本發(fā)明涉及新能源大規(guī)模接入系統(tǒng)中無功電壓調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于靈敏度的風電場無功調(diào)節(jié)優(yōu)先級選擇方法。

背景技術(shù)：

我國新能源大規(guī)模集群式發(fā)展，對于電網(wǎng)來說帶來了很多挑戰(zhàn)。近幾年來隨著風電并網(wǎng)容量直線上升，隨之而來的無功電壓運行和控制問題也更加復(fù)雜。通過對不同風電機組和各種無功補償設(shè)備的無功電壓特性研究可以看出，對于大規(guī)模風電接入的電網(wǎng)的無功電壓控制需要風電場互相協(xié)調(diào)配合。

在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺陷:首先對于大規(guī)模風電并入的系統(tǒng)，在無功電壓就地控制時無功補償設(shè)備往往不能滿足電壓穩(wěn)定運行的要求；其次除了鼠籠式風電機組以外，其他風電機組均具有良好的無功補償能力，但無功補償容量較少；大規(guī)模風電場集群并入電網(wǎng)的系統(tǒng)，多風電機組投入無功電壓控制時亟需一套協(xié)調(diào)控制策略以期實現(xiàn)風電場間的互相協(xié)調(diào)配合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種基于靈敏度的風電場無功調(diào)節(jié)優(yōu)先級選擇方法，以期獲得某風電場并網(wǎng)點母線電壓與其相的風電場輸出無功功率的靈敏度系數(shù)，以實現(xiàn)在無功電壓就地控制時風電場之間的互相協(xié)調(diào)配合。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于靈敏度的風電場無功調(diào)節(jié)優(yōu)先級選擇方法，主要包括：

步驟1：計算潮流列出節(jié)點功率平衡方程；

步驟2：通過對節(jié)點功率方程中變量劃分為擾動變量，狀態(tài)變量，控制變量，獲得靈敏度矩陣S_xu，S_xp；

步驟3：通過靈敏度矩陣和節(jié)點功率平衡方程求得風電場i的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度S₁和風電場j的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度S₂；通過獲得風電場并網(wǎng)點電壓與其相鄰風電場之間的靈敏度，最終獲得大規(guī)模風電場無功電壓就地調(diào)節(jié)，互相補償?shù)娘L電場動作的優(yōu)先級順序。

進一步地，步驟1中，所述節(jié)點功率平衡方程的計算步驟包括：

設(shè)電力系統(tǒng)中節(jié)點i的發(fā)電機功率為P_Gi+jQ_Gi，負荷功率為P_LDi+jQ_LDi，以極坐標表示節(jié)點電壓時，節(jié)點的功率平衡方程為：

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_i∑U_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_i∑U_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0 (1)

式(1)中，ΔP_i,ΔQ_i為注入節(jié)點i的有功功率和無功功率；

P_Gi,Q_Gi為注入節(jié)點i的發(fā)電機有功功率和無功功率；

P_LDi,Q_LDi為注入節(jié)點i的負荷有功功率和無功功率；

U_i,U_j為節(jié)點i的電壓；

G_ij+jB_ij為節(jié)點i、j之間的導(dǎo)納；

δ_ij為節(jié)點i、j之間的電壓相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j。

進一步地，步驟2中，獲得靈敏度矩陣的S_xu，S_xp的計算步驟包括：

若以p、u、x分別表示擾動變量、控制變量和狀態(tài)變量，電力系統(tǒng)節(jié)點功率平衡方程可表示為：

f(x,u,p)＝0 (2)

式(2)中p——擾動變量；

u——控制變量；

x——狀態(tài)變量；

設(shè)包含風電場區(qū)域運行在狀態(tài)(x(0),u(0),p(0))下，如某一風電場有功出力波動Δp，常規(guī)發(fā)電機做了相應(yīng)的調(diào)整Δu，系統(tǒng)相應(yīng)發(fā)生了狀態(tài)偏離Δx，則系統(tǒng)的功率平衡方程應(yīng)為：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0 (3)

式中x(0),u(0),p(0)——系統(tǒng)運行狀態(tài)，母線運行電壓，風電場有功出力；

Δx——系統(tǒng)狀態(tài)變化量；

Δu——電壓變化量；

Δp——風電場有功出力變化量；

假設(shè)穩(wěn)態(tài)情況下各變量的變化很小，以至可忽略其二階及以上的各項，則式(3)可以展開化簡為：

式(4)中均為雅可比矩陣；

將基于狀態(tài)(x(0),u(0),p(0))的矩陣、矩陣和矩陣分別簡記為J_x、J_u和J_p，則有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0 (5)

