CN105098801B - 一种适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法，本发明在关口无功/电压状态满足上级AVC系统下发指标的情况下只对连续性无功补偿设备进行控制，减少了控制对象，缩短了在线计算时间；在关口无功/电压状态不满足上级AVC系统下发指标的情况下，将风电场升压变、小水电群集中并网变电站无功裕度指标引入优化目标中，使得无功补偿量在枢纽站、小水电站集中并网变电站和风电场升压变之间进行合理的分配；提出的离散变量归整规则能够有效地减少离散型无功设备的动作次数，使得离散型、连续型无功设备达到快速配合补偿的效果。

Description

一种适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制 方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，涉及一种电力系统协调控制方法，尤其是一种适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法。

背景技术

随着我国清洁能源行业的快速发展，新能源投产规模逐年增大，新能源密集接入后对电网的影响也越来越大。风电及小水电等波动性电源出力的随机性，使得区域电网的无功电压控制任务艰巨，尽管新能源站点往往配置了连续性无功补偿设备(如SVC、SVG等)，但由于造价高，配置容量相对较小；其次电网中普遍配置的离散型无功设备由于受到调节时间和调节次数的限制，不能够快速平抑新能源出力变化带来的无功电压波动。因此，必须采取有效的多能源接入电力系统无功协调控制措施，使得离散型、连续型无功补偿设备达到快速配合补偿的目的，确保电网运行的稳定性。

目前关于新能源接入系统的无功补偿设备协调控制研究较少，且主要集中于风电并网方面。有学者提出针对单个风电场的无功补偿设备的协调控制策略，即以风电场升压站为核心，借鉴变电站综合无功控制的分区图原理，对变压器分接头、电容器和风电机组无功出力进行协调控制，但PCC状态落在可行域边界附近时仍然存在设备频繁调节的问题。另有学者提出基于电网运行计划和风电场功率预测信息的多时间尺度无功补偿设备协调策略，但此种方式对风功率预测信息的准确程度要求过高。此外，以上研究均为针对单一风电场的无功设备协调策略，并未考虑各风电场之间及风电场与区域电网枢纽站之间的无功补偿设备协调控制过程。因此，针对研究的不足，针对多种能源接入电力系统的无功设备协调控制问题进行研究显得十分必要。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，提出了一种适应多种能源接入的电力系统无功快速协调控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集新能源集中并网区域实时数据，所述的实时数据包括关口无功/电压状态、风电场实时出力、枢纽站及小水电站集中并网变电站实时负荷、各无功补偿设备实时运行状态；接收上级AVC下发无功/电压指令；

步骤2：判断实时关口无功/电压状态是否满足上级AVC下发指令？

若满足，则控制对象确定为风电场升压变配置的无功补偿设备SVG，建立以电压偏离值表最小为目标的无功优化模型；

若不满足，则控制对象确定为所有控制站点配置的无功补偿设备，以上级AVC下发枢纽站高压侧关口无功/电压指标为约束，建立无功优化模型，并在模型中的无功优化目标中加入小水电集中并网变电站、风电场升压变无功裕度指标；

步骤3：调用智能优化算法进行迭代计算，得到各站点控制无功补偿设备的无功调节量；其中，在实时关口无功/电压不满足上级AVC下发指令情况时，需要按照离散变量归整原则对离散变量进行归整操作；

步骤4：形成各无功补偿设备控制指令并进行下发，最终实现多能源接入电力系统无功电压的快速调节。

作为优选，步骤2中满足上级AVC下发指令情况下建立的无功优化模型为：

式中，F为无功优化总目标，△V_ad为电压偏离目标值，为系统节点电压罚函数，△V_pcc为关口电压罚函数，△Q_pcc为关口无功越限罚函数；N为系统节点数；λ₁、λ₂和λ₃分别为系统节点电压、关口电压和关口无功越限惩罚系数；

步骤2中不满足上级AVC下发指令情况下建立的无功优化模型为：

其中：

式中，F为无功优化总目标，△V_ad为电压偏离目标值，Q_v为小水电站集中并网变电站无功裕度目标值，Q_w为风电场升压变无功裕度目标值；γ₁、γ₂、γ₃分别表示分配给△V_ad、Q_v、Q_w三者的目标权重，K为小水电群集中并网变电站个数，Q_ci是小水电群集中并网变电站i的无功补偿装置实际无功出力，Q_cimax和Q_cimin是小水电群集中并网变电站i的无功补偿装置无功最大、最小出力；M为控制的风电场个数，Q_si是风电场i的SVG实际无功出力，Q_simax和Q_simin是风电场i的SVG无功最大、最小出力。

