CN106026113A - 一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法，包括如下步骤：S1.风电机组监控模块实时获取风电机组运行数据，并存储数据，实时获取微电网内负载功率需求情况；根据风电机组运行数据，对未来预定时刻内的风电机组输出有功和无功进行预测；S2.采集并网点电压信息，同时根据大电网调度指令确定微电网有功及无功输出需求；S3.将微电网有功及无功输出需求、当前微电网内负载功率需求、风电机组可输出有功和无功、SVG设备可输出无功作为约束条件，实现微电网的无功优化运行，抑制电压波动。该方法可预测微电网中的风电机组的发电功率和微电网中的负载变化，在风电机组恒定有功功率控制模式下结合微电网内有功损耗影响的多目标优化的无功功率分配方法，提高微电网经济运行，保障微电网在并网时按照大电网的需求参与大电网电压调节，保障并网运行时的电压稳定。

Description

一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法

所属技术领域

本发明涉一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法。

背景技术

能源和环境危机已经成为影响人类持续发展的重要问题，清洁、可再生能源的利用是解决这一问题的根本途径。随着风力发电、光伏发电、波浪发电等可再生能源发电技术的成熟，越来越多的可再生能源微电网以分布式形式接入电网，满足人们日常生产、生活用电的需求。

尤其是风电，我国多个百万千瓦级风电基地已建设完成并接入电网运行，规划的八个千万千瓦级风电基地也正逐步开展建设，我国风电的开发模式不同于国外，是“以大规模集中接入、高压远距离输送、大范围消纳”为主，“以大规模分散接入，就地消纳”为辅的模式。

风电组成的微电网，其出力具有间歇性以及强随机性，风电出力的变化将影响到输电通道的无功分布，进而改变通道的母线电压，整体表现是随着风电出力变化，交流外送通道的母线电压随之波动，同时，由于风电大多接入偏远地区，外送通道的网架相对比较薄弱，短路容量较小，因此，电压波动将被“放大”，波动幅度较大，甚至发生母线电压越限等运行风险，大规模风电接入后电压难控问题将凸显。

在风电机组运行过程中，风机的运行方式有恒功率因数、恒电压控制和恒无功控制三种运行方法。目前微电网安装的风电机组为变速恒频风电机组，其中双馈风电机组有恒功率因数与恒电压控制两种运行方式，其本质在于对微电网的无功调度与电压控制策略的不同，由于国内大部分风场都采用该种机型的风电机组，因此对该类型机组的无功自动补偿的研究具有重大意义。

发明内容

本发明提供一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法，该方法可预测微电网中的风电机组的发电功率和微电网中的负载变化，在风电机组恒定有功功率控制模式下结合微电网内有功损耗影响的多目标优化的无功功率分配方法，提高微电网经济运行，保障微电网在并网时按照大电网的需求参与大电网电压调节，保障并网运行时的电压稳定。

为了实现上述目的，本发明提供一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法，包括如下步骤：

S1.风电机组监控模块实时获取风电机组运行数据，并存储数据，实时获取微电网内负载功率需求情况；根据风电机组运行数据，对未来预定时刻内的风电机组输出有功和无功进行预测；

S2.采集并网点电压信息，同时根据大电网调度指令确定微电网有功及无功输出需求；

S3.将微电网有功及无功输出需求、当前微电网内负载功率需求、风电机组可输出有功和无功、SVG设备可输出无功作为约束条件，实现微电网的无功优化运行，抑制电压波动。

优选的，在步骤S1中，在接入大电网系统前，风电机组监控模块获取微电网组成部分基础数据，理论计算目标函数中各处定量；基于机组参数，搭建发电机组数学模型，为计算机组损耗做前期准备，进一步获取微电网内部各部分物理参数，搭建整个微电网数学模型。

优选的，在步骤S3中，无功优化运行具体包括如下步骤：

S31.通过风电机组监控模块，获取微电网中各风电机组运行状态、有功功率值、微电网其他单元实时数据，此过程中微电网数据采集频率范围为10s～10min，提取数据并进行筛选，剔除停机或存在故障风机数据；基于实时数据，建立微电网无功电压优化控制模型；并网监控模块根据调度系统下达的微电网并网点电压指令，若上级系统没有下达指令，则由中控模块给定指令；以无功功率的时间尺度变化选择两种控制模式；

S32.若无功变化尺度以分钟/小时级时间尺度变化，将机组控制方式转换为恒定有功功率控制，以微电网经济运行为控制目标，建立目标函数，将S1和S31所获取数据代入模型中，进行机组无功分配；

S33.求解目标函数，得到风机无功调节值；根据并网点实时电压，设计管理流程，将可调范围内的电压分为五个等级，每个等级对应不同的无功调节量，根据各风电机组不同的运行状态，将所获得的无功功率值分配到对应的风电机组；

