一種雙饋型機組風(fēng)電場無功輸出功率的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙饋型機組風(fēng)電場無功輸出功率的確定方法，具體地說是在大規(guī) ?？稍偕茉窗l(fā)電接入的背景下，計及雙饋型機組風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)能力的系統(tǒng)無功優(yōu)化問 題，屬于風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)運行與控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，以雙饋感應(yīng)電機為代表的變速恒頻機組由于能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功功率解 耦控制而成為風(fēng)力發(fā)電的主流機組類型。雙饋型機組風(fēng)電場具備無功調(diào)節(jié)能力，能起到改 善電壓水平、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、緩解電壓波動等作用，因此合理確定其無功輸出功率對系統(tǒng)優(yōu) 化運行具有非常重要的意義。
[0003] 針對上述問題，目前的做法一般是將風(fēng)電場作為研究對象，建立以風(fēng)電場內(nèi)部網(wǎng) 損最小或電壓水平最好為目標(biāo)的優(yōu)化模型來確定風(fēng)電機組的無功輸出功率。但是，這種目 前方法的缺點是沒有從全系統(tǒng)的角度對風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)能力加以優(yōu)化和利用，不僅會造 成風(fēng)電場無功資源的閑置和浪費，還可能會對系統(tǒng)運行起到負(fù)面作用。此外，有少數(shù)文獻(xiàn)通 過計算雙饋型機組風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)容量，將風(fēng)電場作為可連續(xù)調(diào)節(jié)的無功源參與系統(tǒng)無 功優(yōu)化計算，以確定風(fēng)電場的無功輸出功率。該方法雖然能夠有效利用雙饋感應(yīng)電機的無 功調(diào)節(jié)能力達(dá)到改善全系統(tǒng)電壓水平和降低網(wǎng)損的作用，但是仍存在以下幾個可以改進的 方面：
[0004] (1)在風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)容量的計算過程中對風(fēng)電的波動特性考慮不夠合理。風(fēng)電 機組的無功調(diào)節(jié)容量大小與其有功輸出功率有關(guān)，即無功調(diào)節(jié)容量受風(fēng)速波動的影響。目 前的方法是根據(jù)風(fēng)電場平均風(fēng)速預(yù)測曲線，計算每個周期內(nèi)風(fēng)電機組可能出現(xiàn)的最大有功 功率偏差，以此為約束計算得到風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)容量。在上述方法中，對小概率事件的過 分考慮使計算結(jié)果偏于保守，因此根據(jù)上述方法計算風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)范圍，會造成不必要 的無功資源浪費。
[0005] (2)無功優(yōu)化模型的建立未計及系統(tǒng)中同步發(fā)電機AVR的作用效果。電網(wǎng)中運行 的同步發(fā)電機一般都具備自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR)，其作用效果可概述為：當(dāng)風(fēng)電場有功功 率波動引起系統(tǒng)電壓改變時，若同步發(fā)電機仍具備無功調(diào)節(jié)能力，則可通過自動調(diào)整勵磁 電流改變無功功率輸出以維持機端電壓恒定。上述研究在無功優(yōu)化模型的建立過程中未對 此進行考慮。如果在無功優(yōu)化模型中引入同步發(fā)電機的這一調(diào)節(jié)特性，可以使優(yōu)化模型更 加貼近電網(wǎng)實際運行情況，使優(yōu)化結(jié)果更好的保障電網(wǎng)運行的安全性，更好的指導(dǎo)電網(wǎng)運 行。
[0006] (3)無功優(yōu)化模型的建立未考慮風(fēng)電接入后電網(wǎng)原有無功源無功調(diào)節(jié)能力的變 化。電網(wǎng)中同步發(fā)電機的無功調(diào)節(jié)范圍與有功輸出功率密切相關(guān)，當(dāng)風(fēng)電接入引起同步發(fā) 電機有功讓位時，其無功調(diào)節(jié)容量也隨之改變，這部分無功調(diào)節(jié)能力是系統(tǒng)中潛在的主動 無功資源。上述研究在無功優(yōu)化模型的建立過程中未對此進行考慮。如果在無功優(yōu)化模型 中有效計及這一現(xiàn)象，將會使優(yōu)化效果得到進一步提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在有效計及風(fēng)電波動特性的基礎(chǔ)上，利用雙饋型機 組風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)能力，深入挖掘電網(wǎng)潛在的主動無功調(diào)節(jié)容量，同時充分考慮同步發(fā) 電機AVR作用效果，建立了計及風(fēng)電場的系統(tǒng)無功優(yōu)化模型并給出求解策略，提供了一種 雙饋型機組風(fēng)電場無功輸出功率的確定方法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：一種雙饋型機組風(fēng)電場無功輸出功率 的確定方法，其特征是，包括以下步驟：
[0009] S1，根據(jù)風(fēng)電場有功功率預(yù)測結(jié)果建立雙饋型機組風(fēng)電場有功出力的典型場景 集，并計算各典型場景發(fā)生的概率；
[0010] S2,計算雙饋型機組風(fēng)電場在各典型場景下的有效無功調(diào)節(jié)容量；
