CN114583757A - 风电场有功控制和无功控制的优化方法和装置 - Google Patents

风电场有功控制和无功控制的优化方法和装置 Download PDF

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Abstract

本公开提出一种风电场有功控制和无功控制的优化方法和装置，该方法包括：构建等值潮流模型；确定风电场的无功出力目标值、集中式无功设备的无功容量、风机组的无功容量；利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；构造约束条件，约束条件包括电压约束条件、等值潮流模型约束条件、有功功率约束条件、风机组的无功容量约束条件、集中式无功设备的无功容量约束条件、无功功率分配约束条件；在约束条件满足的情况下，获取目标函数最小化时的集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率，进而对集中式无功设备和各风机进行控制。

Description

风电场有功控制和无功控制的优化方法和装置
技术领域
本公开涉及火力发电技术领域，尤其涉及一种风电场有功控制和无功控制的优化方法和装置。
背景技术
随着风电场的并网以及规模不断扩大，风电场对于电网电压的主动支撑技术成为发电行业和输电行业广泛关注的问题。风电场并网点电压主要受到无功功率影响，电压波动严重时容易引起大规模风机脱网事故，威胁风电场安全，并对电网产生强烈冲击。目前风电场普遍配置静止无功补偿器SVC(Static Var Compensator)或静止无功发生器SVG(Static Var Generator)等集中式无功设备提供无功功率，但集中式无功设备只能对并网点电压进行控制，无法对风电场内部各节点电压进行有效控制。
目前有研究利用风机自身的无功调节能力，结合集中式无功设备，进行风电场内部的无功优化控制，从而有效控制风电场内部各节点电压。然而，这些方法中风电场通过无功控制以满足并网点电压的稳定性要求，例如主要通过静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(SVG)和风机无功调节，并未考虑风机有功输出对于其自身无功调节能力的影响。风机自身的无功调节范围与其当前输出的有功功率有直接联系，有功功率输出越大，风机无功调节范围越小。传统风机通常维持在最大功率点运行，风机无功调节能力受到限制，当电压波动较大时，尤其是在风电场故障期间，不能充分发挥风机自身的无功调节能力。
发明内容
本公开提供了一种风电场有功控制和无功控制的优化方法和装置，主要目的在于能够改善风机无功调节能力受到限制的问题。
根据本公开的第一方面实施例，提供了一种风电场有功控制和无功控制的优化方法，包括：
获取风电场的各节点间的导纳矩阵，基于所述导纳矩阵构建等值潮流模型；
获取风电场的无功出力目标值和集中式无功设备的无功容量，获取风电场机组的无功裕度计算风机组的无功容量；
利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；
构造约束条件，所述约束条件包括基于所述等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件、电压约束条件、基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于所述风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于所述集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于所述无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件；
在所述约束条件满足的情况下，获取所述目标函数最小化时的最优解，从而获得集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；
基于所述集中式无功设备的最优无功功率、所述各个风机的最优有功功率和最优无功功率对所述集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。
在本公开的一个实施例中，所述利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数，包括：基于并网点电压与并网点参考电压的差值的绝对值获得并网点电压偏差；基于各风机的端电压与对应的参考电压获得风机端电压偏差；基于任意两个节点的电压、电压偏角和对应的导纳获得线路功率损耗；基于各风机的有功功率的变化量的绝对值获得有功功率损失；将所述风机端电压偏差、所述线路功率损耗和所述有功功率损失分别与对应的加权系数相乘，利用各乘积结果与所述并网点电压偏差的和作为目标函数。
在本公开的一个实施例中，所述基于所述等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件，包括：通过二阶锥松弛方法将所述等值潮流模型转化成可求解的二阶锥约束，再根据功率平衡关系，使得各节点的有功/无功的流入值与流出值相等，从而获得等值潮流模型约束条件。
在本公开的一个实施例中，所述电压约束条件包括并网点电压约束条件和端电压约束条件；所述并网点电压约束条件为所述并网点电压控制在第一电压范围内；所述端电压约束条件为所述端电压控制在第二电压范围内。
