一种风电场汇集区域电网电压安全域值的确定方法

摘要

本发明涉及一种风电场汇集区域电网电压安全域值的确定方法，属于电力系统安全和控制技术领域。首先，为保证正常运行时风电场侧风机不脱网，在风电场侧计算该风电场的电压允许范围。再将各风电场计算结果上传至电网风电汇集站控制系统，在电网风电汇集站侧计算无功出力约束，将计算结果返回各风电场。依照前两步进行迭代，直至收敛。本发明方法充分考虑了风电场与主网侧的电压安全约束，可以保证在一个风电场脱网后，其它风电场正常运行。并能够通过快速迭代，实现电网电压安全域值的求解，计算得到的电压安全域值对风电场的有功功率出力具有一定的鲁棒性，有利于电网的电压控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电场汇集区域电网电压安全域值的确定方法，属于电力系统安全和 控制技术领域。

背景技术

近些年来，大型风电场连锁脱网事故频繁发生给风电安全运行形成了具大挑战，因而 风电场电压控制显得尤为重要。我国风能利用主要通过大规模汇入电网的方式实现，风电 场位于网架结构薄弱的末端，再加上风电波动性大，因此一旦风电场脱网，事故很容易曼 延。但主网和风电场电压是由两套不同自动电压控制系统控制的，而目前缺少两套系统间 的协调控制，各自的电压安全域主要是靠人工经验调节。

发明内容

本发明的目的是提出一种风电场汇集区域电网电压安全域值的确定方法，该方法根据 风电场有功出力，实时计算风电汇集区域的电压安全域，为风电场自动电压控制提供无功 电压控制策略，保证风电安全运行。

本发明提出的风电场汇集区域电网电压安全域值的确定方法，包括以下步骤：

(1)分别建立计算电网中风电场侧第i个风电场出场母线电压的允许上限值和 允许下限值V_PCC,i的目标函数：

$\overline{V_{\mathrm{PCC},i}}=\underset{\Delta p_{w_i}}{\min }\underset{\Delta q_{w_i},\Delta q_{c_i}}{\max }{V}_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{j\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial p_{i,j}}\Delta p_{i,j}+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j})+\underset{j\in c_i}{\Sigma }\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j}$

$\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}}=\underset{\Delta p_{w_i}}{\max }\underset{\Delta q_{w_i},\Delta q_{c_i}}{\min }{V}_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{j\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial p_{i,j}}\Delta p_{i,j}+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j})+\underset{k\in c_i}{\Sigma }\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,k}}\Delta q_{i,k}$

上式中，表示正常运行时，第i个风电场汇集到电网风电汇集站的电压，w_i表示 第i个风电场中风机节点的集合，c_i表示第i个风电场中补偿节点的集合，和分别表示第i个风电场内的第j个风机节点的有功功率和无功功率对的电压灵敏度系 数，Δp_i,j和Δq_i,j分别表示第i个风电场内的第j个风机节点的有功功率和无功功率的变化量；

设定求解上述目标函数的边界条件如下：

$s.t.\underset{‾}{V_{i,t}^0}\le V_{i,t}^0+\underset{j\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{i,t}^0}{\partial p_{i,j}}\Delta p_{i,j}+\frac{\partial V_{i,t}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j})+\underset{k\in c_i}{\Sigma }\frac{\partial V_{i,t}^0}{\partial q_{i,k}}\Delta q_{i,k}\le \overline{V_{i,t}^0},t\in w_i$

$\underset{‾}{\Delta p_{i,t}}\le \Delta p_{i,.t}\le \overline{\Delta p_{i,t}},t\in w_i$

$\underset{‾}{\Delta q_{i,t}}\le \Delta q_{i,.t}\le \overline{\Delta q_{i,t}},t\in w_i$

$\underset{‾}{\Delta q_{i,k}}\le \Delta q_{i,.k}\le \overline{\Delta q_{i,k}},k\in c_i$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{wi}}}\le \underset{t\in w_i}{\Sigma }\Delta q_{i,t}\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{wi}}}$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{ci}}}\le \underset{k\in c_i}{\Sigma }\Delta q_{i,k}\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{ci}}}$

其中，和分别表示正常运行时，第i个风电场内的第t个风机节点的电压下限值 与上限值，t≠j，和分别表示第i个风电场内的第j个风机节点有功功率和无功功 率对第t个风机节点的电压灵敏度系数，Δp_i,t和分别表示第i个风电场内的第t个风机 节点的有功功率波动的下限值与上限值，Δq_i,t和分别表示第i个风电场内的第t个风机 节点的有功功率波动的下限值与上限值，ΔQ_wi和分别表示第i个风电场的所有风机无 功功率总和的下限值与上限值，ΔQ_ci和分别表示第i个风电场的所有补偿装置无功功 率总和的下限值与上限值；

