CN104348166A

CN104348166A - 一种适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法

Info

Publication number: CN104348166A
Application number: CN201410550500.2A
Authority: CN
Inventors: 王彬; 王丰; 郭庆来; 吴涛; 孙宏斌; 金海峰; 陈之栩; 张涛; 汤磊; 刘苗; 张伯明; 李煊
Original assignee: Tsinghua University; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jibei Electric Power Co Ltd; North China Grid Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jibei Electric Power Co Ltd; North China Grid Co Ltd
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104348166B

Abstract

本发明涉及一种适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法，属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域。本方法对当前电网的风电功率波动情况进行评估，若风电处于快速波动时期，则启动敏捷控制，启用敏捷控制模型，并将控制周期缩短为1分钟；若风电处于波动平缓时期，则启动常规控制，并采用5分钟的常规控制周期。本发明适应目前风力发电的快速波动化以及风力发电接入的无功电压自动控制需求。本方法可集成在调度中心运行的风力发电自动电压控制主站系统中，使该系统能够实时根据风力发电运行状态和电网运行状态，实施最适宜的无功电压控制策略，以实现不同的电网安全、优质、经济的控制需求。

Description

一种适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法

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,特别涉及一种适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法。

背景技术

风资源的强随机性、预测困难、反调峰等特点使得电网调度和控制愈加困难，风电汇集区域由于缺乏强无功电源支撑，电网电压随风电有功功率波动变化较大，如何挖掘风电场的无功电压调节能力，抑制风电有功波动对电网电压的影响，支撑风电汇集区域电网电压，是目前各个风力发电基地所在电网面临的共同挑战之一。

目前，运行于控制中心的自动电压控制(Automatic Voltage Control,AVC)系统协调控制电网内的无功资源，对保障电力系统的安全、优质、经济运行发挥了重要作用。传统的AVC系统采用了定周期(典型为5分钟)的控制方式，无法有效适用风电的快速波动。

发明内容

本发明的目的是为克服已技术的不足之处，提出一种适应风电功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法，对当前电网的风电功率波动情况进行评估，若风电处于快速波动时期，则启动敏捷控制，启用敏捷控制模型，并将该控制周期缩短；若风电处于波动平缓时期，则启动常规控制，并采用常规控制周期。本发明适应目前风力发电的快速波动化以及风力发电接入的无功电压自动控制需求。

本发明提出的适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法，包括以下步骤：

1)设置风电汇集区域的自动电压控制系统的数据采集间隔为T_g,常规自动电压控制的控制周期为T_c ⁰，其中T_g和T_c ⁰由运行人员以参数设置的方式人工输出，T_g的取值范围是10～40秒，T_c ⁰的取值范围是2～8分钟；设置常规自动电压控制模式和敏捷电压控制模式两种；常规电压控制模式的控制周期为T_c＝T_c ⁰；敏捷电压控制的控制周期为T_c ^m＝2T_g；

