CN105262098A - 基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法，属于电力***自动电压控制技术领域。该方法包括：在每个数据采集时刻T来临时，对每个风电汇集的二级控制分区进行一次数据采集；计算每个二级控制分区中的各风场i的有功功率波动率并判断是否越限；当分区中存在有风电场的有功功率波动率越限时，则对该分区启动一次敏捷电压控制；若分区中没有任意风电场出现有功功率波动率越限，达到正常周期控制，则启动一次正常电压控制。该方法通过启动一次敏捷自动电压控制，快速调节风电区域各风场的无功电压，从而抑制风功率波动对电网带来的影响；采用基于正常的控制周期进行控制，保持风电区域的电压稳定并兼顾风电场的无功出力均衡性。

Description

基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法

技术领域

本发明属于电力***自动电压控制技术领域，特别涉及一种基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法。

背景技术

由于煤炭资源的短缺,世界各国纷纷投入大量的人力、物力探索新的能源利用模式，风能成为世界公认的具有极大发展潜力的的绿色能源之一。

目前风机接入电网的方式有两种，一种是通过建立风电场，场内风机经过变电站大规模集中并入中压网络，另外一种是采用分布式的方式，将各个风机接入低压网络，直接给终端用户供电。其中第一种方式可以产生集中的、大容量的发电功率，在全球范围内得到了大规模的应用，比较成功的案例是丹麦，到现在为止，风力发电所占比例已经超过20％，预计在2020年，风力发电会占到50％及以上，第二种方式在智能配电网中有着较好的发展前景。在中国，风力发电主要是以大规模集中并网的模式，虽然风力发电有很多优势，但仍存在一些技术问题有待解决。其中比较突出的就是不少风电场因为电压问题而连锁脱网，自动电压控制(AVC，AutomaticVoltageControl)***，被认为是解决风电区域电压问题的一个有效方法。

目前国内外主流的电网自动电压控制主要有三种模式：

第一种是以德国RWE电力公司为代表的二级控制模式，在电网调度中心进行最优潮流(OPF)的优化计算，计算结果直接发到各电厂、变电站进行控制。在调度控制中心中，OPF基于状态估计，实时运行在EMS的最高层次上，直接实现考虑运行约束以网损最小为目标的全局无功优化控制。这种模式虽然控制简单，但完全依赖OPF，AVC的运行可靠性难以保证。OPF作为静态优化计算功能，主要考虑电压上下限约束和网损最小化。如果完全依赖OPF，则AVC难以对电压稳定性进行协调，完全依赖OPF，无法确保电压稳定性。OPF模型计算量大，计算时间较长。当***中发生大的扰动、负荷陡升或陡降时，如果完全依赖OPF，则AVC的响应速度不够，控制的动态品质难以保证。

第二种是以法国电力公司(EDF)为代表的三级电压控制模式，其研究和实施始于上世纪70年代，经历了三十余年的研究、开发和应用，是目前国际上公认为最先进的电压控制***。在1972年国际大电网会议上，来自EDF的工程师提出了在***范围内实现协调性电压控制的必要性，详细介绍了法国EDF以“中枢母线”、“控制区域”为基础的电压控制方案的结构，电网被划分成若干解耦的控制区域，整个控制***分为三个层次：一级电压控制(PVC,PrimaryVoltageControl)，二级电压控制(SVC,SecondaryVoltageControl)和三级电压控制(TVC,TertiaryVoltageControl)。该控制模式得到了很好的应用，但是该模式仍存在缺点，这是因为区域的二级电压控制(SVC)是基于电力***无功电压的局域性而开发的，而区域间无功电压是有耦合的，因此控制***的质量在根本上取决于各区域间无功电压控制的耦合程度。但是，随着电力***的发展和运行工况的实时变化，设计时认为相对解耦的区域并非一成不变，而且以固定控制参数形式存在的控制灵敏度更是随运行工况而实时变化，因此这种以硬件形式固定下来的区域控制器难以适应电力***的不断发展和实时运行工况的大幅度变化，因此难以持久地保证有良好的控制效果。

第三种是清华大学电机系调度自动化实验室提出的基于“软分区”的三级电压控制模式，该模式已经在国内大区域电网、省级电网中得到广泛应用。在该模式下，调度中心的AVC应用软件由三级控制模块、二级控制模块组成。三级控制为全局无功优化的最优潮流(OPF)，给出全网协调的电压优化控制目标；二级控制为分区解耦的控制策略计算，以三级控制给出的各分区中的中枢母线的优化控制目标为输入，考虑分区内电厂等无功调节设备，计算分区内各种无功资源的控制策略，并下发到电厂和变电站；厂站端的子站装置完成一级控制，接收调度主站下发的控制策略并执行。该控制模式与法国EDF的三级电压控制的区别是，通过控制中心内的软件在线对电网进行控制区域的自动划分，即采用“软分区”的思想，当电网结构和运行方式发生变化时，调度中心的AVC主站可以自动适应，从而满足电网发展变化的要求。

