CN106208045A - 一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法 - Google Patents

Abstract

一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，首先定义脱网路径和建立模型，然后提出多场景路径阻断策略，通过阻断路径链的前置节点，从而阻断脱网的传播途径，以及减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度，相应的分层控制策略结构也被给出。本发明一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，提出分层分级控制策略，构成一个完成的控制系统；采取前端位置控制措施，阻断脱网的传播途径，以及减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度。

Description

一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法

技术领域

本发明一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，涉及风电场的连锁脱网控制领域。

背景技术

风力发电技术近年来在世界范围内得到了迅猛发展，随着装机容量的不断扩大，大型并网风电场及其接入系统的安全稳定运行日益受到关注。中国风电场群通常是集群开发、长距离传输接入弱电网，这些特点使得风电场连锁脱网情况频频发生。因此，研究避免集群风电场连锁脱网控制策略对风电场及其接入系统的稳定运行具有重要意义。

目前，针对风电场的连锁脱网控制问题，总体来讲较少涉及故障下风电场群紧急控制策略的研究。对于风电场连锁脱网控制策略有基于稳态运行约束和预想N-1故障集后安全约束的最优潮流(OPF)模型，该模型提出了抑制大规模连锁脱网的风电汇集区域电压预防控制策略，没有考虑动态条件下风电场的电压无功控制。针对风电场的并网方式特点，提出了一种可分段进行故障切除的风电场直流线路距离保护策略，此方法以根据保护处电压测量值计算得出的故障距离作为动作判据，以VSI中的反偏二极管在故障中的过电流特性来整定直流电缆上距离保护各段间延时，在保证电力电子器件在故障中安全的同时，也实现了对金属性短路故障的高可靠性及选择性，但是，由于直流电缆阻抗较小，接地故障时，稍微大一点的接地电阻即会造成测距误差很大。

目前，国内外关于风电场连锁脱网故障的研究，绝大多数所考虑的风电场连锁故障的发展模式为：“初始故障后，风电场因大负荷转移而造成了继电保护相继动作跳开电网元件”这种模式，但由于风电场的连锁故障形式多样，故障参数各异，故障深度不定，且搜索连锁故障需要模拟保护动作性能和安全自动装置的控制措施及随机因素，因此连锁故障模式的搜索和分析十分困难。现在国内外风电场严重跳闸间断故障频繁发生，研究人员将这些原因归结为新能源单元的低电压穿越能力，通过建立详细的模型来反应无功补偿器的动态调节能力，并模拟了故障的发展过程。同时，为避免脱网情况的发生，一些研究通过优化模型单元，比如补偿的延时控制，低电压穿越的改善等等，这些需要在结构上进行改变，花费较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法。首先提出脱网路径的概念来描述风机脱网的过程，并建立路径搜索模式和风险评估体系来搜索整个风电场脱网路径。本发明主要基于PSASP仿真软件对不同场景下各个风电场的连锁故障进行全面仿真，更改初始约束条件，如：故障类型、故障点位置、新能源场站出力、无功补偿投入容量等，经过并行计算找出脱网路径并存储。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，首先定义脱网路径和建立模型，然后提出多场景路径阻断策略，通过阻断路径链的前置节点，从而阻断脱网的传播途径，以及减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度，相应的分层控制策略结构也被给出。

一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，包括以下步骤：

步骤1，脱网路径的定义：

新能源场站连锁脱网事故的演化过程可用由脱网节点和有向连边组成的路径链来表现，其模型可表述为：对于大规模新能源集中接入地区，若某处新能源场站受扰动后首先脱网，则以此场站为起点，记录受相互影响发生连锁脱网事故的所有邻近新能源场站并分别标记脱网时间轴，最后按照时序排列所有脱网场站形成连锁反应链；脱网节点指一个特定的跳闸断开事件，路径链指由于一个新能源场站发生故障导致临近节点被去除，形成一个链接来连接这两个事件，它是指向路径传播失败方向并由两个时间顺序来确定相邻的事件。

步骤2，脱网路径阻断控制策略：

相邻的两个关系跳闸断节点和完成路径被描述为：

S_i+1＝if(S_i＝0,0)

$S_P=\underset{i=1}{\overset{i}{\Σ}}{S}_i+\underset{i=i}{\overset{N-1}{\Π}}{S}_{i+1}$