设定电网的风电汇集站处，第i个风电场的有功功率波动的下限值ΔP_i与上限值分 别为：

$\underset{‾}{\Delta P_i}=\underset{t\in w_i}{\Sigma }\underset{‾}{\Delta p_{i,t}}$

$\overline{\Delta P_i}=\underset{t\in w_i}{\Sigma }\overline{\Delta p_{i,t}}$

(2)根据上述步骤(1)得到的第i个风电场的V_PCC,i和ΔQ_wi和ΔQ_ci和以及ΔP_i和建立一个电网风电汇集站无功功率的总和ΔQ为最大的目标函数如下：

$\mathrm{\Delta Q}=\underset{\mathrm{\Delta P}}{\max }\underset{\Delta Q_{\mathrm{wi}},\Delta Q_{\mathrm{ci}}}{\min }\underset{i\in w}{\Sigma }(\Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\max }-\Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\min })+\underset{i\in w}{\Sigma }(\Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\max }-\Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\min })$

上式中，和分别表示计算后的第i个风电场的风机无功功率的上限值和下限值， 和分别表示计算后的第i个风电场的补偿装置无功功率的上限值和下限值；

设定求解上述目标函数的边界条件如下：

$s.t.\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}}\le V_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{n\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial P_{i,n}}\Delta P_n+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial Q_{i,n}}\Delta Q_n)\le \overline{V_{\mathrm{PCC},i}},i\in w$

$\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}}\le V_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{n\in w,n\ne s}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial P_n}\Delta P_n+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial Q_n}\Delta Q_n)+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial P_s}\Delta P_s^s+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial Q_s}\Delta Q_s^s\le \overline{V_{\mathrm{PCC},i}},i\in w,i\ne s,\in S$

$\underset{‾}{\Delta P_i}\le \Delta P_i\le \overline{\Delta P_i},i\in w$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{wi}}}\le \Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\min }\le \Delta Q_{\mathrm{wi}}\le \Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\max }\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{wi}}},i\in w$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{ci}}}\le \Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\min }\le \Delta Q_{\mathrm{ci}}\le \Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\max }\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{ci}}},i\in w$

其中，第一式表示正常运行时的风电场母线电压的约束，和分别表示第n 个风电场的有功功率和无功功率对第i个风电场出场母线的电压灵敏度系数，ΔP_n和ΔQ_n分 别表示第n个风电场的有功功率变化量和无功功率变化量，n≠i，第二式表示当一个风电 场脱网后，除脱网风电场外，其它风电场母线电压的约束，S表示故障集合，和表 示脱网风电场的有功功率变化量和无功功率变化量；

(3)风电场汇集区域电网电压安全域值的迭代求解，包括以下步骤：

(3-1)设定电网中各风电场的所有风机和补偿装置的无功功率为0，根据基态潮流计 算，得到各风电场出场母线的基态电压值i＝1,2,…,N，N为风电场的个数；

(3-2)将上述步骤(3-1)的基态电压值代入上述步骤(1)的目标函数中，分别 得到各风电场出场母线电压的下限值和上限值其中m表示迭代次数，m的初 始值为0，同时得到风机无功功率的下限值ΔQ_wi和上限值补偿装置无功功率的下限 值ΔQ_ci和上限值以及风机有功功率波动量的下限值ΔP_i和上限值

(3-3)各风电场将上述步骤(3-2)得到的数据上传至电网风电汇集站控制系统，电网 风电汇集站控制系统将接收的数据代入上述步骤(2)的目标函数和边界条件中，计算得 到各风电场风机无功功率下限值和上限值同时得到各风电场补偿装置无功功 率的下限值和上限值

(3-4)电网风电汇集站控制系统计算电压迭代误差ΔV_S，

$\Delta V_S=\underset{i\in w}{\Sigma }|\overline{V_{\mathrm{PCC},i}^{(m+1)}}-\overline{V_{\mathrm{PCC},i}^{\left(m\right)}}|+\underset{i\in w}{\Sigma }|\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}^{(m+1)}}-\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}^{\left(m\right)}}|,$其中m是迭代次数；

设定一个电压迭代误差阈值ε，根据阈值ε对电压迭代误差进行判断，若ΔV_S＞ε，则电 网风电汇集站控制系统将上述步骤(3-3)的数据传输至各风电场，各风电场收到数据后， 以分别替代上述步骤(1)约束条件中的ΔQ_wi、ΔQ_ci和重复步骤(3-2)～(3-4)，若ΔV_S＜ε，则结束计算，并得到各风电场的电压安全域的下限值为 上限值为

