CN104638654A - 兼顾风电场和网络节点电压调节的statcom控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，具体包括以下步骤：(1)当电网配备有多个STATCOM时，对各个STATCOM的调节范围进行分区；(2)对分区后的单个STATCOM管辖范围内的局部网络节点调控无功，使得最大限度保障区域内节点电压不越限；(3)寻找STATCOM的最优电压整定值，使得网络节点电压平均波动率最低。本发明与传统的面向风电场接入点电压调节策略相比，能够实现降低全网节点电压波动，提高网络节点电压水平，从而提高网络运行质量的目的，同时有效利用了STATCOM快速反应的特点，增强了电网的健壮性和安全性，实现了兼顾电网电压波动与风电场出口侧波动调节的目标。

Description

兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法

技术领域

本发明涉及风电场无功电压调节技术，具体涉及一种兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCON控制方法。

背景技术

当前，风力发电技术的发展越来越迅速，随着风力发电的普及以及容量的不断增加，风力发电导致的电网电压波动问题日趋严重。目前，为了有效抑制风速的波动性带来的电压波动，通常在风电场出口侧母线加装STATCOM。一般的STATCOM电压控制策略跟踪风电场出口侧电压，迅速输出或吸收无功以平抑电压波动，然而该策略只考虑了风电场出口侧的电压波动，没有考虑到全网的电压波动和质量，尤其在配电网辐射型的结构下，不仅要考虑到风电场出口侧的电压质量，同时要兼顾线路其他节点的电压波动，提高全网的电压水平，以达到最优的STATCOM无功补偿效果。为了进一步有效抑制网络节点的电压波动以及更好的利用风电场出口侧STATCOM容量，需要研究一种兼顾风电场与网络节点电压调节的STATCOM控制方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法。

技术方案：本发明的一种兼顾风电场和网路节点电压调节的STATCOM控制方法，具体包括以下步骤：

(1)当电网配备有多个STATCOM时，针对节点电压的波动，对各个STATCOM的调节范围进行分区，采用分区处理能够避免对所有STATCOM进行电压调节，提高工作效率；

(2)对分区后的单个STATCOM管辖范围内的局部网络节点，采用基于节点电压越限的电压控制法，收集节点的电压数据并通过依据算法调整来调控无功，使得最大限度保障区域内节点电压不越限，其中，为目标电压整定值；

(3)依据目标函数寻找STATCOM的最优电压整定值U_sbest，使得网络节点电压平均波动率最低。

进一步的，所述步骤(1)中采用节点电压灵敏度来表示STATCOM对于全网节点电压的影响因子，并采用模糊聚类法对各个STATCOM的调节范围进行分区，确定各个STATCOM的调节范围。

其中，采用模糊聚类法对各个STATCOM的调节范围进行分区的具体过程如下：

节点电压灵敏度主要用来衡量节点i无功变化对于节点j电压波动的影响，通常采用牛顿拉夫逊法中雅克比矩阵元素来表示。在采用极坐标方式表示牛顿拉夫逊法的迭代方程为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}\\ \mathrm{\ΔQ}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{cc}H& N\\ K& L\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\θ}\\ \mathrm{\ΔU}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：△P和△Q分别为节点有功和无功功率不平衡量，H、N、J、L分别为△P和△Q对节点电压相角和幅值的偏导数向量，△θ为节点电压相角的修正量，△U为节点电压幅值修正量。

其中L矩阵表达式为

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{ij}}=-U_i(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos )(i\≠j)\\ L_{\mathrm{ij}}=-\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})+2U_i{B}_{\mathrm{ii}}(i=j)\end{array}\right.---\left(2\right)$

本发明主要关注并入风电场出口侧的STATCOM无功变化对其他节点电压变化的灵敏度，该灵敏度由L矩阵组成，即

△Q_i＝-L_ij△U_j                (3)

令α_ij＝-L_ij为节点i无功变化对节点j电压的灵敏度，则有

△Q_i＝α_ij△U_j                 (4)

面对含多个风电场和STATCOM的节点网络，基于已经获得的节点功率参数、电压参数和网络线路参数，进行全网稳态潮流计算，形成迭代完成后的雅可比矩阵，可以获得并入STATCOM的节点对于全网各节点的电压灵敏度。对于辐射状的配电网网络牛顿拉夫逊法可能无法快速收敛的问题，则对于L矩阵稍作修正以适应配电网的结构特点，采用前推回代算法对于含风电机组的配电网进行潮流计算后，获取迭代后的系统节点的电压幅值与相角信息，代入(2)式中可以求取L矩阵中相应的灵敏度因子。