S_i表示脱网事件节点，S_i不发生将避免所有脱网事件的发生，从而阻断脱网的传播途径。

步骤3，控制措施：

1)、一级控制措施：

一级控制措施是关于预防控制，通过调节在稳定状态下对于不同脱网类型的新能源场站的PCC公共耦合点电压来阻断这个脱网路径，根据实际情况，对调节间隔电压被设定为0.95～1.05p.u，同时，控制措施通常包括新能源的有功功率或无功功率调节，在新能源站补偿器的输入容量调节及相邻无功源的联合调控。

2)、二级控制措施：

当一级控制阻挡脱网路径失败，这样的事一旦发生，紧急控制措施应被视为首要方法；当跳闸断开故障发生，由故障影响的故障点附近两个新能源场站和相邻场站将在几毫秒和几百毫秒被跳断，该系统不稳定将是在几分钟内。二级措施旨在应急的实际演变过程中，在时间序列前阻断跳闸关闭的路径；根据响应速度，二级控制措施通常包括当地最大的无功功率支持和补偿的时间延迟阻塞，在新能源站馈线紧急关闭，切机，甩负荷。

一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，分层控制策略主要被分成三层：数据层、决策层、执行层；

1、数据层：该层主要实现数据的输入，新能源发电的分区，计算，存储和脱网路径的风险评估，风电场连锁脱网路径搜索方法基于PSASP仿真平台，依照以下步骤进行：

(1)、电力系统和场景参数的实时数据的输入：

在大规模风电场集中接入系统后的连锁故障中，初始约束条件的不同，往往得到的结果也不同，为了较为全面的模拟风机脱网过程，将可能影响到连锁脱网结果的各种因素总结如下五种：故障类型、故障点位置、风电场场站出力、无功补偿投入容量以及风电发电机组实际具备低压穿越能力情况，按照不同约束组合对初始数据进行修改与调整，在每次做仿真前对数据进行仔细检查，防止遗漏。

(2)、潮流计算：

建立潮流作业，设置好相应参数，进行潮流计算，确保全网潮流收敛。

(3)、暂态稳定计算：

建立对应的暂态稳定作业，对于场群中选定的故障处地点，设置计算信息、相应的故障点、故障类型、故障时间、切机条件以及输出选择等。

(4)、分析和评估：

通过输出的状态参数，包含电压、频率、功角的值以及功率损失的大小，来对系统稳定性进行判断，并将所有脱网路径存储起来进行风险评估。

(5)、结果输出：

确认所有场景都已模拟完成，否则重复以上步骤，分析不同场景下的风电场站的脱网情况，找出脱网路径，输出结果。

2、决策层：通过实时计算，这层是生成的最优控制策略和存储，对于每个脱网路径，在预防控制策略上，首先采取稳压措施以避免S₁发生。如果失败，标志着S₁到M₁并转向对事件S₂的控制；如果用一级控制完成所有事件控制之后，没有达到控制目标，那么首先通过时间序列T_MP{T_MP1,T_MP2...T_MPN}产生标注的事件列出M_P{M₁,M₂...M_N}，然后在一级控制措施的基础上采取二级控制措施；二次调控之前，有必要通过T_MP来匹配各项措施的响应速度，找出合适的控制时间和命令。

3、执行层：在执行层主要执行存储在决策层的策略，在这一层的主控制中心实现整个数据的传送功能，实现决策层的一些作用，以及对存入到远程的控制策略进行排序，协调控制策略被存储并在区域控制中心中执行，在控制层完成本地的控制策略，一旦事故发生，每个控制站可以立刻与当地控制站联系，并发送故障信息区域和主控制中心要求远程和协调控制，此外，为了提高路径阻断的成功性，协调策略中相邻的控制中心可以进行信息和控制指令的交流，向来自相邻站的有功和无功功率的监管协调。

本发明一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，优点在于：

1：提出分层分级控制策略，构成一个完成的控制系统。

2：采取前端位置控制措施，阻断脱网的传播途径，以及减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的脱网路径结构图。

图2为本发明的为脱网路径前端阻断示意图。

图3为本发明的数据层流程图。

图4为本发明的决策层流程图。

图5为本发明的执行层流程图。

图6为本发明的实施例中贺兰山片区部分网络图。

图7为本发明的实施例中故障后贺兰山片区风电场出口母线电压变化图。

具体实施方式

本发明一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，从风电发展策略、电源与电网统一规划、技术标准和管理规范和技术研发等方面提出应对措施。首先定义脱网路径和建立模型。然后提出多场景路径阻断策略，通过阻断路径链的前置节点，从而阻断脱网的传播途径，以及减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度，相应的分层控制策略结构也被给出。

