专利名称：一种新能源外送系统的facts设备协调控制方法
技术领域：
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法。
背景技术：
随着新疆与西北主网联网第二通道建成，将形成第一通道一第二通道一海西通道总长度接近3000公里的750千伏双环网。该通道上串有酒泉、哈密两个千万千瓦级大型风电基地和海西光伏基地。这些地区的新能源开发呈现大规模、高集中、远距离的特点，发展迅速。随着新能源大规模馈入，风功率大范围、高频度的波动造成新疆与西北联网的两个通道上潮流波动频繁，无功电压控制困难。采用常规的低压无功补偿设备无法满足频繁投切的要求，需要采用动态无功补偿设备。根据规划论证，新疆与西北联网第二通道规划装设多套容量新型FACTS装置。其中，沙州 鱼卡两回线路共配置4组线路分级式可控电抗器，每 组容量390Mvar，固定容量39Mvar，可调容量351Mvar，三级可调，单级容量117Mvar ;沙州站变压器第三绕组侧配置静止无功补偿器SVC (360Mvar容性,360Mvar感性)；鱼卡站母线配置330Mvar磁阀式母线可控高抗，固定容量为16. 5Mvar，连续可调。目前，750kV可控电抗器和SVC独立的控制策略国内已有研究，但多FACTS设备之间的协调控制策略在国内尚属空白。中国750kV敦煌站可控高抗示范工程是世界首套750kV风电集中送出系统应用的可控高抗工程，该工程于2012年I月5日成功投运。针对敦煌750kV可控电抗器，中国电科院系统所提出了基于无功需求增量和母线边界电压的可控电抗器内外双层控制策略，控制策略实际中应用良好，对于抑制母线电压波动、降低线路无功损耗、在暂态过程中实现母线电压动态支撑、减少站内低压无功补偿装置的动作次数和减轻站内运行压力方面作用明显。静止无功补偿器SVC作为无功补偿、抑制电压波动的有效手段，目前已广泛地应用于中、高压电网以及超高压电网中，并积累了多年的运行经验。SVC主要用于在故障后暂态过程中为电网提供紧急无功功率补偿以增强电网电压支撑以改善电网的安全稳定性，同时常态运行中提供连续的无功功率调节以抑制电压的波动。SVC —般采用基于电压的控制策略，通过连续的调节，可以维持SVC所在母线电压恒定。新疆与西北主网联网第二通道共装设5套750kV可控高抗、I套66kV SVC，是世界上首次在750kV输电系统集中应用新型大容量FACTS设备。实现可控高抗群之间的协调优化控制、可控高抗与SVC之间的协调优化控制，对于有效抑制由于新能源波动造成的二通道输电系统无功电压频繁波动非常关键。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，分为内层控制、夕卜层控制和最外层控制，其中，最外层控制优先级高于外层控制，外层控制优先级高于内层控制。内层控制保证变电站电压能精确控制在某个值或某个范围内，外层控制和最外层控制在系统出现大扰动时提供紧急无功支撑，保证变电站电压能够迅速恢复至允许范围内。三层电压控制结合的方法能够高精度、高效地集中协调控制多个FACTS设备动作，工程适应性很强。为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案本发明提供一种新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，所述方法包括内层控制、外层控制和最外层控制；所述内层控制将变电站电压精确控制在电压目标值或电压控制带内；在新能源外送系统出现大扰动时外层控制和最外层控制提供紧急无功支撑，使变电站电压能够迅速恢复至允许范围内。所述新能源外送系统为新疆与西北主网联网第二通道，风电和太阳能由联网通道外送，所述联网通道上装设FACTS设备；其中，在联网通道沿线的沙州站主变第三绕组侧装设66kV静止无功补偿器,在鱼卡开关站母线侧装设磁控式母线可控高抗,在沙州 鱼卡线路双回线路两侧装设分级式可控高抗。