CN103532148A

CN103532148A - 一种风电场与地区电网的无功协调控制方法

Info

Publication number: CN103532148A
Application number: CN201310452138.0A
Authority: CN
Inventors: 黄华; 丁茂生; 项丽; 陈颜; 陈建华; 陈天华; 许大卫; 马军; 施佳峰
Original assignee: NINGXIA ELECTRIC POWER Co; Nari Technology Co Ltd
Current assignee: NINGXIA ELECTRIC POWER Co; Nari Technology Co Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103532148B

Abstract

本发明公开了一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，包括1）建立区域电压控制模型；2）风电场实时上传无功调节能力和运行状态，实时接收调度主站控制命令并跟踪执行；3）实时扫描SCADA采集的电网运行状态数据；4）根据电网运行状态数据进行运行工况决策；5）根据风电场并网点电压状态对中枢母线进行决策；6）更新区域电压控制二次规划模型，利用风电场无功调节能力，进行无功出力分配；7）通过二次规划算法求解，得到地区电网变电站和风电场控制策略。本发明在充分发挥风电场无功调节能力的基础上，对风电场及地区电网内电容器/电抗器等多种无功源进行协调控制，对风电场并网造成的电压波动进行补偿，维持风电并网点电压稳定。

Description

一种风电场与地区电网的无功协调控制方法

技术领域

本发明属于电力***控制领域，更准确地说，本发明涉及一种风电场与地区电网的无功协调控制方法。

背景技术

在全球能源紧张和环境恶化的压力下，风力发电受到世界各国的重视，风电产业得到快速发展。由于风电固有的随机性和波动性等特点，大规模的风电接入对电网的安全稳定带来较大影响，其中无功电压问题是目前倍受关注的问题之一。

在我国，大规模集中并网是风电开发利用的主要方式，一般通过220/330kV电压等级并入省级电网。在某些地区，则将风电场接入以110kV网架为主的地区电网。在风电并网运行中，升压站是将风电电力输送到电网的关键环节，由于风力发电的间歇性和不确定性导致风电机组不能持续稳定的发电，从而导致升压站母线电压波动较大，并威胁到地区电网的安全。为了保证电网的安全运行，需要升压站的母线电压波动维持在运行要求范围内。

目前，在风电场内部，通过调节风电机组及升压站无功补偿装置，可对并网点无功进行控制，具备一定的无功调节能力，同时，基于调度主站的地区电网自动电压控制（AVC）软件已逐步得到实际应用。但如何在充分发挥风电场现有无功调节能力的基础上，实现风电场与地区电网的协调控制，减少风电并网造成的电压波动，是风电场接入地区电网尚待解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的是：

在充分发挥风电场无功调节能力的基础上，对风电场和地区电网内电容器/电抗器等多种无功源进行协调控制，对风电并网造成的电压波动进行补偿，维持风电场并网点电压稳定。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，包括以下步骤：

1）建立区域电压控制模型，在区域内选择枢纽厂站高压侧母线为中枢母线，选择若干电压敏感节点为关键母线，将风电场和变电站电容器/电抗器都建模为控制机组，并在模型内建立二次规划模型进行无功调整量的求解；

2）风电场实时上传无功调节能力和运行状态至SCADA，实时接收调度主站控制命令并跟踪执行，所述无功调节包括可增无功/可减无功出力，运行状态包括投入/退出状态及远方/当地状态；

3）调度主站实时扫描SCADA采集的电网运行状态数据，其中电网运行状态数据包括风电场和变电站的有功和无功出力、母线电压、变电站电容器/电抗器开关刀闸状态、风电场无功调节能力及运行状态以及相关闭锁信号；

4）调度主站根据所述步骤3）采集的电网运行状态数据，进行运行工况决策；

5）调度主站根据风电场并网点电压状态对中枢母线进行决策；

6）更新区域电压控制二次规划模型，将步骤4）确定的变电站电容器/电抗器及风电场无功出力作为控制变量，将步骤5）确定的中枢母线电压偏差最小及关键母线满足电压约束作为目标函数，并综合考虑变电站电容器/电抗器及风电场的无功出力分配；

7）通过二次规划算法求解，获得所述步骤6）中的控制变量机组的无功调整量，再转化为变电站电容器/电抗器投退指令及风电场的无功目标值；

8）调度主站通过SCADA远动通道将所述步骤7）得到的变电站电容器/电抗器投退指令下发到地区电网变电站，将风电场的无功目标值下发到风电场子站，以此完成风电场与地区电网的无功协调控制。