2)从数据库中获取上一次数据采集时刻为t_c，设当前执行电压控制的时刻为t，延时等待，直到t>t_c+T_g，启动一次数据采集，转3)；

3)对所有风电汇集区域进行逐个扫描，设第i个风电汇集区域在第t时刻的风电总有功出力为在第t-T_g时刻的风电总有功出力为则对控制模式进行判定如下：

3.1)若|则启动常规自动电压控制模式，转4)；

3.2)若则启动敏捷电压控制模式，转6)；

其中，为判定第i个风电汇集区域电压波动是否剧烈的门槛，取值范围是第i个风电汇集区域风电场总容量的5％～20％；

完成对所有风电汇集区域的扫描后，转8)；

4)在常规自动电压控制模式中，若t<t_c+T_c,则表明尚未到达常规电压控制周期，转2)，否则转5)；

5)建立并求解由目标函数和约束条件组成的常规电压控制的控制模型：

5.1)构造加权多目标函数：

\min_{Δ Q_{g}, Δ Q_{w}} (W^{p} \cdot {| | V_{p}^{set} - V_{p}^{real} - S_{pg} Δ Q_{g}^{i} - S_{pw} Δ Q_{w}^{i} | |}^{2} + W^{q} \cdot \underset{j &Element; Ω^{g}}{Σ} {(\frac{Q_{g}^{j, \max} - Q_{g}^{j, curr} - Δ Q_{g}^{j}}{Q_{g}^{j, \max} - Q_{g}^{j, \min}})}^{2} + W^{q} · \underset{k &Element; Ω^{w}}{Σ} {(\frac{Q_{w}^{k,max} - Q_{w}^{k, curr} - Δ Q_{w}^{k}}{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, \min}})}^{2}) - - - (1)

式(1)中，为第i个风电汇集区域中传统发电机的无功调整量组成的向量，为第i个风电汇集区域中风电场的无功调整量组成的向量，Ω^g为该风电汇集区域内参与自动电压控制的传统发电机集合，Ω^w为该风电汇集区域内参与自动电压控制的风电场集合，W^p为中枢母线电压偏差最小的目标权重，取值范围为5～20，W^q为传统发电机组和风电机组无功出力均衡的目标权重，取值范围为0.05～0.5，为中枢母线电压设定值，由运行人员离线指定，为中枢母线电压的实测值，S_pg为传统发电机的无功功率对中枢母线电压的调整灵敏度，S_pw为风电场的无功功率对中枢母线电压的调整灵敏度，分别为第j台发电机的无功上限，无功当前值，无功下限以及无功调节值，其中，和来源于设备参数，来源于电网实测数据，分别为第k个风电场的无功上限，无功当前值，无功下限以及无功调节值，其中，和来源于风电场AVC子站上送的实时数据，来源于电网实测数据；

5.2)约束条件为：

5.2.1)风电汇集区域内第j个发电机的无功约束：

Q_{g}^{j, \max} \leq Q_{g}^{j, curr} + Δ Q_{g}^{j} \leq Q_{g}^{j, \min} - - - (2)

5.2.2)风电汇集区域内第k个风电场的无功约束：

Q_{w}^{k, \max} \leq Q_{w}^{k, curr} + Δ Q_{w}^{k} \leq Q_{w}^{k, \min} - - - (3)

5.2.3)风电汇集区域内第n个节点的电压约束:

{\underset{&OverBar;}{V}}_{n} \leq V_{n}^{real} + S_{vg}^{n} Δ Q_{g}^{i} + S_{vw}^{n} Δ Q_{w}^{i} \leq {\overset{&OverBar;}{V}}_{n} - - - (4)

其中， V _n、分别为第n个节点电压的实测值、电压上限和电压下限，电压上限和电压下限由运行人员离线指定，分别为传统发电机和风电场的无功对第n个节点电压的调整灵敏度，n∈Ω_N，Ω_N是系统中所有节点的集合；

5.2.4)风电汇集区域内第m个发电厂高压侧母线电压的调节步长约束：

| S_{gg}^{m} Δ Q_{g}^{i} + S_{gw}^{m} Δ Q_{w}^{i} | \leq Δ V_{g}^{h, m} - - - (5)

其中，分别为传统发电机和风电场的无功对第m个发电厂高压侧母线电压的调整灵敏度，为第m个发电厂高压侧母线的电压调节步长，取值范围为1‐2kV；

5.2.5)风电汇集区域内第q个风电场高压侧母线电压的调节步长约束：

| S_{wg}^{q} Δ Q_{g}^{i} + S_{ww}^{q} Δ Q_{w}^{i} | \leq Δ V_{w}^{h, q} - - - (6)