所述内层控制中，内层电压控制每隔I分钟循环一次；沙州站和鱼卡站内层控制 设置时延30s，以避免沙州站和鱼卡站线路分级式可控高抗同时动作。所述内层电压控制以变电站母线电压为输入量，输入沙州站控制电压目标值Vp鱼卡站控制电压目标值V2、沙州母线电压控制带[V1-AV1JAAV1]和鱼卡母线电压控制带[V2-AV2, V2+AV2], AV1和AV2分别为沙州站和鱼卡站允许的母线电压偏差，VpV2、AV1和AV2的数值由用户确定。内层电压控制时，优先发挥沙州静止无功补偿器、鱼卡磁控式可控高抗的跟随式调节作用，将沙州站电压和鱼卡站电压分别控制在V1和V2 ；当静止无功补偿器、磁控式可控高抗已达到最大/最小容量，沙州/鱼卡母线电压仍不在电压控制带内，此时站内的线路可控高抗触发动作；为减少设备损耗，可控高抗控制触发时，沙州站线路可控高抗I和II交替动作，鱼卡站线路可控高抗I和II交替动作，每次动作一级；当站内一组线路可控高抗I动作一级后，若监控母线电压仍不在允许电压控制带内时，则发触发指令给本站另一组线路可控高抗II，可控高抗II动作一级，若此时可控高抗II故障或已达到最大/最小容量，则发触发指令给可控高抗I，可控高抗I再动作一级；当站内一组线路可控高抗I需要动作，但由于可控高抗I自身故障或者已达到最大/最小容量，则发触发指令给本站另一组线路可控高抗II，可控高抗II动作一级，可控高抗II动作一级后，若监控母线电压仍不在允许电压控制带内时，则可控高抗II需要再动作一级。所述外层控制以变电站母线电压为输入量，输入外层电压上边界U1和外层电压下边界U2，外层电压上边界U1和外层电压下边界U2由用户确定；外层控制实时监测电压，当新能源外送系统中出现大的扰动，连续5s监测到母线电压在[U2，U1]之外，站内两组线路可控高抗I和可控高抗II同时切除或投入一级容量，此时静止无功补偿器和磁控式可控高抗在5s的监测时间之内已经动态调节完毕，达到其最大/最小容量，线路可控高抗动作完毕后，再开始下一次循环计时；当发生区内故障时，即沙州 鱼卡线路故障，则优先电磁暂态控制；若58的监测时间之内，站内协调控制器和线路可控高抗接收到沙州 鱼卡线路继电保出口信号或断路器位置接点信号，则闭锁外层控制，启动电磁暂态控制策略，将两侧线路可控高抗投至最大容量，待电磁暂态控制结束后，转回外层控制。
所述最外层电压控制以变电站母线电压为输入量，输入最外层电压控制上限U’，U，的数值由用户确定；最外层电压控制实时监测系统电压，一旦监测到电压高于U’，站内两组线路分级式可控高抗立即动作至最大容量，以抑制系统高压。所述最外层控制优先级高于外层控制，外层控制优先级高于内层控制。与现有技术相比，本发明的有益效果在于
I.本发明的方法直接以电压为控制目标，物理意义明确，简单直观。2.本发明将连续调压的FACTS设备(包括静止无功补偿器和磁控式母线可控高抗)与分级动作的线路可控高抗有效协调。当风功率波动引起系统电压变化时，连续调压设备优先动作，发挥其跟随调压功能，将电压精确控制在目标值。当连续调压设备已经调整至最大/最小容量，变电站电压仍超出控制范围时，此时分级式线路可控高抗再动作，将电压控制在合理范围内。控制方法充分发挥SVC、磁控式母线可控高抗的连续跟随调压功能，避免了分级式可控高抗的频繁动作，显著提高各FACTS设备的动作精度和利用效率。3.本发明采用三层电压控制，最外层控制优先于外层控制，外层控制优先于内层控制，不同的控制层中分级式可控高抗采取不同的动作原则。内层控制中，每次允许变电站内一组分级式可控高抗动作一级；外层控制中，每次允许变电站内两组分级式可控高抗同时动作一级；最外层控制中，每次允许变电站内两组分级式可控高抗同时动作至最大容量。采取不同的分级式可控高抗动作原则，既可以在内层控制时减少可控高抗的动作频度和对系统的冲击，又可以在外层控制和最外层控制时为系统提供紧急无功支撑。三层控制相结合的方法使得可控高抗动作合理性显著提高，为可控高抗在大规模新能源外送的输电系统中发挥作用提供了保障，具有广阔的应用前景。