一、脱网路径的定义：

新能源场站连锁脱网事故的演化过程可用由脱网节点和有向连边组成的路径链来表现，其模型可表述为：对于大规模新能源集中接入地区，若某处新能源场站受扰动后首先脱网，则以此场站为起点，记录受相互影响发生连锁脱网事故的所有邻近新能源场站并分别标记脱网时间轴，最后按照时序排列所有脱网场站形成连锁反应链。脱网节点指一个特定的跳闸断开事件，路径链指由于一个新能源场站发生故障导致临近节点被去除，形成一个链接来连接这两个事件，它是指向路径传播失败方向并由两个时间顺序来确定相邻的事件。

二、脱网路径阻断控制策略：

相邻的两个关系跳闸断节点和完成路径可以被描述为

S_i+1＝if(S_i＝0,0)

$S_P=\underset{i=1}{\overset{i}{\Σ}}{S}_i+\underset{i=i}{\overset{N-1}{\Π}}{S}_{i+1}$

S_i表示脱网事件节点，很容易看出S_i不发生将避免所有脱网事件的发生，从而阻断脱网的传播途径，以及减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度。其结果是，采取前端位置控制措施，降低了控制成本和脱网的严重程度。因此，按照“分层，分区，协调与合作”的概念，本发明提出了一个分层控制策略，旨在阻断前面可能发生脱网的路径。

三、控制措施：

1)、一级控制措施：

一级控制措施是关于预防控制，通过调节在稳定状态下对于不同脱网类型的新能源场站的PCC(公共耦合点)电压来阻断这个脱网路径。根据实际情况，对调节间隔电压被设定为0.95～1.05p.u。同时，控制措施通常包括新能源的有功功率或无功功率调节，在新能源站补偿器的输入容量调节及相邻无功源的联合调控。

2)、二级控制措施：

当一级控制阻挡脱网路径失败，这样的事一旦发生，紧急控制措施应被视为首要方法。当跳闸断开故障发生，由故障影响的故障点附近两个新能源场站和相邻场站将在几毫秒和几百毫秒被跳断，该系统不稳定将是在几分钟内。因此，实现在这样短的时间内紧急控制变得困难。二级措施旨在应急的实际演变过程中，在时间序列前阻断跳闸关闭的路径。根据响应速度，二级控制措施通常包括当地最大的无功功率支持和补偿的时间延迟阻塞，在新能源站馈线紧急关闭，切机，甩负荷。

四、下面结合图形详细分析：

本发明通过分层分级控制策略来解决集群风电场连锁脱网的问题。分层控制策略主要被分成三层：数据层、决策层、执行层，并对他们的功能描述如下：

图1为脱网路径结构图。脱网路径链主要由脱网节点和有向连边所组成的一条完整路径链。1，2，3，4，5分别表示脱网节点，也表示跳闸断电事件，每一个脱网节点由触发状态和时间，以及有功功率损耗和系统的稳定性组成。可以通过式子来表示每个脱网事件数。本发明主要是通过引出脱网路径的概念，然后通过PSASP仿真软件对于不同场景下各个脱网路径进行搜寻存储。

图2为脱网路径前端阻断示意图。通过预防控制和紧急控制，阻断前端可能发生脱网的节点，例如节点1可能产生脱网风险，若采取一级控制(预防控制)无法使节点1恢复稳定状态，则使用二级控制(紧急控制)切机或甩负荷，通过阻断节点1的脱网传播，从而阻断整个脱网路径链，即如果每个事件都不发生(S_i＝0)，整个脱网路径不会形成。竟而也可以减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度。其结果是，采取前端位置控制措施，降低了控制成本和脱网的严重程度。

图3为数据层流程图，该层主要实现数据的输入，新能源发电的分区，计算，存储和脱网路径的风险评估。风电场连锁脱网路径搜索方法基于PSASP仿真平台，依照以下步骤进行：

(1)、电力系统和场景参数的实时数据的输入：

在大规模风电场集中接入系统后的连锁故障中，初始约束条件的不同，往往得到的结果也不同。为了较为全面的模拟风机脱网过程，将可能影响到连锁脱网结果的各种因素总结如下五种：故障类型、故障点位置、风电场场站出力、无功补偿投入容量以及风电发电机组实际具备低压穿越能力情况。按照不同约束组合对初始数据进行修改与调整，在每次做仿真前对数据进行仔细检查，防止遗漏；