S34.若无功变化尺度以毫秒/秒级时间尺度变化，将机组运行模式切换为恒定电压控制方式；以抑制电压波动为目标，建立目标函数，将S1和S31所获取数据代入模型中，进行机组无功分配；

S35.微电网内各单元接到无功优化控制指令，根据自身相应情况完成指令，执行指令后，将响应值与并网点电压反馈给调度系统。

优选的，S31中通过监控装置，获取微电网实时数据和PCC点电压控制指令，设置PCC点电压波动阀值；

ΔU＝|U_WFcmd-U_WFout|≤ξ

式中，U_WFcmd为微电网并网点期望电压值；U_WFout为微电网并网点实时电压值；ξ为微电网电压阈值；ΔU为并网点电压偏差值。

优选的，S32中，建立以微电网经济优化分配为目标的无功优化函数：

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ

式中，P_loss为微电网有功损耗；Q_C为SVG设备投入容量；ΔU_i为各节点电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因子，并且w₁+w₂＝1；λ为罚因子，在计算最优函数，起到约束问题。

优选的，S32中进行分析计算，首先进行计算微电网潮流计算；根据微电网无功功率随时间尺度变化，确定风机控制模式，在秒/小时级时，将风机控制方式转换为恒功率控制，计算风机在以减小网损为目标下的无功可调裕度，保证目标函数的约束条件；建立微电网经济运行为目标的无功控制数学模型，将S1和S31所得数据，代入模型中；

风力发电机的损耗主要为风机的铜耗，其表达式为：

$P_{cu}=R_s(I_{sq}^2+I_{sd}^2)+R_r(I_{rd}^2+I_{rq}^2)$

式中，R_s为发电机定子电阻，R_r为发电机转子电阻，I_s为定子电流，I_r为转子电流；

变压器的有功损耗主要表达为：

P_LT＝P_O+β²P_k

式中，P₀为变压器空载损耗，P_k为变压器负载损耗；

变压器中的无功损耗主要分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗损耗；其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流I_O的百分值，约为1％～2％；绕组漏抗中损耗的百分值，在变压器满载时，基本上等于短路电压U_k的百分值，约为10％；

输电微电网内负载由∏形等值电路表示，微电网内负载串联的有功损耗与无功损耗与所通过的电流平方成正比，即：

${\mathrm{\ΔP}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}R$

${\mathrm{\ΔQ}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}X$

U₂为微电网内PCC连接点电压，经过一段传输微电网内负载后与大电网前级电压U₁相连；电压U₂与接入点注入的有功功率和无功功率有关；当风速出现波动时，会影响系统PCC点母线电压的稳定，由于母线电压的波动，会增加微电网的网损，造成经济损失，当波动超过10％，会对微电网的输出功率产生影响，所以需要对PCC点的无功功率进行调控，从而维持U₂的恒定；

稳态情况下，微电网并网运行，此时微电网为接入大电网提供电能，采用单位功率因数控制，整个微电网不与电网交换无功功率；系统电压调整取决于发电机、变压器和电网参数等，通过确定无功需求，调节其定子电压，与转子电流；

以风电减小有功损耗为目的，建立目标函数：

P_loss＝P₁+P₂+P₃

$P_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{cui}$

$P_2=\left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{(P_{mi}^2+Q_{mi}^2)(R_{Ti}+R_{Li})}{U_i^2}\right\}$

P₃＝P_LT

式中，P_mi，Q_mi分别为第i台双馈机组注入母线侧的有功、无功注入量；U为箱变高压侧母线电压；R_Ti，R_Li分别为折算到箱变高压侧的电阻和集电微电网内负载电阻；P₁为风机铜耗；P₂为微电网内负载损耗；P₃变压器有功损耗。

优选的，以微电网网损最小为原则，考虑到每台风机有功损耗，机组有功损耗主要为定、转子铜耗，其中定子电流为:

$I_{si}^2=\frac{\sqrt{(P_i^2+Q_i^2)}}{3U_i}$

转子电流为:

$I_{ri}=\frac{1}{X_{mi}}\sqrt{\[I_{si}^2(R_{si}^2+X_{1i}^2)+U_i^2+2U_i\left(\frac{P_i{R}_{si}}{3U_i}-\frac{Q_i{X}_{1i}}{3U_i}\right)\]}$

$P_{cui}=3I_{si}^2{R}_{si}+3I_{ri}^2{R}_{ri}$

将P_cui整理成关于Q_i的一元二次表达式

$P_{cui}={\mathrm{aQ}}_i^2+{\mathrm{bQ}}_i+c$

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{X_{mi}^2{R}_{si}+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri}}{3U_i^2{X}_{mi}^2}\\ b=\frac{2X_{1i}{R}_{ri}}{X_{mi}^2}\\ c=\frac{\left(R_{si}{X}_{mi}^2+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri}\right)P_i^2+6R_{si}{R}_{ri}{U}_i^2{P}_i+9R_{ri}{U}_i^4}{3X_{mi}^2{U}_i^2}\end{array}\right.$