在基于“软分区”的三级电压控制模式中，每个分区的二级电压控制(SVC)是承上启下的关键环节。郭庆来、孙宏斌、张伯明在《协调二级电压控制的研究》(电力***自动化，2005年12月，V29N23，pp.19-24)中提出了一种面向分区的协调二级电压控制(CSVC)模型，并已经在常规的水电厂、火电厂的自动电压控制中得到广泛应用。该模型在优先考虑中枢母线电压偏差最小的前提下，利用多余的控制自由度保证本区域发电机运行在无功裕度更大、出力更均衡的状态。该模型所涉及到的各个变量的具体物理含义可以从图中直观看出。其中，Q_g表示控制发电机当前无功出力，V_g表示控制发电机机端母线当前电压，V_p表示中枢母线当前电压，V_H表示发电机高压侧母线的当前电压。C_g和C_vg为无功电压灵敏度矩阵，满足：

ΔV_p＝C_gΔQ_g(1.1)

ΔV_H＝C_vgΔQ_g(1.2)

ΔQ_g为发电机的无功调节量，ΔV_H为电厂高压侧母线的电压调整量。分区中的中枢母线一般为预先人工选择指定。该模型采用了二次规划模型来计算电厂的控制指令。二次规划形式的目标函数如下：

$\underset{{\mathrm{\ΔQ}}_g}{\min }\left\{W_p\right||a\·(V_p-V_p^{ref})+C_g{\mathrm{\ΔQ}}_g|{|}^2+W_q\left|\right|{\mathrm{\Θ}}_g\left|{|}^2\right\}---\left(1.3\right)$

其中，选择发电机的无功调节量ΔQ_g为二次规划的优化变量；和分别表示无功下限和无功上限；表示分区中的设定电压；W_p和W_q为权重系数，α为增益系数；式(3)的目标函数第一部分体现了调整发电机无功使得中枢母线达到三级控制给出的目标值。同时，为了实现增大发电机无功裕度并使之出力更加均衡的目的，在目标函数的第二部分引入了无功裕度向量Θ_g，其第i个分量为

${\mathrm{\Θ}}_{g_i}=\frac{Q_{g_i}+{\mathrm{\ΔQ}}_{g_i}-Q_{g_i}^{\min }}{Q_{g_i}^{\max }-Q_{g_i}^{\min }}---\left(1.4\right)$

将||Θ_g||²(无功裕度向量Θ_g)引入到二次规划目标函数中，可以保证一方面增加控制发电机的无功裕度，另一方面促使各台控制发电机向无功出力更加均衡的方向发展。省调AVC的二级电压控制模块在满足安全约束条件的情况下来求解式(3)的极小化问题，这些约束包括：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_0:& \left|C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\right|\≤{\mathrm{\ΔV}}_H^{\max }\\ C_1:& V_H^{\min }\≤V_H+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_H^{\max }\\ C_2:& V_p^{\min }\≤V_p+C_g\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_p^{\max }\\ C_3:& Q_g^{\min }\≤Q_g+{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤Q_g^{\max }\end{array}\right.---\left(1.5\right)$

其中V_p、和分别表示中枢母线当前电压、中枢母线电压下限和中枢母线电压上限；Q_g、和分别表示控制发电机当前无功、无功下限和无功上限；V_H、 和分别表示发电机高压侧母线的当前电压、电压下限、电压上限和允许的单步最大调整量。

上述内容涉及到无功电压灵敏度矩阵C_g和C_vg(其中C_g为电厂无功调节量对区域中枢母线电压V_p的灵敏度矩阵，C_vg为各电厂无功调节量对发电机高压侧母线电压V_H的灵敏度矩阵)的计算。孙宏斌，张伯明，相年德在《准稳态的灵敏度分析方法》(中国电机工程学报，1999年4月V19N4，pp.9-13)中提出了准稳态灵敏度方法，与常规的静态的灵敏度分析方法不同，准稳态灵敏度方法考虑了电力***准稳态的物理响应，计及***控制前后新旧稳态间的总变化，有效提高了灵敏度分析的精度。该方法基于电力***的PQ解耦模型，当发电机安装有自动电压调节器(AVR)时，可认为该发电机节点为PV(有功功率P和电压幅值V是给定的)节点；而当发电机装有自动无功功率调节(AQR)或自动功率因数调节(APFR)时，可认为该发电机节点与普通负荷节点相同均为PQ(有功功率P和无功功率Q是给定的)节点。此外，将负荷电压静特性考虑成节点电压的一次或二次曲线。这样所建立的潮流模型就自然地将这些准稳态的物理响应加以考虑，从而基于潮流模型计算出的灵敏度即为准稳态的灵敏度。省调AVC中，C_g和C_vg均采用准稳态的灵敏度。

