CN111244968B

CN111244968B - 计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制方法及系统

Info

Publication number: CN111244968B
Application number: CN202010080593.2A
Authority: CN
Inventors: 王成福; 张哲�; 董晓明; 杨明
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2040-02-05
Also published as: CN111244968A

Abstract

本发明属于风电场电压控制领域，提供了一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制方法及系统。其中，该方法包括采集风场无功输出时间序列和风场有功变化时间序列；利用模型预测控制方法估算出各个时刻的并网点电压预测值；在并网点电压运行于并网点电压下限和并网点电压上限之间以及风场无功输出介于风场无功输出下限和风场无功输出上限之间的约束条件下，计算各个时刻的并网点电压预测值与并网点电压参考值之间的偏差；调整风场输出功率控制命令，控制风场无功输出和风场有功变化使得并网点电压预测值与并网点电压参考值之间的偏差最小，最终实现风电波动对并网点电压的自动控制。

Description

计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制方法及系统

技术领域

本发明属于风电场电压控制领域，尤其涉及一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

受风能资源分布的影响，大量规模化风电场群远离负荷中心，由电网末端接入。该类型风电场与系统间呈现弱连接关系，缺乏来自于系统侧坚强、有效的电压支撑，可称为弱连接送端系统。当风电功率在短时间内出现大幅度涨落时，极易引起并网点电压的剧烈波动，甚至可能诱发连锁脱网事故、影响电网的安全稳定运行。因此，该类型系统的电压控制问题已成为大规模风电并网运行所面临的严重问题之一。

作为当前风电场的主流机型，双馈风力机自身即具有一定的动态无功补偿能力，应当在风电场侧的电压控制中充分利用其无功调节能力。另一方面，大量离散补偿设备(如OLTC，电容器/电感)以及连续无功补偿设备(如SVG/SVC)被应用于PCC电压控制。使得风电场的无功电压协调控制面临极大挑战，受到工程与学界的广泛关注。

发明人发现，现有风场侧电压控制研究仅关注风场内部协调控制，并未实时考虑电网电压支撑能力的变化，缺乏与电网间的协调配合，而PCC点电压支撑能力主要依赖于电网，且随电网运行方式及风电功率变化而变化，直接影响风场侧电压控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制方法，其将风电场与电网之间的电压支持协调能力集成到风电场电压控制中，结合模型预测控制(model predictive control，MPC)，实现了风电波动对PCC(thepoint of common coupling，并网点)电压的自动控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制方法，包括：

采集风场无功输出时间序列和风场有功变化时间序列；

利用模型预测控制方法估算出各个时刻的并网点电压预测值；其中，模型预测控制方法的预测模型是根据风机无功响应的动态过而构建的，预测模型的控制输入为风场无功输出，扰动信息为风场有功变化，状态变量为并网点电压；

在并网点电压运行于并网点电压下限和并网点电压上限之间以及风场无功输出介于风场无功输出下限和风场无功输出上限之间的约束条件下，计算各个时刻的并网点电压预测值与并网点电压参考值之间的偏差；

调整风场输出功率控制命令，控制风场无功输出和风场有功变化使得并网点电压预测值与并网点电压参考值之间的偏差最小，最终实现风电波动对并网点电压的自动控制。

作为一种实施方式，控制输入与状态变量输出之间的预测模型为：

其中：x(k)表示自k时刻起，未来m个时间点的并网点电压预测变化序列；y(k)表示k时刻的并网点电压预测值，满足：

U_PCC(k)表示k时刻的并网点电压预测值；ΔQ_W(k)表示k时刻的风场无功输出；ΔP_W(k)表示k时刻的风场有功变化；ΔQ(k)为风机实际无功功率变化量；P(k)表示k时刻的风场有功输出，P(k-1)表示k-1时刻的风场有功输出；A、B、C和D均为系数矩阵。

系数矩阵A、B、C和D为：

B＝[β₁ β₂ … β_m]^T

C＝[1 0 … 0]_1×m

其中：系数

和

为给定电网运行状态下，风电场功率变化对PCC电压的影响规律；i＝1,2,…,m，考虑有功变化的影响，对应一个控制周期中的m个时间点，s_i表示风机在一个无功指令周期中，第i个时间点的无功响应系数。

