CN109217324A - 一种计及无功电价补偿的自动电压控制系统和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计及无功电价补偿的自动电压控制系统和控制方法，通过对实际电网每个断面进行模拟计算，实时分析各节点电压控制情况，以网损及无功电价投入成本最小为目标，充分利用可再生能源的无功调节容量，实现计及无功电价补偿的逆变器调相运行自动电压控制(AVC)，提高电力系统运行安全性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电网自动电压控制技术领域，具体而言涉及一种计及无功电价补偿的自动电压控制系统和控制方法。
背景技术
随着高比例可再生能源如风电、光伏及储能系统接入电力系统，其出力的间歇性与波动性对电网无功电压调节带来问题，尤其在可再生能源接入地区，仅靠配置的无动补偿设备远远无法满足功率波动带来的不平衡问题。利用逆变器有功无功解耦控制，甚至实现逆变器调相运行，为可再生能源送端乃至整个电网提供更为充足的无功备用容量。对风电、光伏等可再生能源而言，利用逆变器调相对电网进行无功电压调节，必然对其设备带来运行损坏、运行维护成本增加、网损增加、影响有功输送容量等。为此，在现有自动电压控制(AVC)辅助服务市场环境模式下，引入计及无功电价补偿的AVC方法，为可再生能源场站参与无功电压调节提供动力，具有重要的实用意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种计及无功电价补偿的自动电压控制系统和控制方法，通过对实际电网每个断面进行模拟计算，实时分析各节点电压控制情况，以网损及无功电价投入成本最小为目标，充分利用可再生能源的无功调节容量，实现计及无功电价补偿的逆变器调相运行自动电压控制(AVC)，提高电力系统运行安全性和稳定性。
为达成上述目的，结合图1，本发明还提及一种计及无功电价补偿的自动电压控制方法，所述方法包括：
S1：确定各场站有功及无功电价补偿参数，计算得到无功成本为：
f(QGi)＝CQ+Closs+Copp
其中，CQ为投资成本，Closs为损耗成本，Copp为机会成本。
采用二次拟合后将上述公式等效转换成：
式中，c2、c1、c0分别为二次项函数的系数，QGi为发电机i或逆变器调相运行时的无功出力。
由于目前AVC仅作为辅助服务市场进行电价补偿，主要考核响应速度、调节精度、调节死区，对于可再生能源参与AVC系统后造成的运行维护成本增加、网损增加等缺少电价补偿，主要包括：投资成本CQ、损耗成本Closs、机会成本Copp，综合以上无功成本为：
f(QGi)＝CQ+Closs+Copp (1)
由上式QGi为发电机i或逆变器调相运行时的无功出力，由此，得到的无功计价模型得到曲线如图2。
上述曲线为分段函数，可利用智能最优化算法进行求解，但对省级以上电网而言，存在不确定性及计算时间长、局部最优解，移值性差，本发明专利拟采用二次拟合，即等效为二次函数。
式中：c2、c1、c0分别为二次项函数的系数。
对于串联或并联无功补偿器时，其状态一般有投入或退出2种，其无功成本为Nc为无功补偿设备数量；Cj为第j个无功补偿成本系数，Qcj为第j个无功补偿投入容量。
S2：实时读取电网变量参数数据，包括拓扑数据、遥测数据、遥信数据、可再生能源场站无功电价补偿参数等。
优选的，从电网d5000系统或open3000系统中实时读取实际电网变量参数数据。
S3：建立计及无功电价补偿的逆变器调相运行自动电压控制优化目标函数：
其中，f(PGi)为有功成本，为串联或并联无功补偿器时的无功成本，Nc为无功补偿设备数量；Cj为第j个无功补偿成本系数，Qcj为第j个无功补偿投入容量。
优选的，有功成本价格f(PGi)同样取二次函数，以便于后续计算。
S4：引入如下约束条件：
式中，PGi、PDi、QGi、QDi为节点i的有功发电负荷数据、无功发电负荷数据；Uj为相连的节点j的母线电压；Gij、Bij为支路ij导纳；θij为支路ij相角差；Ui,min、Ui.max分别为节点i最小和最大电压；Qi.min、Qi.max、Qci.min、Qci.max分别为场站i和无功补偿设备i的最小和最大无功出力。