电压控制的分区问题可以描述成一种典型的聚类问题。由于电压灵敏度刻画了节点与节点间相关度的关系，属于模糊关系。因此针对获得的全网电压灵敏度，采用模糊聚类算法进行分区处理，其处理过程如下：

(1)由灵敏度L矩阵可以获得模糊聚类算法的初始数据矩阵，即对于电网内n个节点U＝{x₁,x₂,…,x_n}为被分类对象，每个对象又有m个指标，表示其与m个STATCOM的电压灵敏度，即

x_i＝{x_i1,x_i2,…,x_im}＝{α_i1,α_i2,…,α_im} (i＝1,2,…,n)       (5)

于是，得到原始数据矩阵为

$\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\α}}_{11}& {\mathrm{\α}}_{12}& ...& {\mathrm{\α}}_{1m}\\ {\mathrm{\α}}_{21}& {\mathrm{\α}}_{22}& ...& {\mathrm{\α}}_{2m}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ {\mathrm{\α}}_{n1}& {\mathrm{\α}}_{n2}& ...& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{nm}}\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中α_nm表示第n个分类节点与第m个STATCOM的节点电压灵敏度。

(2)依据原始数据矩阵确定相似系数，建立模糊相似矩阵，x_i与x_j的相似程度r_ij＝R(x_i,x_j)。确定r_ij的方法采用标准的欧氏距离来表示节点i和节点j之间的电气距离：

$d(x_i,x_j)=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jk}})}^2}---\left(7\right)$

由此获得节点模糊相似矩阵R，根据矩阵R还要求其改造称模糊等价矩阵R⁽¹⁾。用二次方法求R的传递闭包，即t(R)＝R⁽¹⁾。如果R⁽¹⁾＝R,则R⁽¹⁾就为模糊等价矩阵，否则，将R⁽¹⁾平方，记为R⁽²⁾，继续判断R⁽²⁾是否等于R⁽¹⁾，直到R⁽ⁱ⁾＝R^(i-1)，取R⁽ⁱ⁾为模糊等价矩阵，其中的数值代表了节点间的电气距离。

(3)对模糊等价矩阵R⁽ⁱ⁾进行聚类合并，即将模糊等价矩阵R⁽ⁱ⁾中出现的数值按大小进行排列，形成递减的数列，即隶属度λ＝{λ₁,λ₂,…,λ_M}。随着λ的减小，分类个数将逐渐减少，当λ＝λ₁时，节点各属一类，即分区个数为M，当λ＝λ_M时，所有节点归为一类，即分区个数为1。将隶属度λ_i和与其对应的分区数目做成曲线，绘出动态聚类图。考虑到需要形成与m个STATCOM相对应的区域控制图，则分区个数为m个所对应的隶属度λ_i为最终隶属度，而隶属区间(λ_i+1,λ_i]即为划分区域得到STATCOM各自控制分区的范围。

进一步的，所述步骤(2)中控制节点电压不越限的具体过程为：

通过检测网络节点电压的波动趋势来判断STATCOM整定值的调节方向，并通过逐步缩小步长的方式改变的整定值；

其中， $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{sref}}^t=\frac{|{\mathrm{\ϵ}}_{\max }-\mathrm{\Δ}{U}_{\max }^t|}{\mathrm{\Δ}{U}_{\max }^t}\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\Δt}}\\ U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{sref}}^t\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)中，ε_max为电网电压最大偏差值，△t为STATCOM调节周期，为上一次STATCOM整定值变化引起的网络节点电压最大变化量，即：

$\mathrm{\Δ}{U}_{\max }^t=\max \left\{\right|\mathrm{\Δ}{U}_1^t|,|\mathrm{\Δ}{U}_2^t|,...|\mathrm{\Δ}{U}_i^t\left|\right\}---\left(9\right)$

式(9)中，为节点i的电压与电压标准值的偏差值。

且上述STATCOM整定值调节的具体过程为：

(21)采集各个节点电压值并与节点电压参考值做差获取t时刻i节点电压偏差量同时，采集风电场有功变化量和无功变化量 和分别指t时刻的节点电压值和电压参考值，为t时刻i节点接入的风电场有功和无功出力值；

(22)考察风电场有功无功出力变化与各个节点的电压偏差量：若由于风机出力变化或者外部电网波动导致节点电压偏差量即超出该电网对于电压不超过±ε_max的要求，启动STATCOM无功调节，否则经过△t的检测周期后转步骤(21)继续检测网络节点电压信息和风电场有功和无功出力信息；

(23)若且即该节点电压具有下降趋势，则上调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{sref}}^t;$

若且即该节点电压具有上升趋势，则下调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\Δt}}-\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{sref}}^t;$