目前对于含风电场区域的电网AVC控制***，多采用上述基于软分区的三级电压控制模式，风电汇集区域的自动电压控制处于二级控制的层面。一般情况下对风电汇集区域建立二级电压控制分区，以各风电场的高压侧母线为控制母线，以风电区域的汇集站母线为中枢母线，周期计算每个分区中的各风电场的电压控制策略。在调度中心的自动电压控制***中，对传统的火电厂、水电厂进行自动电压控制时，均按照预先设定的控制周期进行控制策略的计算和控制指令的下发。目前国内多采用5分钟为控制周期。由于大规模风电接入在电网末端薄弱环节，风功率波动对风电并网区域母线的电压波动影响显著。在有较多风电并网的区域，由于其有功出力的快速波动，在5分钟内可能造成风场高压侧母线以及风电汇集区中枢母线的大幅波动，需要及时修正风电场母线和汇集区域的中枢母线电压控制目标，以满足风电汇集区域电压稳定控制的要求。

综上所述，在风场汇集区域采用传统的固定控制周期的自动电压方式，无法适应风电汇集区域电压快速波动的情况，无法满足风电并网区域电压稳定性的控制要求。从目前已公开的文献来看，还没有更好的方法能够解决该问题。

发明内容

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提供一种基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法，该方法通过对风电并网区域各风电场有功发电功率的波动进行评估，当有功功率波动量超过给定门槛时，启动一次敏捷自动电压控制，快速调节风电区域各风场的无功电压，从而抑制风功率波动对电网带来的影响；当区域中各风场的有功功率波动较小时，采用基于正常的控制周期进行控制，保持风电区域的电压稳定并兼顾风电场的无功出力均衡性。为实现上述目的本发明的技术方案如下：

本发明提出的一种基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法，其特征在于：在电网调度中心自动电压控制***中，对一个风电汇集区域建立的AVC二级控制分区k的控制模型以用集合Z_k表示：Z_k＝{V_P,V_H,P_g,Q_g}，其中V_P表示该分区内各风电场汇集的中枢母线电压，V_H表示该分区内各风电场高压侧控制母线电压，P_g表示个各风电场的总有功出力，Q_g表示各风电场总无功出力。该方法预先设定数据采集周期T1和数据采集时刻T，以及正常控制周期T2，以T1为周期进行进行一次数据采集，以每正常控制周期T2生成一次正常控制指令；

该方法包括以下步骤：

1)在每个数据采集时刻T来临时，对每个风电汇集的二级控制分区Z_k进行一次数据采集；采集的数据包括：该二级分区中各风电场总发电有功功率P_g、无功功率Q_g、风电场高压侧母线电压V_H，风电汇集区域中枢母线电压V_P的实时值；

2)计算每个二级控制分区Z_k中的各风场i的有功功率波动率并判断是否越限；具体包括如下步骤：

2-1)计算各风场i的有功功率波动率：

$R_{k,i}=\frac{\left|P_{k,i}^{T-1}-P_{k,i}^T\right|}{P_{k,i}^{mva}}---\left(1\right),$

其中：为当前T时刻，该风场的总有功出力；为上一时刻风场的总有功出力；

为该风场的总风电装机容量；

2-2)对得到的R_k,i，判定是否满足R_k,i＞R₀，其中R₀为设定的风电场有功功率波动率门槛参数；如果满足，说明分区Z_k中有风电场的有功功率波动率越限，则执行步骤3)，否则返回步骤2-1)继续处理分区中的下一风电场，直到分区中的所有风电场处理完成；

2-3)若分区Z_k中的全部风电场均检查完成并且任意风电场均不满足R_k,i＞R₀，则执行步骤4)；

3)当分区Z_k中存在有风电场的有功功率波动率越限时，则对该分区启动一次敏捷电压控制；具体包括以下步骤：

3-1)构造该分区的由目标函数约束条件组成的协调二级电压敏感控制模型如下：

目标函数： $\underset{{\mathrm{\ΔQ}}_g}{\min }\left\{\right||a\·(V_p-V_p^{ref})+C_g{\mathrm{\ΔQ}}_g|{|}^2\}---\left(2\right),$

