CN106712032A - 一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法，该方法考虑风电机组的电气结构约束，得到具体运行场景下的风电机组无功调节能力；在其具体的无功电压调节能力基础上，利用二次罚函数形式实现风电机组的有功电压调节。主要通过建立考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型，该最优潮流模型在目标函数增加了一项风电机组有功功率调节的公式，实现风电机组有功功率调节来满足静态电压约束利用该模型优化电网中电力元件的运行状态，实现对电网节点静态电压的有效控制，避免部分节点出现过大的电压偏移。

Description

一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建 方法
技术领域
本发明属于电力企业技术领域，涉及一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法。
背景技术
在电力系统最优潮流中，通常将电压水平作为系统静态指标的重要判据。一般认为，电网只要各个时段内电网节点的运行电压保持在规定范围内时，就可以认为系统电压是合格的。然而，随着以风电为代表的新能源广泛接入电网，由于其出力具有波动性和随机性，从而造成了并网节点电压波动甚至是超过规定范围造成静态电压的不合格，这也严重限制了风电等新能源的接入和消纳。
目前，国内大部分的风电场主要采用双馈感应风电机组(DFIG)和永磁直驱风电机组(DWTG)，其运行方式普遍采用恒功率因数控制方式。恒功率因数控制方式控制简单，但无法解决风速变化引起的风电场母线和并网点电压波动问题。为解决风电场并网点的电压波动问题，通常采用在风电场出口母线上安装大容量的电容器组或静止无功补偿装置的方式来调节并网点电压。因而，目前国内大部分风电场具有潜在的无功电压调节能力。
电力电子技术和控制理论的快速发展实现了风电机组的有功功率和无功功率的解耦控制。因而，风电机组可以采用电力电子化的有功功率和无功功率控制方法，其性能在一定程度上超越了传统同步发电机。
传统技术方面，为改善双馈风机风电场并网后接入电网的无功电压水平，在电网层面，一般将风电场全局等效为PQ节点，再利用电力系统最优潮流模型进行全局优化处理，得到风电场并网点母线电压和风电场无功输出功率等优化值，并将优化结果直接发送给风电场进行控制。显然，在电力系统最优潮流研究层面，一般将风电场进行等值，通过处理优化问题，得到风电场的无功出力优化值。然而，该做法忽略了风电机组的电气结构约束，导致优化后的风电场无功输出功率设定值大于其所能发出无功功率最大值，造成了传统方法的不可行。
此外，传统静态电压调节方法一般是通过改变电网中无功电网出力来实现电压调节目的。然而，面对风电机组的电气结构约束，当风电机组在有功功率为最大值的情况下，由于逆变器容量限制导致了其无功功率输出几乎为零。
发明内容
本发明提出了一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法，通过增加了风电机组电气结构约束，克服传统技术中风电场接入电网中存在的问题，利用构建的模型实现对电网静态电压的有效控制。
一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法，包括以下几个步骤：
步骤1：根据电网运行要求，建立全网各节点的静态电压上下界约束；
Vi.min≤Vi≤Vi.max
其中，Vi表示电网第i个节点的电压幅值，Vi.min和Vi.max表示电网第i个节点电压幅值安全运行的上下界，一般取Vi.min为0.9～0.95，Vi.max为1.05～1.1；
步骤2：结合风电场的风速大小，通过电网量测系统获得当前风电场的有功功率；
步骤3：利用风电场的电气结构和风电场的发电容量约束，确定风电场在指定的运行要求场景下的风电场无功调节能力上下界约束：
其中，Sw表示风电场等效的视在功率容量，Qw表示风电场的无功功率输出，Pw表示风电场的有功功率输出，且
步骤4：基于静态电压上下界约束和风电场无功调节能力上下界约束，构建最优潮流模型的目标函数：min f＝f1+f2