其中，无功功率包含可再生能源场站逆变器调相运行的范围。根据相关标准要求，可在功率因数-0.95～0.95内连接可调。
S5：简化无功优化模型为：
式中，f(x)为目标函数；h(x)为潮流等式约束；g(x)为不等式约束，l、u分别为不等式约束的上下限。
具体的，对式(5)模型可转换为含等式约束与不等式约束的最优化问题，可利用内点法进行求解，即引入松弛变量将不等式约束g(x)转换为等式约束，引入惩罚因子将等式约束转换为目标函数中，利用KKT条件(最优解时的满足的条件)对目标函数求导，得到优化变量xk下的雅可比矩阵D，从而得到下一次迭代变量：xk+1＝xk+Δxk+1。内点法对模型的求解仅作为求解模型的一种工程适用方法，本发明所提及的无功优化模型并不局限于这一种求解方法。
S6：由AVC主站系统求解步骤S5中无功优化模型的最优结果，将各场站的无功补偿容量或电压的目标值和/或调整量下发子站执行。
优选的，对于集中控制模式，直接将目标值(或调整量)下发执行终端调节设备。
S7：完成计及无功电价补偿的逆变器调相运行AVC系统执行，返回步骤S2。
基于前述方法，结合图3、图4，本发明提出一种计及无功电价补偿的自动电压控制系统，所述自动电压控制系统适于具有风电场电站和/或光伏电站的电力系统。
所述自动电压控制系统包括AVC主站、至少一个AVC子站、以及若干个信息终端。
所述AVC子站与至少一个信息终端电连接，所述信息终端与电力系统中的发电设备的控制单元一一对应电连接。
优选的，所述信息终端包括火机信息终端、光伏信息终端、风机信息终端中的一种或者多种，其中，火机信息终端对应传统发电设备，光伏信息终端对应光伏发电设备，风机信息终端对应风力发电设备。
所述AVC主站包括相互电连接的EMS能量管理子系统和第一功率预测子系统。
所述AVC子站包括场站综合控制终端、第二功率预测子系统、以及升压站监控单元、风机监控单元、无功补偿装置、气象信息采集单元，所述第二功率预测子系统、升压站监控单元、风机监控单元、无功补偿装置、气象信息采集单元分别电连接至场站综合控制终端。
所述EMS能量管理子系统与场站综合控制终端电连接，所述第一功率预测子系统与第二功率预测子系统电连接。
所述EMS能量管理子系统中包括有一能够实现计及无功电价补偿的自动电压控制方法的第一算法模块，所述场站综合控制终端中包括有一利用Q/V无功电压控制策略以实现场站内多逆变器无功协调控制的第二算法模块。
所述信息终端被设置成实时采集发电设备的运行参数模拟量，发送至场站综合控制终端，经由场站综合控制终端传输至EMS能量管理子系统。
所述EMS能量管理子系统接收电力系统中所有信息终端发送的电网实时运行参数，结合第一功率预测子系统发送的功率预测总结果，将之导入第一算法模块，计算后获取优化后的无功电价补偿优化模型、以及各电站的无功目标值，再将优化后的无功电价补偿优化模型、以及各电站的无功目标值转换成无功电压控制指令下发至对应的场站综合控制终端。
所述场站综合控制终端接收EMS能量管理子系统发送的无功电压控制指令，将之导入第二算法模块，以计算获取对应的机组无功功率调整、主升压站有载分接头位置调整、动态无功补偿装置投入量调整、逆变器调相运行参数调整等控制指令，并将获取的控制指令分别下发至对应的电力设备。
所述场站综合控制终端还被设置成将EMS能量管理子系统发送的无功电压控制指令发送至第二功率预测子系统，第二功率预测子系统根据接收的无功电压控制指令生成本地功率预测结果，将之传输至第一功率预测子系统，第一功率预测子系统接收电力系统中所有第二功率预测子系统发送的本地功率预测结果，综合后生成功率预测总结果。
系统总体设计包含：数据层、网络通讯管理服务层、监视层。
AVC子站系统采用上、下位机实现系统的核心功能，根据子站下发指令，考虑风电场各机组和母线的实时数据，结构各种约束条件，分析计算合理分配计及无功补偿逆变器调相运行的风电/光伏等场站的无功出力和主变分接头位置，将计算结果下发至下位机(信息终端)，由下位机进行无功功率调节，实现调度主站和场站子站的自动无功电压控制系统闭环运行，以无功电价补偿最小为优化目标，满足调度高压母线电压的要求。
上位机与下位机采用抗干扰能力强的485总线方式。下位机具备如下功能：