约束条件： $\left\{\begin{array}{cc}{C}_0:& \left|C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\right|\≤{\mathrm{\ΔV}}_H^{\max }\\ C_1:& V_H^{\min }\≤V_H+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_H^{\max }\\ C_2:& V_p^{\min }\≤V_p+C_g\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_p^{\max }\\ C_3:& Q_g^{\min }\≤Q_g+{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤Q_g^{\max }\end{array}\right.---\left(1.5\right)$

其中C_g为各风电场无功调节量ΔQ_g对区域中枢母线电压V_p的灵敏度矩阵，C_vg为各风电场无功调节量ΔQ_g对风场高压侧控制母线电压V_H的灵敏度矩阵；

约束条件C₀表示满足风电场高压侧母线电压调节步长的约束；C₁表示满足风场高压侧母线电压安全运行限值的约束；C₂表示满足风电汇集区域中枢母线电压运行安全限值的约束；C₃表示满足各风电场总无功出力的约束，其中和为各风电场自动电压控制子站实时上送的总无功出力下限值和上限值；

3-2)利用3-1)构造的模型进行计算，得到各风场的总无功调节量ΔQ_g，再根据式(4)计算得到各风场在该轮敏捷自动电压控制中的高压侧母线电压设定值

$V_H^{set}=V_H^{real}+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g---\left(4\right),$ 为母线当前电压值；

3-3)将计算得到的该区域中各风场高压侧母线设定值作为控制指令下发到该区域各风场自动电压控制子站启动敏捷电压控制，转步骤5)；

4)若分区Z_k中没有任意风电场出现有功功率波动率越限，则检查当前时刻是否达到正常周期控制T2，如未达到T2，则执行步骤5)；如果达到T2，则启动一次正常电压控制，具体包括如下步骤：

4-1)构造该分区的由目标函数约束条件组成的协调二级电压正常控制模型如下：

目标函数： $\underset{{\mathrm{\ΔQ}}_g}{\min }\left\{W_p\right||a\·(V_p-V_p^{ref})+C_g{\mathrm{\ΔQ}}_g|{|}^2+W_q\left|\right|{\mathrm{\Θ}}_g\left|{|}^2\right\}---\left(5\right),$

约束条件： $\left\{\begin{array}{cc}{C}_0:& \left|C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\right|\≤{\mathrm{\ΔV}}_H^{\max }\\ C_1:& V_H^{\min }\≤V_H+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_H^{\max }\\ C_2:& V_p^{\min }\≤V_p+C_g\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_p^{\max }\\ C_3:& Q_g^{\min }\≤Q_g+{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤Q_g^{\max }\end{array}\right.---\left(6\right),$

其中Θ_g为分区内风场场无功出力的均衡性指标；

4-2)利用4-1)正常控制模型进行计算，得到各风场的总无功调节量ΔQ_g，再根据式(7)计算得到各风场在该轮正常自动电压控制中的高压侧母线电压设定值：

$V_H^{set}{V}_H^{set}=V_H^{real}+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g---\left(4\right)$

4-3)将计算得到的区域中各风场高压侧母线设定值作为控制指令下发到各风场自动电压控制子站启动正常电压控制；转步骤5)；

本轮控制结束，等待下一次数据采集时刻到来，转步骤1)。

本发明的特点及效果：

本发明提出了一种基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法。该方法通过对风电并网区域各风电场有功发电功率的波动进行评估，当有功功率波动量超过给定门槛时，启动一次敏捷自动电压控制，快速调节风电区域各风场的无功电压，抑制风功率波动对电网电压带来的影响；当区域中各风场的有功功率波动较小时，采用基于正常的控制周期进行控制，保持风电区域的电压稳定并兼顾风电场的无功出力均衡性。

附图说明

图1协调二级电压控制模型示意图。

图2是本发明基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制流程图。

图3是本发明实施例的风电场示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明提出的一种基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法，其特征在于，在电网调度中心自动电压控制***中，对一个风电汇集区域建立的AVC二级控制分区k的控制模型以用集合Z_k表示：Z_k＝{V_P,V_H,P_g,Q_g}，其中V_P表示该分区内各风电场汇集的中枢母线电压，V_H表示该分区内各风电场高压侧控制母线电压，P_g表示各个风电场的总有功出力，Q_g表示各风电场总无功出力；预先设定数据采集周期T1和数据采集时刻T，以及正常控制周期T2(数据采集周期T1是自动电压控制***采集数据周期，一般为30秒，正常控制周期T2是自动控制***生成指令的周期，一般为5分钟，数据采集时刻T是采集数据的时间，一般为一个采集周期T1的开始时刻，以T1为周期进行数据采集(即每30秒进行一次数据采集)，每个正常控制周期(每5分钟)生成一次正常控制指令；

