CN106849116A - 一种风电场无功优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电场无功优化方法，步骤如下：(1)调控中心EMS系统不对风电场进行详细建模，而是将风电场升压变高压侧等值为机组；(2)风电场AVC子站对风电场进行详细建模，通过对风电场内的无功电压分析，将风电场的无功调节能力折算为升压变高压侧的无功上下限，并上报至调控中心AVC主站。本发明有益的效果是：本发明的方法通过协调控制风电场关口无功功率，可在线根据需要调节关口无功来协助调整风电场接入点的母线电压，提高母线电压的合格水平；利用AVC主站的全网无功电压优化功能，避免无功的不合理流动，提高电网运行的经济性。

Description

一种风电场无功优化方法

技术领域

本发明属于风电场控制系统领域，尤其是一种风电场无功优化方法。

背景技术

随着煤、石油、天然气等化石类不可再生能源的日益枯竭和全球生态环境的不断恶化，如何实现社会经济和生态环境协调发展成为了世界各国亟待解决的重大课题。在此背景下、利用洁净能源、可再生能源取代化石类、不可再生能源就越来越受到人们的重视，并成为了全世界的热点。对洁净能源的研究进程中，由于风能的清洁性、可再生性、丰富的储量以及人类利用风能的悠久历史使其得到了优先发展。作为风能利用的一种形式，同时也是技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的可再生能源开发方式之一，风力发电技术越来越受到各国的重视并得到了广泛的开发和应用。目前各种新技术、新材料日益更新，现代风力发电机组的运行效率和并网特性都得到了很大的改善。

海上风电场具有风速高、风力稳定、干扰少、发电量大等优势，已成为未来风电发展的重要选择。国际上尤其是欧洲，海上风电已经得到了非常足够的重视，德国、丹麦、英国等欧洲国家已步入海上风电的规模化开发阶段。欧洲风能协会(European Wind EnergyAssociation)预测，到2030年，海上/离岸风力发电可满足欧盟17％的电力需求。而中国还处于起步阶段，有着巨大的发展空间。一方面，中国拥有十分丰富的近海风资源，相对于陆上风机而言，海上风机得益于海面上更强劲、更稳定的风资源，可以产生更多的电能。有数据显示，我国近海10米水深的风能资源约1亿千瓦，近海20米水深的风能资源约3亿千瓦，近海30米水深的风能资源约4.9亿千瓦。另一方面，我国东部沿海地区海上风能资源丰富且距离负荷中心近，具备大规模发展的资源条件和市场需求，开发海上风电可有效改善东部电力供应结构能源供应情况。海上风电发展或可成为增加可再生能源普及率的关键之一，因此，大力推动我国海上风电发展，对缓解沿海地区用电紧张局面，有效应对气候变化等都具有十分重要的作用，是我国能源战略的一个重要内容。

由于风电具有很强随机性和波动性，海陆风在一些地区的日变化呈现反调峰性，大规模海上风电接入电网后，会给电网的运行、调度带来挑战。因此，为了保证大规模风电接入后的电网安全，迫切需要针对大规模、高集中度海上风电并网关键问题，系统地开展大规模、高集中度海上风电并网后与电网的交互影响等基础理论和核心技术研究，促进建设电网友好型风电场和风电友好型电网建设，实现我国海上风电发展预期目标

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种具有双向可控、换相不依赖电网过零、谐波水平低、无功有功独立调节、可向无源网络供电等特点的风电场无功优化方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种风电场无功优化方法，步骤如下：

(1)调控中心EMS系统不对风电场进行详细建模，而是将风电场升压变高压侧等值为机组；

(2)风电场AVC子站对风电场进行详细建模，通过对风电场内的无功电压分析，将风电场的无功调节能力折算为升压变高压侧的无功上下限，并上报至调控中心AVC主站，对上报的无功调节能力进行分级，上报的无功调节能力需考虑风电场内的各种安全性约束，以保证上报的无功调节能力是能够实现的；