1)数据采集功能，实时采集厂内各类模拟量(电压、电流、有功、无功、谐波等、风机/光伏单元可发无功上限、风机/光伏单元可发无功下限)、子站控制模式(远方/就地)、与各通讯节点通讯状态、调控指令是否非法、AVC子站增磁闭锁、AVC子站减磁闭锁、母线电压越限值。
2)通信功能，能够与AVC子站、风机控制单元等进行通信，支持专线通信方式和网络通信方式，支持MODBUD(TCP/IP RTU)、CDT、DL.T 634.5.101-2002、DL/T634.5.104-2002等常见规约。
3)遥控遥调输出功能及存储功能等。
结合图4，风电/光伏电站中的逆变器可利用本专利所提方法实现调相运行。AVC子站系统主板采用Intel嵌入式低功率芯片组开发的多网口、多串口单板，支持网络接口、PS/2或USB键盘鼠标接口、看门狗定时器、失电报警和软件报警等功能。
通过该计及无功电价补偿的自动电压控制系统，在传统AVC主站中编写计及无功电价补偿的自动电压控制方法，在AVC子站中利用Q/V无功电压控制策略，实现场站内多逆变器无功协调控制，从而节省电网无功电压投资成本。
本发明所提及的自动电压控制系统，对电网中原电压控制系统的改动很小，包括硬件改动和软件改动两部分。
硬件改动部分包括增加实时潮流数据接口和可再生能源场站数据接口，以便于接收并网点有功功率、并网点无功功率、并网点电压、并网点电压上限、并网点电压下限、场站无功可增上限、场站无功可减下限等数据。
软件改动部分包括增加设置自动无功电压控制主站系统，自动无功电压控制子站系统，风电、光伏等可再生能源无功成本模型参数设置模块。
对于无功电压控制指令的发送，可以利用原AVC系统通信下发执行，无需做改动。
本发明所提及的计及无功电价补偿的自动电压控制系统，根据现在自动电压控制(AVC)系统大多考虑网损最小、电压偏差最小等目标函数，缺少对参与电网无功电压调节的电价补偿，而仅使用现行电力辅助服务规则对AVC进行考核补偿。本发明针对逆变器调相运行等手段对可再生能源参与无功调节的运行成本、投资成本和机会成本共3部分建立分段函数，并进行2次函数拟合，构建考虑实际成本最低的最优化无功电压模型，利用内点法进行求解，得到下发子站的指令目标，实现电网的安全稳定运行。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
1)为电力系统无功优化领域提供了新的应用前景，所建立的可再生能源调变器调相运行策略可大大提高电网无功备用容量。
2)提出的电价补偿机制极大提升可再生能源场站参与电网无功电压调节的积极性，提高设备利用率。
3)仅在原自动电压控制系统主站中进行适当的修改，可完全利用原有的硬件和软件系统，实现自动电压控制。
4)对新能源场站而言，需要进行逆变器调相运行能力测试试验，为此可能需要具有足够的通信冗余，因调相运行中通信传输量较大，但改造成本较低，具有可实现性。
5)对未来的大规模可再生能源并网，实现清洁能源的网络架构提供有力的无功支撑，能够产生巨大的经济效益。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的计及无功电价补偿的自动电压控制方法的流程图。
图2是本发明的可再生能源无功电价补偿函数示意图。
图3是本发明的计及无功电价补偿的自动电压控制系统的结构示意图。
图4是本发明的无功电压控制系统应用示意图。
图5为IEEE 14节点改造系统。
图6为内点法无功优化收敛过程比较。
图7为某实际光伏电站无功调节过程。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
图1为本发明提出的计及无功电价补偿的自动电压控制方法流程图，具体包括以下步骤：
步骤1：各场站有功及无功电价补偿系数确定，该步骤在前期经济技术认证后确定，将分段函数进行二次函数似合，得到近似有功无功电价补偿曲线，将相应系数上传至AVC主站系统中。
步骤2：读取电网模型参数数据，包括实时拓扑结构、状态估计后量测数据等，对于可再生能源场站，应将如下数据与主站交互，部分数据需要风电场风速预测系统、风电场及光伏超短期功能预测等提供支撑：
1)遥测量：AVC子站可增无功、AVC子站可减无功、AVC子站当前无功总出力(负值代表感性，正值代表容性)、现场可提供最大容量无功容量、现场可提供最大感性无功容量、主站AVC下发的母线电压目标值、主站AVC下发的母线电压参考值、主站AVC下发的无功目标值、主站下发的无功参考值；在本发明中，场站逆变器调相运行可在功率因数-0.95～0.95内连续可调，且在有功功率为零时，依然具有无功调节能力。
