CN105762838B - 一种风电集群无功电压多目标控制方法 - Google Patents

一种风电集群无功电压多目标控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电集群无功电压多目标控制方法，包括以下步骤：风电集群控制主站获取实时潮流数据；进行运行工况决策，选择控制变量和状态变量；建立优化模型约束条件；如果集群存在电压越限，建立电压校正控制模型并计算最优无功调节量；如果集群电压合格但汇集点无功控制偏差大于控制死区，建立汇集点无功跟踪控制模型并计算最优无功调节量；如果集群电压合格且汇集点无功控制偏差小于控制死区，建立动态无功储备优化模型并计算最优无功调节量；计算优化后控制指令并通过电力通信网络下发到风电场和汇集站。本发明能够提高集群电压安全性，参与全网无功优化以及预留应对电压快速波动的动态调节能力，提高系统电压稳定性。

Description

一种风电集群无功电压多目标控制方法
技术领域
本发明涉及一种风电集群无功电压多目标控制方法，属于新能源发电及电力系统控制技术领域。
背景技术
风能资源与负荷中心的逆向分布特点决定了规模化开发、集中式接入是我国风电开发利用的主要方式。风能资源固有的随机性和波动性等间歇性特征，使得风电出力随风速随机变化，并进而引起无功损耗和电压变化。在风电开发初期，由于风电场数量不多，容量较小且处于电网末端，其电压问题的影响往往局限在风电场并网点，对电网侧变电站的电压影响有限。随着风电的大规模开发，单机、单场容量剧增，而且往往在地理毗邻的区域建设若干风电场，通过公共汇集站集中接入高电压等级(220/330kV及以上)主干电网，形成容量达1GW级甚至10GW级的大规模风电集群，其出力波动将急剧恶化汇集点(集群接入点)甚至主干电网局部电压无功状况。在薄弱的系统接入点，甚至可能引发电压稳定性问题，导致风机脱网等事故发生。
在我国“三北”地区，大规模风电集群往往接入电网末端，网架结构薄弱，缺乏常规电源支撑，无功电压调节依赖各种静止无功补偿装置(SVC/SVG)。在集群风电大发、线路重载等运行工况下，使得实际电网无功电压灵敏度增大、电压稳定性较差，较易发生风机脱网事故。为改善电网电压稳定性、抑制风机脱网事故，除了在风电场侧提高风电机组高、低电压穿越能力，设定合理的风电机组频率保护定值，制定合理的无功补偿装置控制策略以及运行方式外，还需要从系统角度对集群内各种无功补偿设备进行协调控制，对风电造成的电压波动进行补偿和平抑，提高电压质量和电压稳定裕度。现有技术中，集群电压安全性低，系统电压稳定性差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种风电集群无功电压多目标控制方法，对风电场群以及汇集站无功设备进行整体协调和无功优化分配，能够提高集群电压安全性，参与全网无功优化以及预留应对电压快速波动的动态调节能力，提高系统电压稳定性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的风电集群无功电压多目标控制方法，具体包括以下几个步骤：
(1)在每次执行周期开始时，风电集群控制主站从实时数据采集监控获取实时潮流状态，接收上级调度下发的汇集点无功目标；所述实时潮流状态包括各风电场、汇集站以及连接线路中设备元件的有功、无功、电压、电流；
(2)根据风电场和汇集站的实时运行状态及闭锁信号，进行运行工况决策，选择运行正常的风机、SVC/SVG为控制变量，选择运行正常的母线为状态变量；
(3)建立优化模型约束条件：
上式中约束条件包括：
母线电压上下限约束，其中Vp是汇集站高压侧母线电压，Vh是风电场高压侧母线电压，Vc是关键母线电压，Cpg为风电场无功对汇集站高压侧母线电压灵敏度，Cpc为汇集站无功对汇集站高压侧母线电压灵敏度，Chg为风电场无功对风电场高压侧母线电压灵敏度，Chc为汇集站无功对风电场高压侧母线电压灵敏度，Ccg为风电场无功对关键母线电压灵敏度，Ccc为汇集站无功对关键母线电压灵敏度，Qg为风电场无功，Qc为汇集站无功，ΔQg为风电场无功调节量，ΔQc为汇集站无功调节量；
风电场高压侧母线电压调节步长约束，其中，为风电场高压侧母线电压单次最大调节量；
无功设备的调节能力上下限约束，其中 Q g分别为风电场无功上限、下限， Q c分别为汇集站无功上限、下限；
(4)检测集群当前无功电压运行状态，当集群内无母线电压越限时，转步骤(6)，否则转向步骤(5)；
(5)建立电压校正控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤(9)；