(2)、潮流计算：

建立潮流作业，设置好相应参数，进行潮流计算，确保全网潮流收敛；

(3)、暂态稳定计算：

建立对应的暂态稳定作业，对于场群中选定的故障处地点，设置计算信息、相应的故障点、故障类型、故障时间、切机条件以及输出选择等；

(4)、分析和评估：

通过输出的状态参数，包含电压，频率，功角的值以及功率P损失的大小，来对系统稳定性进行判断，并将所有脱网路径存储起来进行风险评估。

(5)、结果输出：

确认所有场景都已模拟完成，否则重复以上步骤，分析不同场景下的风电场站的脱网情况，找出脱网路径，输出结果。

下面以贺兰山片区为例详细说明西北地区大规模风机接入系统后引起的连锁脱网事故路径计算仿真过程，其部分网络图如图6所示。

仿真步骤如下所述：

(1)数据输入以及约束条件选择。采用2015冬小五省运行数据，西北地区1000MW送出，约束条件选择当前实际运行条件，即新能源出力为50％，无功补偿装置100％投入，风电机组根据出厂型号分为具备低穿能力和不具备低穿能力两种情况(如表1所示)。设置好参数后，检查后，进行全网潮流计算，确保潮流收敛；

表1贺兰山片区各风电场站具备LVRT能力信息表

新能源场站	具备低穿能力	具备高穿能力
			宁贺风一	ZQ,SK具备，SK0不具备	不具备
宁贺风二	不具备	不具备
			宁贺风三	具备	不具备
宁贺风四	SL不具备，SK具备	不具备
			宁贺风五	具备	不具备
宁贺风六	具备	不具备
			宁盛光	具备	具备
宁小坝光	具备	具备

(2)设置故障类型为三相永久性短路，发生地点位于宁贺六风电场110kV出口母线处交流线上，与母线i侧距离系数k＝10％，故障起始时间1s，持续1.1s，设置贺兰山片区所有新能源场站的切机条件以及输出信息；

进行暂态稳定计算，输出数据与表格进行分析，如图7所示：

由曲线图和数据可分析：宁贺风六110kv出口母线i侧交流线发生三相短路故障时，母线电压瞬时跌入到0.2p.u.以下，风电场从电网中脱离，此阶段其他新能源场站出口母线电压均有降低，其中，宁贺风四出口母线电压跌至0.4238p.u.，且宁贺四风电场中风机类型为鼠笼异步电机，不具备LVRT能力，故在故障过程中从系统切除，其他具备LVRT能力的新能源场站都能在低电压中很好的穿越。当故障结束后，由于各处新能源场站的无功补偿装置的时滞效应，造成一定量的无功过剩，各新能源场站出口母线电压都有上升，在一段时间后达到最大值，但均未达到相应高电压越限保护的触发条件，没有造成高电压脱网事故，故障结束后系统仍然稳定。故本次计算中存在一条低电压脱网路径：起始风电场为宁贺风六，影响脱网风电场为宁贺风四。

图4为决策层流程图，通过实时计算，这层是生成的最优控制策略和存储。对于每个脱网路径，在预防控制策略上，首先采取稳压措施以避免S₁发生。如果失败，标志着S₁到M₁并转向对事件S₂的控制，等等。如果用一级控制完成所有事件控制之后，没有达到控制目标，那么首先通过时间序列T_MP{T_MP1,T_MP2...T_MPN}产生标注的事件列出M_P{M₁,M₂...M_N}，然后在一级控制措施的基础上采取二级控制措施。二次调控之前，有必要通过T_MP来匹配各项措施的响应速度，找出合适的控制时间和命令。

图5为执行层流程图，在执行层主要执行存储在决策层的策略。在这一层的主控制中心实现整个数据的传送功能，实现决策层的一些作用，以及对存入到远程的控制策略进行排序，协调控制策略被存储并在区域控制中心中执行，在控制层完成本地的控制策略。一旦事故发生，每个控制站可以立刻与当地控制站联系，并发送故障信息区域和主控制中心要求远程和协调控制。此外，为了提高路径阻断的成功性，协调策略中相邻的控制中心可以进行信息和控制指令的交流，像来自相邻站的有功和无功功率的监管协调。

Claims (3)

1.一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，其特征在于：首先定义脱网路径和建立模型，然后提出多场景路径阻断策略，通过阻断路径链的前置节点，从而阻断脱网的传播途径，以及减少故障跳闸关闭的节点，长度和严重程度，并通过分层控制策略结构进行相应的分层控制。

2.根据权利要求1所述一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，脱网路径的定义：

新能源场站连锁脱网事故的演化过程可用由脱网节点和有向连边组成的路径链来表现，其模型可表述为：对于大规模新能源集中接入地区，若某处新能源场站受扰动后首先脱网，则以此场站为起点，记录受相互影响发生连锁脱网事故的所有邻近新能源场站并分别标记脱网时间轴，最后按照时序排列所有脱网场站形成连锁反应链；脱网节点指一个特定的跳闸断开事件，路径链指由于一个新能源场站发生故障导致临近节点被去除，形成一个链接来连接这两个事件，它是指向路径传播失败方向并由两个时间顺序来确定相邻的事件；