2)遥信量：AVC远方/就地信号、AVC功能投入/退出信号、AVC子站增无功闭锁、AVC子站减无功闭锁、AVC子站电压/无功控制模式。
步骤3：根据各子站上传的数据及电网实时数据，建立最新含等式与不等式约束的无功优化模型(如式5)，利用内点法求解，得到优化结果。
步骤4：利用遥调控制指令，下发子站控制目标，各场站根据下发指令实时调节机组无功功率、主升压站有载分接头位置、动态无功补偿装置投入量、逆变器调相运行情况等，实现对并网点电压的控制，配合AVC主站系统在满足电网安全稳定运行的前提下完成全网电价投资最低的目标。
对IEEE 14节点系统进行改造，在节点6中传统火电机组改为风电机组，在节点8中传统火电机组改为光伏电站，2个可再生能源场站逆变器均考虑调相运行。利用本发明专利方法对IEEE 14节点改造系统，如图5所示，进行优化计算，结果如表1所示。为了比较发明的有效性，构造不计无功补偿电价的常规网损及有功成本最小目标函数如下：
计及无功电价补偿模型的内点法求解收敛过程如图6所示。其中，对偶间隙Gap设为0.0001，所有节点电压幅值初始值均设为1，相角设为0，不计无功电价补偿时迭代10次收敛，计及无功电价补偿后迭代14次收敛。
可知，采用无功计价补偿后，总投资成本由933.034减少至643.28，降低幅度为31.1％。经数据分析可知，计及无功电价补偿后，系统增加无功电价较低的机组出力，减少无功电价较高的机组出力，在满足网损最小及综合成本(有功及无功电价之和)最小的情况下，得到较为合理的可行解。
表1 IEEE 14节点系统优化计算结果比较
| 条件 | 有功网损 | 无功网损 | 综合成本 |
| 不计无功电价 | 0.0531 | 0.2115 | 933.034 |
| 计及无功电价 | 0.0598 | 0.1876 | 643.28 |
根据步骤1～步骤4对某可再生能源集中并网区域进行自动电压控制计算，对电网模型结构进行了等值简化，从而得到含风电、光伏等逆变器调相运行的无功电价补偿优化模型，得到各电站的无功目标值。由于其电价补偿函数为试验值，仅供测试本发明使用，具体无功电价参数值需所属调度机构等相关单位综合评估认证后确定。某实际光伏电站逆变器调相运行其调节过程如图7所示。可知，该光伏电站逆变器调相运行参与无功调节的响应速度、调节精度均满足要求，表明本发明的具有可行性。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (9)
1.一种计及无功电价补偿的自动电压控制系统，其特征在于，所述自动电压控制系统适于具有风电场电站和/或光伏电站的电力系统；
所述自动电压控制系统包括AVC主站、至少一个AVC子站、以及若干个信息终端；
所述AVC子站与至少一个信息终端电连接，所述信息终端与电力系统中的发电设备的控制单元一一对应电连接；
所述AVC主站包括相互电连接的EMS能量管理子系统和第一功率预测子系统；
所述AVC子站包括场站综合控制终端、第二功率预测子系统、以及升压站监控单元、风机监控单元、无功补偿装置、气象信息采集单元，所述第二功率预测子系统、升压站监控单元、风机监控单元、无功补偿装置、气象信息采集单元分别电连接至场站综合控制终端；
所述EMS能量管理子系统与场站综合控制终端电连接，所述第一功率预测子系统与第二功率预测子系统电连接；
所述EMS能量管理子系统中包括有一能够实现计及无功电价补偿的自动电压控制方法的第一算法模块，所述场站综合控制终端中包括有一利用Q/V无功电压控制策略以实现场站内多逆变器无功协调控制的第二算法模块；
所述信息终端被设置成实时采集发电设备的运行参数模拟量，发送至场站综合控制终端，经由场站综合控制终端传输至EMS能量管理子系统；
所述EMS能量管理子系统接收电力系统中所有信息终端发送的电网实时运行参数，结合第一功率预测子系统发送的功率预测总结果，将之导入第一算法模块，计算后获取优化后的无功电价补偿优化模型、以及各电站的无功目标值和/或调整值，再将优化后的无功电价补偿优化模型、以及各电站的无功目标值和/或调整值转换成无功电压控制指令下发至对应的场站综合控制终端；
