220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法

摘要

本发明提供一种220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法，包括：获取地区电网中第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线的当前电压值，判断是否越限；如果越限，计算第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线所带的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力；评估电压调节能力是否足够；如果电压调节能力足够，则利用下级110kV可再生能源场站调节110kV汇集母线的电压；如果电压调节能力不足，则利用第i座220kV汇集变电站的无功设备补充调节110kV汇集母线的电压。本发明方法能充分发挥可再生能源站自身的无功调节能力，避免过多电容器或电抗器导致产生大量过剩无功。

说明书

技术领域

本发明涉及可再生能源汇集区域电压控制技术领域，尤其涉及一种220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法。

背景技术

近年来，受全球气候变暖及能源危机的影响，清洁能源的重要性日益凸显，其中风力发电和光伏发电等可再生能源由于其巨大的开发潜力以及相对成熟的开发技术，受到世界各国的广泛关注，并以一种前所未有的速度迅猛发展起来。

我国对可再生能源采取的是大规模集中式的开发模式，如图1所示，目前我国的可再生能源站都是几个110kV站通过一个220kV变电站接入到电网中，此220kV变电站称为汇集站，汇集站和下面带的110kV可再生能源站称为一个新能源汇集区域。由于可再生能源固有的间歇性特点，大规模可再生能源并网给电网运行调度带来了极大的挑战。又因为可再生能源并网区域往往缺乏本地负荷，可再生能源发出的电能需要经过高电压等级、长输电线路，送至远方的负荷中心，而这些可再生能源输送通道往往缺乏常规水火电厂进行有功、无功的支撑，系统短路容量较小，这都导致可再生能源能力的变化会引发较大的电压波动，尤其是如图1所示的110kV汇集母线上的电压波动，严重时甚至会造成大规模连锁脱网。

现有技术中，为了避免110kV汇集母线上的电压波动，往往是在基态时通过在汇集变电站设置多个电容器或电抗器，通过电容器或电抗器的投切来调节110kV汇集母线电压，但过多的电容器或电抗器会导致产生大量的过剩无功功率。

发明内容

为了克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法，通过优先利用下级可再生能源站自身的无功调节能力来调节110kV母线的电压，使得可再生能源站自身的无功调节能力得到充分发挥。当下级可再生能源站自身的无功调节能力不足时，才通过投切上级220kV汇集站内的电容器、电抗器，保证可再生能源站汇集母线电压在N-1安全域中。这样的上下级电压协调控制方法能在基态时充分发挥可再生能源站自身的无功调节能力，取代静态电容器或电抗器发挥电压支撑作用，避免在基态下过多的电容器或电抗器导致在故障扰动过程中产生大量过剩无功。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法，其特征在于，220kV汇集变电站通过110kV汇集母线连接下级110kV可再生能源场站，所述方法包括在控制周期到来时执行如下步骤：步骤S1，获取地区电网中第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线的当前电压值，判断所述当前电压值是否处于控制上下限范围内，其中i为自然数，1≤i≤地区电网中220kV汇集变电站的总数；步骤S2，如果所述当前电压值处于所述控制上下限范围之内，则使i＝i+1，返回执行步骤S1；步骤S3，如果所述当前电压值超出所述控制上下限范围，计算所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线所带的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力；步骤S4，评估全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力是否足够将相应110kV汇集母线的电压调节到所述控制上下限范围内；步骤S5，如果全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力足够将110kV汇集母线的电压调节到所述控制上下限范围内，则利用下级110kV可再生能源场站调节110kV汇集母线的电压；步骤S6，如果全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力不足以将110kV汇集母线的电压调节到所述控制上下限范围内，则除了利用全部下级110kV可再生能源场站调节110kV汇集母线的电压之外，还利用所述第i座220kV汇集变电站的无功设备补充调节110kV汇集母线的电压；步骤S7，使i＝i+1，执行步骤S1。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S11，实时获取所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线的当前电压值和控制上下限值，其中,当前电压值记作为V_i^cur，控制下限值记作V_i^min，控制上限值记作V_i^max；

步骤S12，检查110kV汇集母线当前电压V_i^cur是否处于控制上下限范围内：

V_i^min+V_i^dead＜V_i^cur＜V_i^max-V_i^dead(1)

