本發(fā)明屬于電力企業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種考慮風電機組有功電壓調(diào)節(jié)能力的最優(yōu)潮流模型構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

在電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流中，通常將電壓水平作為系統(tǒng)靜態(tài)指標的重要判據(jù)。一般認為，電網(wǎng)只要各個時段內(nèi)電網(wǎng)節(jié)點的運行電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)時，就可以認為系統(tǒng)電壓是合格的。然而，隨著以風電為代表的新能源廣泛接入電網(wǎng)，由于其出力具有波動性和隨機性，從而造成了并網(wǎng)節(jié)點電壓波動甚至是超過規(guī)定范圍造成靜態(tài)電壓的不合格，這也嚴重限制了風電等新能源的接入和消納。

目前，國內(nèi)大部分的風電場主要采用雙饋感應(yīng)風電機組(DFIG)和永磁直驅(qū)風電機組(DWTG)，其運行方式普遍采用恒功率因數(shù)控制方式。恒功率因數(shù)控制方式控制簡單，但無法解決風速變化引起的風電場母線和并網(wǎng)點電壓波動問題。為解決風電場并網(wǎng)點的電壓波動問題，通常采用在風電場出口母線上安裝大容量的電容器組或靜止無功補償裝置的方式來調(diào)節(jié)并網(wǎng)點電壓。因而，目前國內(nèi)大部分風電場具有潛在的無功電壓調(diào)節(jié)能力。

電力電子技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展實現(xiàn)了風電機組的有功功率和無功功率的解耦控制。因而，風電機組可以采用電力電子化的有功功率和無功功率控制方法，其性能在一定程度上超越了傳統(tǒng)同步發(fā)電機。

傳統(tǒng)技術(shù)方面，為改善雙饋風機風電場并網(wǎng)后接入電網(wǎng)的無功電壓水平，在電網(wǎng)層面，一般將風電場全局等效為PQ節(jié)點，再利用電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流模型進行全局優(yōu)化處理，得到風電場并網(wǎng)點母線電壓和風電場無功輸出功率等優(yōu)化值，并將優(yōu)化結(jié)果直接發(fā)送給風電場進行控制。顯然，在電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流研究層面，一般將風電場進行等值，通過處理優(yōu)化問題，得到風電場的無功出力優(yōu)化值。然而，該做法忽略了風電機組的電氣結(jié)構(gòu)約束，導致優(yōu)化后的風電場無功輸出功率設(shè)定值大于其所能發(fā)出無功功率最大值，造成了傳統(tǒng)方法的不可行。

此外，傳統(tǒng)靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)方法一般是通過改變電網(wǎng)中無功電網(wǎng)出力來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)目的。然而，面對風電機組的電氣結(jié)構(gòu)約束，當風電機組在有功功率為最大值的情況下，由于逆變器容量限制導致了其無功功率輸出幾乎為零。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種考慮風電機組有功電壓調(diào)節(jié)能力的最優(yōu)潮流模型構(gòu)建方法，通過增加了風電機組電氣結(jié)構(gòu)約束，克服傳統(tǒng)技術(shù)中風電場接入電網(wǎng)中存在的問題，利用構(gòu)建的模型實現(xiàn)對電網(wǎng)靜態(tài)電壓的有效控制。

一種考慮風電機組有功電壓調(diào)節(jié)能力的最優(yōu)潮流模型構(gòu)建方法，包括以下幾個步驟：

步驟1：根據(jù)電網(wǎng)運行要求，建立全網(wǎng)各節(jié)點的靜態(tài)電壓上下界約束；

V_i.min≤V_i≤V_i.max

其中，V_i表示電網(wǎng)第i個節(jié)點的電壓幅值，V_i.min和V_i.max表示電網(wǎng)第i個節(jié)點電壓幅值安全運行的上下界，一般取V_i.min為0.9～0.95，V_i.max為1.05～1.1；

步驟2：結(jié)合風電場的風速大小，通過電網(wǎng)量測系統(tǒng)獲得當前風電場的有功功率；

步驟3：利用風電場的電氣結(jié)構(gòu)和風電場的發(fā)電容量約束，確定風電場在指定的運行要求場景下的風電場無功調(diào)節(jié)能力上下界約束：