作为优选，步骤3中所述的离散变量归整原则为：

设离散变量X_i在连续化方式下寻优后得到的最优值为X_i0，所在整数区间为[X_imin,X_imax]，上一次离散变量控制指令为X'_i，则：

若X_i0<X_imin+△X，则所述的离散变量X_i归整为X_imin；

若X_i0>X_imax-△X，则所述的离散变量X_i归整为X_imax；

若X_imin+△X≤X_i0≤X_imax-△X，又分为下述两种情况：情况1、若X_i'≤X_imin，则所述的离散变量X_i归整为X_imin；情况2、若X'_i≥X_imax，则所述的离散变量X_i归整为X_imax；

其中，X_imin、X_imax分别为离散变量X_i所在整数区间的下限值和上限值，△X为离散变量控制指数。

本发明的优点和积极效果是：

(1)本发明对传统区域电网无功电压控制模式进行了改进，即在关口无功/电压状态满足上级AVC下发指标的情况下只对连续性无功补偿设备进行控制，减少了控制对象，缩短了在线计算时间；

(2)本发明在关口无功/电压状态不满足上级AVC下发指标的情况下，将风电场升压变、小水电集中并网变电站无功裕度指标引入优化目标中，使得无功补偿量在枢纽站、小水电站集中并网变电站和风电场升压变之间进行合理的分配；

(3)本发明提出的离散变量归整规则能够有效地减少离散型无功设备的动作次数，使得离散型、连续型无功设备达到快速配合补偿的效果。

附图说明

图1：是本发明实施例的流程图。

图2：是本发明实施例的电网电气接线图。

图3：是本发明实施例的电网全天负荷变化曲线。

图4：是本发明实施例的电网风电出力变化曲线。

图5：是本发明实施例的电网将无功裕度指标引入优化目标前后，风电场1配置SVG投入容量对比图。

图6：是本发明实施例的电网将无功裕度指标引入优化目标前后，风电场2配置SVG投入容量对比图。

图7：是本发明实施例的电网采用提出的离散变量归整原则前后，枢纽站电容器动作情况对比图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提出的一种适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采集新能源集中并网区域实时数据，实时数据包括关口无功/电压状态、风电场实时出力、枢纽站及小水电站集中并网变电站实时负荷、各无功补偿设备实时运行状态；接收上级AVC下发无功/电压指令；

在本实施例中，采用贵州省某地区实际电网为例，如图2所示，其中风电场1为双馈风机风电场，装机容量为198MW，风电场2为双馈风机风电场，装机容量为99MW；枢纽变电站主变容量为180MVA，配置有4×7.5Mvar电容器组，未配置无功补偿装置SVC，小水电站集中并网变电站主变容量为40MVA，配置有2×4Mvar电容器组，风电场1、2升压变均配置有5MvarSVG。一天24小时内负荷功率变化曲线如图3所示，风电场出力功率变化曲线如图4所示。

步骤2：判断实时关口无功/电压状态是否满足上级AVC下发指令；

若满足，则控制对象确定为风电场升压变配置的无功补偿设备SVG，建立以电压偏离值表最小为目标的无功优化模型；其中无功优化模型为：

式中，F为无功优化总目标，△V_ad为电压偏离目标值，为系统节点电压罚函数，△V_pcc为关口电压罚函数，△Q_pcc为关口无功越限罚函数；N为系统节点数；λ₁、λ₂和λ₃分别为系统节点电压、关口电压和关口无功越限惩罚系数。

若不满足，则控制对象确定为所有控制站点配置的无功补偿设备，以上级AVC下发枢纽站高压侧关口无功/电压指标为约束，建立无功优化模型，并在模型中的无功优化目标中加入小水电集中并网变电站、风电场升压变无功裕度指标；其中无功优化模型为：