式中，U_i为第i台风机的定子端电压；X_1i＝X_si+X_mi，X_2i＝X_ri+X_mi，其中，X_si、X_m、X_ri分别为第i台风机的定子漏抗、励磁漏抗和转子漏抗；

微电网内负载中的有功损耗用无功损耗进行表达为:

$P_{Li}=Q_{Li}\frac{R_i}{X_i}$

式中，Q_Li为微电网内连接母线至风机集线和箱变的无功损耗值；

升压站中主变压器的有功损耗用无功损耗进行表示：

$P_{LT}=P_0+P_k\left(\frac{100Q_{LT}}{S_N{U}_k\%}-\frac{I_O\%}{U_k\%}\right)$

综上，提出包含微电网内风机、箱式变压器、集电微电网内负载和主变压器在内的有功网损最小的目标函数:

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ

式中，P_loss为微电网有功损耗；Q_C为SVG设备投入容量；ΔU_i为各节点电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因子，并且w₁+w₂＝1；和为罚因子。

优选的，其中优化模型的潮流约束条件为：

$P_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})$

$Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})$

无功等式约束条件为

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(Q_{mi}-{\mathrm{\ΔQ}}_i)-Q_{LT}=Q_{ref}$

不等式约束

$0\≤P_i\≤P_{i\max }^{ref}$

Q_imin≤Q_i≤Q_imax

V_i ^ref-V_i ^err≤V_i≤V_i ^ref+V_i ^err

式中，为第i台机组最大预测发出功率，Q_imax为机组最大无功输出值，Q_imin为机组最小无功输出值，V_i ^err为节点电压波动范围。

优选的，在步骤S33中，将并网点电压标幺值划分成不同等级，分别为U_a、U_b、U₀、U_c、U_d，以不同等级的母线电压作为限幅，对整个控制过程进行管理，保证在减小网损的过程中，兼顾母线电压质量；令U₀＝1，即不出现异常情况下母线电压，令U_b、U_c分别为U₀的±5％，令U_a、U_d分别为U₀的±10％；

(1)当U₂处于电压幅值下半区时；

1)U₂≤U_a时，PCC点电压达到波动下限，需微电网提供无功功率，提高电压，风机控制方式转换为恒电压控制；

2)U_a≤U₂≤U_b时，需要提供无功功率来减小微电网网损，但仍需无功功率保证电压，此时调节风机无功输出为

$Q=\frac{2U_b-U_2}{U_b}{Q}_{mi}$

3)U_b≤U₂≤U₀时，此区间母线电压等级满足需求，风机提供无功功率减小网损，此时调节风机无功输出为

Q＝Q_m

(2)当U₂处于电压幅值上半区时，调节过程与流程(1)类似。

优选的，在所述步骤S34中，，建立抑制多目标电压波动的无功优化函数

$Q_{ref}=K_{ref}^U(U_{mea}-U_{ref})+\underset{0}{\overset{T_{ref}^U}{\Σ}}\left(U_{mea}-U_{ref}\right)dt+K_{RX}\[\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{int}}}{\∫}}\left(P_{avg}-P_{mea}\right)dt}{T_{\mathrm{int}}}\]$

式中，U_mea为并网点实测电压，U_ref为电压参考值，为电压控制增益系数，为电压误差积分时间常数，K_RX为无功功率补偿增益系数，T_int为控制时间尺度。

本发明的方法具有如下优点：(1)准确预测风电机组输出功率变化情况；(2)实现微电网的经济运行，以及抑制电压波动，通过对微电网数据的采集，建立网络架构模型，在恒功率控制策略下，保证风电机组功率因数不变，通过无功调控完成经济运行。

附图说明

图1示出了本发明的一种具有无功自动补偿的微电网系统的框图；

图2示出了本发明的一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法。

具体实施方式

图1是示出了本发明的一种具有无功自动补偿的微电网系统10，该微电网10包括：风电机组12、微电网内负载14、SVG设备13和监控装置11；该监控装置11包括：风电机组监控模块113，用于实时监控风电机组12，并对风电机组12的发电功率进行预测，并控制风电机组的运行；并网监控模块112，用于监测并网点交流母线电压，并用于控制微电网10的并网运行；负载监控模块114，用于实时监控微电网内的负载14；SVG监控模块115，用于实时监控SVG设备13；中控模块116，用于确定微电网10的运行方法，并向上述监控装置11中的各模块发出指令，以执行该运行方法；通信总线111，用于该监控装置11的各个模块的通信联络。