所述场站综合控制终端接收EMS能量管理子系统发送的无功电压控制指令，将之导入第二算法模块，以计算获取对应的机组无功功率调整、主升压站有载分接头位置调整、动态无功补偿装置投入量调整、逆变器调相运行参数调整等控制指令，并将获取的控制指令分别下发至对应的电力设备；
所述场站综合控制终端还被设置成将EMS能量管理子系统发送的无功电压控制指令发送至第二功率预测子系统，第二功率预测子系统根据接收的无功电压控制指令生成本地功率预测结果，再将之传输至第一功率预测子系统，第一功率预测子系统接收电力系统中所有第二功率预测子系统发送的本地功率预测结果，综合后生成功率预测总结果。
2.一种计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：确定各场站有功及无功电价补偿参数，计算得到无功成本为：
f(QGi)＝CQ+Closs+Copp
其中，CQ为投资成本，Closs为损耗成本，Copp为机会成本；
采用二次拟合后将上述公式等效转换成：
式中，c2、c1、c0分别为二次项函数的系数，QGi为发电机i或逆变器调相运行时的无功出力；
S2：实时读取电网变量参数数据，包括拓扑数据、遥测数据、遥信数据、可再生能源场站无功电价补偿参数；
S3：建立计及无功电价补偿的逆变器调相运行自动电压控制优化目标函数：
其中，f(PGi)为有功成本，为串联或并联无功补偿器时的无功成本，Nc为无功补偿设备数量；Cj为第j个无功补偿成本系数，Qcj为第j个无功补偿投入容量；
S4：引入如下约束条件：
式中，PGi、PDi、QGi、QDi为节点i的有功发电负荷数据、无功发电负荷数据；Uj为相连的节点j的母线电压；Gij、Bij为支路ij导纳；θij为支路ij相角差；Ui,min、Ui.max分别为节点i最小和最大电压；Qi.min、Qi.max、Qci.min、Qci.max分别为场站i和无功补偿设备i的最小和最大无功出力；
S5：简化无功优化模型为：
式中，f(x)为目标函数；h(x)为潮流等式约束；g(x)为不等式约束，l、u分别为不等式约束的上下限；
S6：由AVC主站系统求解步骤S5中无功优化模型的最优结果，将各场站的无功补偿容量或电压的目标值和/或调整量下发子站执行；
S7：完成计及无功电价补偿的逆变器调相运行AVC系统执行，返回步骤S2。
3.根据权利要求2所述的计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，步骤S2中，从电网d5000系统或open3000系统中实时读取实际电网变量参数数据。
4.根据权利要求2所述的计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，步骤S3中，有功成本价格f(PGi)取二次函数。
5.根据权利要求2所述的计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，步骤S4中，无功功率包含可再生能源场站逆变器调相运行的范围。
6.根据权利要求5所述的计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，所述无功功率的功率因数范围为-0.95～0.95。
7.根据权利要求2所述的计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用内点法对步骤S5中的模型进行求解。
8.根据权利要求7所述的计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
引入松弛变量将不等式约束g(x)转换为等式约束，引入惩罚因子将等式约束转换为目标函数中，利用KKT条件对目标函数求导，得到优化变量xk下的雅可比矩阵D，从而得到下一次迭代变量：xk+1＝xk+Δxk+1。
9.根据权利要求2所述的计及无功电价补偿的自动电压控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤S6中，对于集中控制模式，直接将目标值和/或调整量下发执行终端调节设备。
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