一种新能源电站无功电压协调控制方法和装置与流程

本发明涉及新能源发电运行控制技术领域，具体涉及一种新能源电站无功电压综合协调控制方法和装置。

背景技术：

随着环境污染、石化能源日渐枯竭及能源供应安全等问题的出现，可再生能源的开发及利用越来越受到国际社会的关注。风力、太阳能是一种可再生的清洁能源，与传统发电技术相比，风力发电、光伏发电具有能源可持续、安全环保等优点，近年来得到了快速发展。

新能源发电系统并入电网，当自身的容量相对于电网较小时，其功率的扰动对电网安全稳定影响可以忽略，随着新能源发电的电网渗透率不断增大，其对电网的影响逐渐显现，新能源发电在提供有功能量的同时，也会对电网带来安全性的危害，并随着新能源并网发电并网容量的不断提高，这一问题将日益凸显。

新能源电站参与电力系统控制，具备调节并网点的有功/无功输出、响应电网的电压、频率变化的能力已经成为各个国家新能源并网的普遍要求。与火电机组、水电机组相比，风电机组和光伏发电单元具有单机容量小、交流侧电压低等特点，一个风电场或光伏发电站往往包含几十台到几百台风电机组或光伏逆变器，采用组串式光伏逆变器的光伏电站，光伏逆变器数量甚至达到几千台，要实现并网点功率、电压、频率等电气量的控制，必须依靠电站级的整体协调控制。目前，独立的电站级功率控制系统已经成为风电场、光伏电站的标准配置，由于电站控制系统的作用，新能源电站的并网特性，特别是在秒级以上时间尺度的特性，已经不完全由风/光资源以及发电设备决定，更与电站控制系统的控制性能密切相关。因此，在研究相对较长时间尺度的新能源发电并网问题时，电站控制系统的模型是必须考虑的重要因素之一。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新能源电站无功电压综合协调控制方法与装置，将新能源电站无功控制方法分为无功需求整定和无功参考计算两部分，通常，电压控制点为新能源电站并网点。无功需求整定层通过获取并网点输出功率以及实时电压值计算整站所需无功功率需求值；无功参考计算层将计算所得无功功率需求值按照制定的控制策略分解至电站内各发电机组/单元和无功补偿设备，作为控制信号改变发电机组/单元和无功补偿装置的无功功率输出，进而改变并网点电压以实现整个电站的无功/电压闭环控制。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供一种新能源电站无功电压协调控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：

根据电网调度系统输出的调度指令计算新能源电站无功功率需求值；

根据所述新能源电站无功功率需求值确定新能源电站各具体机组的无功功率输出参考值；

调节新能源电站各具体机组的无功功率输出值为所述无功功率输出参考值。

优选的，所述根据电网调度系统输出的调度指令计算新能源电站无功功率需求值，包括：

当电网调度系统采用无功功率控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点无功功率参考值qref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝qref+qloss

当电网调度系统采用功率因数控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点功率因数参考值pfref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用定电压制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用无功/电压下垂控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝q0+qadj+qloss

上式中，qref为调度下发的无功功率指令；qloss为新能源发电站无功功率损耗；ppoi为并网点的有功功率测量值；qadj为新能源发电站无功功率调整量；qsvc为新能源发电站内部无功补偿装置的无功功率；为新能源发电机组发出的无功功率总值；n为新能源电站的机组数量；q0为电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压时对应的无功功率。

进一步的，按下式确定新能源电站无功功率调整量qadj：

qadj＝kqv×(uref-upoi)

上式中，uref为调度下发的无功电压；kqv为无功电压调节系数；upoi为并网点的电压测量值。

优选的，所述根据所述新能源电站无功功率需求值确定新能源电站各具体机组的无功功率输出参考值，包括：

按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或当新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝qmeas_i

当新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝d′i×qord

上式中，qref_i为分配到第i台新能源发电机组的无功功率参考值；pfplant为新能源电站功率因数；为参与无功控制的第i台新能源发电机组的最大无功容量；为参与无功控制的所有新能源发电机组的最大无功容量的总和；qmeas_j为第j个新能源发电机组的无功功率测量值；d′i为机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子。