所述风电机组监控模块113实时获取风电机组12的运行数据，并存储数据。

中控模块116至少包括CPU单元、数据存储单元和显示单元。

所述风电机组监控模块113，可获取风电机组12定子漏抗、风电机组12转子漏抗、风电机组12励磁漏抗、风电机组12定子电阻、风电机组12转子电阻、箱式变压器空载电压、箱式变压器短路电流、集线型号、集线单位线阻、主变短路电流、主变空载电压数据，通过机组参数，搭建发电机组数学模型，为计算损耗做前期准备，并且获得微电网内部各部分物理参数，搭建整个微电网的拓扑模型。

风电机组监控模块113、SVG监控模块115和负载监控模块114的数据采集频率为10s-10min之内，对提取数据进行筛选，剔除停机或存在故障风机数据，中控模块利用实时数据，建立微电网调控模型，采集机组相电压、机组相电流、机组有功功率、机组无功功率、一级母线电压、一级母线电流、二级母线电压、二级母线电流、主变压器电压、主变压器电流、主变压、有功功率、主变压器无功功率、无功补偿设备功率，保留有效数据后，进入后台计算阶段。

参见附图2，本发明的一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法，包括如下步骤：

S1.风电机组监控模块实时获取风电机组运行数据，并存储数据，实时获取微电网内负载功率需求情况；根据风电机组运行数据，对未来预定时刻内的风电机组输出有功和无功进行预测；

S2.采集并网点电压信息，同时根据大电网调度指令确定微电网有功及无功输出需求；

S3.将微电网有功及无功输出需求、当前微电网内负载功率需求、风电机组可输出有功和无功、SVG设备可输出无功作为约束条件，实现微电网的无功优化运行，抑制电压波动。

优选的，在步骤S1中，在接入大电网系统前，风电机组监控模块获取微电网组成部分基础数据，理论计算目标函数中各处定量；基于机组参数，搭建发电机组数学模型，为计算机组损耗做前期准备，进一步获取微电网内部各部分物理参数，搭建整个微电网数学模型。

优选的，在步骤S3中，无功优化运行具体包括如下步骤：

S31.通过风电机组监控模块，获取微电网中各风电机组运行状态、有功功率值、微电网其他单元实时数据，此过程中微电网数据采集频率范围为10s～10min，提取数据并进行筛选，剔除停机或存在故障风机数据；基于实时数据，建立微电网无功电压优化控制模型；并网监控模块根据调度系统下达的微电网并网点电压指令，若上级系统没有下达指令，则由中控模块给定指令；以无功功率的时间尺度变化选择两种控制模式；

S32.若无功变化尺度以分钟/小时级时间尺度变化，将机组控制方式转换为恒定有功功率控制，以微电网经济运行为控制目标，建立目标函数，将S1和S31所获取数据代入模型中，进行机组无功分配；

S33.求解目标函数，得到风机无功调节值；根据并网点实时电压，设计管理流程，将可调范围内的电压分为五个等级，每个等级对应不同的无功调节量，根据各风电机组不同的运行状态，将所获得的无功功率值分配到对应的风电机组；

S34.若无功变化尺度以毫秒/秒级时间尺度变化，将机组运行模式切换为恒定电压控制方式；以抑制电压波动为目标，建立目标函数，将S1和S31所获取数据代入模型中，进行机组无功分配；

S35.微电网内各单元接到无功优化控制指令，根据自身相应情况完成指令，执行指令后，将响应值与并网点电压反馈给调度系统。

优选的，S31中通过监控装置，获取微电网实时数据和PCC点电压控制指令，设置PCC点电压波动阀值；

ΔU＝|U_WFcmd-U_WFout|≤ξ

式中，U_WFcmd为微电网并网点期望电压值；U_WFout为微电网并网点实时电压值；ξ为微电网电压阈值；ΔU为并网点电压偏差值。

优选的，S32中，建立以微电网经济优化分配为目标的无功优化函数：

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ

式中，P_loss为微电网有功损耗；Q_C为SVG设备投入容量；ΔU_i为各节点电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因子，并且w₁+w₂＝1；λ为罚因子，在计算最优函数，起到约束问题。

优选的，S32中进行分析计算，首先进行计算微电网潮流计算；根据微电网无功功率随时间尺度变化，确定风机控制模式，在秒/小时级时，将风机控制方式转换为恒功率控制，计算风机在以减小网损为目标下的无功可调裕度，保证目标函数的约束条件；建立微电网经济运行为目标的无功控制数学模型，将S1和S31所得数据，代入模型中；