本发明提出的风电场汇集区域电网电压安全域值的确定方法，其优点是：

1、本发明方法充分考虑了风电场与主网侧的电压安全约束，可以保证在一个风电场脱 网后，其它风电场正常运行。并能够通过快速迭代，实现电网电压安全域值的求解，计算 得到的电压安全域值对风电场的有功功率出力具有一定的鲁棒性，有利于电网的电压控 制。

2、本发明方法实现风电场与电网风电汇集站的信息交互，计算量小，计算速度快，有 利于电网的电压控制。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的风电场汇集区域电网电压安全域值的确定方法，其流程框图如图1所示， 包括以下步骤：

(1)为了保证正常运行时电网的风电场侧风机不脱网，分别建立计算电网中风电场 侧第i个风电场出场母线电压的允许上限值和允许下限值V_PCC,i的目标函数：

$\overline{V_{\mathrm{PCC},i}}=\underset{\Delta p_{w_i}}{\min }\underset{\Delta q_{w_i},\Delta q_{c_i}}{\max }{V}_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{j\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial p_{i,j}}\Delta p_{i,j}+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j})+\underset{j\in c_i}{\Sigma }\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j}$

$\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}}=\underset{\Delta p_{w_i}}{\max }\underset{\Delta q_{w_i},\Delta q_{c_i}}{\min }{V}_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{j\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial p_{i,j}}\Delta p_{i,j}+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j})+\underset{k\in c_i}{\Sigma }\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial q_{i,k}}\Delta q_{i,k}$

上式中，表示正常运行时，第i个风电场汇集到电网风电汇集站的电压，w_i表示 第i个风电场中风机节点的集合，c_i表示第i个风电场中补偿节点(例如静止无功补偿器) 的集合，和分别表示第i个风电场内的第j个风机节点的有功功率和无功功率 对的电压灵敏度系数，Δp_i,j和Δq_i,j分别表示第i个风电场内的第j个风机节点的有功 功率和无功功率的变化量；

设定求解上述目标函数的边界条件如下：

$s.t.\underset{‾}{V_{i,t}^0}\le V_{i,t}^0+\underset{j\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{i,t}^0}{\partial p_{i,j}}\Delta p_{i,j}+\frac{\partial V_{i,t}^0}{\partial q_{i,j}}\Delta q_{i,j})+\underset{k\in c_i}{\Sigma }\frac{\partial V_{i,t}^0}{\partial q_{i,k}}\Delta q_{i,k}\le \overline{V_{i,t}^0},t\in w_i$

$\underset{‾}{\Delta p_{i,t}}\le \Delta p_{i,.t}\le \overline{\Delta p_{i,t}},t\in w_i$

$\underset{‾}{\Delta q_{i,t}}\le \Delta q_{i,.t}\le \overline{\Delta q_{i,t}},t\in w_i$

$\underset{‾}{\Delta q_{i,k}}\le \Delta q_{i,.k}\le \overline{\Delta q_{i,k}},k\in c_i$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{wi}}}\le \underset{t\in w_i}{\Sigma }\Delta q_{i,t}\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{wi}}}$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{ci}}}\le \underset{k\in c_i}{\Sigma }\Delta q_{i,k}\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{ci}}}$

其中，和分别表示正常运行时，第i个风电场内的第t个风机节点的电压下限值 与上限值，t≠j，和分别表示第i个风电场内的第j个风机节点有功功率和无功功 率对第t个风机节点的电压灵敏度系数，Δp_i,t和分别表示第i个风电场内的第t个风机 节点的有功功率波动的下限值与上限值，Δq_i,t和分别表示第i个风电场内的第t个风机 节点的有功功率波动的下限值与上限值，ΔQ_wi和分别表示第i个风电场的所有风机无 功功率总和的下限值与上限值，ΔQ_ci和分别表示第i个风电场的所有补偿装置无功功 率总和的下限值与上限值；

设定电网的风电汇集站处，第i个风电场的有功功率波动的下限值ΔP_i与上限值分 别为：

$\underset{‾}{\Delta P_i}=\underset{t\in w_i}{\Sigma }\underset{‾}{\Delta p_{i,t}}$

$\overline{\Delta P_i}=\underset{t\in w_i}{\Sigma }\overline{\Delta p_{i,t}}$

(2)根据上述步骤(1)得到的第i个风电场的V_PCC,i和ΔQ_wi和ΔQ_ci和以及ΔP_i和上传到电网风电汇集站的控制系统，在电网风电汇集站计算电网风电汇集 站的无功功率，建立一个电网风电汇集站无功功率的总和ΔQ为最大的目标函数如下：

