基于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率波動(dòng)評(píng)估的敏捷自動(dòng)電壓控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)電壓控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率 波動(dòng)評(píng)估的敏捷自動(dòng)電壓控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于煤炭資源的短缺，世界各國(guó)紛紛投入大量的人力、物力探索新的能源利用模 式，風(fēng)能成為世界公認(rèn)的具有極大發(fā)展?jié)摿Φ牡木G色能源之一。
[0003]目前風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的方式有兩種，一種是通過(guò)建立風(fēng)電場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)變電站 大規(guī)模集中并入中壓網(wǎng)絡(luò)，另外一種是采用分布式的方式，將各個(gè)風(fēng)機(jī)接入低壓網(wǎng)絡(luò)，直接 給終端用戶供電。其中第一種方式可以產(chǎn)生集中的、大容量的發(fā)電功率，在全球范圍內(nèi)得到 了大規(guī)模的應(yīng)用，比較成功的案例是丹麥，到現(xiàn)在為止，風(fēng)力發(fā)電所占比例已經(jīng)超過(guò)20 %， 預(yù)計(jì)在2020年，風(fēng)力發(fā)電會(huì)占到50%及以上，第二種方式在智能配電網(wǎng)中有著較好的發(fā)展 前景。在中國(guó)，風(fēng)力發(fā)電主要是以大規(guī)模集中并網(wǎng)的模式，雖然風(fēng)力發(fā)電有很多優(yōu)勢(shì)，但仍 存在一些技術(shù)問(wèn)題有待解決。其中比較突出的就是不少風(fēng)電場(chǎng)因?yàn)殡妷簡(jiǎn)栴}而連鎖脫網(wǎng)， 自動(dòng)電壓控制（AVC，Automatic Voltage Control)系統(tǒng)，被認(rèn)為是解決風(fēng)電區(qū)域電壓?jiǎn)栴} 的一個(gè)有效方法。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外主流的電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制主要有三種模式：
[0005] 第一種是以德國(guó)RWE電力公司為代表的二級(jí)控制模式，在電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行最優(yōu) 潮流（0PF)的優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果直接發(fā)到各電廠、變電站進(jìn)行控制。在調(diào)度控制中心中， 0PF基于狀態(tài)估計(jì)，實(shí)時(shí)運(yùn)彳丁在EMS的最尚層次上，直接實(shí)現(xiàn)考慮運(yùn)彳丁約束以網(wǎng)損最小為目 標(biāo)的全局無(wú)功優(yōu)化控制。這種模式雖然控制簡(jiǎn)單，但完全依賴〇PF，AVC的運(yùn)行可靠性難以 保證。0PF作為靜態(tài)優(yōu)化計(jì)算功能，主要考慮電壓上下限約束和網(wǎng)損最小化。如果完全依賴 0PF，則AVC難以對(duì)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行協(xié)調(diào)，完全依賴0PF，無(wú)法確保電壓穩(wěn)定性。0PF模型計(jì) 算量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生大的擾動(dòng)、負(fù)荷陡升或陡降時(shí)，如果完全依賴0PF，則 AVC的響應(yīng)速度不夠，控制的動(dòng)態(tài)品質(zhì)難以保證。