在本公开的一个实施例中，所述基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于所述风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于所述集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于所述无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件，包括：获取各风机的实时有功功率，控制所述各风机的目标有功功率小于对应风机的实时有功功率，得到有功功率约束条件；获得所述风机组的无功功率的最大值和最小值，控制所述风机组的无功功率处于风机组的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述风机组的无功容量约束条件；获得所述集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值，控制所述集中式无功设备的无功功率处于集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述集中式无功设备的无功容量约束条件；使得所述风机组的无功容量和所述集中式无功设备的无功容量等于所述无功出力目标值，得到所述无功功率分配约束条件。
根据本公开的第二方面实施例，还提供了一种风电场有功控制和无功控制的优化装置，包括：
潮流模型处理模块，用于获取风电场的各节点间的导纳矩阵，基于所述导纳矩阵构建等值潮流模型；
功率处理模块，用于获取风电场的无功出力目标值和集中式无功设备的无功容量，获取风电场机组的无功裕度计算风机组的无功容量；
目标函数处理模块，用于利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；
约束条件处理模块，用于构造约束条件，所述约束条件包括基于所述等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件、电压约束条件、基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于所述风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于所述集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于所述无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件；
优化计算模块，用于在所述约束条件满足的情况下，获取所述目标函数最小化时的最优解，从而获得集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；
控制模块，用于基于所述集中式无功设备的最优无功功率、所述各个风机的最优有功功率和最优无功功率对所述集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。
在本公开的一个实施例中，所述优化函数处理模块，具体用于：基于并网点电压与并网点参考电压的差值的绝对值获得并网点电压偏差；基于各风机的端电压与对应的参考电压获得风机端电压偏差；基于任意两个节点的电压、电压偏角和对应的导纳获得线路功率损耗；基于各风机的有功功率的变化量的绝对值获得有功功率损失；将所述风机端电压偏差、所述线路功率损耗和所述有功功率损失分别与对应的加权系数相乘，利用各乘积结果与所述并网点电压偏差的和作为目标函数。
在本公开的一个实施例中，所述约束条件处理模块，包括：潮流约束单元，用于通过二阶锥松弛方法将所述等值潮流模型转化成可求解的二阶锥约束，再根据功率平衡关系，使得各节点的有功/无功的流入值与流出值相等，从而获得等值潮流模型约束条件；电压约束单元，用于基于并网点电压约束条件和端电压约束条件获得所述电压约束条件；所述并网点电压约束条件为所述并网点电压控制在第一电压范围内；所述端电压约束条件为所述端电压控制在第二电压范围内；功率约束单元，用于获取各风机的实时有功功率，控制所述各风机的目标有功功率小于对应风机的实时有功功率，得到有功功率约束条件；获得所述风机组的无功功率的最大值和最小值，控制所述风机组的无功功率处于风机组的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述风机组的无功容量约束条件；获得所述集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值，控制所述集中式无功设备的无功功率处于集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述集中式无功设备的无功容量约束条件；使得所述风机组的无功功率和所述集中式无功设备的无功功率等于所述无功出力目标值，得到所述无功功率分配约束条件。
根据本公开的第三方面实施例，还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本公开的第一方面实施例提出的风电场有功控制和无功控制的优化方法。
根据本公开的第四方面实施例，还提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行本公开的第一方面实施例提出的风电场有功控制和无功控制的优化方法。
根据本公开的第五方面实施例，还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现本公开的第一方面实施例提出的风电场有功控制和无功控制的优化方法。