其中：

式中，F为无功优化总目标，△V_ad为电压偏离目标值，Q_v为小水电站集中并网变电站无功裕度目标值，Q_w为风电场升压变无功裕度目标值；γ₁、γ₂、γ₃分别表示分配给△V_ad、Q_v、Q_w三者的目标权重，K为小水电群集中并网变电站个数，Q_ci是小水电群集中并网变电站i的无功补偿装置实际无功出力，Q_cimax和Q_cimin是小水电群集中并网变电站i的无功补偿装置无功最大、最小出力；M为控制的风电场个数，Q_si是风电场i的SVG实际无功出力，Q_simax和Q_simin是风电场i的SVG无功最大、最小出力。

在本实施例中，上级AVC下发关口电压目标值(标幺值)为1.0，控制死区为0.005，即下发关口电压区间为[0.995,1.005]。其他节点电压允许运行区间为[0.97,1.07]，系统节点数N为14，控制风电场个数M为2，γ₁、γ₂、γ₃分别为0.98、0.01、0.01，λ₁、λ₂和λ₃均为100000。

步骤3：调用现有技术中的智能优化算法进行迭代计算，得到各站点控制无功补偿设备的无功调节量；其中，在实时关口无功/电压不满足上级AVC下发指令情况时，需要按照离散变量归整原则对离散变量进行归整操作；

离散变量归整原则为：

设离散变量X_i在连续化方式下寻优后得到的最优值为X_i0，所在整数区间为[X_imin,X_imax]，上一次离散变量控制指令为X'_i，则：

若X_i0<X_imin+△X，则所述的离散变量X_i归整为X_imin；

若X_i0>X_imax-△X，则所述的离散变量X_i归整为X_imax；

若X_imin+△X≤X_i0≤X_imax-△X，又分为下述两种情况：情况1、若X'_i≤X_imin，则所述的离散变量X_i归整为X_imin；情况2、若X'_i≥X_imax，则所述的离散变量X_i归整为X_imax；

其中，X_imin、X_imax分别为离散变量X_i所在整数区间的下限值和上限值，△X为离散变量控制指数。

步骤4：形成各无功补偿设备控制指令并进行下发，最终实现多能源接入电力系统无功电压的快速调节。

在本实施例中，运用C++软件进行控制程序编写，基于提出的协调控制方法对该地区模拟控制24次。表1分别统计了传统区域电网无功电压控制方法及AVC模式下的改进区域电网无功电压控制方法进行24次计算所用的总时间。在将无功裕度指标引入优化目标前后，风电场1、2配置SVG全天投入容量对比如图5所示。在采用提出的离散变量归整原则前后，以枢纽变电站电容器为例，全天动作情况对比如图6所示。

表1两种控制方法24次计算所用时间对比

由表1统计结果可知，在采用AVC模式下的改进区域电网无功电压控制方法后，即在关口无功/电压状态满足上级AVC下发指标的情况下只对连续性无功补偿设备进行控制，减少了控制对象，能够有效地缩短在线计算时间。

由图5、6可知，在引入无功裕度指标后，无功补偿量在枢纽站、小水电站集中并网变电站和风电场升压变之间进行合理的分配，达到以枢纽站为主，小水电站集中并网变电站和风电场升压变为辅的目标，使得小水电站集中并网变电站和风电场升压变能够拥有充足的无功容量以应对新能源出力快速波动时短时间内产生的较大无功需求。

对图7进行分析可知，在对离散变量进行归整操作过程中，采用提出的归整原则可以使得离散型无功设备与连续型无功设备有效地配合，在出现负荷或新能源出力短时间波动时，能够尽量地减少离散型无功设备的动作次数，由延长设备的使用寿命。

本发明基于关口无功电压状态是否满足上级AVC下发指标来确定当前控制对象，当满足时，控制对象为动态无功补偿设备，以区域电压偏离指标最小为目标，对动态无功补偿设备进行控制；当不满足时，控制对象为所有动、静态无功补偿设备，以上级AVC下发枢纽站高压侧关口无功/电压指标为约束，并在控制目标中加入小水电集中并网变电站、风电场无功裕度为综合目标，基于提出的离散变量归整原则对离散变量进行归整操作，对枢纽站、小水电集中并网变电站内无功电压调节设备和风电场升压变配置动态无功补偿设备进行协调控制，最终实现多能源接入系统无功电压的快速调节。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集新能源集中并网区域实时数据，所述的实时数据包括关口无功/电压状态、风电场实时出力、枢纽站及小水电群集中并网变电站实时负荷、各无功补偿设备实时运行状态；接收上级AVC下发无功/电压指令；

