CN115036995A - 一种多级时间复用的无功优化控制方法 - Google Patents

一种多级时间复用的无功优化控制方法 Download PDF

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孙朝霞
王武林
王亮
杨婧颖
何舟
熊枫
张登旭
熊一帆
黎姣
张华�
李晨
王曦
邹明继
冷爽
黄永清
时伯年
孙刚
胡实
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Suizhou Power Supply Co of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种多级时间复用的无功优化控制方法，建立包括地调及新能源场站各无功源的投切时序的矩阵模型；建立包括地调及新能源场站各无功源的投切增量的矩阵模型；对时序矩阵和增量矩阵进行求解；对时序矩阵和增量矩阵进行灵敏度优化。本发明综合考虑电容器、电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、SVG及储能装置的调压能力和特性，在各无功源的投切时序和投切增量上进行快速建模，形成多时间复用的无功控制方法，并通过不断的更新模型矩阵达到适应快速的网源变化的能力。

Description

一种多级时间复用的无功优化控制方法
技术领域
本发明涉及无功控制技术，具体地，涉及一种多级时间复用的无功优化控制方法。
背景技术
在智能电网背景下，在“碳达峰”、“碳中和”的目标驱动下，新能源的发展引起了广泛的关注、研究和应用，尤其风电、光伏的普及以及储能的应用多样化将占据几十年的发展势头已成共识。传统以火电、水电主导的电网的无功控制方案在大比例新能源接入后还能起到多大的支撑作用受到严峻的挑战，如何充分挖掘在大量新能源接入后电网的无功控制能力已经引起了广泛的关注。
早期无功电压优化控制的理论研究大都基于新能源具有统一的标准形式，而现状是新能源厂家的控制方案各具特色、形式各异，在电网侧、场站侧、厂家侧难以达成一个让各方满意的技术方案。在大量新能源接入传统能源电网后，为解决各无功源之间的协调配合问题，专家学者在优化算法方面做了大量研究，虽取得了一定成效，但也越来越不适应网源的快速发展，电压的日波幅和越限问题愈加频发。
因此本发明提出一种多级时间复用的无功优化控制方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种多级时间复用的无功优化控制方法，综合考虑电容器、电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、储能装置的调压能力和特性，在各无功源的投切时序和投切增量上进行快速建模，形成多时间复用的无功控制方法，并通过不断的更新模型矩阵达到适应快速的网源变化的能力。
本发明采用如下的技术方案。
一种多级时间复用的无功优化控制方法，所述无功优化控制方法包括以下步骤：
(1)建立包括地调及新能源场站各无功源的投切时序的矩阵模型；
(2)建立包括地调及新能源场站各无功源的投切增量的矩阵模型；
(3)对时序矩阵和增量矩阵进行求解；
(4)对时序矩阵和增量矩阵进行灵敏度优化。
进一步地，步骤(1)中，根据电容器电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、SVG及储能装置的调压特性，建立各无功源的投切时序矩阵，包括状态矩阵和时间响应矩阵。
进一步地，对于各无功源的状态矩阵，考虑因素包括是否闭锁、是否故障、是否有剩余可调容量；状态矩阵A：
Figure BDA0003684056750000021
式中，元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如aw1即代表风电场1的可调状态，awn即代表风电场n的可调状态，其他元素代表涵义以此类推；其状态值通过设为0或1来描述，若为0则表示当前状态不可参与无功调节，若为1则表示当前状态可参与无功调节。
进一步地，对于各无功源的时间响应矩阵，考虑因素包括通讯时长和执行时长；时间响应矩阵B：
Figure BDA0003684056750000022
式中，各元素代表各无功源的响应速度，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头；如tw1即代表风电场1的响应时间，twn即代表风电场n的响应时间，其他元素以此类推。
进一步地，步骤(2)中，根据电容器电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、SVG及储能装置的容量，建立各无功源的投切增量矩阵，包括状态矩阵和容量矩阵。