在本公开一个或多个实施例中，通过获取风电场的各节点间的导纳矩阵构建等值潮流模型；确定风电场的无功出力目标值、集中式无功设备的无功容量、风机组的无功容量；利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；构造约束条件，约束条件包括等值潮流模型约束条件、电压约束条件、有功功率约束条件、风机组的无功容量约束条件、集中式无功设备的无功容量约束条件、以及无功功率分配约束条件；在约束条件满足的情况下，获取目标函数最小化时的集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；基于集中式无功设备的最优无功功率、各个风机的最优有功功率和最优无功功率对集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。在这种情况下，以最小化风电场电压偏差、线路功率损耗、风机有功功率损失为目标函数，通过潮流方程、无功调节范围、有功调节范围、电压调节范围为约束条件，当需要风电场提供较大无功输出时，能够适当降低风机有功功率以扩大其无功调节能力，有效地解决了风机无功调节能力受到限制的问题。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出本公开实施例提供的风电场有功控制和无功控制的优化方法的流程示意图；
图2示出本公开实施例提供的双馈风机定子侧无功-风机有功关系图；
图3示出本公开实施例提供的双馈风机网侧变流器无功-风机有功关系图；
图4示出本公开实施例提供的直驱风机无功-风机有功关系图；
图5示出本公开实施例提供的第一种风电场有功控制和无功控制的优化装置的结构框图；
图6示出本公开实施例提供的第二种风电场有功控制和无功控制的优化装置的结构框图；
图7是用来实现本公开实施例的风电场有功控制和无功控制的优化方法的电子设备的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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公开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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。还应当理解，本公开中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
在风力发电技术中，风电场对于电网电压的主动支撑技术成为发电行业和输电行业广泛关注的问题。目前有研究利用风机自身的无功调节能力，结合集中式无功设备(集中式无功设备一般是无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)或静止无功发生器(StaticVar Generator，SVG))，进行风电场内部的无功优化控制，从而有效控制风电场内部各节点电压。然而，这些方法并未考虑风机有功输出对于其自身无功调节能力的影响。风机自身的无功调节范围与其当前输出的有功功率有直接联系，有功功率输出越大，风机无功调节范围越小。传统风机通常维持在最大功率点运行，风机无功调节能力受到限制，当电压波动较大时，尤其是在风电场故障期间，不能充分发挥风机自身的无功调节能力。
在第一个实施例中，如图1所示，图1示出本公开实施例提供的风电场有功控制和无功控制的优化方法的流程示意图。具体地，该风电场有功控制和无功控制的优化方法，包括：
S101，获取风电场节点间的导纳矩阵。
易于理解地，节点可以是但不限于风电场中负荷节点和发电机节点。一个风电场的节点数量为多个。节点键的导纳矩阵是用节点间的电压表示节点间电流的参量矩阵。
在步骤S101中，导纳矩阵可以从风电场系统中的电网参数清单中直接获取，也可以基于实时采集的节点处的电压和功率计算得到。
在步骤S101中，在获取风电场的各节点间的导纳矩阵后，基于导纳矩阵构建等值潮流模型。易于理解地，等值潮流模型是电力系统潮流计算问题的数学模型，用于表示参数间的关系。电力系统潮流计算是电力系统最基本的计算，也是最重要的计算。潮流计算是已知电网的接线方式与参数及运行条件，计算电力系统稳态运行各母线电压、各支路电流与功率及网损。对于正在运行的电力系统，通过潮流计算可以判断电网母线电压、支路电流和功率是否越限，如果有越限，就应采取措施，调整运行方式。
在步骤S101中，等值潮流模型可以是用极坐标表示的潮流方程，构建的等值潮流模型满足：
Figure BDA0003566025400000071
Figure BDA0003566025400000072
式中Up表示节点p的电压，Uq表示节点q的电压，Gpq表示节点p和节点q之间的电导，Bpq表示节点p和节点q之间的电纳，θmn表示节点p和节点q之间的电压偏角。
S102，获取无功补偿容量。
具体地，在步骤S102中，风电场的无功补偿容量Qref可以根据电网调度指令从自动电压控制系统(AutomaticVoltageControl，AVC)中获取。其中风电场的无功补偿容量Qref可以作为风电机组和集中式无功设备的总无功出力目标值，也即风电场的无功补偿容量Qref为风电场的无功出力目标值。
S103，获取集中式无功设备的无功容量和风机组的无功容量。
具体地，在步骤S103中，集中式无功设备可以是无功补偿器(Static VarCompensator，SVC)或静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)。从集中式无功设备手册中的设备参数中获取集中式无功设备的无功功率的最大值
Figure BDA0003566025400000073
和最小值
Figure BDA0003566025400000074
从而获得集中式无功设备的无功容量
Figure BDA0003566025400000075
在步骤S103中，获取风电场机组的无功裕度计算风机组的无功容量。
在本实施例中，风机可以选择目前常用的双馈风机和直驱风机。对于双馈风机而言，双馈风机的无功功率包括定子侧无功功率和网侧变流器无功功率。
其中，若风机选择双馈风机，则实时获取定子侧电压、最大转自电流、转差率，并获取定子侧电抗、励磁电抗和变流器容量，然后基于风机目标有功功率计算得到定子侧无功功率的最大值和最小值，定子侧无功功率的最大值Qsmax和最小值Qsmin计算公式如下：