该方法包括以下步骤：

1)在每个数据采集时刻T来临时，对每个风电汇集的二级控制分区Z_k进行一次数据采集；采集的数据包括：该二级分区中各风电场总发电有功功率P_g、无功功率Q_g、风电场高压侧母线电压V_H，风电汇集区域中枢母线电压V_P的实时值；

2)计算每个二级控制分区Z_k中的各风场i的有功功率波动率并判断是否越限；具体包括如下步骤：

2-1)计算各风场i的有功功率波动率：

$R_{k,i}=\frac{\left|P_{k,i}^{T-1}-P_{k,i}^T\right|}{P_{k,i}^{mva}}---\left(1\right),$

其中：为当前T时刻，该风场的总有功出力；为上一时刻风场的总有功出力；为该风场的总风电装机容量；

2-2)对得到的R_k,i，判定是否满足R_k,i＞R₀，其中R₀为设定的风电场有功功率波动率门槛参数(R₀一般取值0.3)；如果满足，说明分区Z_k中有风电场的有功功率波动率越限，则执行步骤3)，否则返回步骤2-1)继续处理分区中的下一风电场，直到分区中的所有风电场处理完成；

2-3)若分区Z_k中的全部风电场均检查完成并且任意风电场均不满足R_k,i＞R₀，则执行步骤4)；

3)当分区Z_k中存在有风电场的有功功率波动率越限时，则对该分区启动一次敏捷电压控制；具体包括以下步骤：

3-1)构造该分区的由目标函数约束条件组成的协调二级电压敏感控制模型如下：

目标函数： $\underset{{\mathrm{\ΔQ}}_g}{\min }\left\{\right||a\·(V_p-V_p^{ref})+C_g{\mathrm{\ΔQ}}_g|{|}^2\}---\left(2\right),$

约束条件： $\left\{\begin{array}{cc}{C}_0:& \left|C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\right|\≤{\mathrm{\ΔV}}_H^{\max }\\ C_1:& V_H^{\min }\≤V_H+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_H^{\max }\\ C_2:& V_p^{\min }\≤V_p+C_g\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_p^{\max }\\ C_3:& Q_g^{\min }\≤Q_g+{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤Q_g^{\max }\end{array}\right.---\left(3\right),$

其中C_g为各风电场无功调节量ΔQ_g对区域中枢母线电压V_p的灵敏度矩阵，C_vg为各风电场无功调节量ΔQ_g对风场高压侧控制母线电压V_H的灵敏度矩阵；

(该模型目标函数的意义是通过最有效的风电场无功调节量ΔQ_g，将风电汇集区域的中枢母线电压V_p调节到控制目标附近，从而保持风电汇集区域电压的稳定。)

约束条件C₀表示满足风电场高压侧母线电压调节步长的约束；C₁表示满足风场高压侧母线电压安全运行限值的约束；C₂表示满足风电汇集区域中枢母线电压运行安全限值的约束；C₃表示满足各风电场总无功出力的约束，其中和为各风电场自动电压控制子站实时上送的总无功出力下限值和上限值(该限值随着风电场内风机和其他无功设备运行状态的变化而变化，风机和其他无功设备投入运行越多，总无功出力上、下限值越宽)，是一种实时更新的限值约束)；

(该敏捷控制模型中未考虑风电场无功出力的均衡性指标，仅考虑了利用最有效的手段快速调节电压，可快速调节风电区域各风场的无功电压，抑制风功率波动对电网电压带来的影响；)

3-2)利用3-1)构造的模型进行计算，得到各风场的总无功调节量ΔQ_g，再根据式(4)计算得到各风场在该轮敏捷自动电压控制中的高压侧母线电压设定值

$V_H^{set}=V_H^{real}+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g---\left(4\right),$ 为母线当前电压值；

3-3)将计算得到的该区域中各风场高压侧母线设定值作为控制指令下发到该区域各风场自动电压控制子站启动敏捷电压控制，转步骤5)；

4)若分区Z_k中没有任意风电场出现有功功率波动率越限，则检查当前时刻是否达到正常周期控制T2，如未达到T2，则执行步骤5)；如果达到T2，则启动一次正常电压控制，具体包括如下步骤：