上述技术方案的优点在于，通过风场功率变化对并网点电压的影响规律，明确风电与电网间电压支撑能力的衔接与协调关系，这样能够有效计及电网支撑能力，结合模型预测控制理论，实现了风电并网点电压的有效控制。

作为一种实施方式，风机实际无功功率变化量ΔQ(k)的表达式为：

ΔQ＝ΔQ_ref/(1+sτ)

其中，ΔQ_ref为风机无功功率变化参考；τ表示风机无功响应惯性时间常数；s表示复变量。

并网点同时受风场有功和无功出力影响。而风场有功出力在一个控制周期内是时刻变化的；同时，场内风机在控制点收到无功变化指令后，会经一阶惯性环节过渡到稳态值，这样为风场电压控制提供了有效地数据基础。

作为一种实施方式，考虑有功变化的影响，对应一个控制周期中的m个时间点，并网点电压在风场有功、无功共同作用下可表达为：

式中：s_k表示风机在一个无功指令周期中，第k个时间点的无功响应系数；(0)表示预测开始时间。

本实施例考虑有功变化的影响，在风场有功、无功共同作用下来表示并网点电压，为风场电压控制奠定了数据基础。

作为一种实施方式，风场无功输出下限Q^min和风场无功输出上限Q^max是并网点电压U_PCC和风电场有功输出P的函数：

其中，f_Q为风场无功输出函数，为已知函数表达式。

作为一种实施方式，并网点电压下限和并网点电压上限的表达式为：

其中，

为并网点电压函数，为已知函数表达式。

当电网运行状态确定后，并网点电压调整将完全由风场侧承担，通过限定风场无功输出和并网点电压的范围，提高了风电场电压控制的稳定性。

为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制系统，其将风电场与电网之间的电压支持协调能力集成到风电场电压控制中，结合模型预测控制，实现了风电波动对并网点电压的自动控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制系统，包括：

数据采集装置，其被配置为：采集风场无功输出时间序列和风场有功变化时间序列；

风电场电压控制器，其包括模型预测控制器、比较器和风场输出功率控制器；

所述模型预测控制器，被配置为：利用模型预测控制方法估算出各个时刻的并网点电压预测值；其中，模型预测控制方法的预测模型是根据风机无功响应的动态过而构建的，预测模型的控制输入为风场无功输出，扰动信息为风场有功变化，状态变量为并网点电压；

所述比较器，被配置为：在并网点电压运行于并网点电压下限和并网点电压上限之间以及风场无功输出介于风场无功输出下限和风场无功输出上限之间的约束条件下，计算各个时刻的并网点电压预测值与并网点电压参考值之间的偏差；

所述风场输出功率控制器，被配置为：调整风场输出功率控制命令，控制风场无功输出和风场有功变化使得并网点电压预测值与并网点电压参考值之间的偏差最小，最终实现风电波动对并网点电压的自动控制。

本发明的有益效果是：

本发明在风电场与电网之间的电压支撑作用机理下，确定了风电场的有功功率上限，有效考虑了外部电网的电压支撑能力，明确了风电与电网间电压支撑能力的衔接与协调关系；在此基础上，将预测的风电功率很好地纳入基于模型预测控制的风电场电压控制中，实现了风电并网点电压的有效控制以及了风电波动对并网点电压的自动控制，提高了风电并网点电压的稳定性与有效性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的电网系统的整体协调架构图；

图2是本发明实施例的外部电网的戴维南等值图；

图3是本发明实施例的并网点电压运行上限和下限；

图4是本发明实施例的风电场的有功功率上限；

图5是本发明实施例的实际风功率；

图6是本发明实施例的协调电压控制下的U_PCC的仿真结果；

图7是本发明实施例的将预测的风电功率纳入基于模型预测控制的风电场电压控制后的U_PCC的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：

在本发明中，电网电压支撑能力指的是电网对于并网点的支撑，使得并网点电压运行于并网点电压下限和并网点电压上限之间。

在本发明中，并网点指的是风场与电网之间的连接点。

在发明中，风场输出功率控制命令用来控制风场各个时刻的无功输出和有功输出

实施例一

本实施例提供了一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制方法，包括：

采集风场无功输出时间序列和风场有功变化时间序列；

本实施例一方面，依据电网不同运行状态，确定了对应状态风场有功输出上限；另一方面，基于模型预测控制，充分利用了风功率预测信息，实现了并网点电压的过程化控制。电网系统的整体协调架构如图1所示：E_eq、R_eq、X_eq为外部电网等值电势、电阻、电抗；