(3)AVC主站根据风电场上报的无功调节能力，通过策略计算给出各风电场并网点的无功或电压定值命令，并下发至各风电场AVC子站；

(4)风电场AVC子站根据一定的原则调节风电场内的各种无功电压调节手段，以跟踪收到的无功或电压定值命令。

本发明有益的效果是：本发明的方法通过协调控制风电场关口无功功率，可在线根据需要调节关口无功来协助调整风电场接入点的母线电压，提高母线电压的合格水平；利用AVC主站的全网无功电压优化功能，避免无功的不合理流动，提高电网运行的经济性；有助于降低人工控制的风险，由于人工下发遥控遥调指令事实上存在一定的风险性，特别是在电网监控点较多的情况下存在误控的风险；有助于降低调控人员的工作量。

附图说明

图1是电压源换流器等值电路；

图2是双极电压源换流器等值电路；

图3是变压器等值电路图；

图4是松弛化电压无功优化模型说明图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明：

这种风电场无功优化方法，步骤如下：

(1)调控中心EMS系统不对风电场进行详细建模，而是将风电场升压变高压侧等值为机组。

(2)风电场AVC子站对风电场进行详细建模，通过对风电场内的无功电压分析，将风电场的无功调节能力折算为升压变高压侧的无功上下限，并上报至调控中心AVC主站。考虑到风电场的无功调节能力有一部分是能够单纯由连续调节手段实现的，而另一部分调节能力则需要调整离散调节手段才能实现，因此有必要对上报的无功调节能力进行分级。此外，上报的无功调节能力需考虑风电场内的各种安全性约束，以保证上报的无功调节能力是能够实现的。

(3)AVC主站根据风电场上报的无功调节能力，通过策略计算给出各风电场并网点的无功或电压定值命令，并下发至各风电场AVC子站。

(4)风电场AVC子站根据一定的原则调节风电场内的各种无功电压调节手段，以跟踪收到的无功或电压定值命令。

使用基于OPF的两级电压控制模式，其优化控制周期一般为分钟级，远短于三级电压控制的优化周期，优化结果能够较好地反映电网的实际情况，且优化结果直接下发至相关厂站实施控制，在执行环节不会发生偏移，电压安全性好、经济性优。

电压无功优化以电网运行的安全性作为约束条件，以提高电网运行的经济性作为优化目标，实现全网无功的综合优化。

电压无功优化问题一般描述为非线性规划问题，采用内点法等非线性规划方法求解时需要计算目标函数的梯度及海森矩阵等，编程实现的难度较大。本发明将柔性交直流混合电网电压无功优化问题描述为二次约束二次规划模型，目标函数的梯度向量及海森矩阵的求解均很方便，大大降低了编程实现的难度，以提高算法实现的效率。

采用直角坐标，对于交流节点，取电压相量的实部及虚部作为状态量；对于直流节点，取直流电压幅值作为状态量；对于电压源换流器，取等值电源内电势相量的实部及虚部作为状态量。

(1)电压源换流器状态约束

采用直角坐标，则电压源换流器的等值电路如图1所示：

故有：

其中，a_k,d_k分别表示VSC直流侧和交流侧节点的节点编号，V_ck∠θ_ck表示VSC_k的内电势，θ_ck,ak＝θ_ck-θ_ak，L_k表示VSC_k的有功损耗系数。

对于优化算法，直接处理绝对值函数存在困难，取

则

将式(4)及式(8)代入式(3)，

(2)交流节点的有功及无功潮流平衡约束

(3)直流节点的有功潮流平衡约束

(4)交流电压相位参考值约束

对于交直流混联系统，一个电气岛可能被直流系统划分为多个交流子系统，对于每个交流子系统，可以选择一个节点作为相位参考点，

(5)直流电压参考值约束

对于交直流混联系统，一个电气岛可能被交流系统分割为多个直流子系统，对于每个直流子系统，需选择一个直流节点作为定直流电压控制点，

实际电网中，直流系统一般不考虑升压运行，而降压运行将增加有功损耗，故定直流电压控制点的电压目标值一般为额定电压附近。

(6)支路载流能力约束

电网运行中，任一设备的潮流都不应该超过其长期载流量，即

(7)主变关口无功约束

电网运行中，调度部门一般希望无功分层平衡，即控制主变关口无功为某一范围内，即

(8)断面有功约束

电网运行中，调度部门一般会对断面有功潮流进行控制，以保证一定的可靠性水平，即

(9)VSC双极对称运行约束

典型地，VSC采用双极接线，正常情况下为双极对称运行。对于采用模块化多电平技术(MMC)的VSC，实用中一般采用伪双极接线，只能双极同时运行。同一换流站内，正负极VSC交流侧接于同一节点，其等值电路如图2所示：