其中，S_w表示風電場等效的視在功率容量，Q_w表示風電場的無功功率輸出，P_w表示風電場的有功功率輸出，且

步驟4：基于靜態(tài)電壓上下界約束和風電場無功調(diào)節(jié)能力上下界約束，構(gòu)建最優(yōu)潮流模型的目標函數(shù)：min f＝f₁+f₂

其中，V_i和V_j分別表示第i個和第j個電網(wǎng)節(jié)點的電壓幅值；G_ij和B_ij分別表示電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)節(jié)點導納矩陣中第i個電網(wǎng)節(jié)點和第j個電網(wǎng)節(jié)點之間所在線路的電導參數(shù)和電納參數(shù)；δ_ij表示電網(wǎng)節(jié)點i和電網(wǎng)節(jié)點j之間的電壓相角差；P_L表示全網(wǎng)傳輸線上的有功網(wǎng)損；n表示電網(wǎng)節(jié)點總數(shù)；σ_i表示對第i個風電場的有功功率偏差平方的罰因子；P_Gi表示利用最優(yōu)潮流模型優(yōu)化后待求解得到的第i個風電場有功功率出力；P_G.max表示第i個風電場最大的有功功率出力能力；N表示選定有功電壓調(diào)節(jié)的風電場數(shù)目；

步驟5：利用非線性規(guī)劃算法求解設(shè)定運行要求場景下的最優(yōu)潮流模型，得到具體電力元件的優(yōu)化值，實現(xiàn)對電網(wǎng)靜態(tài)電壓的控制。

進一步地，所述最優(yōu)潮流模型的交流潮流等式約束如下：

進一步地，所述最優(yōu)潮流模型的同步發(fā)電機的有功功率和無功功率約束如下：

P_Gi.min≤P_Gi≤P_Gi.max

Q_Gi.min≤Q_Gi≤Q_Gi.max

P_Gi和Q_Gi分別表示電網(wǎng)中第i臺同步電機輸出的有功功率和無功功率；P_Gi.min和P_Gi.max分別表示第i臺同步電機的有功功率上界和下界；Q_Gi.min和Q_Gi.max分別表示第i臺同步電機的有功功率上界和下界。

進一步地，所述最優(yōu)潮流模型的線路視在功率約束如下：

S_li.min≤S_li≤S_li.max

其中，S_li表示電網(wǎng)中第i條線路的視在功率，S_li.min和S_li.max分別表示電網(wǎng)中第i條線路的視在功率的上界和下界。

前述的功率上界和下屆均可由實際電網(wǎng)運行參數(shù)得到。

進一步地，所述最優(yōu)潮流模型中包含有節(jié)點特性的等式約束。

有益效果

本發(fā)明提出了一種考慮風電機組有功電壓調(diào)節(jié)能力的最優(yōu)潮流模型構(gòu)建方法，該方法考慮風電機組的電氣結(jié)構(gòu)約束，得到具體運行場景下的風電機組無功調(diào)節(jié)能力；在其具體的無功電壓調(diào)節(jié)能力基礎(chǔ)上，利用二次罰函數(shù)形式實現(xiàn)風電機組的有功電壓調(diào)節(jié)。主要通過建立考慮風電機組有功電壓調(diào)節(jié)能力的最優(yōu)潮流模型，該最優(yōu)潮流模型在目標函數(shù)增加了一項風電機組有功功率調(diào)節(jié)的公式，實現(xiàn)風電機組有功功率調(diào)節(jié)來滿足靜態(tài)電壓約束。一方面，風電機組通過改變有功輸出可以直接改變電網(wǎng)電壓的情況；另一方面，風電機組降低有功功率可以置換出一定的逆變器容量，從而在滿足電氣結(jié)構(gòu)約束前提下使得風電機組具有無功功率輸出能力。利用該模型優(yōu)化電網(wǎng)中電力元件的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對電網(wǎng)節(jié)點靜態(tài)電壓的有效控制，避免部分節(jié)點出現(xiàn)過大的電壓偏移。通過典型系統(tǒng)仿真算例對仿真算例進行分析，驗證了所提方法的可行性和合理性。本發(fā)明所述的方法具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為風電機組輸出功率關(guān)系圖；

