提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法

摘要

本发明涉及一种提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法，属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域。本方法对当前电网的新能源功率波动情况进行评估，若存在电压安全问题，则首先启动以无功调整量最小为目标的无功电压控制，充分利用新能源电站的无功调节能力来消除新能源汇集区域电网的电压越限问题，若无功手段用尽，依然存在电压安全问题，则启动以有功调整量最小为目标的有功调度控制，利用新能源电站的有功控制手段来达到消除电压越限的目的。本发明适应目前新能源汇集电网薄弱、电压波动大、电压安全水平不高的特点，并充分满足新能源汇集区域电网的无功电压自动控制需求，以实现不同电网安全、优质、经济的控制需求。

说明书

技术领域

本发明属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域，特别涉及一种提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法。

背景技术

风、光等新能源的强随机性、预测困难、反调峰等特点使得新能源汇集区域调度和控制愈加困难。新能源汇集区域由于缺乏强无功电源支撑，电网电压随新能源有功功率波动变化较大，并且新能源并网点电压安全裕度不大，如何挖掘新能源电站的有功和无功控制能力，抑制新能源有功波动对电网电压的影响，支撑新能源汇集区域电网电压，提高新能源汇集区域电压安全性是目前各个新能源基地所在电网面临的共同挑战之一。

目前，运行于控制中心的自动电压控制AVC(Automatic Voltage Control)系统协调控制电网内的无功资源，对保障电力系统的安全、优质、经济运行发挥了重要作用。传统的AVC系统只考虑了新能源电站自身的无功电压调节能力，但是，新能源汇集区域电网薄弱，电压波动受有功影响大，同时新能源电站无功调节能力有限，只考虑新能源电站的无功调节能力可能无法确保新能源汇集区域电网的电压安全。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法，。本发明通过新能源汇集区域的有功无功协调控制，充分发挥新能源电站的控制能力，提高新能源汇集区域电网的电压安全水平。

本发明提出的提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)设置针对新能源汇集区域的自动电压控制系统的数据采集周期为T_g,其中T_g由运行人员以参数设置的方式人工输出，T_g取值范围是30秒-2分钟；

2)在当前时刻，启动一次数据采集，从电网数据采集与监视控制系统得到各新能源电站并网点母线的电压幅值V_w，新能源电站的有功功率P_w和无功功率Q_w，从新能源汇集区域AVC系统中获取各新能源电站并网母线的电压运行上限和电压运行下限V_w,从新能源电站AVC子站得到各新能源电站的无功上限和无功下限Q_w，通过新能源功率预测系统得到各新能源电站的预测有功最大出力定义k为后续循环计算的标志位，k＝1表示需要启动有功控制计算，k＝0表示需要启动无功控制计算，本环节，令k＝0；

3)对新能源汇集区域内各个新能源电站进行逐一判定，形成越限的新能源电站集合令分别表示第i个新能源电站并网点的电压实测值、电压下限和电压上限，对于第i个新能源电站具体判定方法为：

3.1)若则表明电压超越上限，将第i个新能源电站纳入集合并设置电压控制目标其中：i＝1,2,…,i,…,N,N为新能源电站总个数，ε为电压控制安全死区，取值范围为0.3-1.0kV；

3.2)若则表明电压超越下限，将第i个新能源电站纳入集合并设置电压控制目标

3.3)若则表明该新能源电站电压处于安全范围，不需要校正控制；

4)若为空，则表明当前新能源汇集区域电网不存在电压安全问题，进行步骤9)，否则进行步骤5)；5)对k的值进行判定：若k＝0,则建立无功电压控制模型，得到无功的调整量；若k＝1，则进行步骤7)，建立有功控制模型，得到有功的调整量；

当k＝0时,建立无功电压控制模型并得到无功的调整量，具体步骤包括：

5.1)构造无功电压控制模型的加权多目标函数，如式(1)所示：

其中，ΔQ_w为新能源电站的无功调整量向量，W^p为电压校正目标的目标权重，取值范围为10.0-100.0，W^q为新能源无功调整目标权重，取值范围为0.1-1，为参与校正的新能源电站并网母线电压设定值，V_W,r为参与校正的新能源电站并网母线电压实际值，S_qw,r为新能源电站无功对参与校正的新能源电站并网母线电压的调整灵敏度；