其中，Vi和Vj分别表示第i个和第j个电网节点的电压幅值；Gij和Bij分别表示电网网络参数节点导纳矩阵中第i个电网节点和第j个电网节点之间所在线路的电导参数和电纳参数；δij表示电网节点i和电网节点j之间的电压相角差；PL表示全网传输线上的有功网损；n表示电网节点总数；σi表示对第i个风电场的有功功率偏差平方的罚因子；PGi表示利用最优潮流模型优化后待求解得到的第i个风电场有功功率出力；PG.max表示第i个风电场最大的有功功率出力能力；N表示选定有功电压调节的风电场数目；
步骤5：利用非线性规划算法求解设定运行要求场景下的最优潮流模型，得到具体电力元件的优化值，实现对电网静态电压的控制。
进一步地，所述最优潮流模型的交流潮流等式约束如下：
进一步地，所述最优潮流模型的同步发电机的有功功率和无功功率约束如下：
PGi.min≤PGi≤PGi.max
QGi.min≤QGi≤QGi.max
PGi和QGi分别表示电网中第i台同步电机输出的有功功率和无功功率；PGi.min和PGi.max分别表示第i台同步电机的有功功率上界和下界；QGi.min和QGi.max分别表示第i台同步电机的有功功率上界和下界。
进一步地，所述最优潮流模型的线路视在功率约束如下：
Sli.min≤Sli≤Sli.max
其中，Sli表示电网中第i条线路的视在功率，Sli.min和Sli.max分别表示电网中第i条线路的视在功率的上界和下界。
前述的功率上界和下届均可由实际电网运行参数得到。
进一步地，所述最优潮流模型中包含有节点特性的等式约束。
有益效果
本发明提出了一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法，该方法考虑风电机组的电气结构约束，得到具体运行场景下的风电机组无功调节能力；在其具体的无功电压调节能力基础上，利用二次罚函数形式实现风电机组的有功电压调节。主要通过建立考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型，该最优潮流模型在目标函数增加了一项风电机组有功功率调节的公式，实现风电机组有功功率调节来满足静态电压约束。一方面，风电机组通过改变有功输出可以直接改变电网电压的情况；另一方面，风电机组降低有功功率可以置换出一定的逆变器容量，从而在满足电气结构约束前提下使得风电机组具有无功功率输出能力。利用该模型优化电网中电力元件的运行状态，实现对电网节点静态电压的有效控制，避免部分节点出现过大的电压偏移。通过典型系统仿真算例对仿真算例进行分析，验证了所提方法的可行性和合理性。本发明所述的方法具有良好的推广价值和应用前景。
附图说明
图1为风电机组输出功率关系图；
图2为本发明提出的最优潮流模型构建思路；
图3为利用本发明提出模型进行电网运行流程示意图；
图4为算例一全网节点静态电压；
图5为算例二全网节点静态电压；
图6为利用本发明优化后的算例一全网节点静态电压；
图7为利用本发明优化后的算例二全网节点静态电压。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明做进一步的说明。
本发明的构建思路如图2所示，一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法，包括以下几个步骤：
步骤1：根据电网运行要求，建立全网各节点的静态电压上下界约束；
Vi.min≤Vi≤Vi.max
其中，Vi表示电网第i个节点的电压幅值，Vi.min和Vi.max表示电网第i个节点电压幅值安全运行的上下界，一般取Vi.min为0.9～0.95，Vi.max为1.05～1.1；
步骤2：结合风电场的风速大小，通过电网量测系统获得当前风电场的有功功率；
步骤3：利用风电场的电气结构和风电场的发电容量约束，确定风电场在指定的运行要求场景下的风电场无功调节能力上下界约束：
其中，Sw表示风电场等效的视在功率容量，Qw表示风电场的无功功率输出，Pw表示风电场的有功功率输出，且
由于风电的有功功率与风速有关，因而Pw无功功率输出约束与风电场等效容量Sw有关，其功率图如附图1所示。
步骤4：基于静态电压上下界约束和风电场无功调节能力上下界约束，构建最优潮流模型的目标函数：min f＝f1+f2