4-1)构造该分区的由目标函数约束条件组成的协调二级电压正常控制模型如下：

目标函数： $\underset{{\mathrm{\ΔQ}}_g}{\min }\left\{W_p\right||a\·(V_p-V_p^{ref})+C_g{\mathrm{\ΔQ}}_g|{|}^2+W_q\left|\right|{\mathrm{\Θ}}_g\left|{|}^2\right\}---\left(5\right),$

约束条件： $\left\{\begin{array}{cc}{C}_0:& \left|C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\right|\≤{\mathrm{\ΔV}}_H^{\max }\\ C_1:& V_H^{\min }\≤V_H+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_H^{\max }\\ C_2:& V_p^{\min }\≤V_p+C_g\·{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤V_p^{\max }\\ C_3:& Q_g^{\min }\≤Q_g+{\mathrm{\ΔQ}}_g\≤Q_g^{\max }\end{array}\right.---\left(6\right),$

其中Θ_g为分区内风场场无功出力的均衡性指标；

(相比敏捷控制模型，该目标函数增加了第二部分即区域内各风电场的无功出力趋于均衡的目标，可保持风电区域的电压稳定并兼顾风电场的无功出力均衡性。该模正常控制型的各约束条件与步骤3)相同。)

4-2)利用4-1)正常控制模型进行计算，得到各风场的总无功调节量ΔQ_g，再根据式(7)计算得到各风场在该轮正常自动电压控制中的高压侧母线电压设定值：

$V_H^{set}{V}_H^{set}=V_H^{real}+C_{vg}\·{\mathrm{\ΔQ}}_g---\left(4\right);$

4-3)将计算得到的区域中各风场高压侧母线设定值作为控制指令下发到各风场自动电压控制子站启动正常电压控制；转步骤5)；

5)本轮控制结束，等待下一次数据采集时刻到来，转步骤1)。

实施例

本实施例为对一个二级控制分区(Z_k)进行自动电压控制，该分区内包含2座110kV风电场分别为P1、P2，及1座110kV的汇集站S1，其中P1风电场装机容量为250MW，P2风电场装机容量为300MW，该区域中枢母线为S1汇集站的110kV母线；其中P1风电场无功变化对中枢母线灵敏度为0.078(kV/Mvar)、对P1控制母线灵敏度为0.098(kV/Mvar)、对P2控制母线灵敏度0.052(kV/Mvar)，P2风电场无功变化对中枢母线灵敏度为0.079(kV/Mvar)、对P1控制母线灵敏度为0.049(kV/Mvar)、对P2控制母线灵敏度0.095(kV/Mvar)。根据电气连接关系，通过拓扑搜索，自动形成如图2所示的简化等值模型。

基于形成的简化等值模型，本实施例的方法包括以下步骤:预先设定数据采集周期T1为30秒，正常控制周期T2为5分钟，初始状态数据如下：

1)执行一次数据采集，采集各风电场总发电有功功率P₁＝15MW、P₂＝36MW，无功功率Q₁＝8(Mvar)、Q₂＝26(Mvar)，风电场高压侧母线电压V₁＝115.4kV、V₂＝117.8kV，风电汇集区域中枢母线电压V_P的实时值117.6kV；

2)对分区Z_k中的风场P1、P2，依次执行如下步骤：

2-1)计算P1风电场其有功变化率：

$R_{k,1}=\frac{\left|12-15\right|}{250}=0.012$

2-2)对得到的R_k,i＝0.012<R₀(其中R₀为设定的风电场有功功率波动率门槛参数，本实施例R₀设置为0.3)。

2-3)分区中P2风电场的全部风电场均不满足R_k,i＞R₀。

3)分区Z_k中没有风电场出现有功功率波动率越限，当前时刻达到正常周期控制时刻T2(5分钟)，启动一次正常周期控制，如下：

3-1)在二级电压控制中，构造协调二级电压控制模型的目标函数，并加入计算约束。计算出P1风电场的无功调节量ΔQ₁＝5.2Mvar，P2风电场的无功调节量ΔQ₂＝-4.1Mvar；

3-2)利用3-1)步骤计算得到的风场的总无功调节量ΔQ₁及ΔQ₂，计算：

$V_1^{set}=V_1^{real}+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_1=115.4+0.51$

$V_2^{set}=V_2^{real}+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_2=117.8+(-0.39)$