为并网点参考电压；U_PCC为并网点电压；P^max是风电场有功输出上限；P_pre表示风电场预测风功率；P、Q分别表示风电场实际有功、无功输出；Q_ref为风电场无功参考值。

从图1可以看出，本实施例所提控制策略有效考虑了外部电网的电压支撑能力，明确了风电与电网间电压支撑能力的衔接与协调关系；在此基础上，结合模型预测控制理论，实现了风电并网点电压的有效控制。

将外部电网进行戴维南等值，得到等值电势E_eq、电阻R_eq、和电抗X_eq。并与等值的单机风电场连接，模拟风电送出系统，如图2所示。

由图2可得：并网点电压U_PCC满足：

将式(1)整理得：

式(2)按照实部和虚部两部分展开：

进一步化简式(3)得：

求解式(4)，U_PCC满足如下等式：

将

代入式(3)，可得U_PCC的实部和虚部分别为：

由式(5)可以看出，U_PCC不仅受风场输出功率影响，而且与电网侧的戴维南等值参数有关，即受电网运行状态变化的影响。

当电网运行状态一定时，并网点电压将完全取决于风场输出的有功和无功功率。

因

式(2)可进一步表示为：

在式(7)中对有功求偏导：

式(8)按实部和虚部展开，解得：

同样，在式(7)中对无功求偏导：

式(10)按实部和虚部展开，解得：

由

得：

系数

为给定电网运行状态下，风电场功率变化对PCC电压的影响规律。

当电网运行状态确定后，并网点电压调整将完全由风场侧承担，为表示方便，将式(5)简化为如下形式：

另外，风场无功输出上、下限是并网点电压U_PCC和风电场有功输出P的函数，即：

因此，并网点电压运行上、下限

可通过如下流程求得：

首先仅将风场有功输出P代入式(13)，求取U_PCC；再依据式(14)求取无功输出上、下限Q^max、Q^min；最后，将(P,Q^max)、(P,Q^min)分别带入式(13)，得到并网点电压运行上、下限

当外部电网的等值参数以及DFIG参数如表1所示时，并网点电压运行上、下限如图3所示：

表1 单风电场送出系统等值参数(标幺值)

由图3可以看出，当风场接近满发时，无功存在缺额，不足支撑并网点电压满足并网要求。此时可以适当减少有功输出以增加无功输出能力。

定义并网点电压U_PCC的允许波动偏差ε，风场有功输出上限P^max可通过如下流程求取：

其中：P_e表示风电场额定功率，并且允许波动偏差ε满足：

并网点同时受风场有功和无功出力影响。而风场有功出力在一个控制周期内是时刻变化的；同时，场内风机在控制点收到无功变化指令后，会经一阶惯性环节过渡到稳态值。

ΔQ＝ΔQ_ref/(1+sτ) (15)

其中：ΔQ_ref为风机无功功率变化参考；ΔQ为风机实际无功功率变化量；τ表示风机无功响应惯性时间常数；s表示复变量。

将控制周期划分为m个时间点，无功响应比例s_k在各时间点满足:

其中：p表示预测时域内的控制周期数；Δt表示时间间隔；ΔQ(k)＝Q(k)-Q(0)；(0)表示预测开始时间。

考虑有功变化的影响，对应一个控制周期中的m个时间点，并网点电压在风场有功、无功共同作用下可表达为：

式中：s_k表示风机在一个无功指令周期中，第k个时间点的无功响应系数。

选取式(17)中的U_PCC作为状态变量；风场无功输出ΔQ_W作为控制输入；风场有功变化ΔP_W作为扰动信息，结合风机无功响应的动态过程，依据状态空间模型,建立输入与输出之间的预测模型：

其中:x(k)表示自k时刻起，未来m个时间点的并网点预测变化序列；y(k)表示k时刻的并网点预测值,满足：

系数矩阵A、B、C和D为：

B＝[β₁ β₂ … β_m]^T (21)