VSC双极运行时，其两极之间的运行状态应是对称的，故有：

e_ck+＝e_ck- (18)

f_ck+＝f_ck- (19)

V_dk+＝V_dk- (20)

(10)有载调压变压器抽头模型

对于变压器支路，可以看作是一条普通支路串接一个理想变比(如图3所示)。

引入中间节点的电压相量e_ik+jf_ik，则

e_ckT_k＝e_jk (21)

f_ckT_k＝f_jk (22)

其中，t_k和M_k分别为有载调压抽头k的档位和档距。

由此可以将变压器支路两端的有功及无功潮流描述为e_ik、f_ik、e_ck及f_ck的二次函数。

(11)并联补偿器模型

对于并联补偿器的补偿节点i，补偿无功为

引入辅助变量

即U_i为节点i电压幅值的平方。则有

Q_ci＝U_iB_i (26)

(12)交流节点电压约束

柔性交直流混合电网运行中一般要求交流节点电压控制在某一合理的范围，故有

经过上述处理，直角坐标下电压无功优化问题在数学上可以描述为如下的二次约束二次规划问题：

min Obj(e,f,U,B,T,Q_G)

s.t.

式中，Obj(e,f,B,T,Q_G)为目标函数，一般为网损；U_i、V _i、e_i、f_i、P_Gi、Q_Gi、P_Li和Q_Li分别表示节点i的电压幅值的平方、电压幅值下限、电压幅值上限、电压相量实部、电压相量虚部、电源有功注入、电源无功注入、有功负荷和无功负荷；B_i为并联补偿设备i的并联电纳；T_k为变压器有载调压抽头k的标么变比；S_N为所有拓扑点的集合；S_G为所有机端拓扑点的集合；S_C为并联补偿设备的集合；S_T为变压器有载调压抽头的集合。

在电网的实际运行中，由于负荷是时刻变化的，相应地母线电压幅值也将发生相应的波动，如果运行电压靠近考核边界，则可能因为负荷的正常波动而导致电压越限，因此在进行电压控制时应适当压缩电压可行域空间，以提高电压合格率。事实上，电厂的一级电压控制装置在跟踪高压母线电压定值也需要一定的时间，并存在一定的控制死区，实际电压控制值与定值之间也会存在一定的偏差，因此应该在电压允许区间的边界处设置预警区，尽量避免电压靠边界运行。

在负荷爬坡(或滑坡)时段，由于负荷的增长(下降)速度较快，负荷侧电压有较快的下降(上升)趋势，较易出现电压越下限(上限)的情况，应适当提高相应电压下限(上限)的压缩宽度，以保证电网的电压质量，提高电压合格率。对于负荷变化相对平稳的时段，电压幅值的变化速度较慢，变化幅值较小，电压限值的压缩量可适当减小，增大可行域空间，以降低电网的有功损耗，提高电网运行的经济性。

由电力系统运行知识可知：式(28)的不等式约束中，发电机无功出力、并联补偿设备的并联电纳及主变分接头标么变比等不等式约束均为硬约束，在电网的实际运行中不可能越限，在优化过程中应严格保证其可行性；而电压的上下限限值则为软约束，在电网的实际运行中可能越限，只是不希望出现越限情况罢了。当电网的局部无功调节能力不足时，完全可能出现某些节点电压越限的情况，此时式(28)构成的电压无功优化问题将无解，采用绝大多数优化算法求解时将表现为不收敛或找不到可行解。显然，这不能满足闭环实时控制系统对算法的可靠性要求。

事实上，当电网出现局部无功调节能力不足时，照样应该给出电压控制策略并实施闭环控制，以使越限点尽可能地少，越限量尽可能地小。

根据上述分析可以将电压的可能运行区间划分为安全区、预警区及警戒区，安全区是期望的电压运行区，故不必施加任何惩罚，预警区则应给予一定的惩罚，警戒区则给予较大的惩罚。

引入人工变量s_i以反映节点i的电压越限量，并通过在目标函数中引入对电压越限量的惩罚以体现对电网电压品质的要求，则电压无功优化问题可描述如下：

s.t.