圖2為本發(fā)明提出的最優(yōu)潮流模型構(gòu)建思路；

圖3為利用本發(fā)明提出模型進行電網(wǎng)運行流程示意圖；

圖4為算例一全網(wǎng)節(jié)點靜態(tài)電壓；

圖5為算例二全網(wǎng)節(jié)點靜態(tài)電壓；

圖6為利用本發(fā)明優(yōu)化后的算例一全網(wǎng)節(jié)點靜態(tài)電壓；

圖7為利用本發(fā)明優(yōu)化后的算例二全網(wǎng)節(jié)點靜態(tài)電壓。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步的說明。

本發(fā)明的構(gòu)建思路如圖2所示，一種考慮風電機組有功電壓調(diào)節(jié)能力的最優(yōu)潮流模型構(gòu)建方法，包括以下幾個步驟：

步驟1：根據(jù)電網(wǎng)運行要求，建立全網(wǎng)各節(jié)點的靜態(tài)電壓上下界約束；

V_i.min≤V_i≤V_i.max

其中，V_i表示電網(wǎng)第i個節(jié)點的電壓幅值，V_i.min和V_i.max表示電網(wǎng)第i個節(jié)點電壓幅值安全運行的上下界，一般取V_i.min為0.9～0.95，V_i.max為1.05～1.1；

步驟2：結(jié)合風電場的風速大小，通過電網(wǎng)量測系統(tǒng)獲得當前風電場的有功功率；

步驟3：利用風電場的電氣結(jié)構(gòu)和風電場的發(fā)電容量約束，確定風電場在指定的運行要求場景下的風電場無功調(diào)節(jié)能力上下界約束：

其中，S_w表示風電場等效的視在功率容量，Q_w表示風電場的無功功率輸出，P_w表示風電場的有功功率輸出，且

由于風電的有功功率與風速有關(guān)，因而P_w無功功率輸出約束與風電場等效容量S_w有關(guān)，其功率圖如附圖1所示。

步驟4：基于靜態(tài)電壓上下界約束和風電場無功調(diào)節(jié)能力上下界約束，構(gòu)建最優(yōu)潮流模型的目標函數(shù)：min f＝f₁+f₂

其中，V_i和V_j分別表示第i個和第j個電網(wǎng)節(jié)點的電壓幅值；G_ij和B_ij分別表示電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)節(jié)點導納矩陣中第i個電網(wǎng)節(jié)點和第j個電網(wǎng)節(jié)點之間所在線路的電導參數(shù)和電納參數(shù)；δ_ij表示電網(wǎng)節(jié)點i和電網(wǎng)節(jié)點j之間的電壓相角差；P_L表示全網(wǎng)傳輸線上的有功網(wǎng)損；n表示電網(wǎng)節(jié)點總數(shù)；σ_i表示對第i個風電場的有功功率偏差平方的罰因子；P_Gi表示利用最優(yōu)潮流模型優(yōu)化后待求解得到的第i個風電場有功功率出力；P_G.max表示第i個風電場最大的有功功率出力能力；N表示選定有功電壓調(diào)節(jié)的風電場數(shù)目；

步驟5：利用非線性規(guī)劃算法求解設(shè)定運行要求場景下的最優(yōu)潮流模型，得到具體電力元件的優(yōu)化值，實現(xiàn)對電網(wǎng)靜態(tài)電壓的控制。

所述最優(yōu)潮流模型的交流潮流等式約束如下：

所述最優(yōu)潮流模型的同步發(fā)電機的有功功率和無功功率約束如下：

P_Gi.min≤P_Gi≤P_Gi.max

Q_Gi.min≤Q_Gi≤Q_Gi.max

P_Gi和Q_Gi分別表示電網(wǎng)中第i臺同步電機輸出的有功功率和無功功率；P_Gi.min和P_Gi.max分別表示第i臺同步電機的有功功率上界和下界；Q_Gi.min和Q_Gi.max分別表示第i臺同步電機的有功功率上界和下界。

所述最優(yōu)潮流模型的線路視在功率約束如下：

S_li.min≤S_li≤S_li.max

其中，S_li表示電網(wǎng)中第i條線路的視在功率，S_li.min和S_li.max分別表示電網(wǎng)中第i條線路的視在功率的上界和下界。

前述的功率上界和下屆均可由實際電網(wǎng)運行參數(shù)得到。

所述最優(yōu)潮流模型中包含有節(jié)點特性的等式約束。

利用本發(fā)明所提出的電網(wǎng)運行流程圖如附圖3所示，為更好模擬實際電網(wǎng)中出現(xiàn)高壓低壓問題，對標準IEEE30節(jié)點進行了修改。與標準IEEE30節(jié)點相比：將11,13節(jié)點的火電機組替換為小水電，其為恒功率因數(shù)運行；增加兩座風電場于31,33節(jié)點，每個風電場裝機容量為50MW。