[0011] S3,計算同步發(fā)電機在各風(fēng)電場典型場景下的無功調(diào)節(jié)容量；
[0012] S4,建立考慮雙饋型機組風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)容量和同步發(fā)電機AVR調(diào)節(jié)作用的無功 優(yōu)化模型；
[0013] S5,采用基于松弛迭代的內(nèi)點法-遺傳算法聯(lián)合求解策略，確定風(fēng)電場最優(yōu)無功 輸出功率。
[0014] 進一步地，所述步驟Sl包括以下步驟：
[0015] S101，對風(fēng)電場場景進行定義，風(fēng)電場s在未來T個時段的輸出功率波動情況可 以通過隨機時間序列
表示，該隨機序列的一個實現(xiàn)稱為一個場 景；
[0016] S102，對風(fēng)電場未來T個時段有功出力進行預(yù)測，通過對風(fēng)電場未來T個時段有功 出力的預(yù)測得到多個風(fēng)電場場景，根據(jù)風(fēng)電場預(yù)測誤差的分布規(guī)律對每個場景發(fā)生的概率 進行估計，
[0017] 第i個場景發(fā)生的概率乂W為：
[0019] 式中：
為第τ時段
情況發(fā)生的條件概率；
為第1時段
發(fā)生的概率；
[0020] S104,根據(jù)各場景發(fā)生的概率對風(fēng)電場場景進行篩選，通過設(shè)定場景概率閾值，僅 保留概率高于該閾值的場景形成具有代表性的典型場景集合；
[0021] S105,假設(shè)系統(tǒng)中包含S個風(fēng)電場，則對所有風(fēng)電場s的典型場景集Pgw〇3)進行組 合，得到整個系統(tǒng)的典型場景集組合Pgw= {Pgw(l)，Pgw (2)，...，Pgw(Hi)K其中
，并計 算各典型場景Ρ^α)發(fā)生的概率P1gw，其值等于組成該典型場景的各風(fēng)電場場景概率的乘 積。
[0022] 進一步地，所述步驟S2包括以下步驟：
[0023] S201，在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電機的定子側(cè)繞組直接接入電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)繞組則 通過兩個背靠背連接的PWM變換器與電網(wǎng)相連；采用定子磁鏈定向矢量控制方式時，電機 定子側(cè)輸出無功功率的上、下限值分別為：
[0025] 式中：P_為風(fēng)力機輸入的機械功率；s為轉(zhuǎn)差率；Us為定子繞組電壓；L ni為勵磁電 感；LS為定子繞組電感;w i為同步旋轉(zhuǎn)角速度；I "ax為轉(zhuǎn)子電流最大值；I s_為電機定子繞 組電流最大值；
[0026] S202,對于轉(zhuǎn)子側(cè)，設(shè)轉(zhuǎn)子網(wǎng)側(cè)變換器的額定容量為S。，電機轉(zhuǎn)子側(cè)輸出無功功率 的上、下限值分別為：
[0029] S203,綜合考慮雙饋型風(fēng)電機組定、轉(zhuǎn)子側(cè)的無功輸出特性，得到電機整體的無功 輸出功率極限為：
[0032] S204,對每個風(fēng)電場典型場景下各時段的風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)容量進行計算，對風(fēng)電 場s在第i個場景下時段τ進行風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)容量計算時，則機械輸入功率P nre。取為該 時段風(fēng)電場的有功出力。
[0033] 進一步地，所述步驟S3包括以下步驟：
[0034] S301，電網(wǎng)中運行的同步發(fā)電機無功輸出功率主要受到定子繞組溫升約束、勵磁 繞組溫升約束和靜態(tài)穩(wěn)定運行極限約束，綜合考慮上述約束條件得到同步發(fā)電機無功輸出 功率上、下限值分別為：
[0037] 式中：Ue為發(fā)電機端電壓（在計算中可取為本電壓等級的1.05倍額定電壓）；X d 為發(fā)電機直軸電抗；Eqniax為最大空載電勢；Pti為發(fā)電機有功輸出功率；/；Γ為定子電流最大 值；δ _為功角最大值；
[0038] S302,在風(fēng)電場典型場景i下，根據(jù)有功優(yōu)化調(diào)度結(jié)果得到τ時段同步發(fā)電機r 的有功出力
[0039] 進一步地，所述步驟S4包括以下步驟：
[0040] S401，建立目標(biāo)函數(shù)：無功優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為：
[0042] 式中：Eplciss為各典型場景下所有時段的系統(tǒng)網(wǎng)損期望值;m為場景數(shù)；'為第i 個場景對應(yīng)的概率；T為一個周期內(nèi)的時段數(shù)；為場景i下第τ個時段的網(wǎng)損；
[0043] S402,確定約束條件，所述約束條件包括：
[0044] (1)所有場景下各時段系統(tǒng)節(jié)點的有功和無功功率平衡方程：
[0047] (2)所有場景下各時段系統(tǒng)節(jié)點電壓幅值約束：
[0049] (3)各時段雙饋型機組風(fēng)電場無功出力滿足所有場景下的無功調(diào)節(jié)范圍約束：
[0051] (4)各時段同步發(fā)電機無功出力滿足所有場景下的無功調(diào)節(jié)范圍約束：
[0053] (5)所有場景下各時段同步發(fā)電機AVR無功調(diào)節(jié)特性約束：
[0055] (6)離散調(diào)節(jié)設(shè)備檔位上下限及動作次數(shù)約束：
[0058] 式中：上標(biāo)& τ)表示第i個場景時段τ各變量的取值情況，N為系統(tǒng)節(jié)點個數(shù)， S為雙饋型機組風(fēng)電場的個數(shù)，R為同步發(fā)電機個數(shù)，C為離散調(diào)節(jié)設(shè)備數(shù)，
為 所有注入節(jié)點j的有功、無功功率之和；、Ujnun、Ujniax為節(jié)點j的電壓及其上、下限值；
分別為第S個風(fēng)電場的無功輸出功率上、下限值；
別為第r臺同步發(fā)電機無功輸出功率上、下限值；
表示時段τ風(fēng)電場S和同步 發(fā)電機r的無功出力；噸;：!和Ucow為第r臺同步發(fā)電機的機端母線電壓及其基準(zhǔn)值；