Figure BDA0003566025400000081
Figure BDA0003566025400000082
图2示出本公开实施例提供的双馈风机定子侧无功-风机有功关系图，若图2所示，当P(i，j)为0时，
Figure BDA0003566025400000083
网侧变流器无功功率的最大值Qcmax和最小值Qcmin计算公式如下：
Figure BDA0003566025400000084
Figure BDA0003566025400000085
式中，Us为定子侧电压，Xs为定子侧电抗，Xm为励磁电抗，Irmax为最大转自电流，P(i，j)为风机目标有功功率，s为转差率，Sn为变流器容量。
图3示出本公开实施例提供的双馈风机网侧变流器无功-风机有功关系图，若图3所示，当P(i，j)为0时，Qcmax＝Sn，Qcmin＝-Sn。
基于定子侧无功功率的最大值Qsmax和最小值Qsmin和网侧变流器无功功率的最大值Qcmax和最小值Qcmin，并结合获取的风电场机组的无功裕度，得到双馈风机的无功功率的最小值(1-ρ)(Qsmin+Qcmin)和最大值(1-ρ)(Qsmax+Qcmax)，即双馈风机的无功容量为((1-ρ)(Qsmin+Qcmin)，(1-ρ)(Qsmax+Qcmax))。其中，ρ为风电场机组的无功裕度。
在本实施例中，若风机选择直驱风机，则基于风机目标有功功率，获取变流器容量并结合获取的风电场机组的无功裕度，计算得到无功功率的最大值
Figure BDA0003566025400000086
和最小值
Figure BDA0003566025400000087
即直驱风机的无功容量为
Figure BDA0003566025400000088
Figure BDA0003566025400000089
图4示出本公开实施例提供的直驱风机无功-风机有功关系图，若图4所示，当P(i，j)为0时，直驱风机的无功功率最大值为Sn和无功功率最小值为-Sn。此时，直驱风机的无功容量为-(1-ρ)Sn＜Q(i，j)＜(1-ρ)Sn。
S104，构造优化函数。
在步骤S104中，优化函数为最小化的目标函数。目标函数可以利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造得到。
具体地，利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数，包括：基于并网点电压与并网点参考电压的差值的绝对值获得并网点电压偏差；基于各风机的端电压与对应的参考电压获得风机端电压偏差；基于任意两个节点的电压、电压偏角和对应的导纳获得线路功率损耗；基于各风机的有功功率的变化量的绝对值获得有功功率损失；将风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失分别与对应的加权系数相乘，利用各乘积结果与并网点电压偏差的和作为目标函数。也即目标函数为：F＝f1+αf2+βf3+γf4，优化函数为：minF＝f1+αf2+βf3+γf4。其中，f1为并网点电压偏差，f2为风机端电压偏差，f3为线路功率损耗，f4为有功功率损失，α为风机端电压偏差加权系数，β为线路功率损耗加权系数，γ为有功功率损失加权系数。其中风机端电压偏差加权系数、线路功率损耗加权系数、有功功率损失加权系数可以基于实际情况进行调节，例如风机端电压偏差加权系数α的范围可以为0.001-10、线路功率损耗加权系数β的范围可以为0.001-10，有功功率损失加权系数γ的范围可以为0.001-10。
并网点电压偏差f1满足：
f1＝|Upcc-Ur|
式中，Upcc为风电场PCC并网点电压，Ur为风电场PCC并网点参考电压。
风机端电压偏差f2满足：
Figure BDA0003566025400000091
式中，U(i，j)为第i条集电线路上的第j台风机的端电压，Ur(i，j)为第i条集电线路上的第j台风机的端电压的参考电压。集电线路有多条，例如有N条集电线路，风机有多台，例如每条集电线路上有M台风机。其中，风电场PCC并网点参考电压Ur和第i条集电线路上的第j台风机的端电压的参考电压Ur(i，j)可以从风电场系统中的设备参数获得。
线路功率损耗(即各支路上的有功功率损耗)f3满足：
Figure BDA0003566025400000092
各风机的有功功率的变化量为减少后的风机有功功率与减少前的风机有功功率的差值，其中，减少前的风机有功功率为实时获取的风机有功功率，也称为风机实时有功功率，减少后的风机有功功率为得到控制的风机有功功率，也称为风机目标有功功率，则有功功率损失f4满足：
Figure BDA0003566025400000101
式中，Pn(i，j)为减少前的风机有功功率，P(i，j)为减少后的风机有功功率。
S105，构造约束条件。
在步骤S105中，约束条件包括基于等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件、电压约束条件、基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件。
在本实施例中，步骤S105中的基于等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件，包括：通过二阶锥松弛方法将等值潮流模型转化成可求解的二阶锥约束，再根据功率平衡关系，使得各节点的有功/无功的流入值与流出值相等，从而获得等值潮流模型约束条件。具体地，利用步骤S101中的等值潮流模型，作为极坐标潮流方程约束，由于潮流方程约束是非凸的，需要通过二阶锥松弛方法将其转化成可求解的二阶锥约束；再根据功率平衡关系，使得风电场各节点的有功输入值与输出值相等、无功输入值与输出值相等，得到节点功率平衡方程。