进一步的，按下式确定新能源电站功率因数pfplant:

上式中，∑pmeas_i为新能源发电机组有功功率总和。

进一步的，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子d′i：

其中，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组输出无功功率的分配因子di”'：

di”'＝qmeas_i/qord

上式中，di为第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子；di”为新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子。

另一方面，本发明还提供了一种新能源电站无功电压协调控制装置，其改进之处在于，所述装置包括：

计算模块：根据电网调度系统输出的调度指令计算新能源电站无功功率需求值；

确定模块：根据所述新能源电站无功功率需求值确定新能源电站各具体机组的无功功率输出参考值；

调节模块：调节新能源电站各具体机组的无功功率输出值为所述无功功率输出参考值。

优选的，所述计算模块，用于：

当电网调度系统采用无功功率控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点无功功率参考值qref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝qref+qloss

当电网调度系统采用功率因数控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点功率因数参考值pfref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用定电压制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用无功/电压下垂控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝q0+qadj+qloss

上式中，qref为调度下发的无功功率指令；qloss为新能源发电站无功功率损耗；ppoi为并网点的有功功率测量值；qadj为新能源发电站无功功率调整量；qsvc为新能源发电站内部无功补偿装置的无功功率；为新能源发电机组发出的无功功率总值；n为新能源电站的机组数量；q0为电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压时对应的无功功率。

进一步的，按下式确定新能源电站无功功率调整量qadj：

qadj＝kqv×(uref-upoi)

上式中，uref为调度下发的无功电压；kqv为无功电压调节系数；upoi为并网点的电压测量值。

优选的，所述确定模块，用于：

按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或当新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝qmeas_i

当新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝d′i×qord

上式中，qref_i为分配到第i台新能源发电机组的无功功率参考值；pfplant为新能源电站功率因数；qi^max为参与无功控制的第i台新能源发电机组的最大无功容量；为参与无功控制的所有新能源发电机组的最大无功容量的总和；qmeas_j为第j个新能源发电机组的无功功率测量值；d′i为机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子。

进一步的，按下式确定新能源电站功率因数pfplant:

上式中，∑pmeas_i为新能源发电机组有功功率总和。

进一步的，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子d′i：

其中，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组输出无功功率的分配因子di”'：

di”'＝qmeas_i/qord

上式中，di为第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子；di”为新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1.本发明通过根据电网调度系统输出的调度指令计算新能源电站无功功率需求值，然后根据所述新能源电站无功功率需求值确定新能源电站各具体机组的无功功率输出参考值，最后调节新能源电站各具体机组的无功功率输出值为所述无功功率输出参考值，采用分层控制的思路，将新能源电站无功电压控制方法分为两个层级实现，各层级控制功能清晰；

2.本发明提出的协调控制方法和装置，能够改变并网点电压以实现整个电站的无功/电压闭环控制；

3.本发明提出的协调控制方法和装置，可实现电网调度不同的无功控制模式，控制适应性强；

4.本发明提出的协调控制方法和装置，具备通用性，其控制结构适用于不同装机容量，不同接入等级的新能源电站。

附图说明

图1是新能源电站无功电压综合协调控制方法的流程图；

图2是本发明提供的风电场无功电压综合协调控制仿真实例测试系统模型；

图3是本发明提供的采用电压控制模式的风电场无功电压控制并网点电压参考值与测量值对比曲线；

图4是本发明提供的采用电压控制模式的风电场无功电压控制并网点无功测量值仿真曲线；

图5是本发明提供的光伏发电站无功电压综合协调控制仿真实例测试系统模型；

图6是本发明提供的采用无功功率控制模式的光伏发电站无功电压控制并网点无功功率参考值与测量值仿真对比曲线；

图7是本发明提供的采用无功功率控制模式的光伏发电站无功电压控制并网点电压仿真曲线；

图8是新能源电站无功电压综合协调控制装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供一种新能源电站无功电压协调控制方法，如图1所示，包括：