[0006] 第二種是以法國(guó)電力公司?DF)為代表的三級(jí)電壓控制模式，其研究和實(shí)施始于 上世紀(jì)70年代，經(jīng)歷了三十余年的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，是目前國(guó)際上公認(rèn)為最先進(jìn)的電壓 控制系統(tǒng)。在1972年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上，來(lái)自EDF的工程師提出了在系統(tǒng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào) 性電壓控制的必要性，詳細(xì)介紹了法國(guó)EDF以"中樞母線"、"控制區(qū)域"為基礎(chǔ)的電壓控制 方案的結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)被劃分成若干解耦的控制區(qū)域，整個(gè)控制系統(tǒng)分為三個(gè)層次：一級(jí)電壓控 制（PVC, Primary Voltage Control)，二級(jí)電壓控制（SVC, Secondary Voltage Control)和 三級(jí)電壓控制（TVC, Tertiary Voltage Control)。該控制模式得到了很好的應(yīng)用，但是該 模式仍存在缺點(diǎn)，這是因?yàn)閰^(qū)域的二級(jí)電壓控制（SVC)是基于電力系統(tǒng)無(wú)功電壓的局域性 而開(kāi)發(fā)的，而區(qū)域間無(wú)功電壓是有耦合的，因此控制系統(tǒng)的質(zhì)量在根本上取決于各區(qū)域間 無(wú)功電壓控制的耦合程度。但是，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)變化，設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為 相對(duì)解耦的區(qū)域并非一成不變，而且以固定控制參數(shù)形式存在的控制靈敏度更是隨運(yùn)行工 況而實(shí)時(shí)變化，因此這種以硬件形式固定下來(lái)的區(qū)域控制器難以適應(yīng)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展 和實(shí)時(shí)運(yùn)行工況的大幅度變化，因此難以持久地保證有良好的控制效果。
[0007] 第三種是清華大學(xué)電機(jī)系調(diào)度自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室提出的基于"軟分區(qū)"的三級(jí)電壓控 制模式，該模式已經(jīng)在國(guó)內(nèi)大區(qū)域電網(wǎng)、省級(jí)電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。在該模式下，調(diào)度中心 的AVC應(yīng)用軟件由三級(jí)控制模塊、二級(jí)控制模塊組成。三級(jí)控制為全局無(wú)功優(yōu)化的最優(yōu)潮 流（0PF)，給出全網(wǎng)協(xié)調(diào)的電壓優(yōu)化控制目標(biāo)；二級(jí)控制為分區(qū)解耦的控制策略計(jì)算，以三 級(jí)控制給出的各分區(qū)中的中樞母線的優(yōu)化控制目標(biāo)為輸入，考慮分區(qū)內(nèi)電廠等無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè) 備，計(jì)算分區(qū)內(nèi)各種無(wú)功資源的控制策略，并下發(fā)到電廠和變電站；廠站端的子站裝置完成 一級(jí)控制，接收調(diào)度主站下發(fā)的控制策略并執(zhí)行。該控制模式與法國(guó)EDF的三級(jí)電壓控制 的區(qū)別是，通過(guò)控制中心內(nèi)的軟件在線對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制區(qū)域的自動(dòng)劃分，即采用"軟分區(qū)" 的思想，當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，調(diào)度中心的AVC主站可以自動(dòng)適應(yīng)，從而滿足 電網(wǎng)發(fā)展變化的要求。
[0008] 在基于"軟分區(qū)"的三級(jí)電壓控制模式中，每個(gè)分區(qū)的二級(jí)電壓控制（SVC)是承上 啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。郭慶來(lái)、孫宏斌、張伯明在《協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制的研究》（電力系統(tǒng)自動(dòng) 化，2005年12月，V29N23, pp. 19-24)中提出了一種面向分區(qū)的協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制（CSVC) 模型，并已經(jīng)在常規(guī)的水電廠、火電廠的自動(dòng)電壓控制中得到廣泛應(yīng)用。該模型在優(yōu)先考慮 中樞母線電壓偏差最小的前提下，利用多余的控制自由度保證本區(qū)域發(fā)電機(jī)運(yùn)行在無(wú)功裕 度更大、出力更均衡的狀態(tài)。該模型所涉及到的各個(gè)變量的具體物理含義可以從圖中直觀 看出。其中，Qg表示控制發(fā)電機(jī)當(dāng)前無(wú)功出力，V ,表示控制發(fā)電機(jī)機(jī)端母線當(dāng)前電壓，V p表 示中樞母線當(dāng)前電壓，VH表示發(fā)電機(jī)高壓側(cè)母線的當(dāng)前電壓。CjPCvg為無(wú)功電壓靈敏度 矩陣，滿足：