在本实施例中，步骤S105中的电压约束条件包括并网点电压约束条件和端电压约束条件；并网点电压约束条件为并网点电压控制在第一电压范围内；端电压约束条件为端电压控制在第二电压范围内。若并网点电压、端电压和相应的电压范围用标幺值表示，则第一电压范围例如可以为(0.97，1.07)，即将并网点电压Upcc控制0.97＜Upcc＜1.07。第二电压范围例如可以为(0.9，1.1)，即将风机的端电压控制在0.9＜U(i，j)＜1.1。
在本实施例中，步骤S105中的基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件，包括：获取各风机的实时有功功率，控制各风机的目标有功功率小于对应风机的实时有功功率，得到有功功率约束条件；获得风机组的无功功率的最大值和最小值，控制风机组的无功功率处于风机组的无功功率的最大值和最小值之间，得到风机组的无功容量约束条件；获得集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值，控制集中式无功设备的无功功率处于集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值之间，得到集中式无功设备的无功容量约束条件；使得风机组的无功容量(即风机无功出力)和集中式无功设备的无功容量(即集中式无功设备出力)等于无功出力目标值，得到无功功率分配约束条件。
在本实施例中，获取各风机的实时有功功率Pn(i，j)，则有功功率约束条件为：0＜P(i，j)＜P n(i，j)。
在本实施例中，若风机为双馈风机，则风机组的无功容量约束条件(即双馈风机无功功率Q(i，j)的调节范围)为：(1-ρ)(Qsmax+Qcmax)＜Q(i，j)＜(1-ρ)(Qsmin+Qcmin)。
若风机为直驱风机，则风机组的无功容量约束条件(即直驱风机的无功功率Qi，j的调节范围)为：
Figure BDA0003566025400000111
在本实施例中，集中式无功设备的无功容量约束条件(即集中式无功设备的无功调节范围)为：
Figure BDA0003566025400000112
在本实施例中，无功功率分配约束条件为：
Figure BDA0003566025400000113
S106，求解优化函数，得到集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率。
具体地，在步骤S106中，求解优化函数得到控制变量的最优值。其中控制变量为集中式无功设备的无功功率、各个风机的有功功率和无功功率。
在约束条件满足的情况下，获取目标函数最小化时的最优解，从而获得集中式无功设备的最优无功功率QSVG、以及各个风机的最优有功功率P(i，j)和最优无功功率Q(i，j)。其中，风机的最优有功功率为目标函数中风机的目标有功功率的最优值。
S107，将集中式无功设备的最优无功功率发给集中式无功设备，将各个风机的最优有功功率和最优无功功率下发给每台风机。
具体地，在步骤S107中，基于集中式无功设备的最优无功功率、各个风机的最优有功功率和最优无功功率对集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。也即将最优QSVG下发给集中式无功设备，将最优P(i，j)、最优Q(i，j)下发给每台风机，每台风机按照指定有功、无功值进行出力。
在本公开实施例的风电场有功控制和无功控制的优化方法，通过获取风电场的各节点间的导纳矩阵构建等值潮流模型；确定风电场的无功出力目标值、集中式无功设备的无功容量、风机组的无功容量；利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；构造约束条件，约束条件包括等值潮流模型约束条件、电压约束条件、有功功率约束条件、风机组的无功容量约束条件、集中式无功设备的无功容量约束条件、以及无功功率分配约束条件；在约束条件满足的情况下，获取目标函数最小化时的集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；基于集中式无功设备的最优无功功率、各个风机的最优有功功率和最优无功功率对集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。在这种情况下，本公开充分挖掘风机自身的无功调节能力，并结合风机有功-无功的关系，以最小化风电场电压偏差(包括风电场并网点电压偏差和所有风机端电压偏差)、线路功率损耗、所有风机有功功率损失为目标函数进行多目标优化，通过潮流方程、风机无功调节范围、SVC/SVG无功调节范围、风机有功调节范围、并网点电压调节范围和风机端电压调节范围为约束条件，当需要风电场提供较大无功输出时，能够适当降低风机有功功率以扩大其无功调节能力(即适当降低风机有功功率以主动支撑电网)，有效地解决了风机无功调节能力受到限制的问题。
下述为本公开装置实施例，可以用于执行本公开方法实施例。对于本公开装置实施例中未披露的细节，请参照本公开方法实施例。
请参见图5，图5示出本公开实施例提供的第一种风电场有功控制和无功控制的优化装置的结构框图；该风电场有功控制和无功控制的优化装置可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为系统的全部或一部分。本公开的风电场有功控制和无功控制的优化装置10可以简称为控制优化装置10。该风电场有功控制和无功控制的优化装置10包括潮流模型处理模块11、功率处理模块12、目标函数处理模块13、约束条件处理模块14、优化计算模块15和控制模块16，其中：
潮流模型处理模块11，用于获取风电场的各节点间的导纳矩阵，基于导纳矩阵构建等值潮流模型；
功率处理模块12，用于获取风电场的无功出力目标值和集中式无功设备的无功容量，获取风电场机组的无功裕度计算风机组的无功容量；