然后检测是否满足条件，满足转步骤(25)，否则转步骤(24)，其中为STATCOM的调节步长，该调节步长随网络节点的电压变化而变化；

(24)若经过单次STATCOM整定值调节，目标节点仍不能回归电压偏差限内，则需要进行连续STATCOM整定值调节，逐次修改以及STATCOM整定值即重复步骤(21)～(23)直至目标节点电压误差然后停止调节接着转至步骤(25)；若在对于目标节点调节过程中，STATCOM无功输出达到无功输出或吸收的容量上限Q_smax，则停止整定值的改变，维持上一周期的值，同时转至步骤(25)；

(25)当风机出力和节点电压的变化较大时，控制策略优先保证STATCOM控制范围内节点均满足条件，即重复进行步骤(21)～(24)进而保证电压不越限；

当风机出力和节点电压的变化趋于平稳，即满足 和条件，则转为寻找全网最小电压波动率的优化控制。

进一步的，所述步骤(3)中控制网络节点电压波动率最小时，首先以区域网络的平均电压波动率作为优化目标，控制变量为STATCOM的目标电压整定值然后对目标节点的电压以及风机出力进行监控，最后在保证区域内节点电压不越限的基础上，通过寻找最优电压整定值使得STATCOM控制区域内节点电压平均波动率最小；

为了表征电网的电压波动，定义全网节点电压波动率：

$\mathrm{\σ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|U_i^t-U_{\mathrm{ref}}^t|}{m}*100\%---\left(10\right)$

式中：m为STATCOM调控区域内的节点个数，为第i个节点在t时刻的电压，为t时刻系统参考电压，通常设置为1.0p.u.。

其中，寻找最小电压波动率的目标函数如下：

$\min f=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|U_i^t-U_{\mathrm{ref}}^t|}{m}*100\%+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i---\left(11\right)$

式中：m为STATCOM调控区域内的节点个数，为第i个节点在t时刻的电压，为t时刻的系统参考电压，可以设置为1p.u，δ_i为节点电压越界罚函数，保证系统优化过程中不出现节点越限的情况，且：

${\mathrm{\δ}}_i=\left\{\begin{array}{cc}0& \left(\right|\mathrm{\Δ}{U}_i^t|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\max })\\ M& \left(\right|\mathrm{\Δ}{U}_i^t|>{\mathrm{\ϵ}}_{\max })\end{array}\right.---\left(12\right)$

为节点i的电压误差，ε_max为该电网电压最大误差限，M为常数且M>1，同时优化目标函数需要满足一系列约束条件。

该一系列优化目标函数需要满足的约束条件具体为：

潮流方程约束为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i^t=U_i^t\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{U}_j^t(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}^t+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}^t)\\ Q_i^t=U_i^t\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{U}_j^t(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}^t-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}^t)\end{array}\right.---\left(13\right)$

式中：和分别指t时刻注入节点i的有功功率和无功功率，和为t时刻的i节点和j节点的电压，G_ij和B_ij为线路ij的电导和电纳，为t时刻节点i与j的相角差；

风机出力约束为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Gi}\min }\≤{P_{\mathrm{Gi}}}^t\≤P_{\mathrm{Gi}\max }\\ Q_{\mathrm{Gi}\min }\≤{Q_{\mathrm{Gi}}}^t\≤Q_{\mathrm{Gi}\max }\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中：P_Gi ^t、P_Gimin以及P_Gimax分别指双馈异步风电机组在t时刻的有功出力和有功出力上下限，Q_Gi ^t、Q_Gimin以及Q_Gimax分别指双馈异步风电机组在t时刻的无功出力和无功出力上下限；

目标节点电压约束：

$U_{\mathrm{ref}}^t-{\mathrm{\ϵ}}_{\max }\≤U_i^t\≤U_{\mathrm{ref}}^t+{\mathrm{\ϵ}}_{\max }---\left(15\right)$

式(15)中：U_i ^t指t时刻目标节点电压，和ε_max分别为节点母线电压参考值和最大误差限；

STATCOM控制变量约束：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sref}\min }^t\≤U_{\mathrm{sref}}^t\≤U_{\mathrm{sref}\max }^t\\ Q_{s\min }\≤Q_s^t\≤Q_{s\max }\end{array}\right.---\left(16\right)$

式(16)中：和分别为t时刻STATCOM电压整定值和电压整定最低值和最高值，Q_smin和Q_smax分别为t时刻STATCOM无功输出值和STATOCM容量上下限。