[0011] AQg為發(fā)電機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)量，AVH為電廠高壓側(cè)母線的電壓調(diào)整量。分區(qū)中的中 樞母線一般為預(yù)先人工選擇指定。該模型采用了二次規(guī)劃模型來(lái)計(jì)算電廠的控制指令。二 次規(guī)劃形式的目標(biāo)函數(shù)如下：
[0013] 其中，選擇發(fā)電機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)量AQg為二次規(guī)劃的優(yōu)化變量；
：分別表示 無(wú)功下限和無(wú)功上限
表示分區(qū)中的設(shè)定電壓；wp和W q為權(quán)重系數(shù)，α為增益系數(shù)；式 (3)的目標(biāo)函數(shù)第一部分體現(xiàn)了調(diào)整發(fā)電機(jī)無(wú)功使得中樞母線達(dá)到三級(jí)控制給出的目標(biāo) 值。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)增大發(fā)電機(jī)無(wú)功裕度并使之出力更加均衡的目的，在目標(biāo)函數(shù)的第二部 分引入了無(wú)功裕度向量?g，其第i個(gè)分量為
[0015] 將| | |2(無(wú)功裕度向量?g)引入到二次規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)中，可以保證一方面增 加控制發(fā)電機(jī)的無(wú)功裕度，另一方面促使各臺(tái)控制發(fā)電機(jī)向無(wú)功出力更加均衡的方向發(fā) 展。省調(diào)AVC的二級(jí)電壓控制模塊在滿足安全約束條件的情況下來(lái)求解式（3)的極小化問(wèn) 題，這些約束包括：
[0017] 其中
分別表示中樞母線當(dāng)前電壓、中樞母線電壓下限和中樞母線電 壓上限
分別表示控制發(fā)電機(jī)當(dāng)前無(wú)功、無(wú)功下限和無(wú)功上限
和
分別表示發(fā)電機(jī)高壓側(cè)母線的當(dāng)前電壓、電壓下限、電壓上限和允許的單步最大 調(diào)整量。
[0018] 上述內(nèi)容涉及到無(wú)功電壓靈敏度矩陣CjP C vg(其中Cg為電廠無(wú)功調(diào)節(jié)量對(duì)區(qū)域 中樞母線電壓Vp的靈敏度矩陣，Cvg為各電廠無(wú)功調(diào)節(jié)量對(duì)發(fā)電機(jī)高壓側(cè)母線電壓VH的靈 敏度矩陣）的計(jì)算。孫宏斌，張伯明，相年德在《準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的靈敏度分析方法》（中國(guó)電機(jī)工 程學(xué)報(bào)，1999年4月V19N4，pp. 9-13)中提出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)靈敏度方法，與常規(guī)的靜態(tài)的靈敏度 分析方法不同，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)靈敏度方法考慮了電力系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的物理響應(yīng)，計(jì)及系統(tǒng)控制前后 新舊穩(wěn)態(tài)間的總變化，有效提高了靈敏度分析的精度。該方法基于電力系統(tǒng)的PQ解耦模 型，當(dāng)發(fā)電機(jī)安裝有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR)時(shí)，可認(rèn)為該發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)為PV(有功功率P和電 壓幅值V是給定的）節(jié)點(diǎn)；而當(dāng)發(fā)電機(jī)裝有自動(dòng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)（AQR)或自動(dòng)功率因數(shù)調(diào)節(jié) (APFR)時(shí)，可認(rèn)為該發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)與普通負(fù)荷節(jié)點(diǎn)相同均為PQ (有功功率P和無(wú)功功率Q是 給定的）節(jié)點(diǎn)。此外，將負(fù)荷電壓靜特性考慮成節(jié)點(diǎn)電壓的一次或二次曲線。這樣所建立 的潮流模型就自然地將這些準(zhǔn)