5.2)设置无功电压控制模型的约束条件：

5.2.1)新能源汇集区域内第i个新能源电站的无功约束，如式(2)所示：

${\underset{‾}{Q}}_w^i\le Q_w^i+{\mathrm{\Delta Q}}_w^i\le {\bar{Q}}_w^i---\left(2\right)$

其中，为第i个新能源电站无功功率值，为第i个新能源电站无功调整量，分别为第i个新能源电站无功上限和无功下限；

5.2.2)新能源汇集区域内第i个节点的电压约束:

$V_w^{i,min}\le V_w^i+S_{vQ}^i{\mathrm{\Delta Q}}_w\le V_w^{i,max}---\left(3\right)$

其中，分别为第i个新能源电站并网点的电压最小值和电压最大值，为新能源电站无功调节对第i个新能源电站并网点电压的调整灵敏度；

由式(4)确定：

$V_w^{i,min}=\left(\begin{array}{cc}{\underset{‾}{V}}_w^i,& V_w^i\ge {\underset{‾}{V}}_w^i\\ V_w^i,& V_w^i\le {\underset{‾}{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(4\right)$

由式(5)确定：

$V_w^{i,\max }=\left(\begin{array}{cc}{V}_w^i,& V_w^i>{\bar{V}}_w^i\\ {\bar{V}}_w^i,& V_w^i\le {\bar{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(5\right)$

5.2.3)新能源汇集区域内第i个新能源电站并网母线电压的调节步长约束，如式(6)所示：

$\left|S_{vQ}^i{\mathrm{\Delta Q}}_w\right|\le {\mathrm{\Delta V}}_w^{h,i}---\left(6\right)$

其中，为第i个新能源电站并网母线的单次电压调节步长，取值范围为0.5-2kV；

通过内点法求解式(1)至式(6)构成的二次规划数学模型的无功控制模型，得到各新能源电站无功的调整量ΔQ_w；

6)根据式(7)来修正各新能源并网点母线电压；令计算标志位k＝1，启动有功控制，并重新返回步骤3)；

V_w＝V_w+S_VQΔQ_W(7)

其中S_VQ为新能源电站无功调节对电压的灵敏度；

7)建立有功控制模型得到有功的调整量来消除电压越限：

7.1)构造有功控制模型的加权多目标函数，如式(8)所示：

其中，ΔP_w为新能源电站的有功调整量向量；

7.2)设置有功控制模型的约束条件：

7.2.1)新能源汇集区域内第i个新能源电站的有功约束，如式(9)所示：

$0\le P_w^i+{\mathrm{\Delta P}}_w^i\le {\bar{p}}_w^i---\left(9\right)$

其中，为第i个新能源电站有功功率值，为第i个新能源电站有功调整量，为第i个新能源电站有功最大预测出力；

7.2.2)新能源汇集区域内第i个节点的电压约束，如式(10)所示:

$V_w^{i,min}\le V_w^i+S_{vp}^i{\mathrm{\Delta P}}_w\le V_w^{i,max}---\left(10\right)$

其中，为新能源电站有功调节对第i个新能源电站并网点电压的调整灵敏度；

由式(11)确定：

$V_w^{i,min}=\left(\begin{array}{cc}{\underset{‾}{V}}_w^i,& V_w^i\ge {\underset{‾}{V}}_w^i\\ V_w^i,& V_w^i\le {\underset{‾}{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(11\right)$

由式(12)确定：

$V_w^{i,\max }=\left(\begin{array}{cc}{V}_w^i,& V_w^i>{\bar{V}}_w^i\\ {\bar{V}}_w^i,& V_w^i\le {\bar{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(12\right)$

7.2.3)新能源汇集区域内第i个新能源电站并网母线电压的调节步长约束，如式(13)所示：

$|S_{vq}^i{\mathrm{\Delta Q}}_w+S_{vp}^i{\mathrm{\Delta P}}_w|\le {\mathrm{\Delta V}}_w^{h,i}---\left(13\right)$

通过内点法求解式(8)至式(13)构成的二次规划数学模型的有功控制模型，得到各新能源电站有功的调整量ΔP_w；

8)记录各新能源电站的无功调节量ΔQ_w和有功调节量ΔP_w，并分别发送到新能源各AVC子站和自动发电控制AGC子站，由其跟踪执行；

9)等待下一次的数据周期到来，重新返回步骤2)。

本发明提出的提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法，其特点及有益效果是是：

本方法对当前新能源汇集区域电网的电压安全水平进行评估，若存在电压安全问题，则首先启动以无功调整量最小为目标的无功电压控制，充分利用新能源电站的无功调节能力来消除新能源汇集区域电网的电压越限问题，若无功手段用尽，依然存在电压安全问题，则启动以有功调整量最小为目标的有功调度控制，利用各新能源电站的有功控制手段来达到消除电压越限的目的。