图I是新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法示意图；图2是本发明实施例中沙州站外层控制策略示意图；图3是本发明实施例中鱼卡站外层控制策略示意图；图4是本发明实施例中沙州站最外层控制策略示意图；图5是本发明实施例中鱼卡站最外层控制策略示意图；图6是本发明实施例中新疆与西北主网联网第二通道示意图；图7是本发明实施例中2013年夏大方式下风电均匀波动时沙州侧线路可控高抗动作图；图8是本发明实施例中2013年夏大方式下风电均匀波动时鱼卡侧线路可控高抗动作图；图9是本发明实施例中2013年夏大方式下风电均匀波动时沙州SVC动作图；图10是本发明实施例中2013年夏大方式下风电均匀波动时鱼卡母线可控高抗动作图；图11是本发明实施例中2013年夏大方式下风电均匀波动时沙州站和鱼卡站750kV侧电压变化图(kV)；图12是本发明实施例中2013年夏大基础方式下敦煌 酒泉线路N-2故障后沙州站电压变化图(kV)；
图13是本发明实施例中2013年夏大基础方式下敦煌 酒泉线路N-2故障后鱼卡站电压变化图(kV)；图14是本发明实施例中2013年冬大极限方式下甘肃风电脱网后沙州站电压变化图(kV)；图15是本发明实施例中2013年冬大极限方式下甘肃风电脱网后鱼卡站电压变化图(kV)。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1，本发明提供一种新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，所述方法包括内层控制、外层控制和最外层控制；所述内层控制将变电站电压精确控制在电压目标值或电压控制带内；在新能源外送系统出现大扰动时外层控制和最外层控制提供紧急无功支 撑，使变电站电压能够迅速恢复至允许范围内。所述内层控制中，内层电压控制每隔I分钟循环一次；沙州站和鱼卡站内层控制设置时延30s，以避免沙州站和鱼卡站线路分级式可控高抗同时动作。所述内层电压控制以变电站母线电压为输入量，输入沙州站控制电压目标值Vp鱼卡站控制电压目标值V2、沙州母线电压控制带[V1-AV1JAAV1]和鱼卡母线电压控制带[V2-AV2, V2+AV2], AV1和AV2分别为沙州站和鱼卡站允许的母线电压偏差，VpV2、AV1和AV2的数值由用户确定。内层电压控制时，优先发挥沙州静止无功补偿器、鱼卡磁控式可控高抗的跟随式调节作用，将沙州站电压和鱼卡站电压分别控制在V1和V2 ；当静止无功补偿器、磁控式可控高抗已达到最大/最小容量，沙州/鱼卡母线电压仍不在电压控制带内，此时站内的线路可控高抗触发动作；为减少设备损耗，可控高抗控制触发时，沙州站线路可控高抗I和II交替动作，鱼卡站线路可控高抗I和II交替动作，每次动作一级；当站内一组线路可控高抗I动作一级后，若监控母线电压仍不在允许电压控制带内时，则发触发指令给本站另一组线路可控高抗II，可控高抗II动作一级，若此时可控高抗II故障或已达到最大/最小容量，则发触发指令给可控高抗I，可控高抗I再动作一级；当站内一组线路可控高抗I需要动作，但由于可控高抗I自身故障或者已达到最大/最小容量，则发触发指令给本站另一组线路可控高抗II，可控高抗II动作一级，可控高抗II动作一级后，若监控母线电压仍不在允许电压控制带内时，则可控高抗II需要再动作一级。如图2和图3，所述外层控制以变电站母线电压为输入量，输入外层电压上边界U1和外层电压下边界U2，外层电压上边界U1和外层电压下边界U2由用户确定；外层控制实时监测电压，当新能源外送系统中出现大的扰动，连续5s监测到母线电压在[U2，UJ之外，站内两组线路可控高抗I和可控高抗II同时切除或投入一级容量，此时静止无功补偿器和磁控式可控高抗在5s的监测时间之内已经动态调节完毕，达到其最大/最小容量，线路可控高抗动作完毕后，再开始下一次循环计时；当发生区内故障时，即沙州 鱼卡线路故障，则优先电磁暂态控制；若5s的监测时间之内，站内协调控制器和线路可控高抗接收到接收到沙州 鱼卡线路继电保出口信号或断路器位置接点信号，则闭锁外层控制，启动电磁暂态控制策略，将两侧线路可控高抗投至最大容量，待电磁暂态控制结束后，转回外层控制。