其中，分别为传统发电机和风电场的无功对第q个风电场高压侧母线电压的调整灵敏度，为第q个风电场高压侧母线的电压调节步长，取值为2～4kV；

5.3)通过内点法求解由(5.1)-(5.2)构成的常规电压控制的控制模型，得到第i个风电汇集区域中各发电机无功出力的调整量和风电场无功出力的调整量

5.4)i＝i+1，转3)；

6)执行敏捷电压控制模式，若t<t_c+T_c ^m,则表明尚未到达该控制模式的控制周期，转2)，否则转7)；

7)建立并求解由目标函数和约束条件组成的敏捷电压控制的控制模型：

7.1)构造加权多目标函数：

\min_{Δ Q_{w}} (W^{p} \cdot {| | Δ Q_{w}^{i} | |}^{2} + W^{q} \cdot \underset{k &Element; Ω^{w}}{Σ} {(\frac{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, curr} - Δ Q_{w}^{k}}{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, \min}})}^{2}) - - - (7)

7.2)约束条件为：

7.2.1)风电汇集区域内第k个风电场的无功约束：

Q_{w}^{k, \max} \leq Q_{w}^{k, curr} + Δ Q_{w}^{k} \leq Q_{w}^{k, \min} - - - (8)

7.2.2)风电汇集区域内第n个节点的电压约束:

{\underset{&OverBar;}{V}}_{n} \leq V_{n}^{real} {+ S}_{vw}^{n} Δ Q_{w}^{i} \leq {\overset{&OverBar;}{V}}_{n} - - - (9)

7.2.3)风电汇集区域内第q个风电场高压侧母线电压的调节步长约束：

| S_{ww}^{q} Δ Q_{w}^{i} | \leq Δ V_{w}^{h, q} - - - (10)

7.2.4)风电汇集区域内第o条中枢母线电压的控制死区约束：

| {V_{p}^{o, real} + S}_{pw}^{o} Δ Q_{w}^{i} - V_{p}^{o, set} | \leq Δ V_{p}^{dead} - - - (11)

其中，为风电汇集区域中枢母线电压的控制死区，一般由人工指定，典型取舍为0.5kV，是第i个风电汇集区域的中枢母线的集合，是风电场的无功功率对第o个中枢母线电压的调整灵敏度；

7.3)通过内点法求解(7.1)-(7.2)构成的敏捷电压控制的控制模型，得到各风电场无功出力的调整量并置各传统发电机的无功出力调整量为0；

7.4)i＝i+1，转3)；

8)根据步骤(5)或步骤(7)计算结果，得到各风电汇集区域中各传统电厂和风电场的高压侧母线电压调整量，设第i个风电汇集区域，则有：

\{\begin{matrix} Δ V_{w}^{i} = S_{wg} Δ Q_{g}^{i} + S_{ww} Δ Q_{w}^{i} \\ Δ V_{g}^{i} = S_{gg} Δ Q_{g}^{i} + S_{gw} Δ Q_{w}^{i} \end{matrix} - - - (12)

其中，为风电场高压侧母线电压的调整量，为传统电厂高压侧母线电压的调整量，和分别为各传统发电机无功出力调整量和各风电场无功出力调整量对风电场高压侧母线电压变化量的灵敏度矩阵，和分别为各传统发电机无功出力调整量和各风电场无功出力调整量对传统电厂高压侧母线电压变化量的灵敏度矩阵；

将所述母线电压调整量和转换为相应的电压控制指令并分别下发执行；

9)等待下一次的数据采集时刻，转2)。

本发明提出的适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法，其优点是：

本方法对当前电网的风电功率波动情况进行评估，若风电处于快速波动时期，则启动敏捷控制，启用敏捷控制模型，并将控制周期缩短为1分钟；若风电处于波动平缓时期，则启动常规控制，并采用5分钟的常规控制周期。本发明适应目前风力发电的快速波动化以及风力发电接入的无功电压自动控制需求。本方法可集成在调度中心运行的风力发电自动电压控制主站系统中，使该系统能够实时根据风力发电运行状态和电网运行状态，实施最适宜的无功电压控制策略，以实现不同的电网安全、优质、经济的控制需求。