(6)检测汇集点当前无功与上级调度下发的无功目标偏差是否超过控制死区，如果未超过控制死区，转步骤(8)，否则转向步骤(7)；
(7)建立汇集点无功跟踪控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤(9)；
(8)建立动态无功储备优化模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤(9)；
(9)计算优化后的控制指令，其中，风电场高压侧母线电压指令汇集站无功指令
(10)风电集群控制主站通过电力通信网络对风电场下发高压侧母线电压指令，对汇集站下发无功指令；
(11)等待下一次执行周期到来，返回步骤(1)。
步骤(5)中，建立电压校正控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量的方法如下：
(51)选择处于越限状态的母线电压为调节目标，使得校正后电压与校正目标偏差最小，建立二次型目标函数如下：
上式中，Ceg为风电场无功对越限点电压灵敏度，Cec为汇集站无功对越限点电压灵敏度；Ve为越限点母线电压，为校正该越限点需要达到的目标电压，并通过下式确定：
其中，分别为越限点母线电压的下限和上限，ΔVtol为设定的电压校正带宽；
(52)对式(1)中处于越限状态的母线电压Ve上下限约束进行松弛处理，根据下式对约束限值进行修正：
上式中，ΔVerr为设定的电压约束松弛带宽，为修正后的电压约束上限，为修正后的电压约束下限；电压越上限时，修正电压约束上限而下限保持不变；电压越下限时，修正电压约束下限而上限保持不变；
(53)通过式(1)中约束条件与式(2)中目标函数构建电压校正控制模型，基于二次规划算法(现有算法，此处不再赘述)计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
步骤(7)中，建立汇集点无功跟踪控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量的方法如下：
(71)选择汇集点无功为调节目标，使得调节后汇集点无功与上级调度下发的无功目标偏差最小，建立二次型目标函数如下：
上式中，Qp为汇集点当前无功，为上级调度下发的汇集点无功目标，Spg为风电场无功对汇集点无功灵敏度，Spc为汇集站无功对汇集点无功灵敏度；
(72)通过式(1)中约束条件与式(3)中目标函数构建汇集点无功跟踪控制模型，基于二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
步骤(8)中，建立动态无功储备优化模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量的方法如下：
(81)以动态无功储备最大化为目标，建立二次型目标函数如下：
上式中，是风电场无功最优运行点，当风电场无功处于该运行点时，具有最大的动态无功储备；
(82)通过式(1)中约束条件与式(4)中目标函数构建动态无功储备优化模型，基于二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
本发明提出了包括电压越限校正、汇集点无功跟踪、动态无功储备优化三种控制目标的多目标控制方法，首先快速校正集群电压越限，保证集群电压安全；其次对上级调度下发的汇集点无功目标进行快速跟踪，参与全网无功优化；最后在风电场与汇集站之间进行无功协调控制，汇集站无功尽可能投入以置换风电场无功，使得风电场尽可能预留应对电压快速波动的动态调节能力，提高系统电压稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中风电集群接线示意图；
图2为本发明的风电集群无功电压多目标控制方法工作流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，风电集群包括风电场1、风电场2、风电场3、汇集站以及场、站之间的连接线路。在汇集变电站的330kV主变中压侧，通过多条110kV线路，带出多座110kV风电场。风电集群通过汇集站高压侧330kV线路连接到主干电网。
参见图2，本发明具体包括以下几个步骤：
1)在每次执行周期开始时，风电集群控制主站从实时数据采集监控(SCADA)获取各风电场、汇集站以及连接线路等设备元件的有功、无功、电压、电流等实时潮流状态，接收上级调度下发的汇集点无功目标。
2)根据风电场和汇集站的实时运行状态及闭锁信号，进行运行工况决策，选择运行正常的风机、SVC/SVG等为控制变量，选择运行正常的母线为状态变量。如附图1所示，设所有风电场及汇集站均运行正常，则控制变量为风电场无功Qg＝[Qg1,Qg2,Qg3]T、汇集站无功Qc＝[Qc]T，状态变量为母线电压V＝[Vp,V1,V2,V3,Vc]T。
