变化对控制节点无功注入(包括发电机、容抗器)的混合控制灵敏度。
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 (4)
1.一种针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法,包括以下步骤:
步骤一、计算系统的灵敏度方程;
步骤二、计算包含所研究节点功率或电压灵敏度信息的雅可比矩阵;
步骤三、针对各个风电场的响应特性进行灵敏度控制;
其特征在于,所述步骤一具体为:
设电力系统中节点i的发电机功率为PGi+jQGi,负荷功率为PLDi+jQLDi,以极坐标表示节点电压时,节点的功率平衡方程为
ΔPi=PGi-PLDi-UiΣUj(Gijcosδij+Bijsinδij)=0
ΔQi=QGi-QLDi-UiΣUj(Gijsinδij-Bijcosδij)=0(1)
其中,Pi为注入节点i的有功功率;Qi为注入节点i的无功功率;Ui为节点i的电压;Gij+jBij为节点i、j之间的导纳;δij为节点i、j之间的电压相角差,δij=δi-δj,Gij为节点i、j之间的电导,Bij为节点i、j之间的电纳;PGi为发电机有功功率;QGi为发电机无功功率;PLDi为负荷有功功率;QLDi为负荷无功功率;
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,以至忽略其二阶及以上的各项,则式3可以展开化简为:
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Jx、Ju、Jp,则有
JxΔx+JuΔu+JpΔp=0(5)
上式称为灵敏度方程,由该式可解出状态变量的偏离值:
式中,两者均称为灵敏度矩阵。
2.根据权利要求1所述的针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法,其特征在于,所述步骤二计算包含所研究节点功率或电压灵敏度信息的雅可比矩阵具体为:
设J为系统极坐标形式的全阶雅可比矩阵,ΔY和ΔX分别为系统注入变化量和状态变化量,将ΔY分成两部分,即ΔY=[ΔYIΔYN]T,对应的ΔX则变为ΔX=[ΔXIΔXN]T,其中,ΔYI和ΔXI分别为被控风电场接入地区节点,包括风电场出口节点和接入点,注入变化量和状态变化量;ΔYN和ΔXN分别为其余节点的注入变化量和状态变化量,相应地将J划分为4部分,即:
系统注入量和状态变化量之间的关系为:
设ΔYN=0,即实际注入量只包含ΔYI,则由式8可推出:
JNN非奇异,则通过矩阵变化可以消去ΔXN,从而可得:
对JSI求逆,可以得到下面的关系式:
有被控风电场接入点地区节点之间的关系为:
式中:ΔUW和ΔθW分别为风电场出口节点的电压和相角变化向量;
ΔUC和ΔθC分别为接入点的电压和相角变化向量;ΔPW和ΔQW分别为风电场出口节点注入有功、无功变化向量;ΔPC和ΔQC分别为接入点注入有功、无功变化向量;在风电场接入地区的主要注入量为风电场输出的有功和无功功率,若只考虑无功功率对电压的作用,则由式(1)和式(2)可得第i个接入点电压关于第j个风电场输出无功功率变化的灵敏度关系为:
S1=A2m+n+1,m+n+j(14)
第j个风电场出口电压关于自身输出无功功率变化的灵敏度关系为:
S2=Am+j,m+n+j(15)。
3.根据权利要求2所述的针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法,其特征在于,所述步骤三灵敏度控制具体为:
将鼠笼机组等效为PQ节点,双馈机组和永磁直驱机组等效为PV节点;
根据高压电网元件特性,有下列PQ分解法的Q-V迭代方程:
ΔQ=-B″ΔV(16)
式(16)中包括PV节点,式(16)表明,节点无功变化与电压幅值变化强相关,B”为研究区域的导纳矩阵;
对式(16)B”求逆可得节点之间无功电压的灵敏度关系:
ΔV=SΔQ(17),
S为灵敏度矩阵。
4.根据权利要求3所述的针对规模化风电的无功电压控制灵敏度分析方法,其特征在于,所述B”求解包括:
由于发电厂PV节点具有保持电压恒定的控制特性,进行B”求逆计算控制灵敏度时,计及PV节点物理意义即PV节点保持电压恒定的控制特性类似恒压源,表明PV节点对地导纳为极大值,在PV节点对应B”对角元上置极大值;
对于装设可投切无功补偿装置变电站节点,进行B”求逆计算控制灵敏度时,该节点不采用PQ节点模型,而是根据电容或电抗器容量修正节点对地导纳。
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