一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，用于火电机组与风电场并网的电力系统，解决现有技术中由于风速剧烈波动导致风电场无功调节能力减小而无法满足系统电压稳定需求的技术问题，计及风电场有功出力对其无功可控容量的影响，兼顾风电场有功无功出力和系统无功补偿装置对并网电电压的影响，通过建立事前多时间尺度优化模型协调风电场有功和无功出力、协调风电场和同步机的出力，在风速变化前主动调整风电场出力以避免风速波动对电网电压造成较大影响，在保证电网安全性的前提下，实现经济效益最大化。

A Multi-time Scale Optimal Control Method for Reactive Power and Voltage in Wind Power System

The invention provides a multi-time scale optimization control method for reactive power and voltage of wind power system, which is used in the power system connected with thermal power units and wind farms. It solves the technical problems in the prior art that reactive power regulation ability of wind farms can not meet the demand of system voltage stability due to drastic fluctuation of wind speed, and takes into account the influence of active power output of wind farms on its reactive power controllable capacity. Considering the influence of active and reactive power output of wind farm and reactive power compensation device of system on grid-connected voltage, the active and reactive power output of wind farm is coordinated, the output of wind farm and synchronizer is coordinated, and the output of wind farm is adjusted actively before the wind speed changes to avoid wind speed fluctuation having a greater impact on grid voltage, before ensuring the safety of power grid. To maximize economic benefits.

【技术实现步骤摘要】
一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法
本专利技术涉及风电控制领域，具体地说，涉及一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法。
技术介绍
风力发电技术近年来在世界范围内得到了迅猛发展。风速波动具有随机性，风电机组的输出功率随风速波动变化，使电力系统的有功和无功平衡面临挑战。随着可再生能源发电需求的增加，我国风电装机容量快速增长，风电正在向“大规模集中开发、远距离高压输送”方向快速发展。由于大型风电场大多位于电网末端，电网对风电并网点的电压支撑不足，大规模风电场的功率波动加剧使并网点电压问题更为突出，甚至造成系统电压问题。在风电场出口母线接入无功补偿装置是目前解决风电入网引起的无功电压问题的主要方法。但是，由于风速波动具有随机性和快速性的特点，通过投切电容器或电抗器平抑无功缺额难以满足补偿容量和响应速度的要求。静止无功补偿器可以对无功出力进行实时的平滑调节，是风电场无功补偿的常用手段。但是，风电场具有运行的多态性和输出的多样性特征，风电场中静止无功补偿器之间及其与风电机组之间的配合较为困难。特别是静止无功补偿器具有显著的滞后响应，无法快速响应风速波动，可能导致电网无功出力缺额，甚至出现电压过冲现象，造成风电机组连锁性脱网。目前，以双馈风电机组和直驱风电机组为代表的变速风电机组已成为风力发电的主流机型。变速风电机组能够通过变流器控制系统实现有功出力和无功出力的解耦控制，具有快速灵活的无功调控能力，适用于电压的动态调控。但是，目前风电场内的变速风电机组普遍采用单位功率因数运行，无功出力的控制优化值始终为零，远未发挥其可用于电压调控的潜力与优势。近些年，风电系统的无功电压控制问题得到了大量的关注。但是，现有方法均是在风速波动后对系统的无功出力进行调整，由于风速增大时风电场的无功极限随着有功出力的增大而减小，因此在风速剧烈波动下，风电机组的可控无功容量可能无法满足电网电压稳定的要求。已有方法提出在风速波动前通过降低风电机组的有功出力来增大其可控无功容量，从而利用风电机组的无功出力控制平抑电压的变化。但是，风速波动下电网电压的变化源于风电机组有功出力的波动，即风电机组有功出力的调整不仅影响其可控无功容量，也会直接对电网电压产生直接的影响。忽略风电机组有功出力变化的影响，不仅难以充分挖掘风电机组的无功电压控制能力，无法最大限度地平抑电网电压的变化，还可能对电网安全性和经济性造成负面的效果。