3)建立优化模型约束条件：
上式中约束条件包括：
母线电压上下限约束，其中Vp＝[Vp]T是汇集站高压侧(汇集点)母线电压，Vh＝[V1,V2,V3]T是风电场高压侧母线电压向量，Vc＝[Vc]T是关键母线(汇集站中压侧)电压。
风电场高压侧母线电压调节步长约束，其中为风电场高压侧母线电压单次最大调节量。
无功设备的调节能力上下限约束，其中 Q g分别为风电场无功上限、下限， Q c分别为汇集站无功上限、下限。
其中，各无功电压灵敏度元素如下：
风电场无功对汇集站高压侧母线电压灵敏度为Cpg＝[Cpg1,Cpg2,Cpg3]
汇集站无功对汇集站高压侧母线电压灵敏度为Cpc＝[Cpc]
风电场无功对风电场高压侧母线电压灵敏度为
汇集站无功对风电场高压侧母线电压灵敏度为Chc＝[Ch1c,Ch2c,Ch3c]T
风电场无功对关键母线电压灵敏度为Ccg＝[Ccg1,Ccg2,Ccg3]
汇集站无功对关键母线电压灵敏度为Ccc＝Ccc
4)检测集群当前无功电压运行状态，当集群内无母线电压越限时，转步骤6)；
5)建立电压校正控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤9)，否则转向步骤(6)；
6)检测汇集点当前无功与上级调度下发的无功目标偏差是否超过控制死区，如果未超过控制死区，转步骤8)，否则转向步骤(7)；
7)建立汇集点无功跟踪控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤9)；
8)建立动态无功储备优化模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量
9)计算优化后的控制指令，其中风电场高压侧母线电压指令汇集站无功指令
10)风电集群控制主站通过电力通信网络对风电场下发高压侧母线电压指令，对汇集站下发无功指令。
11)等待下一次执行周期到来，返回步骤1)。
上述步骤5)包括以下具体步骤：
51)选择处于越限状态的母线电压为调节目标，使得调节后电压与校正目标偏差最小。如图1所示，设汇集站中压侧母线当前电压Vc为120kV，电压上限为119kV，电压下限为110kV。汇集站中压侧母线当前电压越上限，设定电压校正带宽为1kV，则校正该越限点需要达到的目标电压通过下式确定：
计算得到校正电压目标值为118kV，则目标函数如下式：
52)对式(1)中处于越限状态的母线电压Vc上下限约束进行松弛处理，设电压约束松弛带宽ΔVerr为1kV，根据下式对约束限值进行修正：
则修正后的电压约束上限为121kV，电压约束下限保持不变，仍为110kV。
53)通过式(1)中约束条件与式(5)中目标函数构建电压校正控制模型如下：
通过二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
上述步骤7)包括以下具体步骤：
71)选择汇集点无功为调节目标，使得调节后汇集点无功与上级调度下发的无功目标偏差最小。如图1所示，以流出集群为功率假定正向，设集群所有母线电压合格，汇集点当前无功Qp为-20MVar(从主干电网吸收无功20MVar)，上级调度下发的汇集点无功目标为30MVar(向主干电网送出无功30MVar)，则目标函数如下式：
其中，风电场无功对汇集点无功灵敏度为Spg＝[Spg1,Spg2,Spg3]，汇集站无功对汇集点无功灵敏度为Spc＝[Spc]。
72)通过式(1)中约束条件与式(6)中目标函数构建汇集点无功跟踪控制模型如下：
通过二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
上述步骤8)包括以下具体步骤：
81)以动态无功储备最大化为目标，如图1所示，设各风电场无功分别为20MVar、30MVar、40MVar，风电场无功最优运行点为0，则目标函数如下式：
82)通过式(1)中约束条件与式(7)中目标函数构建动态无功储备优化模型：
基于二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种风电集群无功电压多目标控制方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：
(1)在每次执行周期开始时，风电集群控制主站从实时数据采集监控获取实时潮流状态，接收上级调度下发的汇集点无功目标；所述实时潮流状态包括各风电场、汇集站以及连接线路中设备元件的有功、无功、电压、电流；
(2)根据风电场和汇集站的实时运行状态及闭锁信号，进行运行工况决策，选择运行正常的风机无功、SVC/SVG无功为控制变量，选择运行正常的母线电压为状态变量；
