本發(fā)明涉及一種基于實時在線等值的110千伏風電場自動電壓控制方法，屬于電力系統(tǒng)自動電壓控制技術領域。

背景技術：
近年來，受全球氣候變暖及能源危機的影響，清潔能源的重要性日益凸顯，其中風力發(fā)電由于其巨大的開發(fā)潛力以及相對成熟的開發(fā)技術，受到世界各國的廣泛關注，并以一種前所未有的速度迅猛發(fā)展起來。截止2014年底我國投產風電裝機容量已經超過1億千瓦。目前我國對風電資源采取的是大規(guī)模集中式的開發(fā)模式，由于風力發(fā)電固有的間歇性特點，大規(guī)模風電并網給電網運行調度帶來了極大的挑戰(zhàn)。又因為風電并網區(qū)域往往缺乏本地負荷，風力發(fā)出的電能需要經過高電壓等級，長輸電線路，送至遠方的負荷中心，而這些風電輸送通道往往缺乏常規(guī)水火電廠進行有功、無功的支撐，系統(tǒng)短路容量較小，這都導致風電出力的變化會引發(fā)較大的電壓波動。隨著風電并網的快速發(fā)展，電壓問題已成為阻礙風電正常并網運行的主要障礙之一，風電接入區(qū)域需要充分利用本地無功資源，維持風電并網電壓安全穩(wěn)定，為風機長久穩(wěn)定運行提供基礎性保障。為了解決此問題，一方面在風電場內建設自動電壓控制(AVC，AutomaticVoltageControl)子站系統(tǒng)，實現(xiàn)對風電場內動態(tài)無功補償裝置(SVC)、風力發(fā)電機等特性各異無功資源的協(xié)調控制，抑制電壓波動；另一方，需要在電網調度中心實現(xiàn)面向大規(guī)模風電匯聚區(qū)域的自動電壓控制。電網調度中心的AVC主站系統(tǒng)是基于軟件實現(xiàn)的，其對輸電網的電壓控制策略主要有對電廠的無功電壓控制以及對變電站的無功設備控制2類。其中對電廠的無功電壓控制采用的主要方式是：調度中心的AVC主站系統(tǒng)通過無功優(yōu)化計算得到電廠高壓側母線的電壓設定目標值，將該值通過數(shù)據通信網絡發(fā)送到電廠的AVC子站系統(tǒng)，電廠的AVC子站根據當前電廠內各臺發(fā)電機的運行狀態(tài)，采用步進方式調整發(fā)電機發(fā)出的無功功率，直到電廠高壓側母線電壓達到AVC主站下發(fā)的目標值。對變電站的控制策略為對站內電容器、電抗器等無功設備的投切指令，當投入電容器或切除電抗器時，母線電壓升高；當切除電容器或投入電抗器時，母線電壓降低。AVC主站下發(fā)投入或切除無功設備的指令，變電站內的自動化監(jiān)控系統(tǒng)根據接收的指令，找到無功設備所連接的斷路器并合上或斷開斷路器，以完成無功設備的投入或切除。目前在省級電網調度中心的AVC主站系統(tǒng)，主要采用了清華大學電機系調度自動化實驗室提出的基于“軟分區(qū)”的三級電壓控制模式，孫宏斌、張伯明、郭慶來在《基于軟分區(qū)的全局電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)設計》(電力系統(tǒng)自動化，2003年4月，V27N8，pp.16-20)對該模式進行了說明。在該模式下，調度中心的AVC應用軟件由三級控制模塊、二級控制模塊組成。三級控制為全局無功優(yōu)化的最優(yōu)潮流(OPF)，給出全網協(xié)調的電壓優(yōu)化控制目標；二級控制為分區(qū)解耦的控制策略計算：首先通過在線軟分區(qū)軟件將電網劃分為若干個二級控制區(qū)域，并在各分區(qū)中選擇負荷中心的樞紐母線作為中樞母線；其次以三級電壓控制給出的分區(qū)中樞母線的優(yōu)化目標為輸入，計算分區(qū)包含的電廠的高壓側母線電壓設定目標值。廠站端的AVC子站裝置完成一級控制，接收調度主站下發(fā)的控制指令并執(zhí)行。由于我國對風電資源多采用大規(guī)模集中式的開發(fā)模式，因此往往有大量的風電場集中接入電網的某個區(qū)域。調度中心考慮對風電集中匯集區(qū)域進行自動電壓控制時，在三級控制層面將各風電場納入到全局無功優(yōu)化的計算模型中，給出風電匯集區(qū)域整體的電壓優(yōu)化目標；在二級控制層面，對大規(guī)模風電匯集區(qū)建立對應的二級控制分區(qū)，選擇區(qū)域內風電匯集的變電站的高壓側母線作為中樞母線，同時在風場低壓側建立無功控制的等值發(fā)電機模型，并計算各風場高壓側并網母線的電壓設定值。