式中J_x、J_u、J_p均為雅可比矩陣；

上式(5)稱為靈敏度方程，由該式可解出狀態(tài)變量的偏離值：

式中為靈敏度矩陣；

為靈敏度矩陣。

進一步地，步驟3中，獲得風電場并網(wǎng)點電壓與其相鄰風電場之間的靈敏度計算步驟包括：

設(shè)J為系統(tǒng)極坐標形式的全階雅可比矩陣，ΔY和ΔX分別為系統(tǒng)注入變化量和狀態(tài)變化量，將ΔY分成兩部分，即：ΔY＝[ΔY_IΔY_N]^T，對應(yīng)的ΔX則變?yōu)棣＝[ΔX_IΔX_N]^T，相應(yīng)地將J劃分為4部分，即：

式(7)中J_II、J_IN、J_NI、J_NN——部分全階雅克比矩陣，

注入量與狀態(tài)變化量之間的關(guān)系為

式(8)中，

ΔY_I——被控風電場接入地區(qū)節(jié)點的注入變化量；

ΔX_I——被控風電場接入地區(qū)節(jié)點的狀態(tài)變化量；

ΔY_N——其余節(jié)點的注入變化量；

ΔX_N——其余節(jié)點的狀態(tài)變化量，

設(shè)ΔY_N＝0，即實際注入量只包含ΔY_I，則由式(8)可推出：

由于J_NN非奇異從而可得：

對J_SI求逆得：

則被控風電場接入點地區(qū)節(jié)點之間的關(guān)系為

式中 ΔU_w——風電場出口節(jié)點的電壓；

Δθ_w——風電場出口節(jié)點的相角變化向量；

ΔU_c——接入點的電壓；

Δθ_c——接入點的相角變化向量；

ΔP_W——風電場出口節(jié)點注入有功變化向量；

ΔQ_W——風電場出口節(jié)點注入無功變化向量；

ΔP_C——接入點注入有功變化向量；

ΔQ_C——接入點注入無功變化向量，

無功功率與電壓的靈敏度關(guān)系，則由式(12)和式(13)可得風電場i的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度關(guān)系為

S₁＝A_2m+n+i,m+n+j (14)

式(14)中S₁——風電場i的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度。

風電場j的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度關(guān)系為

S₂＝A_m+j,m+n+j (15)

式(15)中S₂——風電場j的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度。

本發(fā)明各實施例的一種基于靈敏度的風電場無功調(diào)節(jié)優(yōu)先級選擇方法，由于主要包括：通過無功-電壓靈敏度矩陣和節(jié)點功率平衡方程求得風電場并網(wǎng)點電壓與其相鄰風電場之間的靈敏度，即可獲得大規(guī)模風電場無功電壓就地調(diào)節(jié)，互相補償?shù)娘L電場動作的優(yōu)先級順序；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中風電場群無功就地控制無序、滯后等問題。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。

下面通過實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

具體實施方式

以下結(jié)合對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應(yīng)當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

具體地，基于靈敏度的風電場優(yōu)先級選擇法是由于不同執(zhí)行站發(fā)出的無功對并網(wǎng)點電壓響應(yīng)特性不同。因此，為了讓執(zhí)行站能夠盡可能準確快速地參與系統(tǒng)電壓控制的核心就是能夠估算出風電場輸出無功功率的變化引起的相關(guān)節(jié)點電壓變化，即兩者之間的靈敏度關(guān)系。計算出靈敏度系數(shù)后，選取對并網(wǎng)點母線電壓靈敏度最高的執(zhí)行站。主要包括：

第一步：節(jié)點功率平衡方程；設(shè)電力系統(tǒng)中節(jié)點i的發(fā)電機功率為P_Gi+jQ_Gi，負荷功率為P_LDi+jQ_LDi，以極坐標表示節(jié)點電壓時，節(jié)點的功率平衡方程為

ΔP_i＝P_Gi-P_LDi-U_i∑U_j(G_ijcosδ_ij+B_ijsinδ_ij)＝0

ΔQ_i＝Q_Gi-Q_LDi-U_i∑U_j(G_ijsinδ_ij-B_ijcosδ_ij)＝0 (1)

式中：

ΔP_i,ΔQ_i——注入節(jié)點i的有功功率和無功功率；

P_Gi,Q_Gi——注入節(jié)點i的發(fā)電機有功功率和無功功率；

P_LDi,Q_LDi——注入節(jié)點i的負荷有功功率和無功功率；

U_i,U_j——節(jié)點i的電壓；

G_ij+jB_ij——節(jié)點i、j之間的導(dǎo)納；

δ_ij——節(jié)點i、j之間的電壓相角差，δ_ij＝δ_i-δ_j。

第二步：靈敏度方程，獲得靈敏度矩陣；若以p、u、x分別表示擾動變量、控制變量和狀態(tài)變量。電力系統(tǒng)節(jié)點功率平衡方程可表示為：

f(x,u,p)＝0 (2)

