风电集中接入时风场与枢纽站时间序列协调控制的方法
【专利摘要】本发明涉及一种风电集中接入时风场与枢纽站时间序列协调控制的方法，属于电力系统自动电压控制【技术领域】。本发明方法是基于大多数风电场通过变电站接入电网的实际情况，在已有风电控制策略和变电站控制策略的基础上，增加了二者的时间序列协调控制，从而解决了孤立控制引发的无功环流、电容器频繁投切等问题，增加了无功域度，从而提高了电力系统电压稳定性。该协同控制方法作用于电压控制的二级控制层面，弥补了原有二级控制中变电站与风电场孤立控制的不足。
【专利说明】风电集中接入时风场与枢纽站时间序列协调控制的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风电集中接入区域内风电场与枢纽变电站时间序列协调控制的方法，属于电力系统自动电压控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]由于煤炭资源的短缺，世界各国纷纷投入大量的人力、物力探索新的能源利用模式，风能成为世界公认的具有极大发展潜力的的绿色能源之一。
[0003]目前风机接入电网的方式有两种，一种是通过建立风电场，场内风机经过变电站大规模集中并入中压网络，另外一种是采用分布式的方式，将各个风机接入低压网络，直接给终端用户供电。其中第一种方式可以产生集中的、客观数量的发电功率，在全球范围内得到了大规模的应用，比较成功的案例是丹麦，到现在为止，风力发电所占比例已经超过20%，预计在2020年，风力发电会占到50%及以上，第二种方式在智能配电网中有着较好的发展前景。在中国，风力发电主要是以大规模集中并网的模式，虽然风力发电有很多优势，但仍存在一些技术问题有待解决。其中比较突出的就是不少风电场因为电压问题而连锁脱网，自动电压控制(AVC, Automatic Voltage Control)系统,被认为是解决风电区域电压问题的一个有效方法。
[0004]主流的自动电压控制主要有三种模式:
[0005]第一种是以德国RWE电力公司代表二级控制，没有所谓分区控制，最优潮流(OPF)的优化计算结果直接发到各电厂进行控制。在调度控制中心中，OPF基于状态估计，实时运行在EMS的最高层次上，直接实现考虑运行约束以网损最小为目标的全局无功优化控制。这种模式虽然控制简单，但完全依赖OPF，AVC的运行可靠性难以保证。OPF作为静态优化计算功能，主要考虑电压上下限约束和网损最小化。如果完全依赖0PF，则AVC难以对电压稳定性进行协调，完全依赖0PF，无法确保电压稳定性。OPF模型计算量大，计算时间较长。当系统中发生大的扰动、负荷陡升或陡降时，如果完全依赖0PF，则AVC的响应速度不够，控制的动态品质难以保证。
[0006]第二种是以法国EDF的三级电压控制模式，其研究和实施始于上世纪70年代，经历了三十余年的研究、开发和应用，是目前国际上公认为最先进的电压控制系统。在1972年国际大电网会议上，来自EDF (法国电力公司)的工程师提出了在系统范围内实现协调性电压控制的必要性，详细介绍了法国EDF以“中枢母线”、“控制区域”为基础的电压控制方案的结构，电网被划分成若干解耦的控制区域，整个控制系统分为三个层次:一级电压控制(PVC, Primary Voltage Control), 二级电压控制(SVC, Secondary Voltage Control)和三级电压控制(TVC, Tertiary Voltage Control)。该控制模式得到了很好的应用，但是该模式仍存在缺点，这是因为区域的二级电压控制(SVC)是基于电力系统无功电压的局域性而开发的，而区域间无功电压是有耦合的，因此控制系统的质量在根本上取决于各区域间无功电压控制的耦合程度。但是，随着电力系统的发展和运行工况的实时变化，设计时认为相对解耦的区域并非一成不变，而且以固定控制参数形式存在的控制灵敏度更是随运行工况而实时变化，因此这种以硬件形式固定下来的区域控制器难以适应电力系统的不断发展和实时运行工况的大幅度变化，因此难以持久地保证有良好的控制效果。
[0007]第三种是清华大学电机系调度自动化实验室提出了基于“软分区”的三级电压控制模式，该模式已经在国内十六个网、省级电网中得到广泛应用，并成功推广到北美PJM电网的电压控制中。由于地区电网本身具有主网(220kV对电网)环网运行，IlOkV电网辐射运行的特点，因此地区电网已经具备了天然的分区特性，这种“分区”也是随着电网的运行方式变化的。因此，基于软分区的三级电压控制模式得到广泛的应用。