具体实施方式

本发明提出的适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法结合实施例详细说

明如下：

1)设置风电汇集区域的自动电压控制系统的数据采集间隔为T_g,常规自动电压控制的控制周期为T_c ⁰，其中T_g和T_c ⁰由运行人员以参数设置的方式人工输出，T_g的取值范围是10～40秒，T_c ⁰的取值范围是2～8分钟，本实施例取值为：T_g＝30秒，T_c ⁰＝5分钟；设置常规自动电压控制模式和敏捷电压控制模式两种；常规电压控制模式的控制周期为T_c＝T_c ⁰；敏捷电压控制的控制周期为T_c ^m＝2T_g；

3.1)若则启动常规自动电压控制模式，转4)；

3.2)若|则启动敏捷电压控制模式，转6)；

其中，为判定第i个风电汇集区域电压波动是否剧烈的门槛，取值范围是第i个风电汇集区域风电场总容量的5％～20％，本实施例取值为10％；

完成对所有风电汇集区域的扫描后，转8)；

5.1)构造加权多目标函数：

\min_{Δ Q_{g}, Δ Q_{w}} (W^{p} \cdot {| | V_{p}^{set} - V_{p}^{real} - S_{pg} Δ Q_{g}^{i} - S_{pw} Δ Q_{w}^{i} | |}^{2} + W^{q} \cdot \underset{j &Element; Ω^{g}}{Σ} {(\frac{Q_{g}^{j, \max} - Q_{g}^{j, curr} - Δ Q_{g}^{j}}{Q_{g}^{j, \max} - Q_{g}^{j, \min}})}^{2} + W^{q} · \underset{k &Element; Ω^{w}}{Σ} {(\frac{Q_{w}^{k,max} - Q_{w}^{k, curr} - Δ Q_{w}^{k}}{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, \min}})}^{2}) - - - (1)

其中，为第i个风电汇集区域中传统发电机的无功调整量组成的向量，为第i个风电汇集区域中风电场的无功调整量组成的向量，Ω^g为该风电汇集区域内参与自动电压控制的传统发电机集合，Ω^w为该风电汇集区域内参与自动电压控制的风电场集合，W^p为中枢母线电压偏差最小的目标权重(由人工指定，取值范围为5～20，本实施例取值为10)，W^q为传统发电机组和风电机组无功出力均衡的目标权重(由人工指定，取值范围为0.05～0.5，本实施例取值为0.1)，为中枢母线电压设定值(由运行人员离线指定)，为中枢母线电压的实测值，S_pg为传统发电机的无功功率对中枢母线电压的调整灵敏度，S_pw为风电场的无功功率对中枢母线电压的调整灵敏度，分别为第j台发电机的无功上限，无功当前值，无功下限以及无功调节值，其中，和来源于设备参数，来源于电网实测数据，分别为第k个风电场的无功上限，无功当前值，无功下限以及无功调节值，其中，和来源于风电场AVC子站上送的实时数据，来源于电网实测数据；

5.2)约束条件为：

5.2.1)风电汇集区域内第j个发电机的无功约束：

Q_{g}^{j, \max} \leq Q_{g}^{j, curr} + Δ Q_{g}^{j} \leq Q_{g}^{j, \min} - - - (2)

5.2.2)风电汇集区域内第k个风电场的无功约束：

Q_{w}^{k, \max} \leq Q_{w}^{k, curr} + Δ Q_{w}^{k} \leq Q_{w}^{k, \min} - - - (3)

5.2.3)风电汇集区域内第n个节点的电压约束:

{\underset{&OverBar;}{V}}_{n} \leq V_{n}^{real} + S_{vg}^{n} Δ Q_{g}^{i} + S_{vw}^{n} Δ Q_{w}^{i} \leq {\overset{&OverBar;}{V}}_{n} - - - (4)

| S_{gg}^{m} Δ Q_{g}^{i} + S_{gw}^{m} Δ Q_{w}^{i} | \leq Δ V_{g}^{h, m} - - - (5)