进一步的，所述步骤(3)中寻找网络节点电压波动率最小的具体过程为：

(31)采集各个节点电压值并与节点电压参考值做差获取t时刻i节点电压偏差量 $\mathrm{\Δ}{U}_i^t=U_i^t-U_{\mathrm{ref}}^t;$ 采集风电场有功变化量 $\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{Gi}}^t=P_{\mathrm{Gi}}^t-P_{\mathrm{Gi}}^{t-\mathrm{\Δt}}$ 和无功变化量 $\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{Gi}}^t=Q_{\mathrm{Gi}}^t-Q_{\mathrm{Gi}}^{t-\mathrm{\Δt}};$

(32)若且则该节点电压具有下降趋势，然后上调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{sref}}^t;$

若且则该节点电压具有上升趋势，然后下调STATCOM整定值即由此确定最优STATCOM整定值的搜索方向；

(33)最后根据确定的搜索方向，依据目标函数以及优化控制算法寻找网络最小电压波动率所对应的STATCOM整定值

上述步骤(33)中的寻找最小网络节点电压波动率的过程分为粗调和微调两个部分：

所述粗调阶段的过程为：

考虑到系统设备负担，设每次最大探索次数为n_max，设与STATCOM电压参考值相对应的全网电压波动率为f^t，初始步长为假设节点电压具有下降趋势，即依据优化目标函数计算其对应的函数值为f^t+△t，若f^t+△t<f^t，则将作为新的电压参考值，并继续探索；若经过n次探索，f^t+n△t>f^t+(n-1)△t，表示STATCOM电压最优参考值最优整定值搜索转为区间内微调阶段；

所述微调阶段的具体过程为：

通过缩小STATCOM电压参考值步长在)区间寻找最优STATCOM电压整定值，即0<λ<1，例如可以取值为0.5；

λ为步长控制因子，经过多次缩小步长探索，若第k+1次缩小步长时，满足f^{t+(n+k+1)△t}>f^t+(n+k)△t且f^{t+(n+k-1)△t}>f^t+(n+k)△t条件，则选定第k次STATCOM参考电压值为最优参考值U_sbest，即 $U_{\mathrm{sbest}}=U_{\mathrm{sref}}^{t+(n+k)\mathrm{\&Delta;t}}=U_{\mathrm{sref}}^t+{\mathrm{\&lambda;}}^k\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}};$

若持续探索寻找不到最优参考值，则认为第n_max次缩小步长后的STATCOM参考电压值为最优参考值U_sbest，即 $U_{\mathrm{sbest}}=U_{\mathrm{sref}}^{t+n_{\max }\mathrm{\&Delta;t}}=U_{\mathrm{sref}}^t+{\mathrm{\&lambda;}}^{n_{\max }-n}\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}}.$

有益效果：与现有技术相比，本发明依次通过STATCOM控制分区，节点电压越限控制以及基于网络节点电压波动率三个优化控制，实现降低全网节点电压波动，提高网络节点电压水平，从而提高网络运行质量的目的，同时有效利用了STATCOM快速反应的特点，增强了电网的健壮性和安全性，实现了兼顾电网电压波动与风电场出口侧波动的目标。

附图说明

图1为本发明的总体流程图；

图2为本发明中模糊聚类分区的流程图；

图3为本发明中基于节点电压越限的STATCOM控制流程图；

图4为本发明中基于网络节点电压波动率的STATCOM优化控制流程图；

图5为实施例中基于IEEE33节点网络的STATCOM整定值变化图；

图6为本发明与现有技术的效果对比图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的兼顾风电场与网络节点电压调节的STATCOM控制方法分为三个步骤：1.当电网配备中多个STATCOM时，针对节点电压的波动，不需要所有STATCOM参与电压调节，因此需要对各个STATCOM的调节范围作分区处理，以明确各个STATCOM的控制范围，从而达到最佳的全网调节控制效果。2.进行分区处理以后，对于单个STATCOM管辖范围内的局部网络节点，控制方法通过收集节点的电压数据，及时依据算法调整以调控无功，最大限度保障区域内节点电压不越限。3.当步骤2完成以后，网络节点电压回归到最大误差限内，控制方法依据目标函数进一步寻找到STATCOM最优电压整定值U_sbest，该最优整定值使得网络节点电压平均波动率最低。

实施例：下面以配电网IEEE33节点系统为实施例来详细说明本发明。

配电网网络开环运行时共有32条支路，33个节点，全网负荷为3.137+j2.388MVA。在1号、16号以及32号节点各接入一个500kW的风电场，并在16号以及32号风电场出口侧各配备一个容量为2MVA的STATCOM。为了验证本发明的有效性和优越性，考虑风电场负荷波动较大的情形，即三个风电场的风速变化范围均为5m/s～16m/s，变化时间为200s。针对含有两个STATCOM的配电网，本实施例通过以下3个步骤实现兼顾风电场和网络节点电压波动：