式中 p——擾動變量；

u——控制變量；

x——狀態(tài)變量。

設(shè)包含風電場區(qū)域運行在狀態(tài)(x(0),u(0),p(0))下，如某一風電場有功出力波動Δp，常規(guī)發(fā)電機做了相應(yīng)的調(diào)整Δu，系統(tǒng)相應(yīng)發(fā)生了狀態(tài)偏離Δx，則系統(tǒng)的功率平衡方程應(yīng)為：

f(x⁽⁰⁾+Δx,u⁽⁰⁾+Δu,p⁽⁰⁾+Δp)＝0 (3)

式中x(0),u(0),p(0)——系統(tǒng)運行狀態(tài)，母線運行電壓，風電場有功出力；

Δx——系統(tǒng)狀態(tài)變化量；

Δu——電壓變化量；

Δp——風電場有功出力變化量。

假設(shè)穩(wěn)態(tài)情況下各變量的變化很小，以至可忽略其二階及以上的各項，則式3-10可以展開化簡為：

式中——雅可比矩陣。

如將基于狀態(tài)(x(0),u(0),p(0))的矩陣分別簡記為J_x、J_u、J_p，則有

J_xΔx+J_uΔu+J_pΔp＝0 (5)

式中J_x、J_u、J_p——雅可比矩陣。

上式稱為靈敏度方程，由該式可解出狀態(tài)變量的偏離值：

式中——靈敏度矩陣；

——靈敏度矩陣。

第三步：并網(wǎng)點電壓與無功源輸出無功功率的靈敏度

對于任意給定變化量的控制變量或擾動變量，采用上式均可求得各狀態(tài)變量的變化量。

將上述方法應(yīng)用于電力系統(tǒng)，求得無功-電壓靈敏度矩陣。本文只關(guān)注部分節(jié)點，將電力系統(tǒng)中的無功補償安裝點，負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點作為注入節(jié)點，將全階雅克比矩陣進行降階，具體的求取方法如下：

設(shè)J為系統(tǒng)極坐標形式的全階雅可比矩陣，ΔY和ΔX分別為系統(tǒng)注入變化量和狀態(tài)變化量，將ΔY分成兩部分，即：ΔY＝[ΔY_IΔY_N]^T，對應(yīng)的ΔX則變?yōu)棣＝[ΔX_IΔX_N]^T。相應(yīng)地將J劃分為4部分，即：

式中J_II、J_IN、J_NI、J_NN——部分全階雅克比矩陣。

注入量與狀態(tài)變化量之間的關(guān)系為

式中 ΔY_I——被控風電場接入地區(qū)節(jié)點的注入變化量；

ΔX_I——被控風電場接入地區(qū)節(jié)點的狀態(tài)變化量；

ΔY_N——其余節(jié)點的注入變化量；

ΔX_N——其余節(jié)點的狀態(tài)變化量。

設(shè)ΔY_N＝0，即實際注入量只包含ΔY_I，則由式3-15可推出：

由于J_NN非奇異從而可得：

對J_SI求逆得：

則被控風電場接入點地區(qū)節(jié)點之間的關(guān)系為

式中 ΔU_w——風電場出口節(jié)點的電壓；

Δθ_w——風電場出口節(jié)點的相角變化向量；

ΔU_c——接入點的電壓；

Δθ_c——接入點的相角變化向量；

ΔP_W——風電場出口節(jié)點注入有功變化向量；

ΔQ_W——風電場出口節(jié)點注入無功變化向量；

ΔP_C——接入點注入有功變化向量；

ΔQ_C——接入點注入無功變化向量。

本文只研究無功功率與電壓的靈敏度關(guān)系，則由式(12)和式(13)可得風電場i的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度關(guān)系為

S₁＝A_2m+n+i,m+n+j (14)

式中S₁——風電場i的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度。

風電場j的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度關(guān)系為

S₂＝A_m+j,m+n+j (15)

式中S₂——風電場j的電壓關(guān)于風電場j的輸出無功功率變化的靈敏度。

至少可以達到以下有益效果：首先當某風電場無功補償設(shè)備用盡時，還可以利用風電機組進行無功補償，作為無功電壓控制的最后一道防線；其次通過基于靈敏度的風電場無功調(diào)節(jié)優(yōu)先級選擇方法，對大規(guī)模風電場群提出了一套風電場之間無功電壓協(xié)調(diào)控制方法，以期達到風電場無功電壓就地控制的高效性和快速性。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。