步骤2：判断实时关口无功/电压状态是否满足上级AVC下发指令；

若满足，则控制对象确定为风电场升压变配置的无功补偿设备SVG，建立以电压偏离值表最小为目标的无功优化模型；

若不满足，则控制对象确定为所有控制站点配置的无功补偿设备，以上级AVC下发枢纽站高压侧关口无功/电压指标为约束，建立无功优化模型，并在模型中的无功优化目标中加入小水电群集中并网变电站、风电场升压变无功裕度指标；

步骤3：调用智能优化算法进行迭代计算，得到各站点控制无功补偿设备的无功调节量；其中，在实时关口无功/电压不满足上级AVC下发指令情况时，需要按照离散变量归整原则对离散变量进行归整操作；

步骤4：形成各无功补偿设备控制指令并进行下发，最终实现多能源接入电力系统无功电压的快速调节。

2.根据权利要求1所述的适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法，其特征在于：步骤2中满足上级AVC下发指令情况下建立的无功优化模型为：

$\min F={\mathrm{\&Delta;V}}_{ad}+{\mathrm{\&lambda;}}_1\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_i}{\mathrm{\&Delta;}V}\right)}^2+{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&Delta;V}}_{pcc}+{\mathrm{\&lambda;}}_3{\mathrm{\&Delta;Q}}_{pcc};$

式中，F为无功优化总目标，ΔV_ad为电压偏离目标值，为系统节点电压罚函数，ΔV_pcc为关口电压罚函数，ΔQ_pcc为关口无功越限罚函数；N为系统节点数；λ₁、λ₂和λ₃分别为系统节点电压、关口电压和关口无功越限惩罚系数；

步骤2中不满足上级AVC下发指令情况下建立的无功优化模型为：

$\min F={\mathrm{\&gamma;}}_1{\mathrm{\&Delta;V}}_{ad}+{\mathrm{\&gamma;}}_2{Q}_v+{\mathrm{\&gamma;}}_3{Q}_w+{\mathrm{\&lambda;}}_1\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_i}{\mathrm{\&Delta;}V}\right)}^2+{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&Delta;V}}_{pcc}+{\mathrm{\&lambda;}}_3{\mathrm{\&Delta;Q}}_{pcc};$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_v=\underset{i=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{\left(\frac{Q_{ci}-Q_{cimin}}{Q_{cimax}-Q_{cimin}}\right)}^2\\ Q_w=\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\left(\frac{Q_{si}-Q_{si\min }}{Q_{si\max }-Q_{simin}}\right)}^2\end{array}\right.;$

式中，F为无功优化总目标，ΔV_ad为电压偏离目标值，Q_v为小水电群集中并网变电站无功裕度目标值，Q_w为风电场升压变无功裕度目标值；γ₁、γ₂、γ₃分别表示分配给ΔV_ad、Q_v、Q_w三者的目标权重，K为小水电群集中并网变电站个数，Q_ci是小水电群集中并网变电站i的无功补偿装置实际无功出力，Q_cimax和Q_cimin是小水电群集中并网变电站i的无功补偿装置无功最大、最小出力；M为控制的风电场个数，Q_si是风电场i的SVG实际无功出力，Q_simax和Q_simin是风电场i的SVG无功最大、最小出力。

3.根据权利要求1所述的适应多种能源接入的电力系统无功电压快速协调控制方法，其特征在于：步骤3中所述的离散变量归整原则为：

设离散变量X_i在连续化方式下寻优后得到的最优值为X_i0，所在整数区间为[X_imin,X_imax]，上一次离散变量控制指令为X′_i，则：

若X_i0<X_imin+ΔX，则所述的离散变量X_i归整为X_imin；

若X_i0>X_imax-ΔX，则所述的离散变量X_i归整为X_imax；

若X_imin+ΔX≤X_i0≤X_imax-ΔX，又分为下述两种情况：情况1、若X′_i≤X_imin，则所述的离散变量X_i归整为X_imin；情况2、若X′_i≥X_imax，则所述的离散变量X_i归整为X_imax；

其中，X_imin、X_imax分别为离散变量X_i所在整数区间的下限值和上限值，ΔX为离散变量控制指数。