目标函数处理模块13，用于利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；
约束条件处理模块14，用于构造约束条件，约束条件包括基于等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件、电压约束条件、基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件；
优化计算模块15，用于在约束条件满足的情况下，获取目标函数最小化时的最优解，从而获得集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；
控制模块16，用于基于集中式无功设备的最优无功功率、各个风机的最优有功功率和最优无功功率对集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。
可选地，优化函数处理模块13，具体用于：基于并网点电压与并网点参考电压的差值的绝对值获得并网点电压偏差；基于各风机的端电压与对应的参考电压获得风机端电压偏差；基于任意两个节点的电压、电压偏角和对应的导纳获得线路功率损耗；基于各风机的有功功率的变化量的绝对值获得有功功率损失；将风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失分别与对应的加权系数相乘，利用各乘积结果与并网点电压偏差的和作为目标函数。
图6示出本公开实施例提供的第二种风电场有功控制和无功控制的优化装置的结构框图。
可选地，如图6所示，约束条件处理模块14还包括潮流约束单元141、电压约束单元142和功率约束单元143，其中：
潮流约束单元141，用于通过二阶锥松弛方法将等值潮流模型转化成可求解的二阶锥约束，再根据功率平衡关系，使得各节点的有功/无功的流入值与流出值相等，从而获得等值潮流模型约束条件；
电压约束单元142，用于基于并网点电压约束条件和端电压约束条件获得电压约束条件；并网点电压约束条件为并网点电压控制在第一电压范围内；端电压约束条件为端电压控制在第二电压范围内；
功率约束单元143，用于获取各风机的实时有功功率，控制各风机的目标有功功率小于对应风机的实时有功功率，得到有功功率约束条件；获得风机组的无功功率的最大值和最小值，控制风机组的无功功率处于风机组的无功功率的最大值和最小值之间，得到风机组的无功容量约束条件；获得集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值，控制集中式无功设备的无功功率处于集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值之间，得到集中式无功设备的无功容量约束条件；使得风机组的无功功率和集中式无功设备的无功功率等于无功出力目标值，得到无功功率分配约束条件。
要说明的是，上述实施例提供的风电场有功控制和无功控制的优化装置在执行风电场有功控制和无功控制的优化方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将电子设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的风电场有功控制和无功控制的优化装置与风电场有功控制和无功控制的优化方法实施例属于同一构思，其体现实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
上述本公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本公开实施例的风电场有功控制和无功控制的优化装置，潮流模型处理模块通过获取风电场的各节点间的导纳矩阵构建等值潮流模型；功率处理模块确定风电场的无功出力目标值、集中式无功设备的无功容量、风机组的无功容量；目标函数处理模块利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；约束条件处理模块构造约束条件，约束条件包括等值潮流模型约束条件、电压约束条件、有功功率约束条件、风机组的无功容量约束条件、集中式无功设备的无功容量约束条件、以及无功功率分配约束条件；优化计算模块在约束条件满足的情况下，获取目标函数最小化时的集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；控制模块基于集中式无功设备的最优无功功率、各个风机的最优有功功率和最优无功功率对集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。在这种情况下，本公开充分挖掘风机自身的无功调节能力，并结合风机有功-无功的关系，以最小化风电场电压偏差(包括风电场并网点电压偏差和所有风机端电压偏差)、线路功率损耗、所有风机有功功率损失为目标函数进行多目标优化，通过潮流方程、风机无功调节范围、SVC/SVG无功调节范围、风机有功调节范围、并网点电压调节范围和风机端电压调节范围为约束条件，当需要风电场提供较大无功输出时，能够适当降低风机有功功率以扩大其无功调节能力(即适当降低风机有功功率以主动支撑电网)，有效地解决了风机无功调节能力受到限制的问题。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图7是用来实现本公开实施例的风电场有功控制和无功控制的优化方法的电子设备的框图。
