CN112072717B - 一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法，鉴于风电集群各个风电场在交流故障时接收的电压跌落程度不一致，本发明差异化配置各个风电场出口处的调相机容量，采用多目标粒子群优化算法确定调相机分布式配置方案，并通过关键节点电压稳定判据来分析调相机配置方案的电压支撑效果。与传统的调相机集中式配置方案相比，调相机分布式配置方案考虑风电场自身特性、与故障点的电气距离和分层分区就近配置原则，电压支撑效果明显。本发明调相机配置方法兼顾风电集群的无功电压稳定性、调相机配置经济性和有功网损经济性，提出支撑风电直流外送系统电压稳定性的调相机配置方法，有效解决弱送端系统的暂态过电压问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统自动化控制领域，具体是一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法。
背景技术
风电作为储量较广的清洁能源，在电力供给中逐渐占据重要的角色。由于风能储量分布的不均衡性，风电需配合高压直流输电系统进行外送，如果发生交直流系统故障造成直流闭锁，将会使风机面临严重的故障穿越问题，同时电网的安全稳定运行也将受到威胁。
风电集群直流外送系统无功调节能力不足是导致风电场大规模脱网的重要原因，因此无功源的协调配合显得尤为重要。常用的无功源主要有SVC、交流滤波器和调相机，调相机因其可靠的大容量动态无功输出特性，在直流无功支撑方面应用广泛。考虑电压稳定、经济性和交流滤波功能，需要研究调相机分布式配置方法，实现各风电场快速有效的点对点式电压支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法，兼顾风电集群的无功电压稳定性、调相机配置经济性和有功网损经济性，提出支撑风电直流外送系统电压稳定性的调相机配置方法，有效解决弱送端系统的暂态过电压问题，考虑经济性的前提下优化配置调相机容量，确保风电场、送端交流系统电压稳定。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法，包括以下步骤：
S1：风电集群直流外送系统包括千万千瓦级风电集群、送端交流系统、直流输电系统和无功源设备，无功源设备包括同步调相机和交流滤波器，建立支撑风电集群直流外送系统电压稳定的无功平衡方程式。
S2：在S1的基础上，通过关键节点电压、调相机容量、电网有功网损3个参数指标确定多目标粒子群优化函数，结合交直流潮流、电压约束，建立风电集群各个风电场出口处的调相机优化配置模型。
S3：根据调相机优化配置结果，采用关键节点电压判据
以满足该判据的节点数为衡量指标来判断调相机分布式配置方案的电压支撑效果。
进一步的，所述S1中充分考虑了调相机、交流滤波器、直流系统、交流系统和风电集群之间的无功配合，建立系统的无功平衡公式：
QDC+QAC-QSC-QFilter-QWind＝0
其中，
进一步的，所述QDC、QSC和QFilter分别表示直流系统、调相机、交流滤波器的无功功率；QAC和QWind分别为送端交流系统和风电集群汇入并网点的无功功率；PAC和PWind分别为送端交流系统和风电集群汇入并网点的有功功率；C为换流变压器参数；Up为风电集群并网点相电压有效值；α为整流器触发角；μ为换相角；Us为送端交流系统等值同步机的相电压有效值；X1为送端电网至并网点的等效电抗；X2为风电集群至并网点的等效电抗；Bc为交流滤波器的等效电纳；Uw为风电集群出口处的交流电压有效值。
进一步的，所述S2中建立了风电集群直流外送系统的分布式调相机优化配置模型，考虑电压偏差函数和经济成本函数：
S21：电压偏差函数
对于整个电网而言，电网的运行状态主要是由各个节点的电压偏差来表示的，电压偏差函数如下：
S22：经济成本函数
运行经济性包括两部分，一是降低调相机的容量配置，二是降低电网的有功网损，综合二者所建立的经济函数如下：
S23：约束条件：
等式约束为系统的潮流方程如下：
进一步的，所述Ui为第i个节点的电压标幺值，m为电网的节点数。