可以得到在该轮自动电压控制中的P1风电场高压侧母线电压设定值P2风电场高压侧母线电压设定

3-3)将计算得到的区域中各风场高压侧母线设定值下发到各风场自动电压控制子站执行。

可以看到，在正常的周期控制中，采用的目标函数既考虑了中枢母线的控制目标，也考虑了区域内风电场无功的均衡性，因此控制策略增加了风电场P1的无功出力，降低了风电场P2的无功出力，同时中枢母线的电压保持在设定的优化目标值。

4)执行新一次数据采集，采集各风电场总发电有功功率P₁＝95MW、P₂＝25MW，无功功率Q₁＝40(Mvar)(上限为40Mvar，风电场P1无功调节能力已用尽)、Q₂＝16(Mvar)，风电场高压侧母线电压V₁＝114.3kV、V₂＝117.0kV，风电汇集区域中枢母线电压V_P的实时值116.5kV；

5)对分区Z_k中的风场P1、P2，依次执行如下步骤：

5-1)计算P1其有功变化率：

$R_{k,1}=\frac{\left|95-15\right|}{250}=0.32$

5-2)对得到的R_k,1＝0.32判定是否满足R_K,1＞R₀，(其中R₀为设定的风电场有功功率波动率门槛参数，本实施例R₀设置为0.3)，满足条件，启动一次敏捷电压控制；

6)分区Z_k中P1风电场的有功功率波动率越限，对该分区启动一次敏捷电压控制，如下：

6-1)构造敏捷电压控制模型的目标函数，并加入计算约束。计算出P1风电场的无功调节量ΔQ₁＝0Mvar，P2风电场的无功调节量ΔQ₂＝10.53Mvar；

6-2)利用6-1模型进行计算，得到各风场的总无功调节量ΔQ₁及ΔQ₂，计算：

$V_1^{set}=V_1^{real}+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_1=114.3+0.00$

$V_2^{set}=V_2^{real}+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_2=117.1+1.03$

可以得到在该轮敏捷自动电压控制中P1风电场高压侧母线电压设定值P2风电场高压侧母线电压设定

6-3)将计算得到的区域中各风场高压侧母线设定值下发到各风场自动电压控制子站执行。

7)本轮结束，等待下一次数据采集，转步骤1)。

在本轮敏捷自动电压控制中，由于P1风场出现大幅度的有功波动，导致其母线电压大幅下降，由于P1风场内自动电压控制子站的作用，其已经对场内的风机等无功设备进行了调节，并且全部无功调节能力已经用尽，此时P1风场高压侧母线电压仍偏低，区域的中枢母线电压也偏离了优化目标值，出现了电压的波动情况。而同时P2风场虽然有无功调节能力，但是其自身的高压侧母线电压与上一轮下发的设定值偏差仍小于控制死区(0.5kV)，其风场内的无功电压控制子站不会进行控制响应。

此时通过对P1风场有功波动率的判定，自动执行了敏捷电压控制策略的计算，对P2下发了增加电压的调节指令，同时对P1下发保持当前电压的平调指令。可以看到，通过及时调节P2风电场的高压侧电压设定值，使得P2风场调节器无功设备，帮助消除了中枢母线的电压波动，使中枢母线的电压保持在设定的优化目标值。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于风电场发电功率波动评估的敏捷自动电压控制方法，其特征在于，在电网调度中心自动电压控制***中，对一个风电汇集区域建立的AVC二级控制分区k的控制模型以用集合Z_k表示：Z_k＝{V_P,V_H,P_g,Q_g}，其中V_P表示该分区内各风电场汇集的中枢母线电压，V_H表示该分区内各风电场高压侧控制母线电压，P_g表示各个风电场的总有功出力，Q_g表示各风电场总无功出力；预先设定数据采集周期T1和数据采集时刻T，以及正常控制周期T2，以T1为周期进行进行一次数据采集，以每正常控制周期T2生成一次正常控制指令；

该方法包括以下步骤：

1)在每个数据采集时刻T来临时，对每个风电汇集的二级控制分区Z_k进行一次数据采集；采集的数据包括：该二级分区中各风电场总发电有功功率P_g、无功功率Q_g、风电场高压侧母线电压V_H，风电汇集区域中枢母线电压V_P的实时值；