进一步地，对于容量矩阵，考虑因素包括各无功源的无功总容量、需对外提供的无功总容量、所需保留的无功裕度容量；
容量矩阵D：
Figure BDA0003684056750000031
式中，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如dw1即代表风电场1的可调容量，dwn即代表风电场n的可调状态，其他元素代表涵义以此类推。
进一步地，步骤(3)中，对时序矩阵和增量矩阵求解具体步骤为，
对各无功源投切时序矩阵中的状态矩阵和时间响应矩阵进行一一映射并进行元素排序重组，形成地调和新能源场站各自无功源的投切时序；对各无功源的投切增量矩阵中的状态矩阵和容量矩阵进行一一映射并求取映射后矩阵的特征值，以特征值大小作为对应无功源无功出力大小的权重，得到地调和新能源场站各自无功源的投切增量。
进一步地，步骤(4)中，以各无功源对某节点的电压支撑程度建立各无功源对某节点电压的调节灵敏度，以此灵敏度优化已形成的各无功源的投切时序与增量；并对该灵敏度持续在线更新；对于优化结果中存在同等无功源优先级的用分时加权矩阵进一步优化。
进一步地，灵敏度描述如下：
Figure BDA0003684056750000032
式中，下标j表示不同的无功源，下标i表示电网中的不同节点，Sj→i为某无功源j对某节点i的无功调节灵敏度；ΔQj为某无功源j参与的无功调节量，ΔVj→i为对应单一无功源j参与调节后对某节点i电压影响的幅值大小；
分时加权矩阵[Wji]j×n描述如下：
Figure BDA0003684056750000041
式中，j为不同种类的无功源，n为不同种类无功源中最大的列数，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如ww1即代表风电场1的加权值，wwn即代表风电场n的加权值，其他元素代表涵义以此类推。
一种多级时间复用的无功优化控制系统，所述系统用于实现所述的多级时间复用的无功优化控制方法。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明综合考虑电容器、电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、储能装置的调压能力和特性，在各无功源的投切时序和投切增量上进行快速建模，形成多时间复用的无功控制方法，并通过不断的更新模型矩阵达到适应快速的网源变化的能力。
附图说明
图1为本发明所述的多级时间复用的无功优化控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明所述的一种多级时间复用的无功优化控制方法，包括如下步骤：
(1)建立包括地调及新能源场站各无功源的投切时序的矩阵模型；
根据电容器电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、SVG及储能装置的调压特性，建立各无功源的投切时序矩阵：状态矩阵和时间响应矩阵。
对于各无功源的状态矩阵，考虑的因素包括：是否闭锁、是否故障、是否有剩余可调容量；其状态值通过设为0或1来描述，若为0则表示当前状态不可参与无功调节，若为1则表示当前状态可参与无功调节。
状态矩阵描述如下：
Figure BDA0003684056750000051
式中：矩阵A即为各无功源的状态矩阵，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如aw1即代表风电场1的可调状态，awn即代表风电场n的可调状态，其他元素代表涵义以此类推；对于长时间参与无功电压调节的情况，优先考虑矩阵中aci/afci/ali/ati；对于短时间参与无功电压调节的情况，优先考虑矩阵中的awi/apvi/asi/asvgi，此处不同无功源的排列无优先级区别。
对于各无功源的时间响应矩阵，考虑的因素包括：通讯时长和执行时长。通讯时长包括从命令下达到场站接受到命令这段时间，设为t1；各无功源执行完毕命令的时间设为t2；t1代表命令的传输速度，与网络和通道方式相关，可用两地距离描述t1＝ks，s即为主站至某场站的距离，k为系数(可由通道方式和装置时延得出)，也可由现场调试得出；t2为各无功源的命令执行时间，不同类型的无功源有所差异，可由实际调试得出。
时间响应矩阵描述如下：
Figure BDA0003684056750000061
式中：矩阵B为各无功源的响应时间矩阵，其中各元素代表各无功源的响应速度；其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头；如tw1即代表风电场1的响应时间，twn即代表风电场n的响应时间，其他元素以此类推。