其中，V_i^dead为110kV汇集母线电压越限判定死区门槛值；

如果式(1)成立，则确定所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线电压处于控制上下限范围之内；如果上式不成立，则确定所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线电压超出控制上下限范围。

优选地，步骤S3包括：

步骤S31，实时接收所述第i座220kV汇集变电站中的第j座下级110kV可再生能源场站上送的可增无功和可减无功，并根据第j座下级110kV可再生能源场站的无功对相应的110kV汇集母线的电压灵敏度，计算第j座下级110kV可再生能源场站对相应的110kV汇集母线的电压增加调节能力和电压减少调节能力

其中为所述第i座220kV汇集变电站中的所述第j座下级110kV可再生能源场站实时上送的可增无功和可减无功，为所述第j座下级110kV可再生能源场站的无功对110kV汇集母线升电压的灵敏度，为所述第j座下级110kV可再生能源场站的无功对110kV汇集母线降电压的灵敏度，j为自然数，1≤j≤第i座220kV汇集变电站中下级110kV可再生能源场站的总数；

步骤S32，使j＝j+1，返回执行步骤S31；

步骤S33，将所述第i座220kV汇集变电站的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力累加，得出所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线所带的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力：

优选地，步骤S4包括：

步骤S41，评估所述第i座220kV汇集变电站内全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压减少调节能力是否充足：

如果则所述第i座220kV汇集变电站内110kV汇集母线已经或接近越过上限，需要降压，则判断下列公式是否成立：

V_i^max-V_i^cur＜V_i^Down>

若式(4)成立，则判定所述第i座220kV汇集变电站所带的全部下级110kV可再生能源场站电压减少调节能力不足，需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调降压，

其中：V_i^dead为110kV汇集母线电压越限判定门槛值，V_i^cur为110kV汇集母线当前电压值，V_i^max为110kV汇集母线电压控制上限值，V_i^Down为所述第i座220kV汇集变电站内全部110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压减少调节能力；

步骤S42，评估所述第i座220kV汇集变电站内全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压增加调节能力是否充足：

如果则所述第i座220kV汇集变电站内110kV汇集母线已经或接近越过下限，需要升压，则判断下列公式是否成立：

V_i^min-V_i^cur＞V_i^Up(5)

若式(5)成立，则判定所述第i座220kV汇集变电站所带的全部下级110kV可再生能源场站电压增加调节能力不足，需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调升压，

其中：V_i^dead为110kV汇集母线电压越限判定门槛值，V_i^cur为110kV汇集母线当前电压值，V_i^min为110kV汇集母线电压控制下限值，V_i^Up为所述第i座220kV汇集变电站内全部110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压增加调节能力。

优选地，步骤S6包括：

步骤S61，如果步骤S41判定需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调降压，则：如果所述第i座220kV汇集变电站主变低压侧有运行的电容器，则切除一台电抗器；否则投入一台电抗器；

步骤S62，如果步骤S42判定需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调升压，则：如果所述第i座220kV汇集变电站主变低压侧有运行的电抗器，则切除一台电抗器；否则投入一台电容器。

