CN106655203A - 一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，由于主要包括：通过无功‑电压灵敏度矩阵和节点功率平衡方程求得风电场并网点电压与其相邻风电场之间的灵敏度，即可获得大规模风电场无功电压就地调节，互相补偿的风电场动作的优先级顺序；从而可以克服现有技术中风电场群无功就地控制无序、滞后等问题。

Description

一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法

技术领域

本发明涉及新能源大规模接入***中无功电压调节技术领域，具体地，涉及一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法。

背景技术

我国新能源大规模集群式发展，对于电网来说带来了很多挑战。近几年来随着风电并网容量直线上升，随之而来的无功电压运行和控制问题也更加复杂。通过对不同风电机组和各种无功补偿设备的无功电压特性研究可以看出，对于大规模风电接入的电网的无功电压控制需要风电场互相协调配合。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷:首先对于大规模风电并入的***，在无功电压就地控制时无功补偿设备往往不能满足电压稳定运行的要求；其次除了鼠笼式风电机组以外，其他风电机组均具有良好的无功补偿能力，但无功补偿容量较少；大规模风电场集群并入电网的***，多风电机组投入无功电压控制时亟需一套协调控制策略以期实现风电场间的互相协调配合。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，以期获得某风电场并网点母线电压与其相的风电场输出无功功率的灵敏度系数，以实现在无功电压就地控制时风电场之间的互相协调配合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，主要包括：

步骤1：计算潮流列出节点功率平衡方程；

步骤2：通过对节点功率方程中变量划分为扰动变量，状态变量，控制变量，获得灵敏度矩阵S_xu，S_xp；

步骤3：通过灵敏度矩阵和节点功率平衡方程求得风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度S₁和风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度S₂；通过获得风电场并网点电压与其相邻风电场之间的灵敏度，最终获得大规模风电场无功电压就地调节，互相补偿的风电场动作的优先级顺序。

进一步地，步骤1中，所述节点功率平衡方程的计算步骤包括：

设电力***中节点i的发电机功率为P_Gi+jQ_Gi，负荷功率为P_LDi+jQ_LDi，以极坐标表示节点电压时，节点的功率平衡方程为：

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_i∑U_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_i∑U_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0 (1)

式(1)中，ΔP_i,ΔQ_i为注入节点i的有功功率和无功功率；

P_Gi,Q_Gi为注入节点i的发电机有功功率和无功功率；

P_LDi,Q_LDi为注入节点i的负荷有功功率和无功功率；

U_i,U_j为节点i的电压；

G_ij+jB_ij为节点i、j之间的导纳；

δ_ij为节点i、j之间的电压相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j。

进一步地，步骤2中，获得灵敏度矩阵的S_xu，S_xp的计算步骤包括：

若以p、u、x分别表示扰动变量、控制变量和状态变量，电力***节点功率平衡方程可表示为：

f(x,u,p)＝0 (2)

式(2)中p——扰动变量；

u——控制变量；

x——状态变量；

设包含风电场区域运行在状态(x(0),u(0),p(0))下，如某一风电场有功出力波动Δp，常规发电机做了相应的调整Δu，***相应发生了状态偏离Δx，则***的功率平衡方程应为：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0 (3)

式中x(0),u(0),p(0)——***运行状态，母线运行电压，风电场有功出力；

Δx——***状态变化量；

Δu——电压变化量；

Δp——风电场有功出力变化量；

假设稳态情况下各变量的变化很小，以至可忽略其二阶及以上的各项，则式(3)可以展开化简为：

式(4)中均为雅可比矩阵；

将基于状态(x(0),u(0),p(0))的矩阵、矩阵和矩阵分别简记为J_x、J_u和J_p，则有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0 (5)

式中J_x、J_u、J_p均为雅可比矩阵；

上式(5)称为灵敏度方程，由该式可解出状态变量的偏离值：

式中为灵敏度矩阵；

为灵敏度矩阵。

进一步地，步骤3中，获得风电场并网点电压与其相邻风电场之间的灵敏度计算步骤包括：

设J为***极坐标形式的全阶雅可比矩阵，ΔY和ΔX分别为***注入变化量和状态变化量，将ΔY分成两部分，即：ΔY＝[ΔY_IΔY_N]^T，对应的ΔX则变为ΔX＝[ΔX_IΔX_N]^T，相应地将J划分为4部分，即：