1、STATCOM模糊聚类分区，具体过程如图2所示：

(1)面对含两个STATCOM的节点网络，基于已经获得的节点功率参数、电压参数和网络线路参数，进行全网稳态潮流计算。对于辐射状的IEEE33配电网网络牛顿拉夫逊法可能无法快速收敛的问题，采用前推回代算法对于含风电场以及STATCOM的配电网进行潮流计算后，获取迭代后的系统节点的电压幅值与相角信息，代入(2)式中可以求取L矩阵中相应的灵敏度因子。

由灵敏度L矩阵可以获得模糊聚类算法的初始数据矩阵，即对于电网内33个节点U＝{x₁,x₂,…,x₃₃}为被分类对象，每个对象又有2个指标，表示其与2个STATCOM的电压灵敏度，即

x_i＝{x_i1,x_i2}＝{α_i1,α_i2} (i＝1,2,…,33)，

于是，得到原始数据矩阵为

$\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{11}& {\mathrm{\&alpha;}}_{12}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{21}& {\mathrm{\&alpha;}}_{22}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{331}& {\mathrm{\&alpha;}}_{332}\end{array}\right)$

(2)依据原始数据矩阵确定相似系数，建立模糊相似矩阵，x_i与x_j的相似程度r_ij＝R(x_i,x_j)按照式(7)计算。由此获得节点模糊相似矩阵R，根据矩阵R还要求其改造称模糊等价矩阵R⁽¹⁾。用二次方法求R的传递闭包，即t(R)＝R⁽¹⁾。如果R⁽¹⁾＝R,则R⁽¹⁾就为模糊等价矩阵，否则，将R⁽¹⁾平方，记为R⁽²⁾，继续判断R⁽²⁾是否等于R⁽¹⁾，直到R⁽ⁱ⁾＝R^(i-1)，取R⁽ⁱ⁾为模糊等价矩阵，其中的数值仍代表了节点间的电气距离。

(3)对模糊等价矩阵R⁽ⁱ⁾进行聚类合并，即将模糊等价矩阵R⁽ⁱ⁾中出现的数值按大小进行排列，形成递减的数列，即隶属度λ＝{λ₁,λ₂,…,λ_M}。随着λ的减小，分类个数将逐渐减少，当λ＝λ₁时，节点各属一类，即分区个数为M，当λ＝λ_M时，所有节点归为一类，即分区个数为1。将隶属度λ_i和与其对应的分区数目做成曲线，绘出动态聚类图。考虑到需要形成与m个STATCOM相对应的区域控制图，则分区个数为m个所对应的隶属度λ_i为最终隶属度，而隶属区间(λ_i+1,λ_i]即为划分区域得到STATCOM各自控制分区的范围。

根据模糊聚类分别确定了位于节点16的STATCOM管辖范围为节点7～17，位于节点32的STATCOM管辖范围为节点25～32。STATCOM的管辖范围为和自身处于同一馈线上的节点，而其他馈线上的节点电压灵敏度相对较小，没有划入管辖范围中。

2、基于网络电压越限的控制方法具体过程如图3所示：

风电场的风速变化范围为5m/s～16m/s，将导致风电场输出的有功和无功产生较大变化，从而会导致网络节点出现越限。对于管辖范围内节点出现电压越限的情况，本实施例依据以下步骤调节节点电压回归最大误差限以内。

(1)采集各个节点电压值并与节点电压参考值做差获取t时刻i节点电压偏差量，并采集风电场有功变化量和无功变化量。

(2)考察风电场有功无功出力变化与各个节点的电压偏差量，若由于风机出力变化或者外部电网波动导致节点电压偏差量即超出该电网对于电压不超过±ε_max的要求，启动STATCOM无功调节，否则经过△t的检测周期后转步骤(1)继续检测网络节点电压信息和风机出力信息。

(3)若且说明该节点电压具有下降趋势，则上调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}+\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t.$ 相反，若且说明该节点电压具有上升趋势，则下调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}-\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t.$ 检测是否满足 $\left|\mathrm{\&Delta;}{U}_i^t\right|\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\max }$ 条件，满足转步骤(5)，否则转步骤(4)。

(4)若经过单次STATCOM整定值调节，目标节点仍不能回归电压偏差限内，则需要进行连续STATCOM整定值调节。为STATCOM的调节步长，其步长应考虑网络节点的电压变化而变化。依据式(8)逐次修改以及STATCOM整定值重复上述步骤，直至目标节点电压误差则停止调节转步骤(5)。若在对于目标节点调节过程中，STATCOM无功输出达到无功输出或吸收的容量上限Q_smax，则停止整定值的改变，维持上一周期的值，同时转步骤(5)。