风力发电机的损耗主要为风机的铜耗，其表达式为：

$P_{cu}=R_s(I_{sq}^2+I_{sd}^2)+R_r(I_{rd}^2+I_{rq}^2)$

式中，R_s为发电机定子电阻，R_r为发电机转子电阻，I_s为定子电流，I_r为转子电流；

变压器的有功损耗主要表达为：

P_LT＝P_O+β²P_k

式中，P₀为变压器空载损耗，P_k为变压器负载损耗；

变压器中的无功损耗主要分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗损耗；其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流I_O的百分值，约为1％～2％；绕组漏抗中损耗的百分值，在变压器满载时，基本上等于短路电压U_k的百分值，约为10％；

输电微电网内负载由∏形等值电路表示，微电网内负载串联的有功损耗与无功损耗与所通过的电流平方成正比，即：

${\mathrm{\ΔP}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}R$

${\mathrm{\ΔQ}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}X$

U₂为微电网内PCC连接点电压，经过一段传输微电网内负载后与大电网前级电压U₁相连；电压U₂与接入点注入的有功功率和无功功率有关；当风速出现波动时，会影响系统PCC点母线电压的稳定，由于母线电压的波动，会增加微电网的网损，造成经济损失，当波动超过10％，会对微电网的输出功率产生影响，所以需要对PCC点的无功功率进行调控，从而维持U₂的恒定；

稳态情况下，微电网并网运行，此时微电网为接入大电网提供电能，采用单位功率因数控制，整个微电网不与电网交换无功功率；系统电压调整取决于发电机、变压器和电网参数等，通过确定无功需求，调节其定子电压，与转子电流；

以风电减小有功损耗为目的，建立目标函数：

P_loss＝P₁+P₂+P₃

$P_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{cui}$

$P_2=\left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{\left(P_{mi}^2+Q_{mi}^2\right)\left(R_{Ti}+R_{Li}\right)}{U_i^2}\right\}$

P₃＝P_LT

式中，P_mi，Q_mi分别为第i台双馈机组注入母线侧的有功、无功注入量；U为箱变高压侧母线电压；R_Ti，R_Li分别为折算到箱变高压侧的电阻和集电微电网内负载电阻；P₁为风机铜耗；P₂为微电网内负载损耗；P₃变压器有功损耗。

优选的，以微电网网损最小为原则，考虑到每台风机有功损耗，机组有功损耗主要为定、转子铜耗，其中定子电流为:

$I_{si}^2=\frac{\sqrt{(P_i^2+Q_i^2)}}{3U_i}$

转子电流为:

$I_{ri}=\frac{1}{X_{mi}}\sqrt{\[I_{si}^2(R_{si}^2+X_{1i}^2)+U_i^2+2U_i\left(\frac{P_i{R}_{si}}{3U_i}-\frac{Q_i{X}_{1i}}{3U_i}\right)\]}$

$P_{cui}=3I_{si}^2{R}_{si}+3I_{ri}^2{R}_{ri}$

将P_cui整理成关于Q_i的一元二次表达式

$P_{cui}={\mathrm{aQ}}_i^2+{\mathrm{bQ}}_i+c$

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{X_{mi}^2{R}_{si}+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri}}{3U_i^2{X}_{mi}^2}\\ b=\frac{2X_{1i}{R}_{ri}}{X_{mi}^2}\\ c=\frac{\left(R_{si}{X}_{mi}^2+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri}\right)P_i^2+6R_{si}{R}_{ri}{U}_i^2{P}_i+9R_{ri}{U}_i^4}{3X_{mi}^2{U}_i^2}\end{array}\right.$

式中，U_i为第i台风机的定子端电压；X_1i＝X_si+X_mi，X_2i＝X_ri+X_mi，其中，X_si、X_m、X_ri分别为第i台风机的定子漏抗、励磁漏抗和转子漏抗；

微电网内负载中的有功损耗用无功损耗进行表达为:

$P_{Li}=Q_{Li}\frac{R_i}{X_i}$

式中，Q_Li为微电网内连接母线至风机集线和箱变的无功损耗值；

升压站中主变压器的有功损耗用无功损耗进行表示：

$P_{LT}=P_0+P_k\left(\frac{100Q_{LT}}{S_N{U}_k\%}-\frac{I_O\%}{U_k\%}\right)$

综上，提出包含微电网内风机、箱式变压器、集电微电网内负载和主变压器在内的有功网损最小的目标函数:

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ

式中，P_loss为微电网有功损耗；Q_C为SVG设备投入容量；ΔU_i为各节点电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因子，并且w₁+w₂＝1；和为罚因子。

优选的，其中优化模型的潮流约束条件为：

$P_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})$

$Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})$

无功等式约束条件为

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(Q_{mi}-{\mathrm{\ΔQ}}_i)-Q_{LT}=Q_{ref}$