优选地，所述下级110kV可再生能源场站为风力发电站或光伏发电站。

优选地，每隔5分钟为一个控制周期。

如上所述，本发明提供了一种220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法，其特征在于，220kV汇集变电站通过110kV汇集母线连接下级110kV可再生能源场站，所述方法包括在控制周期到来时执行如下步骤：步骤S1，获取地区电网中第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线的当前电压值，判断所述当前电压值是否处于控制上下限范围内，其中i为自然数，1≤i≤地区电网中220kV汇集变电站的总数；步骤S2，如果所述当前电压值处于所述控制上下限范围之内，则使i＝i+1，返回执行步骤S1；步骤S3，如果所述当前电压值超出所述控制上下限范围，计算所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线所带的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力；步骤S4，评估全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力是否足够将相应110kV汇集母线的电压调节到所述控制上下限范围内；步骤S5，如果全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力足够将110kV汇集母线的电压调节到所述控制上下限范围内，则利用下级110kV可再生能源场站调节110kV汇集母线的电压；步骤S6，如果全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力不足以将110kV汇集母线的电压调节到所述控制上下限范围内，则除了利用全部下级110kV可再生能源场站调节110kV汇集母线的电压之外，还利用所述第i座220kV汇集变电站的无功设备补充调节110kV汇集母线的电压；步骤S7，使i＝i+1，执行步骤S1。本发明的220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法通过优先利用下级可再生能源站自身的无功调节能力来调节110kV母线的电压，使得可再生能源站自身的无功调节能力得到充分发挥。当新能源汇集区域的无功调节能力不足时，才通过投切220kV汇集站内的电容器、电抗器，保证可再生能源站母线电压在N-1安全域中。这样的上下级电压协调控制方法能在基态时充分发挥可再生能源站自身的无功调节能力，取代静态电容器或电抗器发挥电压支撑作用，避免在基态下过多的电容器或电抗器导致在故障扰动过程中产生大量过剩无功。因此，本发明实现了上级220kV汇集变电站与下级110kV可再生能源站的无功电压协调控制，当下级110kV可再生能源站对110kV母线电压的电压调节能力不足时，通过投切变电站电容器、电抗器保证可再生能源站母线电压在N-1安全域中，避免可再生能源电压跌落造成可再生能源场站连锁脱网，提高了电网电压稳定性和电压质量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为新能源汇集区域电网架构示意图；

图2为本发明实施例提供的220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法的流程示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

通常，地区电网新能源汇集区域通常包括一个220kV汇集变电站和多个下级110kV可再生能源场站，这些下级110kV可再生能源场站通过220kV汇集变电站接入到电网中，220kV汇集变电站的110kV汇集母线连接这些下级110kV可再生能源场站。在新能源汇集区域的电压协调控制中，为了避免出现由于电压造成的大规模连锁脱网，在基态时应充分发挥可再生能源站自身的无功调节能力，以取代静态电容发挥电压支撑作用，避免在基态下过多投入电容器导致在故障扰动过程中产生大量过剩无功。因此，在本发明中，可再生能源站与汇集站变电站的无功电压协调原则如下：

1、在基态下优先使用可再生能源站的无功调节能力。

当新能源汇集区域内的可再生能源站具有无功调节能力时，优先使用可再生能源站自身的无功调节能力，其汇集变电站的电压限值采用计划限值，使得可再生能源站母线电压在N-1安全域中。

2、当新能源汇集区域的无功调节能力不足时，使用汇集站内的低压侧无功设备进行新能源汇集区域电压调节。

当可再生能源站无功调节能力不足并且不能处于N-1安全域中时，通过投切220kV汇集站内的电容器、电抗器，保证可再生能源站母线电压在N-1安全域中。

为了实现上述220kV汇集站与下级110kV可再生能源场站的无功电压协调控制原则，本发明提出并实现了一种协调控制的方法。如图2所示，220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法包括在控制周期(每隔5分钟为一个控制周期)到来时执行如下步骤：

步骤S1，获取地区电网中第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线的当前电压值，判断当前电压值是否处于控制上下限范围内，其中i为自然数，1≤i≤地区电网中220kV汇集变电站的总数。

步骤S2，如果当前电压值处于控制上下限范围之内，则使i＝i+1，返回执行步骤S1，也就是说，获取下一座220kV汇集变电站的110kV汇集母线的当前电压值。

步骤S3，如果当前电压值超出控制上下限范围，计算第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线所带的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力。

步骤S4，评估全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力是否足够将相应110kV汇集母线的电压调节到控制上下限范围内。

步骤S5，如果全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力足够将110kV汇集母线的电压调节到控制上下限范围内，则利用下级110kV可再生能源场站调节110kV汇集母线的电压。

步骤S6，如果全部下级110kV可再生能源场站的电压调节能力不足以将110kV汇集母线的电压调节到所述控制上下限范围内，则除了利用全部下级110kV可再生能源场站调节110kV汇集母线的电压之外，还利用所述第i座220kV汇集变电站的无功设备补充调节110kV汇集母线的电压。

步骤S7，使i＝i+1，执行步骤S1。也就是说，对下一座220kV汇集变电站进行电压协调控制。

根据本发明的实施例，下级110kV可再生能源场站可以是风力发电站或光伏发电站。

根据本发明的一个实施例，上述步骤S1具体可以包括：

步骤S11，实时获取所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线的当前电压值和控制上下限范围，其中当前电压值记为V_i^cur，控制下限值记作V_i^min，控制上限值记作V_i^max。