进一步的，所述C1为调相机静态配置投资费用系数，取50万元/MVar；Qk为每一台调相机配置容量；C2为有功网损造成的经济折算系数，取4.38万元/kW(10年周期计算)；Gij，Bij分别为系统导纳矩阵中的相应元素；Ui，Uj，θij分别为节点i和j的电压幅值和相角差，p为调相机的个数。
进一步的，所述Pgi，Qgi分别为节点i处的常规发电机组的有功和无功出力；PLi，QLi分别为节点i处负荷的有功和无功功率；Pwi，Qwi分别为节点i处的风电场的有功和无功出力。
本发明的有益效果：
本发明调相机配置方法兼顾风电集群的无功电压稳定性、调相机配置经济性和有功网损经济性，提出支撑风电直流外送系统电压稳定性的调相机配置方法，有效解决弱送端系统的暂态过电压问题，考虑经济性的前提下优化配置调相机容量，确保风电场、送端交流系统电压稳定。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明提升系统电压稳定性的调相机分布式优化配置流程；
图2是本发明风电集群直流外送系统拓扑图；
图3是本发明分布式与传统集中式调相机配置方案的节点电压对比示意图；
图4是本发明分布式与传统集中式调相机配置方案的经济成本函数对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法,调相机配置方法,包括以下步骤：
S1：风电集群直流外送系统包括千万千瓦级风电集群、送端交流系统、直流输电系统和无功源设备,无功源设备包括同步调相机和交流滤波器；采用IEEE39节点标准测试系统作为送端交流系统，在25节点处设置1100kV特高压直流接入点，节点30、37、39处的同步发电机置换为风电场，每个风电场有功输出均为300MW，功率因数为1。
建立支撑风电集群直流外送系统电压稳定的无功平衡方程式：
QDC+QAC-QSC-QFilter-QWind＝0
其中，
式中，QDC、QSC和QFilter分别表示直流系统、调相机、交流滤波器的无功功率；QAC和QWind分别为送端交流系统和风电集群汇入并网点的无功功率；PAC和PWind分别为送端交流系统和风电集群汇入并网点的有功功率；C为换流变压器参数；Up为风电集群并网点相电压有效值；α为整流器触发角；μ为换相角；Us为送端交流系统等值同步机的相电压有效值；X1为送端电网至并网点的等效电抗；X2为风电集群至并网点的等效电抗；Bc为交流滤波器的等效电纳；Uw为风电集群出口处的交流电压有效值。
S2：通过关键节点电压、调相机容量、电网有功网损3个参数指标确定多目标粒子群优化函数，结合交直流潮流、电压约束。对于含n个风电场的风电集群，对1、2、...、n风电场出口处的调相机容量进行优化配置，建立风电集群的调相机优化模型，考虑电压偏差函数和经济成本函数：
S21：电压偏差函数
对于整个电网而言，电网的运行状态主要是由各个节点的电压偏差来表示的，电压偏差函数如下：
式中，Ui为第i个节点的电压标幺值，m为电网的节点数。
S22：经济成本函数
运行经济性包括两部分，一是降低调相机的容量配置，二是降低电网的有功网损，综合二者所建立的经济函数如下：
式中，C1为调相机静态配置投资费用系数，取50万元/MVar；Qk为每一台调相机配置容量；C2为有功网损造成的经济折算系数，取4.38万元/kW(10年周期计算)；Gij，Bij分别为系统导纳矩阵中的相应元素；Ui，Uj，θij分别为节点i和j的电压幅值和相角差，p为调相机的个数。
S23：约束条件：
等式约束为系统的潮流方程如下：
式中，Pgi，Qgi分别为节点i处的常规发电机组的有功和无功出力；PLi，QLi分别为节点i处负荷的有功和无功功率；Pwi，Qwi分别为节点i处的风电场的有功和无功出力。
依靠变流器的控制变速风电机组的输出与同步发电机类似，由变速恒频风电机组组成的风电场往往在潮流计算中处理为PQ或PV节点。此外，当前风电场工作在恒功率因数模式，这种模式不能够充分发挥变速风电机组的无功输出能力。因此，此处风电场处理为PQ节点。
不等式约束条件包括2种，控制变量以及状态变量。风电基地中无功功率的协调控制依赖于风电机组的无功出力以及诸如SVC的无功补偿装置的输出。无功补偿容量的约束表示为：