不等式约束

$0\≤P_i\≤P_{i\max }^{ref}$

Q_imin≤Q_i≤Q_imax

V_i ^ref-V_i ^err≤V_i≤V_i ^ref+V_i ^err

式中，为第i台机组最大预测发出功率，Q_imax为机组最大无功输出值，Q_imin为机组最小无功输出值，V_i ^err为节点电压波动范围。

优选的，在步骤S33中，将并网点电压标幺值划分成不同等级，分别为U_a、U_b、U₀、U_c、U_d，以不同等级的母线电压作为限幅，对整个控制过程进行管理，保证在减小网损的过程中，兼顾母线电压质量；令U₀＝1，即不出现异常情况下母线电压，令U_b、U_c分别为U₀的±5％，令U_a、U_d分别为U₀的±10％；

(1)当U₂处于电压幅值下半区时；

1)U₂≤U_a时，PCC点电压达到波动下限，需微电网提供无功功率，提高电压，风机控制方式转换为恒电压控制；

2)U_a≤U₂≤U_b时，需要提供无功功率来减小微电网网损，但仍需无功功率保证电压，此时调节风机无功输出为

$Q=\frac{2U_b-U_2}{U_b}{Q}_{mi}$

3)U_b≤U₂≤U₀时，此区间母线电压等级满足需求，风机提供无功功率减小网损，此时调节风机无功输出为

Q＝Q_m

(2)当U₂处于电压幅值上半区时，调节过程与流程(1)类似。

优选的，在所述步骤S34中，，建立抑制多目标电压波动的无功优化函数

$Q_{ref}=K_{ref}^U(U_{mea}-U_{ref})+\underset{0}{\overset{T_{ref}^U}{\Σ}}\left(U_{mea}-U_{ref}\right)dt+K_{RX}\[\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{int}}}{\∫}}\left(P_{avg}-P_{mea}\right)dt}{T_{\mathrm{int}}}\]$

式中，U_mea为并网点实测电压，U_ref为电压参考值，为电压控制增益系数，为电压误差积分时间常数，K_RX为无功功率补偿增益系数，T_int为控制时间尺度。

首先根据电压实测值与电压参考值，根据风机恒电压控制方式，计算在恒电压控制方式下，整场的无功需求值；同时引入电压波动抑制函数，求出抑制电压波动的无功参考值，得到最终无功需求值，根据微电网SCADA数据，在对机组进行无功功率分配时，需充分考虑各个机组的实时出力情况，运行状况，才能利用算法对机组进行不同的处理。

本发明对风电机组分类时，主要在两个方面进行考虑的，首先是机组的运行状况，在分配过程中，应该先对运行状况不好的机组优先考虑；其次考虑风速与风功率预测结果，按照微电网机组之间的运行状态，将机组分为四类。第一类为下个周期停机机组；第二类为机组调节能力比前一个控制周期强的机组，第三类为机组调节能力比前一个控制周期弱的机组，第四类为处于额定风速以上，机组的无功调节能力恒定。机组的分配策略如下。

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_i=Q_{ref}+Q_{loss}$

式中，Q_ref为抑制电压波动计算得到的微电网无功需求；Q_loss为微电网无功损耗。

Q_i1＝0

$Q_{i2}=(\ΣQ_{i2,t+1}-\ΣQ_{i2,t})\frac{Q_{i2,t}}{{\mathrm{\ΣQ}}_{i2,t+1}}+Q_{12,t}$

$Q_{i3}=(\ΣQ_{i3,t}-\ΣQ_{i3,t+1})\frac{Q_{i3,t+1}}{\ΣQ_{i3,t}}+Q_{i3,t+1}$

$Q_{i4}=\frac{Q_{i4,t+1}}{\ΣQ_{i4,t}}+Q_{i4,t+1}$

式中，Q_ix为第x类第i台风机的无功输出值，Q_ix,t为当前周期的无功输出值，Q_ix,t+1为下一个周期的无功输出值。

优选的，在S1中还有如下步骤，根据风速和微电网调频、调压备用容量需求，利用风电机组的超速控制与桨距角控制，确定各台风电机组的初始有功功率、无功功率出力及初始转速、初始桨距角。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有无功自动补偿的微电网系统的监控方法，包括如下步骤：

S1.风电机组监控模块实时获取风电机组运行数据，并存储数据，实时获取微电网内负载功率需求情况；根据风电机组运行数据，对未来预定时刻内的风电机组输出有功和无功进行预测；

S2.采集并网点电压信息，同时根据大电网调度指令确定微电网有功及无功输出需求；

S3.将微电网有功及无功输出需求、当前微电网内负载功率需求、风电机组可输出有功和无功、SVG设备可输出无功作为约束条件，实现微电网的无功优化运行，抑制电压波动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，在接入大电网系统前，风电机组监控模块获取微电网组成部分基础数据，理论计算目标函数中各处定量；基于机组参数，搭建发电机组数学模型，为计算机组损耗做前期准备，进一步获取微电网内部各部分物理参数，搭建整个微电网数学模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，无功优化运行具体包括如下步骤：