(2)建立包括地调及新能源场站各无功源的投切增量的矩阵模型；
根据电容器电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、SVG及储能装置的容量，建立各无功源的投切增量矩阵：状态矩阵和容量矩阵。
对于状态矩阵同步骤(1)中所述。
对于容量矩阵，考虑因素包括：各无功源的无功总容量、需对外提供的无功总容量、所需保留的无功裕度容量；容量矩阵中的元素以最终能够向外提供的无功容量为基值。
容量矩阵描述如下：
Figure BDA0003684056750000062
式中：矩阵D即为各无功源的容量矩阵，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如dw1即代表风电场1的可调容量，dwn即代表风电场n的可调状态，其他元素代表涵义以此类推。
(3)对时序矩阵和增量矩阵进行求解；
对各无功源投切时序矩阵中的状态矩阵和时间响应矩阵进行一一映射并进行元素排序重组，形成地调和新能源场站各自无功源的投切时序；对各无功源的投切增量矩阵中的状态矩阵和容量矩阵进行一一映射并求取映射后矩阵的特征值，以特征值大小作为对应无功源无功出力大小的权重，得到地调和新能源场站各自无功源的投切增量。
先将矩阵A的元素一一映射到B矩阵中得到B'矩阵，将不参与无功调节的元素过滤，即B'＝M(A→B)；然后将B'矩阵进行排序重组得到矩阵S，也即S＝sort(B')；则矩阵S即为各无功源的执行时序矩阵。
同样的，将A的元素一一映射到D矩阵中得到D'矩阵，即D'＝M(A→D)；然后将D'矩阵进行排序重组得到矩阵S'，也即S'＝sort(D')；则矩阵S'即为各无功源的执行增量矩阵。
(4)对时序矩阵和增量矩阵进行灵敏度优化；
以应对实际复杂的轻重缓急的无功需求为目的，直接以各无功源对某节点的电压支撑程度建立各无功源对某节点电压的调节灵敏度，以此灵敏度优化已形成的各无功源的投切时序与增量；并对该灵敏度持续在线更新；对于优化结果中存在同等无功源优先级的用分时加权矩阵进一步优化。
该步骤在调试、试运行阶段形成初级优化样本，并在实际运行阶段持续更新样本以适应动态的网络变化和无功需求的变化。其中灵敏度描述如下：
Figure BDA0003684056750000071
式中：下标j表示不同的无功源，下标i表示电网中的不同节点，Sj→i为某无功源j对某节点i的无功调节灵敏度；ΔQj为某无功源j参与的无功调节量，ΔVj→i为对应单一无功源j参与调节后对某节点i电压影响的幅值大小。
在调试期间，形成原始灵敏度矩阵Sr(j→i)，试运行期间和正式运行期间持续更新矩阵Sr(j→i)，为下一次无功源的投切时序和增量做优化参考，以适应实际复杂的实际工况。
对形成的灵敏度矩阵与无功源状态矩阵一一映射，即Sr'＝M(A→Sr)，过滤掉不参与本次无功调压的无功源，并对矩阵元素排序，得到地调和新能源场站各自可参与到本次无功调压的灵敏度矩阵。
最后对时序矩阵S、增量矩阵S'、灵敏度矩阵Sr'中的各类无功源求取交集，得到最终的各无功源的投切时序和增量。若均无交集或两两无交集则以满足无功增量优先；对其中存在同等优先级的无功源用分时加权矩阵进一步优化评估，即在设定时间范围内，每调节成功一次即加一分，形成分时加权矩阵[Wji]j×n，超过设定时间范围，加权值清零，重新计数。
分时加权矩阵描述如下：
Figure BDA0003684056750000081
式中：j为不同种类的无功源，n为不同种类无功源中最大的列数，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如ww1即代表风电场1的加权值，wwn即代表风电场n的加权值，其他元素代表涵义以此类推。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明综合考虑电容器、电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、储能装置的调压能力和特性，在各无功源的投切时序和投切增量上进行快速建模，形成多时间复用的无功控制方法，并通过不断的更新模型矩阵达到适应快速的网源变化的能力。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，所述无功优化控制方法包括以下步骤：
(1)建立包括地调及新能源场站各无功源的投切时序的矩阵模型；
(2)建立包括地调及新能源场站各无功源的投切增量的矩阵模型；
(3)对时序矩阵和增量矩阵进行求解；
(4)对时序矩阵和增量矩阵进行灵敏度优化。