前述的步骤4）中，进行运行工况决策具体为，

4a）根据变电站电容器/电抗器开关刀闸状态进行实时拓扑，并结合风电场有功、无功出力和母线电压量测数据是否大于零漂死区，综合判断风电场、变电站电容器/电抗器、各母线是否处于带电运行状态；

4b）对变电站电容器/电抗器控制权限进行决策，当设备故障、动作次数越限信号发生时，电容器/电抗器将被闭锁且不可参与控制；

4c）对风电场控制权限进行决策，当风电场为退出运行或就地状态时，风电场将被闭锁且不可参与控制；

4d）根据变电站电容器/电抗器带电运行状态、可参与控制状态及电容器和电抗器不能同时投入的运行规程，更新变电站无功上下限，无功上限为所有可投电容器额定无功之和，无功下限为所有可投电抗器额定无功之和的负值，即无功上限

更新为

Q_{1}^{\max} = Σ_{i = 1}^{n} Q_{ci}^{cap},

无功下限

更新为

Q_{1}^{\min} = - Σ_{j = 1}^{m} Q_{rj}^{cap},

其中n、m分别为可投的电容器台数和电抗器台数，

为第i台电容器额定无功，

为第j台电抗器额定无功；

4e）根据风电场带电运行状态、可参与控制状态及无功调节能力更新风电场无功上下限，无功上限更新为

无功下限

更新为

其中Q₂、

分别为风电场当前无功、可增无功和可减无功。

前述的步骤5）中对中枢母线进行决策，主要包括两种情况，

5a）所述步骤3）采集的风电场并网点母线电压正常，则将该并网点母线选择为关键母线，满足电压运行约束，中枢母线保持不变；

5b）所述步骤3）采集的风电场并网点母线电压越限，则将该并网点母线增选为中枢母线进行电压校正，并采用下式自动确定该中枢母线目标电压值：

{V_{2}}^{ref} = \{\begin{matrix} {V_{2}}^{\max} - {ΔV}_{tol}, & if & V_{2} > {V_{2}}^{\max} \\ {V_{2}}^{\min} + {ΔV}_{tol}, & if & V_{2} < {V_{2}}^{\min} \end{matrix}

其中，V₂ ^max、V₂ ^min分别为并网点母线电压的上限和下限，ΔV_tol为设定的电压校正带宽，V₂为风电场并网点母线电压，V₂ ^ref为风电场并网点母线即中枢母线目标电压值。

前述的步骤6）中无功出力分配是指基于无功就地或就近调整的原则并结合对风电场无功调节能力的充分利用，按控制灵敏度参与无功分配，即灵敏度大的控制变量机组承担大的无功调整量，灵敏度小的控制变量机组承担小的无功调整量，控制灵敏度可根据电网潮流分析计算获取。

前述的步骤7）中变电站电容器/电抗器投退指令转换方法为，

7a）如果

则按照先切除电抗器后投入电容器的顺序进行控制；

7b）如果

则按照先切除电容器后投入电抗器的顺序进行控制；

其中，

为电容器与电抗器中较大的额定无功量，

指的是变电站承担的无功调节量。

前述的步骤7）中风电场无功目标值

的转换方法为：

其中，Q₂为风电场当前无功，

为风电场承担的无功调节量。

本发明所达到的有益效果：本发明建立风电场与地区电网的无功协调控制模型，对风电场和地区电网内电容器/电抗器等多种无功源进行协调控制，通过多种无功源的互补和配合，在满足母线电压约束前提下实现中枢点电压控制目标，可对风电并网造成的电压波动进行补偿，维持风电并网点电压稳定。

附图说明

图1为风电场接入地区电网区域电压控制结构示意图。

具体实施方式

现结合附图及具体实施方式详细说明如下：

目前，在风电场内部，通过调节风电机组及升压站无功补偿装置，可对并网点无功进行控制，具备一定的无功调节能力。同时，区域电压控制技术已逐步得到实际应用。其基本原理是基于无功平衡的局域性特点，对区域内发电机组等多种无功源进行协调控制，在满足母线电压约束前提下实现中枢点电压或关口无功控制目标。区域电压控制可通过协调二级电压控制（CSVC）方法求解，其特点如下：

1）控制模型：在区域内选择枢纽厂站高压侧母线为中枢母线，选择若干电压敏感节点为关键母线，区域内具备无功可控机组，并可根据电网潮流分析计算获取母线电压对机组无功的控制灵敏度；