(5)当风机出力和节点电压的变化较大时，控制策略优先保证STATCOM控制范围内节点均满足条件，即重复进行1～4步骤保证电压不越限。当风机出力和节点电压的变化趋于平稳，即满足和条件，控制方法转为寻找全网最小电压波动率的优化控制。

3、基于网络节点电压波动率的控制方法目标在于网络节点的电压波动率最小，其具体过程如图4所示：

基于网络节点电压波动率的STATCOM优化控制方法着眼于控制区域内节点平均电压波动最小，控制方法对于目标节点的电压以及风机出力进行监控，在保证区域内节点电压不越限的基础上，在小范围内寻找最优电压整定值使得区域内电压波动最小。其具体步骤如下：

(1)采集各个节点电压值并与节点电压参考值做差获取t时刻i节点电压偏差量 $\mathrm{\&Delta;}{U}_i^t=U_i^t-U_{\mathrm{ref}}^t.$ 采集风电场有功变化量 $\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{Gi}}^t=P_{\mathrm{Gi}}^t-P_{\mathrm{Gi}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}$ 和无功变化量 $\mathrm{\&Delta;}{Q}_{\mathrm{Gi}}^t=Q_{\mathrm{Gi}}^t-Q_{\mathrm{Gi}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}.$

(2)若且说明该节点电压具有下降趋势，则上调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}+\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t.$ 相反，若且说明该节点电压具有上升趋势，则下调STATCOM整定值即由此确定最优STATCOM整定值的探索方向。

(3)寻找最小电压波动率的优化控制基于目标函数式(11)，其搜索过程分为粗调和微调两个部分。考虑到系统设备负担，设每次最大探索次数为n_max，设与STATCOM电压参考值相对应的全网电压波动率为f^t，控制方法给出初始步长假设节点电压具有下降趋势，即依据式(11)计算其对应的函数值为f^t+△t，若f^t+△t<f^t，则将作为新的电压参考值，并继续探索；若经过n次探索，f^t+n△t>f^t+(n-1)△t，表示STATCOM电压最优参考值 $U_{\mathrm{sbest}}\&Element;[U_{\mathrm{sref}}^{t+(n-1)\mathrm{\&Delta;t}},U_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}}),$ 最优整定值搜索转为区间内微调阶段。

(4)微调阶段通过缩小STATCOM电压参考值步长在区间寻找最优STATCOM电压整定值，即0<λ<1。λ为步长控制因子，通常取0.5，也可根据节点电压波动率的变化而适当改变以加快搜索速率。经过多次缩小步长探索，若第k+1次缩小步长时，满足f^{t+(n+k+1)△t}>f^t+(n+k)△t且f^{t+(n+k-1)△t}>f^t+(n+k)△t条件，选定第k次STATCOM参考电压值为最优参考值U_sbest，即 $U_{\mathrm{sbest}}=U_{\mathrm{sref}}^{t+(n+k)\mathrm{\&Delta;t}}=U_{\mathrm{sref}}^t+{\mathrm{\&lambda;}}^k\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}}.$ 若系统持续探索寻找不到最优，则认为第n_max次缩小步长后的STATCOM参考电压值为最优参考值U_sbest，即 $U_{\mathrm{sbest}}=U_{\mathrm{sref}}^{t+n_{\max }\mathrm{\&Delta;t}}=U_{\mathrm{sref}}^t+{\mathrm{\&lambda;}}^{n_{\max }-n}\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}}.$

如图5所示，在本实施例中，随着风电场风速的波动，STATCOM的整定值相应变化，适时调整以保障节点电压不越限，同时在小范围波动寻找最优整定值。

如图6所示，在本实施例中，加入STATCOM之后，节点平均电压迅速提升，电压波动率也迅速下降，采用兼顾风电场与节点电压调节的优化控制策略与传统面向风电场接入点的电压控制策略相比更加具有优势。现有技术的全网节点电压波动率平均值为1.17％，而本实施例的全网节点电压波动率的平均值为0.78％，相比下降了33％。并且在保证风电场出口侧电压不越限的条件下，本发明能够使得全网的节点电压平均水平进一步上升，同时全网节点平均电压波动率进一步下降，可以说本发明达到了兼顾风电场出口侧以及网络节点电压的目的。

Claims (7)

1.一种兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)当电网配备有多个STATCOM时，针对节点电压的波动，对各个STATCOM的调节范围进行分区；

(2)对分区后的单个STATCOM管辖范围内的局部网络节点，采用基于节点电压越限的电压控制策略，收集节点的电压数据并通过依据算法调整以调控STATCOM输出无功，使其最大限度保障区域内节点电压不越限，其中，为STATCOM目标电压整定值；