式中，和V _ci分别为压缩后的电压上下限；s_i为节点i引入的松弛量，表征节点电压越限量；w表示在目标函数中对电压越限进行惩罚的权重。

上述处理事实上是根据压缩后的电压限值对电压违反量进行惩罚，由于压缩带宽的存在，通过设置适当的罚系数，可以有效避免不必要的电压靠边界或越限运行。以一维情况为例，所构造的目标函数如图4所示：

对于电力系统的实际运行状态，当有了收敛的状态估计结果时，潮流平衡方程、机组无功出力约束、补偿设备并联电纳上下限约束及主变变比约束等均会得到满足。当无功调节能力不足时，只要松弛变量S值足够大，电压的上下限约束也会得到满足，即式(29)的等式及不等式约束均将得到满足，这就意味着由式(29)构成的优化问题肯定存在可行解，可以满足无功调节能力相对不足时的电压控制需要。

目前电网状态估计的可用率较高，有了状态估计提供的收敛潮流，采用原对偶内点法求解松弛化电压无功优化问题的收敛可靠性将是非常高的，状态估计及无功优化的总体可用率较高。即使如此，状态估计不收敛的可能性还是存在的，电压无功优化计算不收敛的可能性理论上也是存在的。

通过与电压合格边界保持适当的距离，即使十多分钟不进行电压调整，对电网的安全运行一般没有多大影响，在负荷变化相对平稳的时段更是如此。对于电网运行中出现的短时间状态估计或电压无功优化不可用，只需维持原控制策略即可，而长时间的状态估计或无功优化不可用的可能性事实上是非常小的。

当出现长时间的状态估计或电压无功优化计算异常时，一种办法是AVC主站不出策略，各电厂均退回当地控制模式，维持原定值进行电压控制，当出现电压越限或接近越限时由调度员根据经验进行无功电压调整。另一种可能的办法则是基于SCADA量测及灵敏度信息实现电压校正控制。如果所有母线的电压均没有越限，且与边界间保持有一定的距离，则AVC系统维持原策略运行，否则启动校正控制以使各母线电压相对靠中间运行。基于SCADA量测及灵敏度信息的全局电压校正控制模型可描述如下：

min f(ΔQ_G,ΔV,S)

其中，B为导纳矩阵各元素虚部构成的矩阵，与导纳矩阵具有相同的稀疏性结构；ΔQ_G为拓扑点电源总无功注入变化量；目标函数f(ΔQ_G,ΔV,S)取为半正定二次函数；S_N为所有拓扑点的集合；S_G为所有机端拓扑点的集合。

该模型为稀疏凸二次规划模型，可采用原对偶内点法求解，其收敛性在理论上可以得到有效保障。

对于AVC系统，出于控制平稳性的考虑，在每个控制周期中对母线电压的调节幅度均有一定的限制(一般小于0.01PU)，故式(30)中等式约束方程的误差较小，能够满足工程上的精度要求。

采用全局电压校正控制模型实施电压控制时，电网的电压安全性仍能够得到较好保证，但经济性可能较差，作为状态估计或电压无功优化异常的后备控制方法，可以大大提高AVC系统的总体可靠性。

当然，当状态估计或电压无功优化异常时，应尽快查找原因并加以解决。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种风电场无功优化方法，其特征是：步骤如下：

(1)调控中心EMS系统不对风电场进行详细建模，而是将风电场升压变高压侧等值为机组；

(2)风电场AVC子站对风电场进行详细建模，通过对风电场内的无功电压分析，将风电场的无功调节能力折算为升压变高压侧的无功上下限，并上报至调控中心AVC主站，对上报的无功调节能力进行分级，上报的无功调节能力需考虑风电场内的各种安全性约束，以保证上报的无功调节能力是能够实现的；

(3)AVC主站根据风电场上报的无功调节能力，通过策略计算给出各风电场并网点的无功或电压定值命令，并下发至各风电场AVC子站；

(4)风电场AVC子站根据一定的原则调节风电场内的各种无功电压调节手段，以跟踪收到的无功或电压定值命令。