QSimin≤QSi≤QSimax
式中，QSimin，QSimax分别为风电场无功补偿容量的上下界。在风电场工作在恒功率因数控制情况下，风电场的无功补偿量主要由无功补偿装置决定。
另一种不等式约束为状态变量，考虑系统节点电压约束：
式中，
分别表示节点电压的最小、最大限制；电压约束范围为[0.9，1.1]。
设定系统的功率基值为100MW，电压基值为345kV，系统初始电压偏差为0.0495p.u.，有功网损为0.4205p.u.。调相机分布式配置方案：分别在节点30、37、39处分别安装调相机，并通过多目标粒子群算法获得调相机分布式配置容量；调相机集中式配置方案：在37节点处配置单台大容量调相机。在节点25处设置直流闭锁故障，系统电压稳定性受到影响，两种方案的节点电压偏差、经济成本对比情况，如图3、4所示。
S3：根据调相机优化配置结果，采用关键节点电压判据
(Q对U求导)，以满足该判据的节点数为衡量指标来判断调相机分布式配置方案的电压支撑效果。调相机分布式配置方案下，系统关键节点25、30、37和39的
均大于0，并且节约经济成本57.76万元。该方案在保证经济性的同时，能够通过点对点式无功支撑来支撑系统电压稳定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (2)
1.一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：风电直流外送系统包括千万千瓦级风电集群、送端交流系统、直流输电系统和无功源设备，无功源设备包括同步调相机和交流滤波器，建立支撑风电直流外送系统电压稳定的无功平衡方程式；
S2：在S1的基础上，通过关键节点电压、调相机容量、电网有功网损3个参数指标确定多目标粒子群优化函数，结合交直流潮流、电压约束，建立风电集群各个风电场出口处的调相机优化配置模型；
S3：根据调相机优化配置结果，采用关键节点电压判据
以满足该判据的节点数为衡量指标来判断调相机分布式配置方案的电压支撑效果；
所述S2中建立了风电集群各个风电场出口处的调相机优化配置模型，考虑电压偏差函数和经济成本函数：
S21：电压偏差函数
对于整个电网而言，电网的运行状态主要是由各个节点的电压偏差来表示的，电压偏差函数如下：
所述Uai为第i个节点的电压标幺值，m为电网的节点数；
S22：经济成本函数
运行经济性包括两部分，一是降低调相机的容量配置，二是降低电网的有功网损，综合二者所建立的经济成本函数如下：
S23：约束条件：
等式约束为系统的潮流方程如下：
所述C1为调相机静态配置投资费用系数，取50万元/MVar；Qk为每一台调相机配置容量；C2为有功网损造成的经济折算系数，取4.38万元/kW，以10年周期计算；Gij，Bij分别为系统导纳矩阵中的相应元素；Ui，Uj，θij分别为节点i和j的电压幅值和相角差，p为调相机的个数；
所述Pgi，Qgi分别为节点i处的常规发电机组的有功和无功出力；PLi，QLi分别为节点i处负荷的有功和无功功率；Pwi，Qwi分别为节点i处的风电场的有功和无功出力。
2.根据权利要求1所述的一种支撑风电直流外送系统电压稳定的调相机配置方法,其特征在于，所述S1中充分考虑了调相机、交流滤波器、直流输电系统、送端交流系统和风电集群之间的无功配合，建立系统的无功平衡方程式：
QDC+QAC-QSC-QFilter-QWind＝0
其中，
所述QDC、QSC和QFilter分别表示直流输电系统、调相机、交流滤波器的无功功率；QAC和QWind分别为送端交流系统和风电集群汇入并网点的无功功率；PAC和PWind分别为送端交流系统和风电集群汇入并网点的有功功率；C为换流变压器参数；Up为风电集群并网点相电压有效值；α为整流器触发角；μ为换相角；Us为送端交流系统等值同步机的相电压有效值；X1为送端交流系统至并网点的等效电抗；X2为风电集群至并网点的等效电抗；Bc为交流滤波器的等效电纳；Uw为风电集群出口处的交流电压有效值。
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