[0008]在通常情况下，风电场所在区域都没有火电厂，并且风电场大多通过220kV枢纽变电站接入电网，在二级控制的层面上，参与二级控制的主要对象包括风电场和220kV枢纽变电站。
[0009]对于风电场而言，一般米用协调二级电压控制(Coordinated Secondary VoltageControl,简称CSVC)模型(参见《电力系统分级无功电压闭环控制的研究》(郭庆来，清华大学博士论文，页码57-64 )。一方面保证二级电压控制尽可能追踪三级电压控制的目标，另一方面保证足够的无功域度。
[0010]对于变电站而言，其控制手段主要是充分考虑各种现场运行条件和约束闭锁条件，基于控制规则的专家系统进行决策，生成变电站内电容器投切、变压器分接头档位、静止无功补偿装置指令。
[0011]风电场经过变电站接入220kV电网是中国最为常见的接入方式。风机机端电压一般为600V，经过箱变升压到35kV后经过升压变电站向外输送电能。进入对于风电区域的内的风电场和220kV变电站，可以分别给出电压控制策略。但在运行时候，常常会出现一些问题，实际系统中没有很好处理二者协调关系而导致无功设备频繁投入、无功环流等问题，危害到电力系统的电压稳定，从而进一步影响到整个电力系统的安全、可靠运行。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是为解决上述问题，提出一种风电集中接入时风场与枢纽站时间序列协调控制的方法，通过该方法可以处理好二者时序控制关系，避免了电容器等无功补偿设备的频繁投切，在达到电压控制目标的同时避免不合理的无功流动。
[0013]本发明提出的一种风电集中接入时风场与枢纽站时间序列协调控制的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0014]I)控制周期开始，采集所需要的电压和无功电气量；
[0015]2)进行电压校正:
[0016]2.1)判断风电场高压母线电压是否越限，如果是，则转向2.2)，否则转向2.3)；
[0017]2.2)如果风场具有无功控制能力，采用优先控制风场无功设备来消除风场电压越限方式；如果风场已经不具有无功控制能力，则采用该风场所连接的220kV枢纽变电站低压无功设备来消除风场电压越限方式，且通过控制预估判定该方式不会造成其他风场高压母线电压越限，以避免设备的频繁投切；如果控制预估判定该该方式会造成其他风场高压母线电压越限，则转入紧急控制；
[0018]2.3)判断220kV枢纽变电站高压220kV母线或者中压IlOkV母线是否越限，如果越限，则优先控制220kV站内的电容器、电抗器，消除电压越限，转向步骤4);如果没有越限，转向步骤3);
[0019]3)电压校正完毕后，进行电压协调优化控制:
[0020]3.1)判断220kV变电站高压220kV母线电压当前值与设定值偏差是否超过优化控制死区；如果是进入步骤3.2)，否则进入步骤4)；
[0021]3.2)如果该站所带风电场仍有无功调节能力，则优先控制风场无功设备；如所带风场已无无功控制能力，则控制220kV站内的电容器、电抗器；控制的目标是使得220kV母线电压尽量满足当前电压可行域给出的220kV母线电压设定值；当控制220kV变电站无功设备时，向风电场控制模块发送闭锁信息，避免同时控制导致的电压震荡；
[0022]4)场站协调控制结束，等待下一控制周期到来时，转步骤I)。
[0023]本发明的特点及有益效果:
[0024]本发明方法是基于大多数风电场通过变电站接入电网的实际情况，在已有风电控制策略和变电站控制策略的基础上，增加了二者的时间序列协调控制，从而解决了孤立控制引发的无功环流、电容器频繁投切等问题，增加了无功域度，从而提高了电力系统电压稳定性。该协同控制方法作用于电压控制的二级控制层面，弥补了原有二级控制中变电站与风电场孤立控制的不足。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的风电场与变电站时间序列协调控制的流程图。
[0026]图2是本发明实施例的风电场上网示意图。
【具体实施方式】
[0027]方法结合附图和一个具体实施例详细说明如下:
[0028]图2是一个典型的风电场上网示意图，风电场内风机经过升压变压器后接入风电场侧35kV高压母线，之后经过220kV枢纽变电站接入220kV电网中，在风电场内和220kV枢纽变电站中均有无功、电压控制设备，如电容器组、静止无功发生器、变压器分接头等。在220kV枢纽变电站中，一般都有220/35kV双绕组变压器或220/110/35kV三绕组变压器或同
时具有二者。
[0029]本实施例的方法包括以下步骤:一般设定控制周期为5-10分钟，本实施例设定控制周期为5分钟；