其中，分别为传统发电机和风电场的无功对第m个发电厂高压侧母线电压的调整灵敏度，为第m个发电厂高压侧母线的电压调节步长，一般由运行人员人工指定，本实施例取值范围为1‐2kV；

| S_{wg}^{q} Δ Q_{g}^{i} + S_{ww}^{q} Δ Q_{w}^{i} | \leq Δ V_{w}^{h, q} - - - (6)

其中，分别为传统发电机和风电场的无功对第q个风电场高压侧母线电压的调整灵敏度，为第q个风电场高压侧母线的电压调节步长，一般由运行人员人工指定，本实施例取值为2～4kV。

5.4)i＝i+1，转3)；

7.1)构造加权多目标函数：

\min_{Δ Q_{w}} (W^{p} \cdot {| | Δ Q_{w}^{i} | |}^{2} + W^{q} \cdot \underset{k &Element; Ω^{w}}{Σ} {(\frac{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, curr} - Δ Q_{w}^{k}}{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, \min}})}^{2}) - - - (7)

7.2)约束条件为：

7.2.1)风电汇集区域内第k个风电场的无功约束：

Q_{w}^{k, \max} \leq Q_{w}^{k, curr} + Δ Q_{w}^{k} \leq Q_{w}^{k, \min} - - - (8)

7.2.2)风电汇集区域内第n个节点的电压约束:

{\underset{&OverBar;}{V}}_{n} \leq V_{n}^{real} {+ S}_{vw}^{n} Δ Q_{w}^{i} \leq {\overset{&OverBar;}{V}}_{n} - - - (9)

| S_{ww}^{q} Δ Q_{w}^{i} | \leq Δ V_{w}^{h, q} - - - (10)

7.2.4)风电汇集区域内第o条中枢母线电压的控制死区约束：

| {V_{p}^{o, real} + S}_{pw}^{o} Δ Q_{w}^{i} - V_{p}^{o, set} | \leq Δ V_{p}^{dead} - - - (11)

7.4)i＝i+1，转3)；

\{\begin{matrix} Δ V_{w}^{i} = S_{wg} Δ Q_{g}^{i} + S_{ww} Δ Q_{w}^{i} \\ Δ V_{g}^{i} = S_{gg} Δ Q_{g}^{i} + S_{gw} Δ Q_{w}^{i} \end{matrix} - - - (12)

9)等待下一次的数据采集时刻，转2)。

本发明提出的适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法，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。

本发明中涉及的自动电压控制(AVC)主站是电力系统无功电压调整和控制的一种功能或者装置，是电网调度自动化的主要内容之一，AVC主站利用位于控制中心的监控计算机、通讯通道、和位于厂站端的自动化控制装置等组成的闭环控制系统，通过控制传统水/火电厂、变电站、风电场等厂站的无功出力，保证电网的安全、优质、经济运行。

Claims

1.一种适应风功率波动的风电汇集区域自动电压控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3.1)若则启动常规自动电压控制模式，转4)；

3.2)若则启动敏捷电压控制模式，转6)；

完成对所有风电汇集区域的扫描后，转8)；

5.1)构造加权多目标函数：

\min_{{ΔQ}_{g}, Δ Q_{w}} (W^{p} \cdot {| | V_{p}^{set} - V_{p}^{real} - S_{pg} {ΔQ}_{g}^{i} - S_{pw} Δ Q_{w}^{i} | |}^{2} + W^{q} \cdot \underset{{j &Element; Ω}^{g}}{Σ} {(\frac{Q_{g}^{j, \max} - Q_{g}^{j, curr} - {ΔQ}_{g}^{j}}{Q_{g}^{j, \max} - Q_{g}^{j, \min}})}^{2} + W^{q} \cdot \underset{{k &Element; Ω}^{w}}{Σ} {(\frac{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, curr} - {ΔQ}_{w}^{k}}{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, \min}})}^{2}) - - - (1)