式(7)中J_II、J_IN、J_NI、J_NN——部分全阶雅克比矩阵，

注入量与状态变化量之间的关系为

式(8)中，

ΔY_I——被控风电场接入地区节点的注入变化量；

ΔX_I——被控风电场接入地区节点的状态变化量；

ΔY_N——其余节点的注入变化量；

ΔX_N——其余节点的状态变化量，

设ΔY_N＝0，即实际注入量只包含ΔY_I，则由式(8)可推出：

由于J_NN非奇异从而可得：

对J_SI求逆得：

则被控风电场接入点地区节点之间的关系为

式中 ΔU_w——风电场出口节点的电压；

Δθ_w——风电场出口节点的相角变化向量；

ΔU_c——接入点的电压；

Δθ_c——接入点的相角变化向量；

ΔP_W——风电场出口节点注入有功变化向量；

ΔQ_W——风电场出口节点注入无功变化向量；

ΔP_C——接入点注入有功变化向量；

ΔQ_C——接入点注入无功变化向量，

无功功率与电压的灵敏度关系，则由式(12)和式(13)可得风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度关系为

S₁＝A_2m+n+i,m+n+j (14)

式(14)中S₁——风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度。

风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度关系为

S₂＝A_m+j,m+n+j (15)

式(15)中S₂——风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度。

本发明各实施例的一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，由于主要包括：通过无功-电压灵敏度矩阵和节点功率平衡方程求得风电场并网点电压与其相邻风电场之间的灵敏度，即可获得大规模风电场无功电压就地调节，互相补偿的风电场动作的优先级顺序；从而可以克服现有技术中风电场群无功就地控制无序、滞后等问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

以下结合对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

具体地，基于灵敏度的风电场优先级选择法是由于不同执行站发出的无功对并网点电压响应特性不同。因此，为了让执行站能够尽可能准确快速地参与***电压控制的核心就是能够估算出风电场输出无功功率的变化引起的相关节点电压变化，即两者之间的灵敏度关系。计算出灵敏度系数后，选取对并网点母线电压灵敏度最高的执行站。主要包括：

第一步：节点功率平衡方程；设电力***中节点i的发电机功率为P_Gi+jQ_Gi，负荷功率为P_LDi+jQ_LDi，以极坐标表示节点电压时，节点的功率平衡方程为

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_i∑U_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_i∑U_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0 (1)

式中：

ΔP_i,ΔQ_i——注入节点i的有功功率和无功功率；

P_Gi,Q_Gi——注入节点i的发电机有功功率和无功功率；

P_LDi,Q_LDi——注入节点i的负荷有功功率和无功功率；

U_i,U_j——节点i的电压；

G_ij+jB_ij——节点i、j之间的导纳；

δ_ij——节点i、j之间的电压相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j。

第二步：灵敏度方程，获得灵敏度矩阵；若以p、u、x分别表示扰动变量、控制变量和状态变量。电力***节点功率平衡方程可表示为：

f(x,u,p)＝0 (2)

式中 p——扰动变量；

u——控制变量；

x——状态变量。

设包含风电场区域运行在状态(x(0),u(0),p(0))下，如某一风电场有功出力波动Δp，常规发电机做了相应的调整Δu，***相应发生了状态偏离Δx，则***的功率平衡方程应为：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0 (3)

式中x(0),u(0),p(0)——***运行状态，母线运行电压，风电场有功出力；

Δx——***状态变化量；

Δu——电压变化量；

Δp——风电场有功出力变化量。

假设稳态情况下各变量的变化很小，以至可忽略其二阶及以上的各项，则式3-10可以展开化简为：

式中——雅可比矩阵。

如将基于状态(x(0),u(0),p(0))的矩阵分别简记为J_x、J_u、J_p，则有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0 (5)

式中J_x、J_u、J_p——雅可比矩阵。

上式称为灵敏度方程，由该式可解出状态变量的偏离值：

式中——灵敏度矩阵；

——灵敏度矩阵。

第三步：并网点电压与无功源输出无功功率的灵敏度

对于任意给定变化量的控制变量或扰动变量，采用上式均可求得各状态变量的变化量。

将上述方法应用于电力***，求得无功-电压灵敏度矩阵。本文只关注部分节点，将电力***中的无功补偿安装点，负荷节点和发电机节点作为注入节点，将全阶雅克比矩阵进行降阶，具体的求取方法如下：