因此，亟待通过协调变速风电机组有功和无功出力实现系统安全性和经济性的最大化。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，用于火电机组与风电场并网的电力系统，解决现有技术中由于风速剧烈波动导致风电场无功调节能力减小而无法满足系统电压稳定需求的技术问题，计及风电场有功出力对其无功可控容量的影响，兼顾风电场有功无功出力和系统无功补偿装置对并网电电压的影响，通过建立事前多时间尺度优化模型协调风电场有功和无功出力、协调风电场和同步机的出力，在风速变化前主动调整风电场出力以避免风速波动对电网电压造成较大影响，在保证电网安全性的前提下，实现经济效益最大化。为了解决现有技术中的问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，用于火电机组与风电场并网的电力系统，其中，系统中火电机组的数量为NG，风电场中双馈风电机组的数量为ND，直驱风电机组的数量为NP，包括如下步骤：S101、采集风电并网点电压Uacc、风电场无功出力Qw、风电场有功出力Pw、电力系统无功补偿量Qc，计算风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11，计算风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度a12；S102、获取下一时刻的风速预测信息，基于下一时刻的风速预测信息计算下一时刻风电场有功出力预测值结合风电场有功出力Pw、风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11以及风电并网点电压Uacc，计算风电并网点电压预测值S103、基于风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11及风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度a12，计算风速波动下平抑风电并网点电压变化的系统无功需求变化量ΔQw,de；当ΔQw,de-ΔQc,max＞NDQD.max+NPQP.max时，执行步骤S104，否则，认为电网无功容量足够，不采取控制措施，QD.max为双馈风电机组的无功可控范围，QP.max为直驱风电机组的无功可控范围，ΔQc,max为无功补偿装置的最大调节范围；S104、利用包含电力系统运行约束和弃风惩罚的事前长时间尺度出力优化模型，确定火电机组的开停机状态和下一时刻的电容器的无功补偿量；S105、基于已确定的火电机组的开停机状态，利用包含电力系统运行约束的事前短时间尺度出力优化模型，确定下一时刻的火电机组和风电场的有功出力、无功出力以及静止无功补偿装置的无功出力；S106、基于下一时刻的火电机组和风电场的有功出力、无功出力，下一时刻的静止无功补偿装置的无功出力以及下一时刻的电容器的无功补偿量实现对风速波动下的电力系统无功电压的事前电压控制。优选地，步骤S101中，基于公式计算风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11以及风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度a12，其中，ΔUacc、ΔUB1分别为风电并网点电压变化量和母线B1的电压变化量，ΔPw为流经升压站的有功功率变化量；ΔQw为流经升压站的无功功率变化量；a11为风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度，a21为母线B1的电压关于风电场有功出力Pw的灵敏度；a12为风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度，a22为母线B1的电压关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度。优选地，步骤S102中，风电场的有功出力预测值与下一时刻的风速预测信息之间的关系为：其中，ρ为空气密度；R为风力机叶片半径；为下一时刻的预测风速；Cpmax为最大风能利用系数；s为转差率；ND为风电场中双馈风电机组的数量；风电并网点电压预测值按照如下公式计算：优选地，步骤S103中：风速波动下平抑风电并网点电压变化的系统无功需求变化量ΔQw,de按如下公式计算：其中，ΔUpcc,al为风电并网点电压变化的最大允许范围，ΔPD为双馈风电机组输出有功功率的变化量，ΔPP为直驱风电机组输出有功功率的变化量；双馈风电机组的无功可控范围QD.max按如下公式计算：其中，PDs为双馈风电机组定子输出的有功功率；SDc为双馈风电机组网侧变流器容量；RSC、PSC及QSC均为中间变量，Usm为双馈风电机组的机端电压幅值；Irmax为双馈风电机组转子允许流过的电流最大值；Rs、Xs分别为双馈风电机组的定子电阻、电抗；Xm为双馈风电机组的激磁电抗；s为转差率；直驱风电机组的无功可控范围为QP.max按如下公式计算：其中，SPc为直驱风电机组网侧变流器的容量；PP为直驱风电机组的有功出力。优选地，设t-1时刻为当前时刻，t时刻为下一时刻，步骤S104中：所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，用于火电机组与风电场并网的电力系统，其中，系统中火电机组的数量为NG，风电场中双馈风电机组的数量为ND，直驱风电机组的数量为NP，其特征在于，包括如下步骤：S101、采集风电并网点电压Uacc、风电场无功出力Qw、风电场有功出力Pw、电力系统无功补偿量Qc，计算风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11，计算风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度a12；S102、获取下一时刻的风速预测信息，基于下一时刻的风速预测信息计算下一时刻风电场有功出力预测值