S31.通过风电机组监控模块，获取微电网中各风电机组运行状态、有功功率值、微电网其他单元实时数据，此过程中微电网数据采集频率范围为10s～10min，提取数据并进行筛选，剔除停机或存在故障风机数据；基于实时数据，建立微电网无功电压优化控制模型；并网监控模块根据调度系统下达的微电网并网点电压指令，若上级系统没有下达指令，则由中控模块给定指令；以无功功率的时间尺度变化选择两种控制模式；

S32.若无功变化尺度以分钟/小时级时间尺度变化，将机组控制方式转换为恒定有功功率控制，以微电网经济运行为控制目标，建立目标函数，将S1和S31所获取数据代入模型中，进行机组无功分配；

S33.求解目标函数，得到风机无功调节值；根据并网点实时电压，设计管理流程，将可调范围内的电压分为五个等级，每个等级对应不同的无功调节量，根据各风电机组不同的运行状态，将所获得的无功功率值分配到对应的风电机组；

S34.若无功变化尺度以毫秒/秒级时间尺度变化，将机组运行模式切换为恒定电压控制方式；以抑制电压波动为目标，建立目标函数，将S1和S31所获取数据代入模型中，进行机组无功分配；

S35.微电网内各单元接到无功优化控制指令，根据自身相应情况完成指令，执行指令后，将响应值与并网点电压反馈给调度系统。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，S31中通过监控装置，获取微电网实时数据和PCC点电压控制指令，设置PCC点电压波动阀值；

ΔU＝|U_WFcmd-U_WFout|≤ξ

式中，U_WFcmd为微电网并网点期望电压值；U_WFout为微电网并网点实时电压值；ξ为微电网电压阈值；ΔU为并网点电压偏差值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，S32中，建立以微电网经济优化分配为目标的无功优化函数：

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ

式中，P_loss为微电网有功损耗；Q_C为SVG设备投入容量；ΔU_i为各节点电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因子，并且w₁+w₂＝1；λ为罚因子，在计算最优函数，起到约束问题。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，S32中进行分析计算，首先进行计算微电网潮流计算；根据微电网无功功率随时间尺度变化，确定风机控制模式，在秒/小时级时，将风机控制方式转换为恒功率控制，计算风机在以减小网损为目标下的无功可调裕度，保证目标函数的约束条件；建立微电网经济运行为目标的无功控制数学模型，将S1和S31所得数据，代入模型中；

风力发电机的损耗主要为风机的铜耗，其表达式为：

$P_{cu}=R_s(I_{sq}^2+I_{sd}^2)+R_r(I_{rd}^2+I_{rq}^2)$

式中，R_s为发电机定子电阻，R_r为发电机转子电阻，I_s为定子电流，I_r为转子电流；

变压器的有功损耗主要表达为：

P_LT＝P_O+β²P_k

式中，P₀为变压器空载损耗，P_k为变压器负载损耗；

变压器中的无功损耗主要分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗损耗；其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流I_O的百分值，约为1％～2％；绕组漏抗中损耗的百分值，在变压器满载时，基本上等于短路电压U_k的百分值，约为10％；

输电微电网内负载由∏形等值电路表示，微电网内负载串联的有功损耗与无功损耗与所通过的电流平方成正比，即：

${\mathrm{\ΔP}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}R$

${\mathrm{\ΔQ}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}X$

U₂为微电网内PCC连接点电压，经过一段传输微电网内负载后与大电网前级电压U₁相连；电压U₂与接入点注入的有功功率和无功功率有关；当风速出现波动时，会影响系统PCC点母线电压的稳定，由于母线电压的波动，会增加微电网的网损，造成经济损失，当波动超过10％，会对微电网的输出功率产生影响，所以需要对PCC点的无功功率进行调控，从而维持U₂的恒定；

稳态情况下，微电网并网运行，此时微电网为接入大电网提供电能，采用单位功率因数控制，整个微电网不与电网交换无功功率；系统电压调整取决于发电机、变压器和电网参数等，通过确定无功需求，调节其定子电压，与转子电流；

以风电减小有功损耗为目的，建立目标函数：

P_loss＝P₁+P₂+P₃

$P_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{cui}$

$P_2=\left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{(P_{mi}^2+Q_{mi}^2)(R_{Ti}+R_{Li})}{U_i^2}\right\}$