其中，Vi和Vj分别表示第i个和第j个电网节点的电压幅值；Gij和Bij分别表示电网网络参数节点导纳矩阵中第i个电网节点和第j个电网节点之间所在线路的电导参数和电纳参数；δij表示电网节点i和电网节点j之间的电压相角差；PL表示全网传输线上的有功网损；n表示电网节点总数；σi表示对第i个风电场的有功功率偏差平方的罚因子；PGi表示利用最优潮流模型优化后待求解得到的第i个风电场有功功率出力；PG.max表示第i个风电场最大的有功功率出力能力；N表示选定有功电压调节的风电场数目；
步骤5：利用非线性规划算法求解设定运行要求场景下的最优潮流模型，得到具体电力元件的优化值，实现对电网静态电压的控制。
所述最优潮流模型的交流潮流等式约束如下：
所述最优潮流模型的同步发电机的有功功率和无功功率约束如下：
PGi.min≤PGi≤PGi.max
QGi.min≤QGi≤QGi.max
PGi和QGi分别表示电网中第i台同步电机输出的有功功率和无功功率；PGi.min和PGi.max分别表示第i台同步电机的有功功率上界和下界；QGi.min和QGi.max分别表示第i台同步电机的有功功率上界和下界。
所述最优潮流模型的线路视在功率约束如下：
Sli.min≤Sli≤Sli.max
其中，Sli表示电网中第i条线路的视在功率，Sli.min和Sli.max分别表示电网中第i条线路的视在功率的上界和下界。
前述的功率上界和下届均可由实际电网运行参数得到。
所述最优潮流模型中包含有节点特性的等式约束。
利用本发明所提出的电网运行流程图如附图3所示，为更好模拟实际电网中出现高压低压问题，对标准IEEE30节点进行了修改。与标准IEEE30节点相比：将11,13节点的火电机组替换为小水电，其为恒功率因数运行；增加两座风电场于31,33节点，每个风电场装机容量为50MW。
1)风电造成的静态电压偏移仿真
为了更好地模拟风电场的随机性对电网节点静态电压的影响，这里选取两种典型场景作为仿真算例，算例一为31,33节点风电出力为0.1+j0p.u.时，全网各节点的静态电压分布；算例二为31,33节点风电出力为0.9+j0p.u.时，全网各节点的静态电压分布。
在图4中，由于两个风电场位于电网的末端，当负荷较重且风电出力较小时，在末端节点存在静态电压不合格的现象，低于配电网电压要求的0.93p.u.(图中虚线所示)。因而，当风电场出力较小且负荷较重时，可能会出现电网静态电压偏低的情况。
在图5中，当位于电网末端的两个风电场接近满发时，其末端节点会由于节点注入风电的有功功率而导致电压过高，尤其在末端节点附近，其静态电压远大于电网电压要求的1.10p.u.(图中虚线所示)。因而，当风电场接近满发时，可能会出现电网静态电压偏高的情况。
可见，由于风电出力的随机性和波动性，且在现有的风电场恒功率因数的调度策略下，会影响全网的潮流功率分布，从而造成了电网部分节点静态电压不合格的现象。本发明把风电场的无功功率约束加入到电力系统的最优潮流模型中，从而实现对部分节点电压的控制和优化。
2)风电机组参与无功调节的静态电压偏移仿真
根据本发明提出的最优潮流模型对算例一和算例二进行仿真计算，仿真结果如图6和图7所示。
通过比较图6，7和图4，5节点电压分布可以看出，利用最优潮流优化模型，可以缓解部分节点静态电压偏移过大的问题。根据最优潮流目标函数可以看出，以减小全网的有功损耗为优化目标，利用风电场的无功调节能力，同时加入了节点电压约束，使得全网的节点静态电压水平进一步得到优化。由于网络损耗与节点间电压向量差有关，通过减小全网的有功损耗可以等效为减小节点间的电压向量差，从而缓解网络部分节点电压偏移过大的问题，该结论也可以通过图6和图7以证实。在图6中，原本由于风电少发造成的末端节点电压偏低的问题，在通过最优潮流的计算后得到了解决，风电场可以提供无功功率支撑，其末端电压不再低于最低电压0.93p.u的虚线；同理，在图7中，原本由于风电大发造成的末端节点电压严重偏高的问题，在通过最优潮流的计算后也得到了解决，风电场可以吸收部分无功功率，其末端电压不再高于最高电压1.10p.u的红线，同时也减小了部分有功功率，实现了电网静态电压的条件。