电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴电子设备和其它类似的计算装置。本公开所示的部件、部件的连接和关系、以及部件的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本公开中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图7所示，电子设备20包括计算单元21，其可以根据存储在只读存储器(ROM)22中的计算机程序或者从存储单元28加载到随机访问存储器(RAM)23中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 23中，还可存储电子设备20操作所需的各种程序和数据。计算单元21、ROM 22以及RAM23通过总线24彼此相连。输入/输出(I/O)接口25也连接至总线24。
电子设备20中的多个部件连接至I/O接口25，包括：输入单元26，例如键盘、鼠标等；输出单元27，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元28，例如磁盘、光盘等，存储单元28与计算单元21通信连接；以及通信单元29，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元29允许电子设备20通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他电子设备交换信息/数据。
计算单元21可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元21的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元21执行上述所描述的各个方法和处理，例如执行风电场有功控制和无功控制的优化方法。例如，在一些实施例中，风电场有功控制和无功控制的优化方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元28。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM22和/或通信单元29而被载入和/或安装到电子设备20上。当计算机程序加载到RAM 23并由计算单元21执行时，可以执行上述描述的风电场有功控制和无功控制的优化方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元21可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行风电场有功控制和无功控制的优化方法。
本公开中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑电子设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或电子设备使用或与指令执行系统、装置或电子设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或电子设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存电子设备、磁储存电子设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务("Virtual Private Server"，或简称"VPS")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本公开在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (11)

1.一种风电场有功控制和无功控制的优化方法，其特征在于，包括：
获取风电场的各节点间的导纳矩阵，基于所述导纳矩阵构建等值潮流模型；
获取风电场的无功出力目标值和集中式无功设备的无功容量，获取风电场机组的无功裕度计算风机组的无功容量；
利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；
构造约束条件，所述约束条件包括基于所述等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件、电压约束条件、基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于所述风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于所述集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于所述无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件；
在所述约束条件满足的情况下，获取所述目标函数最小化时的最优解，从而获得集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；
基于所述集中式无功设备的最优无功功率、所述各个风机的最优有功功率和最优无功功率对所述集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。
2.如权利要求1所述的风电场有功控制和无功控制的优化方法，其特征在于，所述利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数，包括：
基于并网点电压与并网点参考电压的差值的绝对值获得并网点电压偏差；
基于各风机的端电压与对应的参考电压获得风机端电压偏差；
基于任意两个节点的电压、电压偏角和对应的导纳获得线路功率损耗；
基于各风机的有功功率的变化量的绝对值获得有功功率损失；
将所述风机端电压偏差、所述线路功率损耗和所述有功功率损失分别与对应的加权系数相乘，利用各乘积结果与所述并网点电压偏差的和作为目标函数。
3.如权利要求1所述的风电场有功控制和无功控制的优化方法，其特征在于，所述基于所述等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件，包括：