步骤S12，检查110kV汇集母线当前电压V_i^cur是否处于控制上下限范围内：

V_i^min+V_i^dead＜V_i^cur＜V_i^max-V_i^dead(1)

其中，V_i^dead为110kV汇集母线电压越限判定死区门槛值。

如果式(1)成立，则确定所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线电压处于控制上下限范围之内；如果上式不成立，则确定所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线电压超出控制上下限范围。

根据本发明的一个实施例，上述步骤S3具体可以包括：

步骤S31，实时接收所述第i座220kV汇集变电站中的第j座下级110kV可再生能源场站上送的可增无功和可减无功，并根据第j座下级110kV可再生能源场站的无功对相应的110kV汇集母线的电压灵敏度，计算第j座下级110kV可再生能源场站对相应的110kV汇集母线的电压增加调节能力和电压减少调节能力

其中为所述第i座220kV汇集变电站中的所述第j座下级110kV可再生能源场站实时上送的可增无功和可减无功，为所述第j座下级110kV可再生能源场站的无功对110kV汇集母线升电压的灵敏度，为所述第j座下级110kV可再生能源场站的无功对110kV汇集母线降电压的灵敏度，j为自然数，1≤j≤第i座220kV汇集变电站中下级110kV可再生能源场站的总数。

步骤S32，使j＝j+1，返回执行步骤S31。即，接收所述第i座220kV汇集变电站中的下一座下级110kV可再生能源场站的可增无功和可减无功。

步骤S33，将所述第i座220kV汇集变电站的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力累加，得出所述第i座220kV汇集变电站的110kV汇集母线所带的全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压调节能力：

根据本发明的一个实施例，上述步骤S4具体可以包括：

步骤S41，评估所述第i座220kV汇集变电站内全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压减少调节能力是否充足：

如果则所述第i座220kV汇集变电站内110kV汇集母线已经或接近越过上限，需要降压，则判断下列公式是否成立：

V_i^max-V_i^cur＜V_i^Down(4)

若式(4)成立，则判定所述第i座220kV汇集变电站所带的全部下级110kV可再生能源场站电压减少调节能力不足，需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调降压，

其中：V_i^dead为110kV汇集母线电压越限判定门槛值，V_i^cur为110kV汇集母线当前电压值，V_i^max为110kV汇集母线电压控制上限值，V_i^Down为所述第i座220kV汇集变电站内全部110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压减少调节能力。

步骤S42，评估所述第i座220kV汇集变电站内全部下级110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压增加调节能力是否充足：

如果V_i^cur＜V_i^min+V_i^dead，则所述第i座220kV汇集变电站内110kV汇集母线已经或接近越过下限，需要升压，则判断下列公式是否成立：

V_i^min-V_i^cur＞V_i^Up(5)

若式(5)成立，则判定所述第i座220kV汇集变电站所带的全部下级110kV可再生能源场站电压增加调节能力不足，需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调升压，

其中：V_i^dead为110kV汇集母线电压越限判定门槛值，V_i^cur为110kV汇集母线当前电压值，V_i^min为110kV汇集母线电压控制下限值，V_i^Up为所述第i座220kV汇集变电站内全部110kV可再生能源场站对110kV汇集母线的电压增加调节能力。

根据本发明的一个实施例，上述步骤S6具体可以包括：

步骤S61，如果步骤S41判定需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调降压，则：如果所述第i座220kV汇集变电站主变低压侧有运行的电容器，则切除一台电容器；否则投入一台电抗器。

步骤S62，如果步骤S42判定需要所述第i座220kV汇集变电站的无功设备协调升压，则：如果所述第i座220kV汇集变电站主变低压侧有运行的电抗器，则切除一台电抗器；否则投入一台电容器。

下面结合图1来举例描述本发明的220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法。图1为地区电网的新能源汇集区域电网架构示意图。如图1所示，地区电网新能源汇集区域包括一个220kV汇集变电站和三个下级110kV风电站B、110kV风电站C和110kV光伏站D，这三个下级110kV可再生能源场站通过220kV汇集变电站接入到电网中，220kV汇集变电站的110kV汇集母线连接这三个下级110kV可再生能源场站。各个可再生能源场站内设有SVC(Static Var Compensator，静止无功补偿器)。