步骤2，脱网路径阻断控制策略：

相邻的两个关系跳闸断节点和完成路径被描述为：

S_i+1＝if(S_i＝0,0)

$S_P=\underset{i=1}{\overset{i}{\Σ}}{S}_i+\underset{i=i}{\overset{N-1}{\Π}}{S}_{i+1}$

S_i表示脱网事件节点，S_i不发生将避免所有脱网事件的发生，从而阻断脱网的传播途径；

步骤3，控制措施：

1)、一级控制措施：

一级控制措施是关于预防控制，通过调节在稳定状态下对于不同脱网类型的新能源场站的PCC公共耦合点电压来阻断这个脱网路径，根据实际情况，对调节间隔电压被设定为0.95～1.05p.u，同时，控制措施通常包括新能源的有功功率或无功功率调节，在新能源站补偿器的输入容量调节及相邻无功源的联合调控；

2)、二级控制措施：

当一级控制阻挡脱网路径失败，这样的事一旦发生，紧急控制措施应被视为首要方法；当跳闸断开故障发生，由故障影响的故障点附近两个新能源场站和相邻场站将在几毫秒和几百毫秒被跳断，该系统不稳定将是在几分钟内；二级措施旨在应急的实际演变过程中，在时间序列前阻断跳闸关闭的路径；根据响应速度，二级控制措施通常包括当地最大的无功功率支持和补偿的时间延迟阻塞，在新能源站馈线紧急关闭，切机，甩负荷。

3.根据权利要求1所述一种避免集群风电场连锁脱网的分层分级控制方法，其特征在于包括以下步骤：

分层控制策略主要被分成三层：数据层、决策层、执行层；

1、数据层：该层主要实现数据的输入，新能源发电的分区，计算，存储和脱网路径的风险评估，风电场连锁脱网路径搜索方法基于PSASP仿真平台，依照以下步骤进行：

(1)、电力系统和场景参数的实时数据的输入：

在大规模风电场集中接入系统后的连锁故障中，初始约束条件的不同，往往得到的结果也不同，为了较为全面的模拟风机脱网过程，将可能影响到连锁脱网结果的各种因素总结如下五种：故障类型、故障点位置、风电场场站出力、无功补偿投入容量以及风电发电机组实际具备低压穿越能力情况，按照不同约束组合对初始数据进行修改与调整，在每次做仿真前对数据进行仔细检查，防止遗漏；

(2)、潮流计算：

建立潮流作业，设置好相应参数，进行潮流计算，确保全网潮流收敛；

(3)、暂态稳定计算：

建立对应的暂态稳定作业，对于场群中选定的故障处地点，设置计算信息、相应的故障点、故障类型、故障时间、切机条件以及输出选择等；

(4)、分析和评估：

通过输出的状态参数，包含电压、频率、功角的值以及功率损失的大小，来对系统稳定性进行判断，并将所有脱网路径存储起来进行风险评估；

(5)、结果输出：

确认所有场景都已模拟完成，否则重复以上步骤，分析不同场景下的风电场站的脱网情况，找出脱网路径，输出结果；

2、决策层：通过实时计算，这层是生成的最优控制策略和存储，对于每个脱网路径，在预防控制策略上，首先采取稳压措施以避免S₁发生，如果失败，标志着S₁到M₁并转向对事件S₂的控制；如果用一级控制完成所有事件控制之后，没有达到控制目标，首先通过时间序列T_MP{T_MP1,T_MP2...T_MPN}产生标注的事件列出M_P{M₁,M₂...M_N}，然后在一级控制措施的基础上采取二级控制措施；二次调控之前，有必要通过T_MP来匹配各项措施的响应速度，找出合适的控制时间和命令；

3、执行层：在执行层主要执行存储在决策层的策略，在这一层的主控制中心实现整个数据的传送功能，实现决策层的一些作用，以及对存入到远程的控制策略进行排序，协调控制策略被存储并在区域控制中心中执行，在控制层完成本地的控制策略，一旦事故发生，每个控制站立刻与当地控制站联系，并发送故障信息区域和主控制中心要求远程和协调控制，此外，协调策略中相邻的控制中心可以进行信息和控制指令的交流，向来自相邻站的有功和无功功率的监管协调。