【技术特征摘要】
1.一种风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，用于火电机组与风电场并网的电力系统，其中，系统中火电机组的数量为NG，风电场中双馈风电机组的数量为ND，直驱风电机组的数量为NP，其特征在于，包括如下步骤：S101、采集风电并网点电压Uacc、风电场无功出力Qw、风电场有功出力Pw、电力系统无功补偿量Qc，计算风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11，计算风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度a12；S102、获取下一时刻的风速预测信息，基于下一时刻的风速预测信息计算下一时刻风电场有功出力预测值结合风电场有功出力Pw、风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11以及风电并网点电压Uacc，计算风电并网点电压预测值S103、基于风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11及风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度a12，计算风速波动下平抑风电并网点电压变化的系统无功需求变化量ΔQw,de；当ΔQw,de-ΔQc,max＞NDQD.max+NPQP.max时，执行步骤S104，否则，认为电网无功容量足够，不采取控制措施，QD.max为双馈风电机组的无功可控范围，QP.max为直驱风电机组的无功可控范围，ΔQc,max为无功补偿装置的最大调节范围；S104、利用包含电力系统运行约束和弃风惩罚的事前长时间尺度出力优化模型，确定火电机组的开停机状态和下一时刻的电容器的无功补偿量；S105、基于已确定的火电机组的开停机状态，利用包含电力系统运行约束的事前短时间尺度出力优化模型，确定下一时刻的火电机组和风电场的有功出力、无功出力以及静止无功补偿装置的无功出力；S106、基于下一时刻的火电机组和风电场的有功出力、无功出力，下一时刻的静止无功补偿装置的无功出力以及下一时刻的电容器的无功补偿量实现对风速波动下的电力系统无功电压的事前电压控制。2.如权利要求1所述的风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，其特征在于，步骤S101中，基于公式计算风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度a11以及风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度a12，其中，ΔUacc、ΔUB1分别为风电并网点电压变化量和母线B1的电压变化量，ΔPw为流经升压站的有功功率变化量；ΔQw为流经升压站的无功功率变化量；a11为风电并网点电压Uacc关于风电场有功出力Pw的灵敏度，a21为母线B1的电压关于风电场有功出力Pw的灵敏度；a12为风电并网点电压Uacc关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度，a22为母线B1的电压关于风电场无功出力Qw和电力系统无功补偿量Qc的灵敏度。3.如权利要求1所述的风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，其特征在于，步骤S102中，风电场的有功出力预测值与下一时刻的风速预测信息之间的关系为：其中，ρ为空气密度；R为风力机叶片半径；为下一时刻的预测风速；Cpmax为最大风能利用系数；s为转差率；风电并网点电压预测值按照如下公式计算：4.如权利要求1所述的风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，其特征在于，步骤S103中：风速波动下平抑风电并网点电压变化的系统无功需求变化量ΔQw,de按如下公式计算：其中，ΔUpcc,al为风电并网点电压变化的最大允许范围，ΔPD为双馈风电机组输出有功功率的变化量，ΔPP为直驱风电机组输出有功功率的变化量；双馈风电机组的无功可控范围QD.max按如下公式计算：其中，PDs为双馈风电机组定子输出的有功功率；SDc为双馈风电机组网侧变流器容量；RSC、PSC及QSC均为中间变量，Usm为双馈风电机组的机端电压幅值；Irmax为双馈风电机组转子允许流过的电流最大值；Rs、Xs分别为双馈风电机组的定子电阻、电抗；Xm为双馈风电机组的激磁电抗；s为转差率；直驱风电机组的无功可控范围为QP.max按如下公式计算：其中，SPc为直驱风电机组网侧变流器的容量；PP为直驱风电机组的有功出力。5.如权利要求1所述的风电电力系统无功电压事前多时间尺度优化控制方法，其特征在于，设t-1时刻为当前时刻，t时刻为下一时刻，步骤S104中：所述事前长时间尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳金鑫，李梦阳，张真，姚骏，唐挺，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50