本发明适应目前新能源汇集电网薄弱、电压波动大、电压安全水平不高的特点，并充分满足了新能源汇集区域电网的无功电压自动控制需求。本方法可集成在调度中心运行的新能源汇集自动电压控制主站系统中，使该系统能够实时根据新能源汇集运行状态和电网运行状态，实施最适宜的无功电压控制策略及有功控制策略，以实现不同的电网安全、优质、经济的控制需求，提高新能源汇集区域电网的电压安全水平。

具体实施方式

本发明提出的提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法，下面结合具体实施例进一步说明如下。

本发明提出的提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法，其中涉及的数据采集与监视控制系统(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)以计算机和网络通信为基础，对电力系统实时运行状态进行监视和控制。

本发明中涉及的自动电压控制(AVC)主站是电力系统无功电压调整和控制的一种功能或者装置，是电网调度自动化的主要内容之一，AVC主站利用位于控制中心的监控计算机、通讯通道、和位于厂站端的自动化控制装置等组成的闭环控制系统，通过控制传统水/火电厂、变电站、新能源电站等厂站的无功出力，保证电网的安全、优质、经济运行。

本发明提出的提高新能源汇集区域电压安全性的有功无功协调控制方法实施例，包括以下步骤：

1)设置针对新能源汇集区域的自动电压控制系统的数据采集周期为T_g,其中T_g由运行人员以参数设置的方式人工输出，T_g取值范围是30秒-2分钟，本实施例中(典型情况下)，T_g＝1分钟；

2)在当前时刻，启动一次数据采集，从电网数据采集与监视控制系统(SCADA)得到各新能源电站并网点母线的电压幅值V_w，新能源电站的有功功率P_w和无功功率Q_w，从新能源汇集区域AVC系统中获取各新能源电站并网母线的电压运行上限和电压运行下限V_w,从新能源电站AVC子站得到各新能源电站的无功上限和无功下限Q_w，通过新能源功率预测系统得到各新能源电站的预测有功最大出力定义k为后续循环计算的标志位，k＝1表示需要启动有功控制计算，k＝0表示需要启动无功控制计算，本环节，令k＝0；

3)对新能源汇集区域内各个新能源电站进行逐一判定，形成越限的新能源电站集合令分别表示第i个新能源电站并网点的电压实测值、电压下限和电压上限，对于第i个新能源电站具体判定方法为：

3.1)若则表明电压超越上限，将第i个新能源电站纳入集合并设置电压控制目标其中：i＝1,2,…,i,…,N,N为新能源电站总个数，ε为电压控制安全死区，由运行人员人工给定，取值范围为0.3-1.0kV，本实施例中为0.5kV；

3.2)若则表明电压超越下限，将第i个新能源电站纳入集合并设置电压控制目标

3.3)若则表明该新能源电站电压处于安全范围，不需要校正控制(即不用将第i个新能源电站纳入集合)；

4)若为空，则表明当前新能源汇集区域电网不存在电压安全问题，进行步骤9)，否则进行步骤5)；

5)对k的值进行判定：若k＝0,则建立无功电压控制模型，得到无功的调整量；若k＝1，则进行步骤7)，建立有功控制模型，得到有功的调整量；

当k＝0时,建立无功电压控制模型并得到无功的调整量，具体步骤包括：

5.1)构造无功电压控制模型的加权多目标函数，如式(1)所示：

其中，ΔQ_w为新能源电站的无功调整量向量，W^p为电压校正目标的目标权重(由人工指定，取值范围为10.0-100.0，本实施例为10.0)，W^q为新能源无功调整目标权重(由人工指定，取值范围为0.1-1，本实施例为为0.1)，为参与校正的新能源电站并网母线电压设定值，V_W,r为参与校正的新能源电站并网母线电压实际值，S_qw,r为新能源电站无功对参与校正的新能源电站并网母线电压的调整灵敏度；

5.2)设置无功控制模型的约束条件：

5.2.1)新能源汇集区域内第i个新能源电站的无功约束，如式(2)所示：

${\underset{‾}{Q}}_w^i\le Q_w^i+{\mathrm{\Delta Q}}_w^i\le {\bar{Q}}_w^i---\left(2\right)$