郭慶來、孫宏斌、張伯明在《協(xié)調二級電壓控制的研究》(電力系統(tǒng)自動化，2005年12月，V29N23，pp.19-24)中提出了一種面向常規(guī)的水電、火電的協(xié)調二級電壓控制(CSVC)模型，該模型也可以應用于風電匯集區(qū)域。該模型所涉及到的各個變量的具體物理含義可以從附圖1中直觀看出。其中，Qg表示風電場低壓側(一般為35kV)等值發(fā)電機的無功總注入，包括風機和SVC的總無功；Vg表示低壓側35kV母線當前電壓，Vp表示區(qū)域內220kV中樞母線(風電區(qū)域的匯集站的樞紐母線,PCC點)當前電壓，VH表示風電場高壓側220kV母線的當前電壓。Cg和Cvg為靈敏度矩陣，滿足：ΔVp＝CgΔQg(1)ΔVH＝CvgΔQg(2)風場低壓側總無功出力調整量ΔQg作為優(yōu)化變量，風場高壓側母線電壓VH在控制系統(tǒng)中作為主站與子站的交互變量存在。與傳統(tǒng)電廠不同，風電場在低壓側35kV母線上接有大量的風力發(fā)電機組，調度中心的AVC中并不逐一建立這些風機的模型，而是在風場低壓側35kV母線上建立一臺等值發(fā)電機模型，并由風場內的AVC子站實時上送該等值發(fā)電機的實時有功、無功值，以及當前的有功、無功的調節(jié)能力。調度中心的AVC采用了二次規(guī)劃模型來完成風場電壓控制策略的計算，二次規(guī)劃計算采用的優(yōu)化目標為：其中，ΔQg作為優(yōu)化變量，表示控制風電場等值機無功出力的調節(jié)量；Qg、和分別表示風電場等值機當前無功、無功下限和無功上限，風電場等值機當前無功上下限由風場AVC子站實時計算并上送；Vp和表示區(qū)域中樞母線當前電壓和設定電壓,其設定值來自三級控制的全局無功優(yōu)化；該最小化目標函數(shù)的第一部分的物理意義，就是通過調整風電場無功，使得區(qū)域中樞母線電壓Vp盡量接近目標值同時，為了增大各風場無功裕度，并使各風場之出力更加均衡的目的，定義無功裕度向量Θg，其第i個分量為將||Θg||2引入到二次規(guī)劃目標函數(shù)中，可以一方面增加各風場的無功裕度，另一方面促使各風場無功出力向更加均衡的方向發(fā)展。式(4)中Qg、和分別表示風場等值機當前無功、無功下限和無功上限，通過引入Θg，式(4)的最小化目標體現(xiàn)了在達到控制目標的同時，盡量保證各風場無功出力的均衡性，即實現(xiàn)風電場之間無功的協(xié)調控制。完整的CSVC模型要求在滿足安全約束條件的情況下來求解式(3)的極小化問題，這些約束包括：Vp、和分別表示風電區(qū)域的中樞母線當前電壓、中樞母線電壓下限和中樞母線電壓上限；Qg、和分別表示風電場等值機當前無功、無功下限和無功上限，由風場AVC子站實時計算并上送；VH、和分別表示風電場高壓側母線的當前電壓、電壓下限、電壓上限和允許的單步最大調整量。利用起作用集算法(activesetmethod)來求解這個二次規(guī)劃問題，得到ΔQg后再利用式(2)中的靈敏度矩陣換Cvg算成風電場高壓側母線電壓設定值的調整量ΔVH，作為控制策略下發(fā)。上述內容涉及到無功電壓靈敏度矩陣Cg和Cvg的計算。孫宏斌，張伯明，相年德在《準穩(wěn)態(tài)的靈敏度分析方法》(中國電機工程學報，1999年4月V19N4，pp.9-13)中提出了準穩(wěn)態(tài)靈敏度方法。該方法基于電力系統(tǒng)的PQ解耦模型，當發(fā)電機安裝有自動電壓調節(jié)器(AVR)時，可認為該發(fā)電機節(jié)點為PV節(jié)點；而當發(fā)電機裝有自動無功功率調節(jié)(AQR)或自動功率因數(shù)調節(jié)(APFR)時，可認為該發(fā)電機節(jié)點與普通負荷節(jié)點相同均為PQ節(jié)點。此外，將負荷電壓靜特性考慮成節(jié)點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穩(wěn)態(tài)的物理響應加以考慮，從而基于潮流模型計算出的靈敏度即為準穩(wěn)態(tài)的靈敏度。前述AVC中，Cg和Cvg均采用準穩(wěn)態(tài)的靈敏度。我國目前的風電場主要通過220kV和110kV升壓變電站接入電網，可以分別稱為220kV風電場和110kV風電場。