2)计算每个二级控制分区Z_k中的各风场i的有功功率波动率并判断是否越限；具体包括如下步骤：

2-1)计算各风场i的有功功率波动率：

$R_{k,i}=\frac{|P_{k,i}^{T-1}-P_{k,i}^T|}{P_{k,i}^{mva}}---\left(1\right),$

其中：为当前T时刻，该风场的总有功出力；为上一时刻风场的总有功出力；为该风场的总风电装机容量；

2-2)对得到的R_k,i，判定是否满足R_k,i＞R₀，其中R₀为设定的风电场有功功率波动率门槛参数；如果满足，说明分区Z_k中有风电场的有功功率波动率越限，则执行步骤3)，否则返回步骤2-1)继续处理分区中的下一风电场，直到分区中的所有风电场处理完成；

2-3)若分区Z_k中的全部风电场均检查完成并且任意风电场均不满足R_k,i＞R₀，则执行步骤4)；

3)当分区Z_k中存在有风电场的有功功率波动率越限时，则对该分区启动一次敏捷电压控制；具体包括以下步骤：

3-1)构造该分区的由目标函数约束条件组成的协调二级电压敏感控制模型如下：

目标函数： $\underset{{\mathrm{\&Delta;Q}}_g}{\min }\left\{\right||a\&CenterDot;(V_p-V_p^{ref})+C_g{\mathrm{\&Delta;Q}}_g|{|}^2\}---(2),$

约束条件： $\left\{\begin{array}{cc}{C}_0:& |C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g|\&le;{\mathrm{\&Delta;V}}_H^{\max }\\ C_1:& V_H^{\min }\&le;V_H+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g\&le;V_H^{\max }\\ C_2:& V_p^{\min }\&le;V_p+C_g\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g\&le;V_p^{\max }\\ C_3:& Q_g^{\min }\&le;Q_g+{\mathrm{\&Delta;Q}}_g\&le;Q_g^{\max }\end{array}\right.---\left(3\right),$

其中C_g为各风电场无功调节量ΔQ_g对区域中枢母线电压V_p的灵敏度矩阵，C_vg为各风电场无功调节量ΔQ_g对风场高压侧控制母线电压V_H的灵敏度矩阵；

约束条件C₀表示满足风电场高压侧母线电压调节步长的约束；C₁表示满足风场高压侧母线电压安全运行限值的约束；C₂表示满足风电汇集区域中枢母线电压运行安全限值的约束；C₃表示满足各风电场总无功出力的约束，其中和为各风电场自动电压控制子站实时上送的总无功出力下限值和上限值；

3-2)利用3-1)构造的模型进行计算，得到各风场的总无功调节量ΔQ_g，再根据式(4)计算得到各风场在该轮敏捷自动电压控制中的高压侧母线电压设定值

$V_H^{set}=V_H^{real}+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g---\left(4\right),$ 为母线当前电压值；

3-3)将计算得到的该区域中各风场高压侧母线设定值作为控制指令下发到该区域各风场自动电压控制子站启动敏捷电压控制，转步骤5)；

4)若分区Z_k中没有任意风电场出现有功功率波动率越限，则检查当前时刻是否达到正常周期控制T2，如未达到T2，则执行步骤5)；如果达到T2，则启动一次正常电压控制，具体包括如下步骤：

4-1)构造该分区的由目标函数约束条件组成的协调二级电压正常控制模型如下：

目标函数： $\underset{{\mathrm{\&Delta;Q}}_g}{\min }\left\{W_p\right||a\&CenterDot;(V_p-V_p^{ref})+C_g{\mathrm{\&Delta;Q}}_g|{|}^2+W_q\left|\right|{\mathrm{\&Theta;}}_g\left|{|}^2\right\}---\left(5\right),$

约束条件： $\left\{\begin{array}{cc}{C}_0:& |C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g|\&le;{\mathrm{\&Delta;V}}_H^{\max }\\ C_1:& V_H^{\min }\&le;V_H+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g\&le;V_H^{\max }\\ C_2:& V_p^{\min }\&le;V_p+C_g\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g\&le;V_p^{\max }\\ C_3:& Q_g^{\min }\&le;Q_g+{\mathrm{\&Delta;Q}}_g\&le;Q_g^{\max }\end{array}\right.---\left(6\right),$

其中Θ_g为分区内风场场无功出力的均衡性指标；

4-2)利用4-1)正常控制模型进行计算，得到各风场的总无功调节量ΔQ_g，再根据式(7)计算得到各风场在该轮正常自动电压控制中的高压侧母线电压设定值：

$V_H^{set}{V}_H^{set}=V_H^{real}+C_{vg}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;Q}}_g---\left(4\right);$

4-3)将计算得到的区域中各风场高压侧母线设定值作为控制指令下发到各风场自动电压控制子站启动正常电压控制；转步骤5)；

5)本轮控制结束，等待下一次数据采集时刻到来，转步骤1)。