(3)依据目标函数寻找STATCOM的最优电压整定值U_sbest，使得网络节点电压平均波动率最低。

2.根据权利要求1所述的兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中控制区域内网络节点电压不越限的具体过程为：

通过检测网络节点电压的波动趋势来判断STATCOM整定值的调节方向，并通过逐步缩小步长的方式改变的整定值；

其中， $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t=\frac{|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\max }-\mathrm{\&Delta;}{U}_{\max }^t|}{\mathrm{\&Delta;}{U}_{\max }^t}\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}\\ U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}+\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t\end{array}\right.,$ ε_max为电网电压最大偏差值，△t为STATCOM调节周期，为上一次STATCOM整定值变化引起的网络节点电压最大变化量， $\mathrm{\&Delta;}{U}_{\max }^t=\max \left\{\right|\mathrm{\&Delta;}{U}_1^t|,|\mathrm{\&Delta;}{U}_2^t|,...|\mathrm{\&Delta;}{U}_i^t\left|\right\},$ 为节点i的电压与电压标准值的偏差值。

3.根据权利要求2所述的兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，其特征在于，所述STATCOM整定值调节的具体过程为：

(21)采集各个节点电压值并与节点电压参考值做差获取t时刻i节点电压偏差量 $\mathrm{\&Delta;}{U}_i^t=U_i^t-U_{\mathrm{ref}}^t,$ 同时，采集风电场有功变化量 $\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{Gi}}^t=P_{\mathrm{Gi}}^t-P_{\mathrm{Gi}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}$ 和无功变化量 和分别指t时刻的节点电压值和电压参考值，为t时刻i节点接入的风电场有功和无功出力值；

(22)考察风电场有功无功出力变化与各个节点的电压偏差量：若由于风机出力变化或者外部电网波动导致节点电压偏差量即超出该电网对于电压不超过±ε_max的要求，启动STATCOM无功调节，否则经过△t的检测周期后转步骤(21)继续检测网络节点电压信息和风电场有功和无功出力信息；

(23)若且即该节点电压具有下降趋势，则上调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}+\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t;$

若且即该节点电压具有上升趋势，则下调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}-\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t;$

然后检测是否满足条件，满足转步骤(25)，否则转步骤(24)，其中为STATCOM的调节步长，该调节步长随网络节点的电压变化而变化；

(24)若经过单次STATCOM整定值调节，目标节点仍不能回归电压偏差限内，则需要进行连续STATCOM整定值调节，逐次修改以及STATCOM整定值即重复步骤(21)～(23)直至目标节点电压误差然后停止调节接着转至步骤(25)；若在对于目标节点调节过程中，STATCOM无功输出达到无功输出或吸收的容量上限Q_smax，则停止整定值的改变，维持上一周期的值，同时转至步骤(25)；

(25)当风机出力和节点电压的变化较大时，控制策略优先保证STATCOM控制范围内节点均满足条件，即重复进行步骤(21)～(24)进而保证电压不越限；

当风机出力和节点电压的变化趋于平稳，即满足 和条件，则转为寻找全网最小电压波动率的优化控制。

4.根据权利要求1所述的兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中控制网络平均节点电压波动率最小时，首先以区域网络的平均电压波动率作为优化目标，控制变量为STATCOM的目标电压整定值然后对目标节点的电压以及风机出力进行监控，最后在保证区域内节点电压不越限的基础上，通过寻找最优电压整定值以获得STATCOM控制区域内电压波动最小；

其中，寻找最小电压波动率的目标函数如下：

$\min f=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}|U_i^t-U_{\mathrm{ref}}^t|}{m}*100\%+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&delta;}}_i$

式中：m为STATCOM调控区域内的节点个数，为第i个节点在t时刻的电压，为t时刻的系统参考电压，δ_i为节点电压越界罚函数，保证系统优化过程中不出现节点越限的情况，且：

${\mathrm{\&delta;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}0& \left(\right|\mathrm{\&Delta;}{U}_i^t|\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\max })\\ M& \left(\right|\mathrm{\&Delta;}{U}_i^t|>{\mathrm{\&epsiv;}}_{\max })\end{array}\right.$

为节点i的电压误差，ε_max为该电网电压最大误差限，M为常数且M>1，同时优化目标函数需要满足一系列约束条件。

5.根据权利要求4所述的兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，其特征在于：所述优化目标函数需要满足的约束条件具体为：

潮流方程约束为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i^t=U_i^t\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_j^t(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}^t+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}^t)\\ Q_i^t=U_i^t\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_j^t(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}^t-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}^t)\end{array}\right.$