如图4和图5，所述最外层电压控制以变电站母线电压为输入量，输入最外层电压控制上限U’，U’的数值由用户确定；最外层电压控制实时监测系统电压，一旦监测到电压高于U’，站内两组线路分级式可控高抗立即动作至最大容量，以抑制系统高压。如图6，所述新能源外送系统为新疆与西北主网联网第二通道，风电和太阳能由联网通道外送，所述联网通道上装设FACTS设备；其中，在联网通道沿线的沙州站主变第三绕组侧装设66kV静止无功补偿器，在开关站鱼卡母线侧装设磁控式母线可控高抗，在沙州 鱼卡线路双回线路两侧装设分级式可控高抗。基于BPA潮流计算程序进行控制策略仿真计算，考察所提新疆与西北联网第二通道多FACTS设备协调控制策略对于电压的控制效果。第二通道联网示意图如图7所示。
压的控制效果，计算算例采用2013年夏大方式规划数据。设置沙州站、鱼卡站的控制电压目标值V1 = 775kV，V2 = 770kV，沙州母线电压控制带为[770kV，780kV]，鱼卡母线电压控制带为[765kV，775kV]。考虑敦煌和酒泉风电从(MW均匀波动至3300丽，每300丽一级，风电波动时利用青海水电调峰以维持系统的功率平衡。仿真中，风电初始出力OMW时，二通道各FACTS设备安排发出最大感性无功，即沙州 鱼卡四组线路可控高抗安排在最大容量390Mvar，沙州站SVC安排在感性最大容量360Mvar，鱼卡站磁控式母线可控高抗安排在最大容量330Mvar，感性为“ + ”，容性为根据所述内层控制策略，沙州站内部两组线路可控高抗动作情况如图7所示，鱼卡站内部两组线路可控高抗动作情况如图8所示，沙州站SVC动作情况如图9所示，鱼卡站磁控式母线可控高抗动作情况如图10所示。沙州站和鱼卡站750kV侧电压变化情况如图11所示。从图中可以看出，沙州线路可控高抗I、可控高抗2交替动作，鱼卡可控高抗I、可控高抗2交替动作，可控高抗每次只动作一级。当可控高抗动作后，沙州SVC、鱼卡磁控式母线可控高抗将出现反向调节，将电压控制在目标值。图9中，当风电出力2400MW、3000MW、3300MW时，SVC出现反向调节。图10中，当风电出力1800MW、2400MW时,磁控式母线可控高抗出现反向调节。当风电出力0MT1500MW时，仅依靠沙州站SVC和鱼卡站磁控式母线可控高抗的跟随调压，能够将沙州站、鱼卡站电压控制在目标值。当风电出力1800MW，沙州电压在控制范围内，而鱼卡电压低于765kV，鱼卡一组可控高抗动作一级。当风电出力2100MW、2700MW时，沙州一组线路可控高抗动作一级，沙州和鱼卡电压都能恢复到控制范围内，鱼卡线路可控高抗无需动作。当风电出力2400MW、3300MW时，沙州可控高抗动作一级后，但鱼卡电压低于765kV，鱼卡可控高抗动作一级。当风电出力3000MW时，沙州一组线路可控高抗动作一级后，沙州电压仍低于770kV，沙州另一组线路可控高抗再动作一级，沙州电压恢复至控制范围内，鱼卡电压仍低于765kV，鱼卡一组可控高抗动作一级。采取所述多FACTS设备内层协调控制策略，沙州电压能精确控制在775kV，鱼卡电压在风电波动(T2400MW时能精确控制在770kV，鱼卡电压在风电波动2700MT3300MW时能控制在[765kV，770kV]范围内。其次，考察新疆与西北主网联网第二通道多FACTS设备外层协调控制策略对于电压的控制效果，计算算例采用2013年夏大基础方式规划数据。设置外层电压控制的上下边界为默认值，取U1=SOSkV, U2=745kV。仿真中，沙州 鱼卡线路两侧四组可控高抗均投入最大容量390Mvar，沙州SVC容量为OMvar，鱼卡磁控式母线可控高抗投入最大容量330Mvar。敦煌 酒泉N-2故障后，沙州站、鱼卡站母线电压变化如图12、13所示。新疆与西北联网第二通道沿线各站的电压变化如下表I所示。故障后沙州电压为736kV，鱼卡电压为709kV。考虑SVC的跟随调压作用，沙州电压恢复至750kV，鱼卡电压恢复至720kV，鱼卡电压仍低于外层电压控制下限745kV，启动外层控制，鱼卡侧两组线路可控高抗都切除一级，鱼卡电压恢复至734kV，仍低于745kV，启动下一轮外层控制，鱼卡侧两组线路可控高抗再切除一级，鱼卡电压恢复至748kV。表I