(3)建立优化模型约束条件：
上式中约束条件包括：
母线电压上下限约束，其中Vp、分别是汇集站高压侧母线电压及其上限、下限，Vh、分别是风电场高压侧母线电压及其上限、下限，Vc、分别是关键母线电压及其上限、下限，Cpg为风电场无功对汇集站高压侧母线电压灵敏度，Cpc为汇集站无功对汇集站高压侧母线电压灵敏度，Chg为风电场无功对风电场高压侧母线电压灵敏度，Chc为汇集站无功对风电场高压侧母线电压灵敏度，Ccg为风电场无功对关键母线电压灵敏度，Ccc为汇集站无功对关键母线电压灵敏度，Qg为风电场无功，Qc为汇集站无功，ΔQg为风电场无功调节量，ΔQc为汇集站无功调节量；
风电场高压侧母线电压调节步长约束，其中，为风电场高压侧母线电压单次最大调节量；
无功设备的调节能力上下限约束，其中 Q g分别为风电场无功上限、下限， Q c分别为汇集站无功上限、下限；
(4)检测集群当前无功电压运行状态，当集群内无母线电压越限时，转步骤(6)，否则转向步骤(5)；
(5)建立电压校正控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤(9)；
(6)检测汇集点当前无功与上级调度下发的无功目标偏差是否超过控制死区，如果未超过控制死区，转步骤(8)，否则转向步骤(7)；
(7)建立汇集点无功跟踪控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤(9)；
(8)建立动态无功储备优化模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量转步骤(9)；
(9)计算优化后的控制指令，其中，风电场高压侧母线电压指令汇集站无功指令
(10)风电集群控制主站通过电力通信网络对风电场下发高压侧母线电压指令，对汇集站下发无功指令；
(11)等待下一次执行周期到来，返回步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的风电集群无功电压多目标控制方法，其特征在于，步骤(5)中，建立电压校正控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量的方法如下：
(51)选择处于越限状态的母线电压为调节目标，使得校正后电压与校正目标偏差最小，建立二次型目标函数如下：
上式中，Ceg是风电场无功对越限点电压灵敏度，Cec是汇集站无功对越限点电压灵敏度；Ve是越限点母线电压，是校正目标，即校正该越限点需要达到的目标电压，通过下式确定：
其中，分别为越限点母线电压的下限和上限，ΔVtol为设定的电压校正带宽；
(52)对越限点母线电压Ve的上下限约束进行松弛处理，根据下式对约束限值进行修正：
上式中，ΔVerr为设定的电压约束松弛带宽，为修正后的电压约束上限，为修正后的电压约束下限；电压越上限时，修正电压约束上限而下限保持不变；电压越下限时，修正电压约束下限而上限保持不变；
(53)通过式(1)中约束条件与式(2)中目标函数构建电压校正控制模型，基于二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
3.根据权利要求1所述的风电集群无功电压多目标控制方法，其特征在于，步骤(7)中，建立汇集点无功跟踪控制模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量的方法如下：
(71)选择汇集点无功为调节目标，使得调节后汇集点无功与上级调度下发的无功目标偏差最小，建立二次型目标函数如下：
上式中，Qp为汇集点当前无功为上级调度下发的汇集点无功目标，Spg为风电场无功对汇集点无功灵敏度，Spc为汇集站无功对汇集点无功灵敏度；
(72)通过式(1)中约束条件与式(3)中目标函数构建汇集点无功跟踪控制模型，基于二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
4.根据权利要求1所述的风电集群无功电压多目标控制方法，其特征在于，步骤(8)中，建立动态无功储备优化模型，计算风电场最优无功调节量和汇集站最优无功调节量的方法如下：
(81)以动态无功储备最大化为目标，建立二次型目标函数如下：
上式中，是风电场无功最优运行点，当风电场无功处于该运行点时，具有最大的动态无功储备；
(82)通过式(1)中约束条件与式(4)中目标函数构建动态无功储备优化模型，基于二次规划算法计算风电场最优无功调节量汇集站最优无功调节量
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