2.根据权利要求1所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
步骤(1)中，根据电容器电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、SVG及储能装置的调压特性，建立各无功源的投切时序矩阵，包括状态矩阵和时间响应矩阵。
3.根据权利要求2所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
对于各无功源的状态矩阵，考虑因素包括是否闭锁、是否故障、是否有剩余可调容量；状态矩阵A：
Figure FDA0003684056740000011
式中，元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如aw1即代表风电场1的可调状态，awn即代表风电场n的可调状态，其他元素代表涵义以此类推；其状态值通过设为0或1来描述，若为0则表示当前状态不可参与无功调节，若为1则表示当前状态可参与无功调节。
4.根据权利要求2所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
对于各无功源的时间响应矩阵，考虑因素包括通讯时长和执行时长；时间响应矩阵B：
Figure FDA0003684056740000021
式中，各元素代表各无功源的响应速度，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头；如tw1即代表风电场1的响应时间，twn即代表风电场n的响应时间，其他元素以此类推。
5.根据权利要求1所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
步骤(2)中，根据电容器电抗器、FC、变压器分接头、风机、光伏逆变器、SVG及储能装置的容量，建立各无功源的投切增量矩阵，包括状态矩阵和容量矩阵。
6.根据权利要求5所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
对于容量矩阵，考虑因素包括各无功源的无功总容量、需对外提供的无功总容量、所需保留的无功裕度容量；
容量矩阵D：
Figure FDA0003684056740000022
式中，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如dw1即代表风电场1的可调容量，dwn即代表风电场n的可调状态，其他元素代表涵义以此类推。
7.根据权利要求1所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
步骤(3)中，对时序矩阵和增量矩阵求解具体步骤为，
对各无功源投切时序矩阵中的状态矩阵和时间响应矩阵进行一一映射并进行元素排序重组，形成地调和新能源场站各自无功源的投切时序；对各无功源的投切增量矩阵中的状态矩阵和容量矩阵进行一一映射并求取映射后矩阵的特征值，以特征值大小作为对应无功源无功出力大小的权重，得到地调和新能源场站各自无功源的投切增量。
8.根据权利要求1所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
步骤(4)中，以各无功源对某节点的电压支撑程度建立各无功源对某节点电压的调节灵敏度，以此灵敏度优化已形成的各无功源的投切时序与增量；并对该灵敏度持续在线更新；对于优化结果中存在同等无功源优先级的用分时加权矩阵进一步优化。
9.根据权利要求8所述的多级时间复用的无功优化控制方法，其特征在于，
灵敏度描述如下：
Figure FDA0003684056740000031
式中，下标j表示不同的无功源，下标i表示电网中的不同节点，Sj→i为某无功源j对某节点i的无功调节灵敏度；ΔQj为某无功源j参与的无功调节量，ΔVj→i为对应单一无功源j参与调节后对某节点i电压影响的幅值大小；
分时加权矩阵[Wji]j×n描述如下：
Figure FDA0003684056740000032
式中，j为不同种类的无功源，n为不同种类无功源中最大的列数，其中元素下标w/pv/s/svg/c/fc/l/t分别代表风机、光伏逆变器、储能、SVG、电容器、FC、电抗器、变压器分接头，如ww1即代表风电场1的加权值，wwn即代表风电场n的加权值，其他元素代表涵义以此类推。
10.一种多级时间复用的无功优化控制系统，其特征在于，所述系统用于实现权利要求1-9任意一项所述的多级时间复用的无功优化控制方法。
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