故障前故障后故障后SVC及可'g高抗动作后ftffi (kV) 母齡称电压电压SVC动作后，鱼卡两组SVC动作后，鱼卡两组线
(kV) (k￥) - ^ 线路可控高抗各切.级路可控高抗连续切两级
. 768.1745.!752.7__759.4__761.6_
沙州772.(,735.6749.5__755.2__760.7_
ι. k769.170h.7720.3734.3748.3
柴达木772.3707.771H.9__732__742.7_最后，考察新疆与西北主网联网第二通道多FACTS设备最外层协调控制策略对于电压的控制效果，计算算例采用2013年冬大极限方式规划数据。其中，敦煌风电接入3200MW，酒泉风电接入1000MW。设置最外层电压控制的上边界为默认值，取U’=830kV。仿真中，沙州SVC容量为OMvar，沙州 鱼卡线路两侧四组可控高抗均投入容量156Mvar (固定容量39Mvar+l级可控容量117Mvar)。设置酒泉风电场汇集侧玉门 嘉峪关三永N-I故障，模拟故障后甘肃4200MW风电全部脱网，沙州站和鱼卡站的电压变化情况如图14和图15所示。风电脱网后，考虑SVC跟随调压作用，沙州和鱼卡最高电压仍达到830kV之上，启动最外层控制策略，沙州站和鱼卡站两组线路可控高抗均投至最大容量390Mvar。可控高抗动作后电压能够恢复至合理范围内，沙州电压恢复至790kV，鱼卡电压恢复至790kV。动态无功补偿设备动作后引起的脱网故障后各站电压变化如下表2所示。表 2
电压/(kV)敦煌酒泉沙州鱼卡柴达木~
初始768770782787780
风电脱网后SVC和可控高抗均不动作830810840850845
风电脱网后仅SVC动作^5800820835835
风电脱网后SVC和可控高抗均动作790790790790800最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 ·
权利要求
1.一种新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于所述方法包括内层控制、外层控制和最外层控制；所述内层控制将变电站电压精确控制在电压目标值或电压控制带内；在新能源外送系统出现大扰动时外层控制和最外层控制提供紧急无功支撑，使变电站电压能够迅速恢复至允许范围内。
2.根据权利要求I所述的新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于所述新能源外送系统为新疆与西北主网联网第二通道，风电和太阳能由联网通道外送，所述联网通道上装设FACTS设备；其中，在联网通道沿线的沙州站主变第三绕组侧装设66kV静止无功补偿器，在鱼卡开关站母线侧装设磁控式母线可控高抗，在沙州 鱼卡双回线路两侧装设分级式可控高抗。
3.根据权利要求I所述的新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于所述内层控制中，内层电压控制每隔I分钟循环一次；沙州站和鱼卡站内层控制设置时延30s，以避免沙州站和鱼卡站线路分级式可控高抗同时动作。