[0030]I)控制周期开始，采集风电场母线以及风电场所连接的220kV枢纽变电站变压器高压侧绕组电压、风电场上网无功电气量。
[0031]2)进行电压校正；
[0032]2.1)判断风电场高压母线电压是否越限(越限是指电压高于所在电压等级的电压或上限者低于电压下限，本实施例中假设所在电压等级为VBase，则对应的电压上限1.05Vbase，电压下限为0.95VBase)，如果是，则转向2.2)，否则转向2.3)；
[0033]2.2)如果风场具有无功控制能力，优先控制风场无功设备来消除风场电压越限(如果电压越上限，则切除电容器组，如果具有静止无功发生器，则减少其输出感性无功；如果电压越下限，则投入更多的电容器组，如果具有静止无功发生器，则增加其输出感性无功)；如果风场已经不具有无功控制能力，则使用该风场所连接的220kV枢纽变电站低压无功设备来消除风场电压越限(如果电压越上限，则切除电容器组，如果具有静止无功发生器，则减少其输出感性无功；如果电压越下限，则投入更多的电容器组，如果具有静止无功发生器，则增加其输出感性无功；如果具备带载可调变压器，则可控制变压器分接头；以下不再具体阐述如何通过无功设备来消除风场电压越限);使用220kV变电站低压无功设备来消除风电场高压母线越限的方式时，通过控制预估判定该方式不会造成其他风场高压母线电压越限，避免设备的频繁投切；如果通过控制预估判定该方式会造成其他风场高压母线电压越限，则启动自动电压控制(AVC)中的紧急控制模块，进行紧急控制；
[0034]2.3)判断220kV变电站高压220kV母线或者中压IlOkV母线是否越限，如果越限，则优先控制220kV站内的电容器、电抗器，消除电压越限，转向步骤4);如果没有越限，转向步骤3)；
[0035]3)电压校正完毕后，进行电压协调优化控制:
[0036]3.1)判断220kV变电站高压220kV母线电压当前值与设定值偏差是否超过优化控制死区；如果是进入步骤3.2)，否则进入步骤4)；
[0037]3.2)如果该站所带风电场仍有无功控制能力，则优先控制风场无功设备；如所带风场已无无功控制能力，则控制220kV站内的电容器、电抗器；优化控制的目标是使得220kV母线电压尽量满足当前电压可行域给出的220kV母线电压设定值；当控制220kV变电站无功设备时，向风电场控制模块发送闭锁信息，避免同时控制导致的电压震荡；
[0038]4)场站协调控制结束，等待下一控制周期到来时，转步骤I)。
【权利要求】
1.一种风电集中接入时风场与枢纽站时间序列协调控制的方法，其特征在于，包括以下步骤: .1)控制周期开始，采集所需要的电压和无功电气量； .2)进行电压校正: .2.1)判断风电场高压母线电压是否越限，如果是，则转向2.2)，否则转向2.3)； .2.2)如果风场具有无功控制能力，采用优先控制风场无功设备来消除风场电压越限方式；如果风场已经不具有无功控制能力，则采用该风场所连接的220kV枢纽变电站低压无功设备来消除风场电压越限方式，且通过控制预估判定该方式不会造成其他风场高压母线电压越限，以避免设备的频繁投切；如果控制预估判定该该方式会造成其他风场高压母线电压越限，则转入紧急控制； .2.3)判断220kV枢纽变电站高压220kV母线或者中压IlOkV母线是否越限，如果越限，则优先控制220kV站内的电容器、电抗器，消除电压越限，转向步骤4);如果没有越限，转向步骤3)； .3)电压校正完毕后，进行电压协调优化控制: .3.1)判断220kV变电站高压220kV母线电压当前值与设定值偏差是否超过优化控制死区；如果是进入步骤3.2)，否则进入步骤4)； .3.2)如果该站所带风电场仍有无功调节能力，则优先控制风场无功设备；如所带风场已无无功控制能力，则控制220kV站内的电容器、电抗器；控制的目标是使得220kV母线电压尽量满足当前电压可行域给出的220kV母线电压设定值；当控制220kV变电站无功设备时，向风电场控制模块发送闭锁信息，避免同时控制导致的电压震荡； .4)场站协调控制结束，等待下一控制周期到来时，转步骤I)。
【文档编号】H02J3/38GK103475027SQ201310437314
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】常晓慧, 汤磊, 王双, 于磊, 许晓菲, 谢旭, 贾琳, 初祥祥, 张宝英, 郭庆来, 谷文旗, 周鑫, 韩宇龙, 朱梅, 付启, 穆亮, 王延平 申请人:国家电网公司, 国网冀北电力有限公司张家口供电公司, 北京清大高科系统控制有限公司, 华北电网有限公司