设J为***极坐标形式的全阶雅可比矩阵，ΔY和ΔX分别为***注入变化量和状态变化量，将ΔY分成两部分，即：ΔY＝[ΔY_IΔY_N]^T，对应的ΔX则变为ΔX＝[ΔX_IΔX_N]^T。相应地将J划分为4部分，即：

式中J_II、J_IN、J_NI、J_NN——部分全阶雅克比矩阵。

注入量与状态变化量之间的关系为

式中 ΔY_I——被控风电场接入地区节点的注入变化量；

ΔX_I——被控风电场接入地区节点的状态变化量；

ΔY_N——其余节点的注入变化量；

ΔX_N——其余节点的状态变化量。

设ΔY_N＝0，即实际注入量只包含ΔY_I，则由式3-15可推出：

由于J_NN非奇异从而可得：

对J_SI求逆得：

则被控风电场接入点地区节点之间的关系为

式中 ΔU_w——风电场出口节点的电压；

Δθ_w——风电场出口节点的相角变化向量；

ΔU_c——接入点的电压；

Δθ_c——接入点的相角变化向量；

ΔP_W——风电场出口节点注入有功变化向量；

ΔQ_W——风电场出口节点注入无功变化向量；

ΔP_C——接入点注入有功变化向量；

ΔQ_C——接入点注入无功变化向量。

本文只研究无功功率与电压的灵敏度关系，则由式(12)和式(13)可得风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度关系为

S₁＝A_2m+n+i,m+n+j (14)

式中S₁——风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度。

风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度关系为

S₂＝A_m+j,m+n+j (15)

式中S₂——风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度。

至少可以达到以下有益效果：首先当某风电场无功补偿设备用尽时，还可以利用风电机组进行无功补偿，作为无功电压控制的最后一道防线；其次通过基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，对大规模风电场群提出了一套风电场之间无功电压协调控制方法，以期达到风电场无功电压就地控制的高效性和快速性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算潮流列出节点功率平衡方程；

步骤2：通过对节点功率方程中变量划分为扰动变量，状态变量，控制变量，获得灵敏度矩阵S_xu，S_xp；

步骤3：通过灵敏度矩阵和节点功率平衡方程求得风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度S₁和风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度S₂；通过获得风电场并网点电压与其相邻风电场输出无功功率之间的灵敏度，最终获得大规模风电场无功电压就地调节，互相补偿的风电场动作的优先级顺序。

2.根据权利要求1所述的基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，其特征在于，步骤1中，所述节点功率平衡方程的计算步骤包括：

设电力***中节点i的发电机功率为P_Gi+jQ_Gi，负荷功率为P_LDi+jQ_LDi，以极坐标表示节点电压时，节点的功率平衡方程为：

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_iΣU_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_iΣU_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0 (1)

式(1)中，ΔP_i,ΔQ_i为注入节点i的有功功率和无功功率；

P_Gi,Q_Gi为注入节点i的发电机有功功率和无功功率；

P_LDi,Q_LDi为注入节点i的负荷有功功率和无功功率；

U_i,U_j为节点i的电压；

G_ij+jB_ij为节点i、j之间的导纳；

δ_ij为节点i、j之间的电压相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j。

3.根据权利要求2所述的基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，其特征在于，步骤2中，获得灵敏度矩阵的S_xu，S_xp的计算步骤包括：

若以p、u、x分别表示扰动变量、控制变量和状态变量，电力***节点功率平衡方程可表示为：

f(x,u,p)＝0 (2)

式(2)中p——扰动变量；

u——控制变量；

x——状态变量；

设包含风电场区域运行在状态(x(0),u(0),p(0))下，如某一风电场有功出力波动Δp，常规发电机做了相应的调整Δu，***相应发生了状态偏离Δx，则***的功率平衡方程应为：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0 (3)

式中x(0),u(0),p(0)——***运行状态，母线运行电压，风电场有功出力；

Δx——***状态变化量；

Δu——电压变化量；

Δp——风电场有功出力变化量；

假设稳态情况下各变量的变化很小，以至可忽略其二阶及以上的各项，则式(3)可以展开化简为：

$\frac{\∂f}{\∂x}{|}_0\mathrm{\Δ}x+\frac{\∂f}{\∂u}{|}_0\mathrm{\Δ}u+\frac{\∂f}{\∂p}{|}_0\mathrm{\Δ}p=0---\left(4\right)$