P₃＝P_LT

式中，P_mi，Q_mi分别为第i台双馈机组注入母线侧的有功、无功注入量；U为箱变高压侧母线电压；R_Ti，R_Li分别为折算到箱变高压侧的电阻和集电微电网内负载电阻；P₁为风机铜耗；P₂为微电网内负载损耗；P₃变压器有功损耗。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，以微电网网损最小为原则，考虑到每台风机有功损耗，机组有功损耗主要为定、转子铜耗，其中定子电流为:

$I_{si}^2=\frac{\sqrt{({P_i}^2+Q_i^2)}}{3U_i}$

转子电流为:

$I_{ri}=\frac{1}{X_{mi}}\sqrt{\[I_{si}^2(R_{si}^2+X_{1i}^2)+U_i^2+2U_i\left(\frac{P_i{R}_{si}}{3U_i}-\frac{Q_i{X}_{1i}}{3U_i}\right)\]}$

$P_{cui}=3I_{si}^2{R}_{si}+3I_{ri}^2{R}_{ri}$

将P_cui整理成关于Q_i的一元二次表达式

$P_{cui}={\mathrm{aQ}}_i^2+{\mathrm{bQ}}_i+c$

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{X_{mi}^2{R}_{si}+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri}}{3U_i^2{X}_{mi}^2}\\ b=\frac{2X_{1i}{R}_{ri}}{X_{mi}^2}\\ c=\frac{(R_{si}{X}_{mi}^2+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri})P_i^2+6R_{si}{R}_{ri}{U}_i^2{P}_i+9R_{ri}{U}_i^4}{3X_{mi}^2{U}_i^2}\end{array}\right.$

式中，U_i为第i台风机的定子端电压；X_1i＝X_si+X_mi，X_2i＝X_ri+X_mi，其中，X_si、X_m、X_ri分别为第i台风机的定子漏抗、励磁漏抗和转子漏抗；

微电网内负载中的有功损耗用无功损耗进行表达为:

$P_{Li}=Q_{Li}\frac{R_i}{X_i}$

式中，Q_Li为微电网内连接母线至风机集线和箱变的无功损耗值；

升压站中主变压器的有功损耗用无功损耗进行表示：

$P_{LT}=P_0+P_k(\frac{100Q_{LT}}{S_N{U}_k\%}-\frac{I_O\%}{U_k\%})$

综上，提出包含微电网内风机、箱式变压器、集电微电网内负载和主变压器在内的有功网损最小的目标函数:

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ

式中，P_loss为微电网有功损耗；Q_C为SVG设备投入容量；ΔU_i为各节点电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因子，并且w₁+w₂＝1；和为罚因子。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其中优化模型的潮流约束条件为：

$P_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})$

$Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})$

无功等式约束条件为

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(Q_{mi}-{\mathrm{\ΔQ}}_i)-Q_{LT}=Q_{ref}$

不等式约束

$0\≤P_i\≤P_{i\max }^{ref}$

Q_imin≤Q_i≤Q_imax

V_i ^ref-V_i ^err≤V_i≤V_i ^ref+V_i ^err

式中，为第i台机组最大预测发出功率，Q_imax为机组最大无功输出值，Q_imin为机组最小无功输出值，V_i ^err为节点电压波动范围。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，，在步骤S33中，将并网点电压标幺值划分成不同等级，分别为U_a、U_b、U₀、U_c、U_d，以不同等级的母线电压作为限幅，对整个控制过程进行管理，保证在减小网损的过程中，兼顾母线电压质量；令U₀＝1，即不出现异常情况下母线电压，令U_b、U_c分别为U₀的±5％，令U_a、U_d分别为U₀的±10％；

(1)当U₂处于电压幅值下半区时；

1)U₂≤U_a时，PCC点电压达到波动下限，需微电网提供无功功率，提高电压，风机控制方式转换为恒电压控制；

2)U_a≤U₂≤U_b时，需要提供无功功率来减小微电网网损，但仍需无功功率保证电压，此时调节风机无功输出为

$Q=\frac{2U_b-U_2}{U_b}{Q}_{mi}$

3)U_b≤U₂≤U₀时，此区间母线电压等级满足需求，风机提供无功功率减小网损，此时调节风机无功输出为

Q＝Q_m

(2)当U₂处于电压幅值上半区时，调节过程与流程(1)类似。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，，在所述步骤S34中，，建立抑制多目标电压波动的无功优化函数

$Q_{ref}=K_{ref}^U(U_{mea}-U_{ref})+\underset{0}{\overset{T_{ref}^U}{\∫}}(U_{mea}-U_{ref})dt+K_{RX}\[\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{int}}}{\∫}}\left(P_{avg}-P_{mea}\right)dt}{T_{\mathrm{int}}}\]$

式中，U_mea为并网点实测电压，U_ref为电压参考值，为电压控制增益系数，为电压误差积分时间常数，K_RX为无功功率补偿增益系数，T_int为控制时间尺度。