本發(fā)明屬于電力企業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種考慮風(fēng)電機(jī)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(biāo)的重要判據(jù)。一般認(rèn)為，電網(wǎng)只要各個(gè)時(shí)段內(nèi)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，就可以認(rèn)為系統(tǒng)電壓是合格的。然而，隨著以風(fēng)電為代表的新能源廣泛接入電網(wǎng)，由于其出力具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，從而造成了并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)甚至是超過規(guī)定范圍造成靜態(tài)電壓的不合格，這也嚴(yán)重限制了風(fēng)電等新能源的接入和消納。

目前，國(guó)內(nèi)大部分的風(fēng)電場(chǎng)主要采用雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組(DFIG)和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組(DWTG)，其運(yùn)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(jiǎn)單，但無法解決風(fēng)速變化引起的風(fēng)電場(chǎng)母線和并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)問題。為解決風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)問題，通常采用在風(fēng)電場(chǎng)出口母線上安裝大容量的電容器組或靜止無功補(bǔ)償裝置的方式來調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。因而，目前國(guó)內(nèi)大部分風(fēng)電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組的有功功率和無功功率的解耦控制。因而，風(fēng)電機(jī)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(jī)。

傳統(tǒng)技術(shù)方面，為改善雙饋風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)全局等效為PQ節(jié)點(diǎn)，再利用電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流模型進(jìn)行全局優(yōu)化處理，得到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓和風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行控制。顯然，在電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流研究層面，一般將風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值，通過處理優(yōu)化問題，得到風(fēng)電場(chǎng)的無功出力優(yōu)化值。然而，該做法忽略了風(fēng)電機(jī)組的電氣結(jié)構(gòu)約束，導(dǎo)致優(yōu)化后的風(fēng)電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)目的。然而，面對(duì)風(fēng)電機(jī)組的電氣結(jié)構(gòu)約束，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在有功功率為最大值的情況下，由于逆變器容量限制導(dǎo)致了其無功功率輸出幾乎為零。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種考慮風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組電氣結(jié)構(gòu)約束，克服傳統(tǒng)技術(shù)中風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)中存在的問題，利用構(gòu)建的模型實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)電壓的有效控制。

一種考慮風(fēng)電機(jī)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(gè)步驟：

步驟1：根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行要求，建立全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值，V_i.min和V_i.max表示電網(wǎng)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓幅值安全運(yùn)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(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速大小，通過電網(wǎng)量測(cè)系統(tǒng)獲得當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)的有功功率；

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

其中，S_w表示風(fēng)電場(chǎng)等效的視在功率容量，Q_w表示風(fēng)電場(chǎng)的無功功率輸出，P_w表示風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)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(biāo)函數(shù)：min f＝f₁+f₂

其中，V_i和V_j分別表示第i個(gè)和第j個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)導(dǎo)納矩陣中第i個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間所在線路的電導(dǎo)參數(shù)和電納參數(shù)；δ_ij表示電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)總數(shù)；σ_i表示對(duì)第i個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(gè)風(fēng)電場(chǎng)有功功率出力；P_G.max表示第i個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)數(shù)目；

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

進(jìn)一步地，所述最優(yōu)潮流模型的交流潮流等式約束如下：

進(jìn)一步地，所述最優(yōu)潮流模型的同步發(fā)電機(jī)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(tái)同步電機(jī)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(tái)同步電機(jī)的有功功率上界和下界；Q_Gi.min和Q_Gi.max分別表示第i臺(tái)同步電機(jī)的有功功率上界和下界。

進(jìn)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(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)得到。

進(jìn)一步地，所述最優(yōu)潮流模型中包含有節(jié)點(diǎn)特性的等式約束。

有益效果

本發(fā)明提出了一種考慮風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的電氣結(jié)構(gòu)約束，得到具體運(yùn)行場(chǎng)景下的風(fēng)電機(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的有功電壓調(diào)節(jié)。主要通過建立考慮風(fēng)電機(jī)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(biāo)函數(shù)增加了一項(xiàng)風(fēng)電機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)的公式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)來滿足靜態(tài)電壓約束。一方面，風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電壓的有效控制，避免部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過大的電壓偏移。通過典型系統(tǒng)仿真算例對(duì)仿真算例進(jìn)行分析，驗(yàn)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(jià)值和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為風(fēng)電機(jī)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(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行流程示意圖；

圖4為算例一全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電壓；

圖5為算例二全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)靜態(tài)電壓。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)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(fēng)電機(jī)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(gè)步驟：

步驟1：根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行要求，建立全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值，V_i.min和V_i.max表示電網(wǎng)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓幅值安全運(yùn)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(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速大小，通過電網(wǎng)量測(cè)系統(tǒng)獲得當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)的有功功率；