式(4)中均为雅可比矩阵；

将基于状态(x(0),u(0),p(0))的矩阵、矩阵和矩阵分别简记为J_x、J_u和J_p，则有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0 (5)

式中J_x、J_u、J_p均为雅可比矩阵；

上式(5)称为灵敏度方程，由该式可解出状态变量的偏离值：

$\mathrm{\Δ}x=-J_x^{-1}(J_u\mathrm{\Δ}u+J_p\mathrm{\Δ}p)=S_{xu}\mathrm{\Δ}u+S_{xp}\mathrm{\Δ}p---\left(6\right)$

式中为灵敏度矩阵；

为灵敏度矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于灵敏度的风电场无功调节优先级选择方法，其特征在于，步骤3中，获得风电场并网点电压与其相邻风电场输出无功功率之间的灵敏度计算步骤包括：

设J为***极坐标形式的全阶雅可比矩阵，ΔY和ΔX分别为***注入变化量和状态变化量，将ΔY分成两部分，即：ΔY＝[ΔY_IΔY_N]^T，对应的ΔX则变为ΔX＝[ΔX_IΔX_N]^T，相应地将J划分为4部分，即：

$J=\left[\begin{array}{cc}{J}_{II}& J_{IN}\\ J_{NI}& J_{NN}\end{array}\right]---\left(7\right)$

式(7)中J_II、J_IN、J_NI、J_NN——部分全阶雅克比矩阵，

注入量与状态变化量之间的关系为

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Y}_I\\ {\mathrm{\ΔY}}_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{J}_{II}& J_{IN}\\ J_{NI}& J_{NN}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_I\\ \mathrm{\Δ}{X}_N\end{array}\right]---\left(8\right)$

式(8)中，

ΔY_I——被控风电场接入地区节点的注入变化量；

ΔX_I——被控风电场接入地区节点的状态变化量；

ΔY_N——其余节点的注入变化量；

ΔX_N——其余节点的状态变化量，

设ΔY_N＝0，即实际注入量只包含ΔY_I，则由式(8)可推出：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔY}}_I=J_{II}\·{\mathrm{\ΔX}}_I+J_{IN}\·{\mathrm{\ΔX}}_N\\ 0=J_{NI}\·{\mathrm{\ΔX}}_I+J_{NN}{\mathrm{\ΔX}}_N\end{array}\right.---\left(9\right)$

由于J_NN非奇异从而可得：

${\mathrm{\ΔY}}_I=(J_{II}-J_{IN}\·J_{NN}^{-1}\·J_{NI})\·{\mathrm{\ΔX}}_I=J_{SI}\·{\mathrm{\ΔX}}_I---\left(10\right)$

$J_{SI}=J_{II}-J_{IN}\·J_{NN}^{-1}\·J_{NI}---\left(11\right)$

对J_SI求逆得：

则被控风电场接入点地区节点之间的关系为

${\[{\mathrm{\Δ\θ}}_w,{\mathrm{\Δ\θ}}_c,{\mathrm{\ΔU}}_w,{\mathrm{\ΔU}}_c\]}^T=J_{SI}^{-1}{\[{\mathrm{\ΔP}}_W,{\mathrm{\ΔP}}_C,{\mathrm{\ΔQ}}_W,{\mathrm{\ΔQ}}_C\]}^T---\left(13\right)$

式中ΔU_w——风电场出口节点的电压；

Δθ_w——风电场出口节点的相角变化向量；

ΔU_c——接入点的电压；

Δθ_c——接入点的相角变化向量；

ΔP_W——风电场出口节点注入有功变化向量；

ΔQ_W——风电场出口节点注入无功变化向量；

ΔP_C——接入点注入有功变化向量；

ΔQ_C——接入点注入无功变化向量，

无功功率与电压的灵敏度关系，则由式(12)和式(13)可得风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度关系为

S₁＝A_2m+n+i,m+n+j (14)

式(14)中S₁——风电场i的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度。

风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度关系为

S₂＝A_m+j,m+n+j (15)

式(15)中S₂——风电场j的电压关于风电场j的输出无功功率变化的灵敏度。