4.根据权利要求3所述的新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于所述内层电压控制以变电站母线电压为输入量，输入沙州站控制电压目标值V1、鱼卡站控制电压目标值V2、沙州母线电压控制带[V1-Λ V1, V1+Λ V1]和鱼卡母线电压控制带[V2-AV2,V2+AV2],八％和AV2分别为沙州站和鱼卡站允许的母线电压偏差，Vp V2、八％和^2的数值由用户确定。
5.根据权利要求4所述的新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于内层电压控制时，优先发挥沙州静止无功补偿器、鱼卡磁控式可控高抗的跟随式调节作用，将沙州站电压和鱼卡站电压分别控制在V1和V2 ;当静止无功补偿器、磁控式可控高抗已达到最大/最小容量，沙州/鱼卡母线电压仍不在电压控制带内，此时站内的线路可控高抗触发动作；为减少设备损耗，可控高抗控制触发时，沙州站线路可控高抗I和II交替动作，鱼卡站线路可控高抗I和II交替动作，每次动作一级； 当站内一组线路可控高抗I动作一级后，若监控母线电压仍不在允许电压控制带内时，则发触发指令给本站另一组线路可控高抗II，可控高抗II动作一级，若此时可控高抗II故障或已达到最大/最小容量，则发触发指令给可控高抗I，可控高抗I再动作一级； 当站内一组线路可控高抗I需要动作，但由于可控高抗I自身故障或者已达到最大/最小容量，则发触发指令给本站另一组线路可控高抗II，可控高抗II动作一级，可控高抗II动作一级后，若监控母线电压仍不在允许电压控制带内时，则可控高抗II需要再动作一级。
6.根据权利要求I所述的新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于所述外层控制以变电站母线电压为输入量，输入外层电压上边界U1和外层电压下边界U2,外层电压上边界U1和外层电压下边界U2由用户确定；外层控制实时监测电压，当新能源外送系统中出现大的扰动，连续5s监测到母线电压在[U2，U1]之外，站内两组线路可控高抗I和可控高抗II同时切除或投入一级容量，此时静止无功补偿器和磁控式可控高抗在5s的监测时间之内已经动态调节完毕，达到其最大/最小容量，线路可控高抗动作完毕后，再开始下一次循环计时； 当发生区内故障时，即沙州 鱼卡线路故障，则优先电磁暂态控制；若5s的监测时间之内，站内协调控制器和线路可控高抗接收到沙州 鱼卡线路继电保出口信号或断路器位置接点信号，则闭锁外层控制，启动电磁暂态控制策略，将两侧线路可控高抗投至最大容量，待电磁暂态控制结束后，转回外层控制。
7.根据权利要求I所述的新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于所述最外层电压控制以变电站母线电压为输入量，输入最外层电压控制上限U’，U’的数值由用户确定；最外层电压控制实时监测系统电压，一旦监测到电压高于U’，站内两组线路分级式可控高抗立即动作至最大容量，以抑制系统高压。
8.根据权利要求I所述的新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，其特征在于所述最外层控制优先级高于外层控制，外层控制优先级高于内层控制。
全文摘要
本发明提供一种新能源外送系统的FACTS设备协调控制方法，分为内层控制、外层控制和最外层控制，其中，最外层控制优先级高于外层控制，外层控制优先级高于内层控制。内层控制保证变电站电压能精确控制在某个值或某个范围内，外层控制和最外层控制在系统出现大扰动时提供紧急无功支撑，保证变电站电压能够迅速恢复至允许范围内。三层电压控制结合的方法能够高精度、高效地集中协调控制多个FACTS设备动作，工程适应性很强。
文档编号H02J13/00GK102904287SQ20121036937
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者王雅婷, 申洪, 班连庚, 周勤勇, 段智, 黄丹, 王一兵 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司