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

其中，S_w表示風(fēng)電場(chǎng)等效的視在功率容量，Q_w表示風(fēng)電場(chǎng)的無功功率輸出，P_w表示風(fēng)電場(chǎng)的有功功率輸出，且

由于風(fēng)電的有功功率與風(fēng)速有關(guān)，因而P_w無功功率輸出約束與風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)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(biāo)函數(shù)：min f＝f₁+f₂

其中，V_i和V_j分別表示第i個(gè)和第j個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)導(dǎo)納矩陣中第i個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間所在線路的電導(dǎo)參數(shù)和電納參數(shù)；δ_ij表示電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)總數(shù)；σ_i表示對(duì)第i個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(gè)風(fēng)電場(chǎng)有功功率出力；P_G.max表示第i個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)數(shù)目；

步驟5：利用非線性規(guī)劃算法求解設(shè)定運(yùn)行要求場(chǎng)景下的最優(yōu)潮流模型，得到具體電力元件的優(yōu)化值，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(tái)同步電機(jī)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(tái)同步電機(jī)的有功功率上界和下界；Q_Gi.min和Q_Gi.max分別表示第i臺(tái)同步電機(jī)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(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)得到。

所述最優(yōu)潮流模型中包含有節(jié)點(diǎn)特性的等式約束。

利用本發(fā)明所提出的電網(wǎng)運(yùn)行流程圖如附圖3所示，為更好模擬實(shí)際電網(wǎng)中出現(xiàn)高壓低壓?jiǎn)栴}，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IEEE30節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了修改。與標(biāo)準(zhǔn)IEEE30節(jié)點(diǎn)相比：將11,13節(jié)點(diǎn)的火電機(jī)組替換為小水電，其為恒功率因數(shù)運(yùn)行；增加兩座風(fēng)電場(chǎng)于31,33節(jié)點(diǎn)，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為50MW。

1)風(fēng)電造成的靜態(tài)電壓偏移仿真

為了更好地模擬風(fēng)電場(chǎng)的隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電壓的影響，這里選取兩種典型場(chǎng)景作為仿真算例，算例一為31,33節(jié)點(diǎn)風(fēng)電出力為0.1+j0p.u.時(shí)，全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓分布；算例二為31,33節(jié)點(diǎn)風(fēng)電出力為0.9+j0p.u.時(shí)，全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓分布。

在圖4中，由于兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)位于電網(wǎng)的末端，當(dāng)負(fù)荷較重且風(fēng)電出力較小時(shí)，在末端節(jié)點(diǎn)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(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力較小且負(fù)荷較重時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)靜態(tài)電壓偏低的情況。

在圖5中，當(dāng)位于電網(wǎng)末端的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)接近滿發(fā)時(shí)，其末端節(jié)點(diǎn)會(huì)由于節(jié)點(diǎn)注入風(fēng)電的有功功率而導(dǎo)致電壓過高，尤其在末端節(jié)點(diǎn)附近，其靜態(tài)電壓遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓要求的1.10p.u.(圖中虛線所示)。因而，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接近滿發(fā)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)靜態(tài)電壓偏高的情況。

可見，由于風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性，且在現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)恒功率因數(shù)的調(diào)度策略下，會(huì)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(diǎn)靜態(tài)電壓不合格的現(xiàn)象。本發(fā)明把風(fēng)電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)部分節(jié)點(diǎn)電壓的控制和優(yōu)化。

2)風(fēng)電機(jī)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(duì)算例一和算例二進(jìn)行仿真計(jì)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(diǎn)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(diǎn)靜態(tài)電壓偏移過大的問題。根據(jù)最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)可以看出，以減小全網(wǎng)的有功損耗為優(yōu)化目標(biāo)，利用風(fēng)電場(chǎng)的無功調(diào)節(jié)能力，同時(shí)加入了節(jié)點(diǎn)電壓約束，使得全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電壓水平進(jìn)一步得到優(yōu)化。由于網(wǎng)絡(luò)損耗與節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間的電壓向量差，從而緩解網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點(diǎn)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(shí)。在圖6中，原本由于風(fēng)電少發(fā)造成的末端節(jié)點(diǎn)電壓偏低的問題，在通過最優(yōu)潮流的計(jì)算后得到了解決，風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電大發(fā)造成的末端節(jié)點(diǎn)電壓嚴(yán)重偏高的問題，在通過最優(yōu)潮流的計(jì)算后也得到了解決，風(fēng)電場(chǎng)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(shí)也減小了部分有功功率，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)靜態(tài)電壓的條件。

總之，通過對(duì)IEEE30節(jié)點(diǎn)的仿真計(jì)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(shí)，具有無功調(diào)節(jié)能力的風(fēng)電場(chǎng)可以參與到電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流的計(jì)算中，通過調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率和無功功率輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)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(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)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(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。