总之，通过对IEEE30节点的仿真计算，证明了本发明提出的最优潮流模型的有效性和正确性。同时，具有无功调节能力的风电场可以参与到电力系统最优潮流的计算中，通过调节风电场的有功功率和无功功率输出实现对网络节点静态电压的优化和控制，此外也可以减小网络的有功损耗，进一步提高电网运行的经济性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种考虑风电机组有功电压调节能力的最优潮流模型构建方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：根据电网运行要求，建立全网各节点的静态电压上下界约束；
Vi.min≤Vi≤Vi.max
其中，Vi表示电网第i个节点的电压幅值，Vi.min和Vi.max表示电网第i个节点电压幅值安全运行的上下界，一般取Vi.min为0.9～0.95，Vi.max为1.05～1.1；
步骤2：结合风电场的风速大小，通过电网量测系统获得当前风电场的有功功率；
步骤3：利用风电场的电气结构和风电场的发电容量约束，确定风电场在指定的运行要求场景下的风电场无功调节能力上下界约束：
- S w 2 - P w 2 ≤ Q w ≤ S w 2 - P w 2
其中，Sw表示风电场等效的视在功率容量，Qw表示风电场的无功功率输出，Pw表示风电场的有功功率输出，且
步骤4：基于静态电压上下界约束和风电场无功调节能力上下界约束，构建最优潮流模型的目标函数：min f＝f1+f2
f 1 = P L = Σ i = 1 n V i Σ j = 1 n V j ( G i j cosδ i j + B i j sinδ i j )
f 2 = Σ i = 1 N σ i ( P G i - P G . m a x ) 2
其中，Vi和Vj分别表示第i个和第j个电网节点的电压幅值；Gij和Bij分别表示电网网络参数节点导纳矩阵中第i个电网节点和第j个电网节点之间所在线路的电导参数和电纳参数；δij表示电网节点i和电网节点j之间的电压相角差；PL表示全网传输线上的有功网损；n表示电网节点总数；σi表示对第i个风电场的有功功率偏差平方的罚因子；PGi表示利用最优潮流模型优化后待求解得到的第i个风电场有功功率出力；PG.max表示第i个风电场最大的有功功率出力能力；N表示选定有功电压调节的风电场数目；
步骤5：利用非线性规划算法求解设定运行要求场景下的最优潮流模型，得到具体电力元件的优化值，完成最优潮流模型构建，并利用构建的模型实现对电网静态电压的控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最优潮流模型的交流潮流等式约束如下：
P i = V i Σ j = 1 n - 1 V j ( G i j cosδ i j + B i j sinδ i j ) Q i = V i Σ j = 1 m V j ( G i j sinδ i j - B i j sinδ i j ) .
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最优潮流模型的同步发电机的有功功率和无功功率约束如下：
PGi.min≤PGi≤PGi.max
QGi.min≤QGi≤QGi.max
PGi和QGi分别表示电网中第i台同步电机输出的有功功率和无功功率；PGi.min和PGi.max分别表示第i台同步电机的有功功率上界和下界；QGi.min和QGi.max分别表示第i台同步电机的有功功率上界和下界。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述最优潮流模型的线路视在功率约束如下：
Sli.min≤Sli≤Sli.max
其中，Sli表示电网中第i条线路的视在功率，Sli.min和Sli.max分别表示电网中第i条线路的视在功率的上界和下界。
前述的功率上界和下届均可由实际电网运行参数得到。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述最优潮流模型中包含有节点特性的等式约束。
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