式中：和分别指t时刻注入节点i的有功功率和无功功率，和为t时刻的i节点和j节点的电压，G_ij和B_ij为线路ij的电导和电纳，为t时刻节点i与j的相角差；

风机出力约束为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Gi}\min }\&le;{P_{\mathrm{Gi}}}^t\&le;P_{\mathrm{Gi}\max }\\ Q_{\mathrm{Gi}\min }\&le;{Q_{\mathrm{Gi}}}^t\&le;Q_{\mathrm{Gi}\max }\end{array}\right.$

式中：P_Gi ^t、P_Gimin以及P_Gimax分别指双馈异步风电机组在t时刻的有功出力和有功出力上下限，Q_Gi ^t、Q_Gimin以及Q_Gimax分别指双馈异步风电机组在t时刻的无功出力和无功出力上下限；

目标节点电压约束：

$U_{\mathrm{ref}}^t-{\mathrm{\&epsiv;}}_{\max }\&le;U_i^t\&le;U_{\mathrm{ref}}^t+{\mathrm{\&epsiv;}}_{\max }$

式中：指t时刻目标节点电压，和ε_max分别为节点母线电压参考值和最大误差限；

STATCOM控制变量约束：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sref}\min }^t\&le;U_{\mathrm{sref}}^t\&le;U_{\mathrm{sref}\max }^t\\ Q_{s\min }\&le;Q_s^t\&le;Q_{s\max }\end{array}\right.$

式中：和分别为t时刻STATCOM电压整定值和电压整定最低值和最高值，Q_smin和Q_smax分别为t时刻STATCOM无功输出值和STATOCM容量上下限。

6.根据权利要求1所述的兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中控制网络节点电压波动率最小的具体过程为：

(31)采集各个节点电压值并与节点电压参考值做差获取t时刻i节点电压偏差量 $\mathrm{\&Delta;}{U}_i^t=U_i^t-U_{\mathrm{ref}}^t;$ 采集风电场有功变化量 $\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{Gi}}^t=P_{\mathrm{Gi}}^t-P_{\mathrm{Gi}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}$ 和无功变化量 $\mathrm{\&Delta;}{Q}_{\mathrm{Gi}}^t=Q_{\mathrm{Gi}}^t-Q_{\mathrm{Gi}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}};$

(32)若且则该节点电压具有下降趋势，然后上调STATCOM整定值即 $U_{\mathrm{sref}}^t=U_{\mathrm{sref}}^{t-\mathrm{\&Delta;t}}+\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^t;$

若且则该节点电压具有上升趋势，然后下调STATCOM整定值即由此确定最优STATCOM整定值的搜索方向；

(33)最后根据确定的搜索方向，依据目标函数以及优化控制算法寻找网络最小电压波动率所对应的STATCOM整定值

7.根据权利要求6所述的兼顾风电场和网络节点电压调节的STATCOM控制方法，其特征在于：所述步骤(33)中的寻找搜索网络最小电压波动率的过程分为粗调和微调两个部分：

所述粗调阶段的过程为：

考虑到系统设备负担，设每次最大探索次数为n_max，设与STATCOM电压参考值相对应的全网电压波动率为f^t，初始步长为假设节点电压具有下降趋势，即依据优化目标函数计算其对应的函数值为f^t+△t，若f^t+△t<f^t，则将作为新的电压参考值，并继续探索；若经过n次探索，f^t+n△t>f^t+(n-1)△t，表示STATCOM电压最优参考值最优整定值搜索转为区间内微调阶段；

所述微调阶段的具体过程为：

通过缩小STATCOM电压参考值步长在区间寻找最优STATCOM电压整定值，即 $\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}}=\mathrm{\&lambda;\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+(n-1)\mathrm{\&Delta;t}},0<\mathrm{\&lambda;}<1;$

λ为步长控制因子，经过多次缩小步长探索，若第k+1次缩小步长时，满足f^{t+(n+k+1)△t}>f^t+(n+k)△t且f^{t+(n+k-1)△t}>f^t+(n+k)△t条件，则选定第k次STATCOM参考电压值为最优参考值U_sbest，即 $U_{\mathrm{sbest}}=U_{\mathrm{sref}}^{t+(n+k)\mathrm{\&Delta;t}}=U_{\mathrm{sref}}^t+{\mathrm{\&lambda;}}^k\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}};$

若持续探索寻找不到最优参考值，则认为第n_max次缩小步长后的STATCOM参考电压值为最优参考值U_sbest，即 $U_{\mathrm{sbest}}=U_{\mathrm{sref}}^{t+n_{\max }\mathrm{\&Delta;t}}=U_{\mathrm{sref}}^t+{\mathrm{\&lambda;}}^{n_{\max }-n}\mathrm{\&Delta;}{U}_{\mathrm{sref}}^{t+\mathrm{n\&Delta;t}}.$