風電的快速發(fā)展對傳統(tǒng)的調度管理體系提出了新的要求：一方面，我國對電網采集分級調度控制的方式，220kV電網由省級調度中心(省調)進行監(jiān)控和管轄，110kV電網由地區(qū)調度中心(地調)進行監(jiān)控和管轄，同時，由于風電場具有電源特點，因此風電場均由省調進行調度控制；另一方面，由于110kV風場通過110kV線路接入地區(qū)電網并網發(fā)電，即使省調AVC系統(tǒng)可以建立110kV風電場內部的設備模型并采集110kV風電場內部的運行狀態(tài)，但是因為省調電網模型中沒有地調管轄110kV風電場并網線路的詳細模型，因此無法計算110kV風場無功出力對匯集區(qū)中樞母線的電壓靈敏度Cg以及對風場高壓側母線的電壓靈敏度Cvg，也就無法計算110kV風電場的母線電壓控制目標。這種對風電場調度管轄劃分和并網電壓等級之間的矛盾導致無法對110kV風電場實現(xiàn)自動電壓控制。綜上所述，隨著風力發(fā)電的大規(guī)模的快速發(fā)展，需要對風電匯集區(qū)域電網實現(xiàn)自動電壓控制。但是由于調度管轄范圍劃分和并網電壓等級之間的矛盾，無法將110kV并網的風電場計入到省調AVC的計算中，導致無法實現(xiàn)110kV風電場的自動電壓控制。從目前已公開的文獻來看，還沒有更好的方法能夠解決該問題。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提出一種基于實時在線等值的110千伏風電場自動電壓控制方，該方法由地區(qū)電網調度控制中心(地調)的自動電壓控制系統(tǒng)根據地區(qū)110kV電網的運行狀態(tài)，在線確定110kV風電場高壓側母線所連接的上級220kV變電站內的110kV母線，并通過電力網絡靜態(tài)等值計算得到二母線之間的等值電阻和等值電抗，計算結果實時上送到省級電網調度中心(省調)；省調自動電壓控制系統(tǒng)根據地調上送的數(shù)據自動建立110kV風電場高壓側母線和其連接的上級220kV變電站內110kV母線之間的并網等值線路，從而可以計算對110kV風電場的自動電壓控制指令。本發(fā)明提出的基于實時在線等值的110千伏風電場自動電壓控制方法，預先設定自動電壓控制周期，當控制周期來臨時，進行以下步驟：(1)在地區(qū)電網調度控制中心的自動電壓控制系統(tǒng)中，將全部接入地區(qū)電網的110kV風電場，記為110kV風電場集合W110＝{Wi110,i＝1...n}，110kV風電場高壓側110kV母線記為風電場母線集合其中n為110kV風電場數(shù)量，對風電場集合W110中的每個110kV風電場，依次執(zhí)行如下步驟：(1-1)從地區(qū)電網的能量管理系統(tǒng)(EMS)中獲取地區(qū)電網的完整電網模型和當前全部斷路器和刀閘的分合狀態(tài)；(1-2)從上述地區(qū)電網的完整電網模型中，刪除110kV電壓等級以外的全部電網設備，刪除110kV電壓等級內全部處于分狀態(tài)的斷路器和刀閘設備，保留運行的110kV線路，組成一個網絡模型；(1-3)以風電場Wi110的高壓側的110kV母線為為起點，采用深度優(yōu)先法對步驟(1-2)的網絡模型進行搜索，得到與母線相連接的220kV變電站內的110kV母線，記為并將加入到220kV變電站母線集合中，n為110kV風電場數(shù)量；(2)在地區(qū)電網調度控制中心的自動電壓控制系統(tǒng)中，根據步驟(1-1)中的地區(qū)電網完整電網模型和當前電網潮流計算的結果，在計算結果中指定風電場母線集合B110的母線和220kV變電站母線集合C110的母線為邊界系統(tǒng)節(jié)點集，地區(qū)電網完整模型內的其他110kV變電站母線為外部系統(tǒng)節(jié)點集，地區(qū)電網完整模型內的220kV變電站內母線和500kV變電站內母線為內部系統(tǒng)節(jié)點集，對地區(qū)電網模型進行外部網絡靜態(tài)等值計算，得到各和母線之間的等值阻抗其中為各和母線之間的等值電阻，為各和母線之間的等值電抗，將加入等值線路阻抗集合其中n為110kV風電場數(shù)量；(3)通過地區(qū)電網調度控制中心和省級電網調度控制中心之間的計算機通信網絡，地區(qū)電網調度控制中心的自動電壓控制系統(tǒng)將風電場母線集合B110、220kV變電站母線集合C110...