C＝[1 0 … 0]_1×m (22)

其中：

风电场电压控制旨在并网点电压与对应参考值之间偏差，据此构建目标函数：

约束条件如下：

求解目标函数，得到当前最优的风电场电压控制相应参数，也就是风场无功输出和风场有功变化，通过调整风场输出功率控制命令，控制风场无功输出和风场有功变化使得并网点电压预测值与并网点电压参考值之间的偏差最小，最终实现风电波动对并网点电压的自动控制。

为了验证所提出的策略，在PSCAD/EMTDC上搭建了一个单一风电场发送系统，如图2所示。风电场的额定功率为100MW，与无穷大母线电力系统模型相连接。电网与单机风电场的等效参数如表I所示。

以

为1.0p.u.进行仿真分析以验证本实施例方法，U_PCC的运行上、下限为[0.99,1.01]p.u.。仿真中，每隔0.2s将电压、有功和无功功率实测数据上传给风场内电压控制系统，并依据未来两个控制周期中，10个点的预测信息(p＝2，m＝5)，每隔1s将优化后无功出力参考指令作用于风机，仿真时长为60s。

A.电网支撑能力

电网的等效阻抗与电网拓扑结构有关，基本保持恒定。对于不同的E_eq，风电场的有功功率上限如图4所示：

从图4可以看出，不同的E_eq，P^max是不同的。为了有效利用风电，E_eq应大于0.972p.u。另外，曲线右半部分的斜率小于左半部分，说明当电网支撑能力充足时，弃风电量相对于支撑能力不足的电网要小。

B.协调电压控制

传统风电场电压控制不考虑电网的支撑能力，忽略了风电场的有功功率上限。为了验证所提策略的效果，本实施例选取了E_eq＝0.98p.u和E_eq＝1.03p.u。，本实施例选择了两种网络状态进行模拟。

实际风功率如图5所示，U_PCC的仿真结果如图6所示。

如图6所示，在协调电压控制下，U_PCC始终满足：

然而，对于传统的电压控制，当有功功率接近风电场额定功率时，会违反电压约束。相对而言，本实施例提出的控制策略在电压控制方面有更好的效果，这意味着在控制U_PCC时需要考虑电网的电压支持能力。

C.模型预测控制

本实施例所提控制策略不仅考虑了电网的电压支持能力，而且将预测的风电功率纳入基于模型预测控制的风电场电压控制中。为了验证其控制效果，选择基于实时测量的最优控制(OPC)与MPC进行比较。

U_PCC的仿真结果如图7所示，其中Eeq＝1.0p.u。

从图7可以看出，U_PCC只有很小的控制偏差当风功率波动时。然而，U_PCC的标准差σ(U_PCC)分别为0.032％(OPC)以及0.006％(MPC)。相比较而言，在MPC控制方式下的U_PCC波动性更小，说明本实施例提出的策略能够较好地处理风电随机波动引起的电压变化。

本实施例在风电场与电网之间的电压支撑作用机理下，确定了风电场的有功功率上限，有效考虑了外部电网的电压支撑能力，明确了风电与电网间电压支撑能力的衔接与协调关系；在此基础上，将预测的风电功率很好地纳入基于模型预测控制的风电场电压控制中，实现了风电并网点电压的有效控制以及了风电波动对并网点电压的自动控制，提高了风电并网点电压的稳定性与有效性。

实施例二

本实施例提供了一种计及电网电压支撑能力影响的风电场电压控制系统，包括：

作为一种实施方式，在所述模型预测控制器中，控制输入与状态变量输出之间的预测模型为：

U_PCC(k)表示k时刻的并网点电压预测值；ΔQ_W(k)表示k时刻的风场无功输出；ΔP_W(k)表示k时刻的风场有功变化；ΔQ(k)为风机实际无功功率变化量；P(k)表示k时刻的风场有功输出，P(k-1)表示k-1时刻的风场有功输出；

系数矩阵A、B、C和D为：

B＝[β₁ β₂ … β_m]^T

C＝[1 0 … 0]_1×m

其中：系数

和

ΔQ＝ΔQ_ref/(1+sτ)

其中，f_Q为风场无功输出函数，为已知函数表达式。

其中，

为并网点电压函数，为已知函数表达式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。