对于图1所示的地区电网，本发明的220kV汇集站与下级110kV可再生能源场站的电压协调控制方法，在控制周期(每隔5分钟为一个控制周期)来到时，执行如下步骤：

其中，220kV汇集站110kV汇集母线的当前电压为117.62kV、控制上限值为117.50kV，控制下限值为110.70kV，该方法预先设定控制周期T，具体包括如下步骤：

在每个控制周期T(每5分钟为一个控制周期)来临时，执行以下步骤：

1)检查地区电网中第i座可再生能源场站的220kV汇集站内的110kV汇集母线的电压情况，执行如下计算：

1-1)实时获取110kV汇集母线的当前电压值、控制上下限值，其中当前电压值记为V_i^cur，控制下限值记作V_i^min，控制上限值记作V_i^max。其中，V_i^cur＝117.62kV，V_i^max＝117.50kV，V_i^min＝110.70kV，V_i^dead＝0.5kV；

1-2)检查110kV汇集母线当前电压V_i^cur是否处于控制上下限范围内：

由于V_i^cur>V_i^max-V_i^dead，110kV可再生能源场站的110kV汇集母线电压已越上限，进入下一步骤2)；

2)对220kV汇集站的110kV汇集母线所带的下级110kV可再生能源场站执行如下计算：

2-1)实时接收汇集区域中风电场B、C及光伏站D上送的可增无功和可减无功，并根据再生能源场站的无功对110kV汇集母线的电压灵敏度，计算该再生能源场站对110kV汇集母线的电压增减调节能力。

风电场B：

向上可调电压：

向下可调电压：

风电场C：

向上可调电压：

向下可调电压：

光伏站D：

向上可调电压：

向下可调电压：

2-2)将风电场B、C及光伏站D的电压调节能力累计到汇集区域总的电压调节能力中：

V_i^Up＝0.0，V_i^Down＝0.0。

3)评估220kV汇集站内可再生能源场站对汇集站内110kV汇集母线的电压调节能力，方法如下：

3-1)当前V_i^cur＝117.62kV，V_i^max＝117.50kV，取当前V_i^cur＞V_i^max-V_i^dead(117.62>117.50-0.50)，则110kV汇集母线电压已越上限；

ΔV_i＝V_i^max-V_i^cur＝-0.12，ΔV_i＜V_i^Down(-0.12<0.0)，则判定220kV汇集站内可再生能源场站的电压减少调节能力不足，需要协调降压。

4)根据步骤3)对220kV汇集站中的再生能源场站电压调节能力的评估结果，计算220kV汇集变电站的无功设备投切策略。

4-1)通过3-1)判定当前需要协调降压，如果220kV汇集站主变低压侧有运行的电容器，则切除一台电容器；否则投入一台电抗器。

5)返回步骤1)，继续处理下一个再生能源场站的220kV汇集变电站，直至电网中全部再生能源场站的220kV汇集变电站处理完成。

综上所述，本发明的220kV汇集变电站的上下级电压协调控制方法通过优先利用下级可再生能源站自身的无功调节能力来调节110kV母线的电压，使得可再生能源站自身的无功调节能力得到充分发挥。当新能源汇集区域的无功调节能力不足时，才通过投切220kV汇集站内的电容器、电抗器，保证可再生能源站母线电压在N-1安全域中。这样的上下级电压协调控制方法能在基态时充分发挥了可再生能源站自身的无功调节能力，取代静态电容器或电抗器发挥电压支撑作用，避免在基态下过多的电容器或电抗器导致在故障扰动过程中产生大量过剩无功。因此，本发明实现了上级220kV汇集变电站与下级110kV可再生能源站的无功电压协调控制，优先利用下级可再生能源站自身的无功调节能力来调节110kV汇集母线的电压，当下级110kV可再生能源站对110kV汇集母线电压的电压调节能力不足时，通过投切上级变电站电容器、电抗器保证可再生能源站汇集母线电压在N-1安全域中，避免可再生能源场站电压跌落造成可再生能源场站连锁脱网，提高了电网电压稳定性和电压质量。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。