2）目标函数：

其中V_p，分别为中枢母线当前电压和目标电压，ΔQ_g为机组无功调节量，C_pg为中枢母线电压对机组无功的控制灵敏度，r和h为权重系数，θ为无功协调向量（即参与因子），其意义是利用发电机数目大于中枢母线数目、具有一定自由度的特点，实现对无功潮流均衡分布的调整。令θ_gi＝ΔQ_gi，此时无功协调向量实际上考虑的是从当前运行点出发，无功调整量最小，控制灵敏度较大的机组应承担较大的无功调整量；

3）约束条件：包括控制机组无功出力上下限约束条件：

Q_{g}^{\min} \leq Q_{g} + {ΔQ}_{g} \leq Q_{g}^{\max},

关键母线电压上下限约束条件：

{\underset{&OverBar;}{V}}_{c} \leq V_{c} + C_{cg} {ΔQ}_{g} \leq {\overset{&OverBar;}{V}}_{c},

电厂母线电压控制步长约束条件：

其中，

和Q_g分别为控制机组无功上限、下限和当前值，

V _c和V_c分别为关键母线电压的上限、下限和当前值，为电厂母线电压控制步长，C_cg为关键母线电压对机组无功的控制灵敏度，C_vg为电厂母线电压对机组无功的控制灵敏度。

4）求解方法：CSVC在数学上可归结为一个二次规划模型，通过二次规划算法求解。

本发明提出的控制方法将建立风电场与地区电网的无功协调控制模型并采用二次规划方法求解。

图1为风电接入地区电网区域电压控制示意图，具有典型性。图中控制区域包括1个并网的风电场和1个地区电网变电站。

本发明的控制方法，包括以下步骤：

1）建立区域电压控制模型，在区域内选择枢纽厂站高压侧母线为中枢母线，选择若干电压敏感节点为关键母线，并在模型内建立二次规划模型进行无功调整量的求解，图1中BUS1是变电站高压侧母线，选择BUS3为中枢母线，BUS2为风电场并网母线；将变电站电容器/电抗器建模为控制机组G1，将风电场建模为控制机组G2；

2）风电场实时上传无功调节能力和运行状态至SCADA，实时接收调度主站控制命令并跟踪执行，其中无功调节包括可增无功/可减无功出力，运行状态包括投入/退出状态及远方/当地状态；

3）调度主站实时扫描SCADA采集的电网运行状态数据，电网运行状态数据包括风电场和变电站的有功和无功出力、母线电压、变电站电容器/电抗器开关刀闸状态、风电场无功调节能力及运行状态以及相关闭锁信号，其中母线电压V＝[V₁,V₂,V₃]^T，无功出力Q＝[Q₁,Q₂]^T；其中，Q₁为变电站无功出力，Q₂为风电场无功出力；

4）调度主站根据步骤3）实时扫描采集的电网运行状态数据，进行运行工况决策，具体为，

4a）根据变电站电容器/电抗器开关刀闸状态进行实时拓扑，并结合风电场有功、无功出力和母线电压等量测数据是否大于零漂死区，综合判断风电场、电容器/电抗器、各母线是否处于带电运行状态；

4d）根据电容器/电抗器带电运行状态，可参与控制状态及电容器和电抗器不能同时投入的运行规程，更新变电站控制机组的无功上下限，无功上限为所有可投电容器额定无功之和，无功下限为所有可投电抗器额定无功之和的负值，即无功上限

更新为

Q_{1}^{\max} = Σ_{i = 1}^{n} Q_{ci}^{cap},

无功下限

更新为

Q_{1}^{\min} = - Σ_{j = 1}^{m} Q_{rj}^{cap},

其中n、m分别为可投的电容器台数和电抗器台数，

为第i台电容器额定无功，

为第j台电抗器额定无功；在图1中，设变电站控制机组G1中电容器和电抗器都可参与控制，则控制机组G1的无功上限

无功下限

其中

为电容器额定无功，为电抗器额定无功；如果电抗器可参与控制但电容器不可参与控制，则电容器不可切除，此时由于电抗器与电容器不能同时投入（电力***运行规程），电抗器也无法动作，因此控制机组G1的无功上限