其中，为第i个新能源电站无功功率值，为第i个新能源电站无功调整量，分别为第i个新能源电站无功上限和无功下限；

5.2.2)新能源汇集区域内第i个节点的电压约束:

$V_w^{i,min}\le V_w^i+S_{vQ}^i{\mathrm{\Delta Q}}_w\le V_w^{i,max}---\left(3\right)$

其中，分别为第i个新能源电站并网点的电压最小值和电压最大值，为新能源电站无功调节对第i个新能源电站并网点电压的调整灵敏度；

为了确保计算的收敛性，由式(4)确定：

$V_w^{i,min}=\left(\begin{array}{cc}{\underset{‾}{V}}_w^i,& V_w^i\ge {\underset{‾}{V}}_w^i\\ V_w^i,& V_w^i\le {\underset{‾}{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(4\right)$

由式(5)确定：

$V_w^{i,\max }=\left(\begin{array}{cc}{V}_w^i,& V_w^i>{\bar{V}}_w^i\\ {\bar{V}}_w^i,& V_w^i\le {\bar{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(5\right)$

5.2.3)新能源汇集区域内第i个新能源电站并网母线电压的调节步长约束，如式(6)所示：

$\left|S_{vQ}^i{\mathrm{\Delta Q}}_w\right|\le {\mathrm{\Delta V}}_w^{h,i}---\left(6\right)$

其中，为第i个新能源电站并网母线的单次电压调节步长，一般由人工指定，取值范围为0.5-2kV，本实施例为1-2kV，典型取值为1kV；

通过内点法求解式(1)至式(6)构成的二次规划数学模型的无功电压控制模型，得到各新能源电站无功的调整量ΔQ_w；

6)根据式(7)来修正各新能源并网点母线电压：

V_w＝V_w+S_VQΔQ_W(7)

其中，S_VQ为新能源电站无功调节对电压的灵敏度，；令计算标志位k＝1，表示需要启动有功控制，并重新返回步骤3)；

7)建立有功控制模型得到有功的调整量来消除电压越限：

7.1)构造有功控制模型的加权多目标函数，如式(8)所示：

其中，ΔP_w为新能源电站的有功调整量向量；

7.2)设置有功控制模型的约束条件：

7.2.1)新能源汇集区域内第i个新能源电站的有功约束，如式(9)所示：

$0\le P_w^i+{\mathrm{\Delta P}}_w^i\le {\bar{p}}_w^i---\left(9\right)$

其中，为第i个新能源电站有功功率值，为第i个新能源电站有功调整量，为第i个新能源电站有功最大预测出力；

7.2.2)新能源汇集区域内第i个节点的电压约束，如式(10)所示:

$V_w^{i,min}\le V_w^i+S_{vp}^i{\mathrm{\Delta P}}_w\le V_w^{i,max}---\left(10\right)$

其中，为新能源电站有功调节对第i个新能源电站并网点电压的调整灵敏度；

为了确保计算的收敛性，由式(11)确定：

$V_w^{i,min}=\left(\begin{array}{cc}{\underset{‾}{V}}_w^i,& V_w^i\ge {\underset{‾}{V}}_w^i\\ V_w^i,& V_w^i\le {\underset{‾}{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(11\right)$

由式(12)确定：

$V_w^{i,\max }=\left(\begin{array}{cc}{V}_w^i,& V_w^i>{\bar{V}}_w^i\\ {\bar{V}}_w^i,& V_w^i\le {\bar{V}}_w^i\end{array}\right)---\left(12\right)$

7.2.3)新能源汇集区域内第i个新能源电站并网母线电压的调节步长约束，如式(13)所示：

$|S_{vq}^i{\mathrm{\Delta Q}}_w+S_{vp}^i{\mathrm{\Delta P}}_w|\le {\mathrm{\Delta V}}_w^{h,i}---\left(13\right)$

通过内点法求解式(8)至式(13)构成的二次规划数学模型的有功控制模型，得到各新能源电站有功的调整量ΔP_w；

8)记录各新能源电站的无功调节量ΔQ_w和有功调节量ΔP_w，并分别发送到新能源各AVC子站和自动发电控制AGC子站，由其跟踪执行；

9)等待下一次的数据周期到来，重新返回步骤2)。