5.2)约束条件为：

5.2.1)风电汇集区域内第j个发电机的无功约束：

Q_{g}^{j, \max} \leq Q_{g}^{j, curr} + {ΔQ}_{g}^{j} \leq Q_{g}^{j, \min} - - - (2)

5.2.2)风电汇集区域内第k个风电场的无功约束：

Q_{w}^{k, \max} \leq Q_{w}^{k, curr} + {ΔQ}_{w}^{k} \leq Q_{w}^{k, \min} - - - (3)

5.2.3)风电汇集区域内第n个节点的电压约束:

{\underset{&OverBar;}{V}}_{n} \leq V_{n}^{real} + S_{vg}^{n} Δ Q_{g}^{i} + S_{vw}^{n} Δ Q_{w}^{i} \leq {\overset{&OverBar;}{V}}_{n} - - - (4)

{| S}_{gg}^{m} {ΔQ}_{g}^{i} + S_{gw}^{m} {ΔQ}_{w}^{i} | \leq {ΔV}_{g}^{h, m} - - - (5)

{| S}_{wg}^{q} {ΔQ}_{g}^{i} + S_{ww}^{q} {ΔQ}_{w}^{i} | \leq {ΔV}_{w}^{h, q} - - - (6)

5.4)i＝i+1，转3)；

6)执行敏捷电压控制模式，若则表明尚未到达该控制模式的控制周期，转2)，否则转7)；

7.1)构造加权多目标函数：

\min_{Δ Q_{w}} (W^{p} \cdot {| | Δ Q_{w}^{i} | |}^{2} + W^{q} \cdot \underset{{k &Element; Ω}^{w}}{Σ} {(\frac{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, curr} - {ΔQ}_{w}^{k}}{Q_{w}^{k, \max} - Q_{w}^{k, \min}})}^{2}) - - - (7)

7.2)约束条件为：

7.2.1)风电汇集区域内第k个风电场的无功约束：

Q_{w}^{k, \max} \leq Q_{w}^{k, curr} + {ΔQ}_{w}^{k} \leq Q_{w}^{k, \min} - - - (8)

7.2.2)风电汇集区域内第n个节点的电压约束:

{\underset{&OverBar;}{V}}_{n} \leq V_{n}^{real} + S_{vw}^{n} Δ Q_{w}^{i} \leq {\overset{&OverBar;}{V}}_{n} - - - (9)

{| S}_{ww}^{q} {ΔQ}_{w}^{i} | \leq {ΔV}_{w}^{h, q} - - - (10)

7.2.4)风电汇集区域内第o条中枢母线电压的控制死区约束：

{| V}_{p}^{o, real} {+ S}_{pw}^{o} {ΔQ}_{w}^{i} - V_{p}^{o, set} | \leq {ΔV}_{p}^{dead} - - - (11)

7.4)i＝i+1，转3)；

\{\begin{matrix} {ΔV}_{w}^{i} = S_{wg} Δ Q_{g}^{i} + S_{ww} {ΔQ}_{w}^{i} \\ Δ V_{g}^{i} = S_{gg} Δ Q_{g}^{i} + S_{gw} Δ Q_{w}^{i} \end{matrix} - - - (12)

其中，为风电场高压侧母线电压的调整量，为传统电厂高压侧母线电压的调整量，S_wg和S_ww分别为各传统发电机无功出力调整量和各风电场无功出力调整量对风电场高压侧母线电压变化量的灵敏度矩阵，S_gg和S_gw分别为各传统发电机无功出力调整量和各风电场无功出力调整量对传统电厂高压侧母线电压变化量的灵敏度矩阵；

9)等待下一次的数据采集时刻，转2)。