通过二阶锥松弛方法将所述等值潮流模型转化成可求解的二阶锥约束，再根据功率平衡关系，使得各节点的有功/无功的流入值与流出值相等，从而获得等值潮流模型约束条件。
4.如权利要求1所述的风电场有功控制和无功控制的优化方法，其特征在于，还包括：
所述电压约束条件包括并网点电压约束条件和端电压约束条件；
所述并网点电压约束条件为所述并网点电压控制在第一电压范围内；
所述端电压约束条件为所述端电压控制在第二电压范围内。
5.如权利要求1所述的风电场有功控制和无功控制的优化方法，其特征在于，所述基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于所述风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于所述集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于所述无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件，包括：
获取各风机的实时有功功率，控制所述各风机的目标有功功率小于对应风机的实时有功功率，得到有功功率约束条件；
获得所述风机组的无功功率的最大值和最小值，控制所述风机组的无功功率处于风机组的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述风机组的无功容量约束条件；
获得所述集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值，控制所述集中式无功设备的无功功率处于集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述集中式无功设备的无功容量约束条件；
使得所述风机组的无功容量和所述集中式无功设备的无功容量等于所述无功出力目标值，得到所述无功功率分配约束条件。
6.一种风电场有功控制和无功控制的优化装置，其特征在于，包括：
潮流模型处理模块，用于获取风电场的各节点间的导纳矩阵，基于所述导纳矩阵构建等值潮流模型；
功率处理模块，用于获取风电场的无功出力目标值和集中式无功设备的无功容量，获取风电场机组的无功裕度计算风机组的无功容量；
目标函数处理模块，用于利用并网点电压偏差、风机端电压偏差、线路功率损耗和有功功率损失构造目标函数；
约束条件处理模块，用于构造约束条件，所述约束条件包括基于所述等值潮流模型确定的等值潮流模型约束条件、电压约束条件、基于风机实时有功功率确定的有功功率约束条件、基于所述风机组的无功容量确定的风机组的无功容量约束条件、基于所述集中式无功设备的无功容量确定的集中式无功设备的无功容量约束条件、以及基于所述无功出力目标值确定的无功功率分配约束条件；
优化计算模块，用于在所述约束条件满足的情况下，获取所述目标函数最小化时的最优解，从而获得集中式无功设备的最优无功功率、以及各个风机的最优有功功率和最优无功功率；
控制模块，用于基于所述集中式无功设备的最优无功功率、所述各个风机的最优有功功率和最优无功功率对所述集中式无功设备和各个风机进行有功控制和无功控制。
7.如权利要求6所述的风电场有功控制和无功控制的优化装置，其特征在于，所述优化函数处理模块，具体用于：
基于并网点电压与并网点参考电压的差值的绝对值获得并网点电压偏差；
基于各风机的端电压与对应的参考电压获得风机端电压偏差；
基于任意两个节点的电压、电压偏角和对应的导纳获得线路功率损耗；
基于各风机的有功功率的变化量的绝对值获得有功功率损失；
将所述风机端电压偏差、所述线路功率损耗和所述有功功率损失分别与对应的加权系数相乘，利用各乘积结果与所述并网点电压偏差的和作为目标函数。
8.如权利要求6所述的风电场有功控制和无功控制的优化装置，其特征在于，所述约束条件处理模块，包括：
潮流约束单元，用于通过二阶锥松弛方法将所述等值潮流模型转化成可求解的二阶锥约束，再根据功率平衡关系，使得各节点的有功/无功的流入值与流出值相等，从而获得等值潮流模型约束条件；
电压约束单元，用于基于并网点电压约束条件和端电压约束条件获得所述电压约束条件；所述并网点电压约束条件为所述并网点电压控制在第一电压范围内；所述端电压约束条件为所述端电压控制在第二电压范围内；
功率约束单元，用于获取各风机的实时有功功率，控制所述各风机的目标有功功率小于对应风机的实时有功功率，得到有功功率约束条件；获得所述风机组的无功功率的最大值和最小值，控制所述风机组的无功功率处于风机组的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述风机组的无功容量约束条件；获得所述集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值，控制所述集中式无功设备的无功功率处于集中式无功设备的无功功率的最大值和最小值之间，得到所述集中式无功设备的无功容量约束条件；使得所述风机组的无功功率和所述集中式无功设备的无功功率等于所述无功出力目标值，得到所述无功功率分配约束条件。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-5中任一项所述的风电场有功控制和无功控制的优化方法。
10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-5中任一项所述的风电场有功控制和无功控制的优化方法。
11.一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据权利要求1-5中任一项所述的风电场有功控制和无功控制的优化方法。
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