1)風電造成的靜態(tài)電壓偏移仿真

為了更好地模擬風電場的隨機性對電網(wǎng)節(jié)點靜態(tài)電壓的影響，這里選取兩種典型場景作為仿真算例，算例一為31,33節(jié)點風電出力為0.1+j0p.u.時，全網(wǎng)各節(jié)點的靜態(tài)電壓分布；算例二為31,33節(jié)點風電出力為0.9+j0p.u.時，全網(wǎng)各節(jié)點的靜態(tài)電壓分布。

在圖4中，由于兩個風電場位于電網(wǎng)的末端，當負荷較重且風電出力較小時，在末端節(jié)點存在靜態(tài)電壓不合格的現(xiàn)象，低于配電網(wǎng)電壓要求的0.93p.u.(圖中虛線所示)。因而，當風電場出力較小且負荷較重時，可能會出現(xiàn)電網(wǎng)靜態(tài)電壓偏低的情況。

在圖5中，當位于電網(wǎng)末端的兩個風電場接近滿發(fā)時，其末端節(jié)點會由于節(jié)點注入風電的有功功率而導致電壓過高，尤其在末端節(jié)點附近，其靜態(tài)電壓遠大于電網(wǎng)電壓要求的1.10p.u.(圖中虛線所示)。因而，當風電場接近滿發(fā)時，可能會出現(xiàn)電網(wǎng)靜態(tài)電壓偏高的情況。

可見，由于風電出力的隨機性和波動性，且在現(xiàn)有的風電場恒功率因數(shù)的調(diào)度策略下，會影響全網(wǎng)的潮流功率分布，從而造成了電網(wǎng)部分節(jié)點靜態(tài)電壓不合格的現(xiàn)象。本發(fā)明把風電場的無功功率約束加入到電力系統(tǒng)的最優(yōu)潮流模型中，從而實現(xiàn)對部分節(jié)點電壓的控制和優(yōu)化。

2)風電機組參與無功調(diào)節(jié)的靜態(tài)電壓偏移仿真

根據(jù)本發(fā)明提出的最優(yōu)潮流模型對算例一和算例二進行仿真計算，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

通過比較圖6，7和圖4，5節(jié)點電壓分布可以看出，利用最優(yōu)潮流優(yōu)化模型，可以緩解部分節(jié)點靜態(tài)電壓偏移過大的問題。根據(jù)最優(yōu)潮流目標函數(shù)可以看出，以減小全網(wǎng)的有功損耗為優(yōu)化目標，利用風電場的無功調(diào)節(jié)能力，同時加入了節(jié)點電壓約束，使得全網(wǎng)的節(jié)點靜態(tài)電壓水平進一步得到優(yōu)化。由于網(wǎng)絡(luò)損耗與節(jié)點間電壓向量差有關(guān)，通過減小全網(wǎng)的有功損耗可以等效為減小節(jié)點間的電壓向量差，從而緩解網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點電壓偏移過大的問題，該結(jié)論也可以通過圖6和圖7以證實。在圖6中，原本由于風電少發(fā)造成的末端節(jié)點電壓偏低的問題，在通過最優(yōu)潮流的計算后得到了解決，風電場可以提供無功功率支撐，其末端電壓不再低于最低電壓0.93p.u的虛線；同理，在圖7中，原本由于風電大發(fā)造成的末端節(jié)點電壓嚴重偏高的問題，在通過最優(yōu)潮流的計算后也得到了解決，風電場可以吸收部分無功功率，其末端電壓不再高于最高電壓1.10p.u的紅線，同時也減小了部分有功功率，實現(xiàn)了電網(wǎng)靜態(tài)電壓的條件。

總之，通過對IEEE30節(jié)點的仿真計算，證明了本發(fā)明提出的最優(yōu)潮流模型的有效性和正確性。同時，具有無功調(diào)節(jié)能力的風電場可以參與到電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流的計算中，通過調(diào)節(jié)風電場的有功功率和無功功率輸出實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜態(tài)電壓的優(yōu)化和控制，此外也可以減小網(wǎng)絡(luò)的有功損耗，進一步提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。