无功下限

如果电容器可参与控制但电抗器不可参与控制，则控制机组G1的无功上限

无功下限

4e）根据风电场带电运行状态、可参与控制状态及无功调节能力更新控制机组G2的无功上下限，在图1中，设风电场为远方且投入运行，则控制机组G2的无功上限

Q_{2}^{\max} = Q_{2} + Q_{2}^{inc},

无功下限为

Q_{2}^{\min} = Q_{2} - Q_{2}^{dec},

其中Q₂、

分别为风电场当前无功、可增无功和可减无功。

5）调度主站根据风电场并网点电压状态对中枢母线进行决策，考虑如下两种情况：

5a）风电场并网点母线电压正常，则将该并网点母线选择为关键母线，满足电压运行约束，中枢母线为BUS3保持不变；

5b）风电场并网点母线电压越限，则将该并网点母线增选为中枢母线，并进行电压校正，采用下式自动确定该中枢母线目标值：

{V_{2}}^{ref} = \{\begin{matrix} {V_{2}}^{\max} - {ΔV}_{tol}, & if & V_{2} > {V_{2}}^{\max} \\ {V_{2}}^{\min} + {ΔV}_{tol}, & if & V_{2} < {V_{2}}^{\min} \end{matrix}

其中，V₂ ^max、V₂ ^min分别为并网点母线电压的上限和下限，ΔV_tol为设定的电压校正带宽，V₂为风电场并网点母线电压，V₂ ^ref为风电场并网点母线也为中枢母线目标电压。

6）更新区域电压控制二次规划模型，控制变量为步骤4）确定的变电站电容器/电抗器无功和风电场无功，目标函数为步骤5）确定的中枢母线电压偏差最小及关键母线满足电压约束，并综合考虑变电站电容器/电抗器及风电场的无功出力分配，所述无功出力合理分配指的是基于无功就地或就近调整的原则并结合对风电场无功调节能力的充分利用，按控制灵敏度参与无功分配，即灵敏度较大的控制变量机组应承担较大的无功调整量，控制灵敏度可根据电网潮流分析计算获取。

7）通过二次规划算法求解，获得控制变量机组G1、G2应承担的无功调节量

和

再转化为变电站电容器/电抗器投退指令及风电场的无功目标值；

其中变电站电容器/电抗器投退指令的转换方法为：

a）如果

则按照先切除电抗器后投入电容器的顺序进行控制；

b）如果

则按照先切除电容器后投入电抗器的顺序进行控制；

其中，其中

为电容器与电抗器中较大的额定无功。

风电场无功目标值

的转换方法为：

其中，Q₂为风电场当前无功。

8）调度通过SCADA远动通道将步骤7）得到的变电站电容器/电抗器投退指令下发到地区电网变电站，将风电场的无功目标值下发到风电场子站，以此完成风电场与地区电网的无功协调控制。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤4）中，进行运行工况决策具体为，

更新为

Q_{1}^{\max} = Σ_{i = 1}^{n} Q_{ci}^{cap},

无功下限

更新为

Q_{1}^{\min} = - Σ_{j = 1}^{m} Q_{rj}^{cap},

其中n、m分别为可投的电容器台数和电抗器台数，

为第i台电容器额定无功，

为第j台电抗器额定无功；

4e）根据风电场带电运行状态、可参与控制状态及无功调节能力更新风电场无功上下限，无功上限更新为无功下限

更新为

其中Q₂、

分别为风电场当前无功、可增无功和可减无功。

3.根据权利要求1所述的一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤5）中对中枢母线进行决策，主要包括两种情况，

{V_{2}}^{ref} = \{\begin{matrix} {V_{2}}^{\max} - {ΔV}_{tol}, & if & V_{2} > {V_{2}}^{\max} \\ {V_{2}}^{\min} + {ΔV}_{tol}, & if & V_{2} < {V_{2}}^{\min} \end{matrix}

4.根据权利要求1所述的一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤6）中无功出力分配是指基于无功就地或就近调整的原则并结合对风电场无功调节能力的充分利用，按控制灵敏度参与无功分配，即灵敏度大的控制变量机组承担大的无功调整量，灵敏度小的控制变量机组承担小的无功调整量，控制灵敏度可根据电网潮流分析计算获取。

5.根据权利要求1所述的一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤7）中变电站电容器/电抗器投退指令转换方法为，

7a）如果

则按照先切除电抗器后投入电容器的顺序进行控制；

7b）如果

则按照先切除电容器后投入电抗器的顺序进行控制；

其中，

为电容器与电抗器中较大的额定无功量，

指的是变电站承担的无功调节量。

6.根据权利要求1所述的一种风电场与地区电网的无功协调控制方法，其特征在于，所述步骤7）中风电场无功目标值的转换方法为：

其中，Q₂为风电场当前无功，为风电场承担的无功调节量。