$\mathrm{\Delta Q}=\underset{\mathrm{\Delta P}}{\max }\underset{\Delta Q_{\mathrm{wi}},\Delta Q_{\mathrm{ci}}}{\min }\underset{i\in w}{\Sigma }(\Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\max }-\Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\min })+\underset{i\in w}{\Sigma }(\Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\max }-\Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\min })$

上式中，和分别表示计算后的第i个风电场的风机无功功率的上限值和下限值， 和分别表示计算后的第i个风电场的补偿装置无功功率的上限值和下限值；

设定求解上述目标函数的边界条件如下：

$s.t.\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}}\le V_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{n\in w_i}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial P_{i,n}}\Delta P_n+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial Q_{i,n}}\Delta Q_n)\le \overline{V_{\mathrm{PCC},i}},i\in w$

$\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}}\le V_{\mathrm{PCC},i}^0+\underset{n\in w,n\ne s}{\Sigma }(\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial P_n}\Delta P_n+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial Q_n}\Delta Q_n)+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial P_s}\Delta P_s^s+\frac{\partial V_{\mathrm{PCC},i}^0}{\partial Q_s}\Delta Q_s^s\le \overline{V_{\mathrm{PCC},i}},i\in w,i\ne s,\in S$

$\underset{‾}{\Delta P_i}\le \Delta P_i\le \overline{\Delta P_i},i\in w$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{wi}}}\le \Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\min }\le \Delta Q_{\mathrm{wi}}\le \Delta Q_{\mathrm{wi}}^{\max }\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{wi}}},i\in w$

$\underset{‾}{\Delta Q_{\mathrm{ci}}}\le \Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\min }\le \Delta Q_{\mathrm{ci}}\le \Delta Q_{\mathrm{ci}}^{\max }\le \overline{\Delta Q_{\mathrm{ci}}},i\in w$

其中，第一式表示正常运行时的风电场母线电压的约束，和分别表示第n 个风电场的有功功率和无功功率对第i个风电场出场母线的电压灵敏度系数，ΔP_n和ΔQ_n分 别表示第n个风电场的有功功率变化量和无功功率变化量，n≠i，第二式表示当一个风电 场脱网后，除脱网风电场外，其它风电场母线电压的约束，S表示故障集合(即考虑任意 一个风电场脱网后的其它风电场母线电压的约束)，和表示脱网风电场的有功功率 变化量和无功功率变化量；

(3)风电场汇集区域电网电压安全域值的迭代求解，包括以下步骤：

(3-1)设定电网中各风电场的所有风机和补偿装置的无功功率为0，根据基态潮流计 算，得到各风电场出场母线的基态电压值＝1,2,…,N，N为风电场的个数；

(3-2)将上述步骤(3-1)的基态电压值代入上述步骤(1)的目标函数中，分别 得到各风电场出场母线电压的下限值和上限值其中m表示迭代次数，m的初 始值为0，同时得到风机无功功率的下限值ΔQ_wi和上限值补偿装置无功功率的下限 值ΔQ_ci和上限值以及风机有功功率波动量的下限值ΔP_i和上限值

(3-3)各风电场将上述步骤(3-2)得到的数据上传至电网风电汇集站控制系统，电网 风电汇集站控制系统将接收的数据代入上述步骤(2)的目标函数和边界条件中，计算得 到各风电场风机无功功率下限值和上限值同时得到各风电场补偿装置无功功 率的下限值和上限值

(3-4)电网风电汇集站控制系统计算电压迭代误差ΔV_S，

$\Delta V_S=\underset{i\in w}{\Sigma }|\overline{V_{\mathrm{PCC},i}^{(m+1)}}-\overline{V_{\mathrm{PCC},i}^{\left(m\right)}}|+\underset{i\in w}{\Sigma }|\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}^{(m+1)}}-\underset{‾}{V_{\mathrm{PCC},i}^{\left(m\right)}}|,$其中m是迭代次数；

设定一个电压迭代误差阈值ε，根据阈值ε对电压迭代误差进行判断，若ΔV_S＞ε，则电 网风电汇集站控制系统将上述步骤(3-3)的数据传输至各风电场，各风电场收到数据后， 以分别替代上述步骤(1)约束条件中的ΔQ_wi、ΔQ_ci和重复步骤(3-2)～(3-4)，若ΔV_S＜ε，则结束计算，并得到各风电场的电压安全域的下限值为 上限值为