根据电网调度系统输出的调度指令计算新能源电站无功功率需求值；

根据所述新能源电站无功功率需求值确定新能源电站各具体机组的无功功率输出参考值；

调节新能源电站各具体机组的无功功率输出值为所述无功功率输出参考值。

具体的，根据电网调度系统输出的调度指令计算新能源电站无功功率需求值，包括：

当电网调度系统采用无功功率控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点无功功率参考值qref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝qref+qloss

当电网调度系统采用功率因数控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点功率因数参考值pfref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用定电压制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用无功/电压下垂控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝q0+qadj+qloss

上式中，qref为调度下发的无功功率指令；qloss为新能源发电站无功功率损耗；ppoi为并网点的有功功率测量值；qadj为新能源发电站无功功率调整量；qsvc为新能源发电站内部无功补偿装置的无功功率；为新能源发电机组发出的无功功率总值；n为新能源电站的机组数量；q0为电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压时对应的无功功率。

进一步的，按下式确定新能源电站无功功率调整量qadj：

qadj＝kqv×(uref-upoi)

上式中，uref为调度下发的无功电压；kqv为无功电压调节系数；upoi为并网点的电压测量值。

具体的，所述根据所述新能源电站无功功率需求值确定新能源电站各具体机组的无功功率输出参考值，包括：

按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或当新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝qmeas_i

当新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝d′i×qord

上式中，qref_i为分配到第i台新能源发电机组的无功功率参考值；pfplant为新能源电站功率因数；为参与无功控制的第i台新能源发电机组的最大无功容量；为参与无功控制的所有新能源发电机组的最大无功容量的总和；qmeas_j为第j个新能源发电机组的无功功率测量值；di′为机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子。

进一步的，按下式确定新能源电站功率因数pfplant:

上式中，∑pmeas_i为新能源发电机组有功功率总和。

进一步的，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子di′：

其中，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组输出无功功率的分配因子di”'：

di”'＝qmeas_i/qord

上式中，di为第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子；di”为新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子。

例如在本发明的最优实施例中：

以powerfactory平台为例，分别建立风电场无功电压综合协调控制方法测试模型和光伏发电站无功电压综合协调控制方法测试模型，分别进行电网调度采用无功功率控制模式和电压控制模式下电站无功电压协调控制性能测试，通过改变调度无功功率指令和电压指令观测并网点无功功率和电压测量值是否能够准确响应调度控制需求，以验证本发明所提的新能源电站无功电压综合协调控制方法的准确性。

进行风电场电压控制模式仿真测试时，风电场无功电压控制方法的测试模型如图2所示，图中风电场容量为300mw，由200台1.5mw的双馈型风电机组组成，并采用单机倍乘法将场内风电机组等值为1台，风电机组经箱变升压至35kv后经场内馈线连接至并网点(poi)低压侧并由风电场升压变压器升至220kv后送入电网，外部电网系统采用等值发电机和负荷代替，同时，风电场并网点处接负荷80mw，风电场初始潮流出力为170mw。

风电场运行于定电压控制模式，控制并网点电压值为1.0pu，t＝30s切除连接于并网点的50mvar电容器，系统电压下降，控制器参数及延时设置与定无功功率模式相同；如风电场并网点电压图3和无功功率输出图4所示。

由图3和图4可知，当采用电压控制模式时，无功控制系统需通过多次调整，持续增加无功输出，最终使并网点电压稳定在参考值附近，由于电压控制指令是多次调节闭环过程，因而调节时间较长。

进行光伏发电站无功功率控制模式仿真测试时，建立光伏发电站并网运行控制算例系统，如图5所示，该系统的电源为光伏发电站，容量200mw，由400台单机容量为0.5mw的光伏发电站单元组成，并采用单机倍乘法将场内光伏发电站单元等值为1台，外部电网系统采用等值发电机和负荷代替。

光伏发电站运行于无功功率控制模式，t＝10s时改变光伏发电站无功功率指令值至20mvar，t＝50s时改变光伏发电站有功功率指令值为50mvar，t＝80s时改变光伏发电站有功功率指令值为10mvar，如光伏发电站并网点无功功率图6与无功功率指令曲线图7(实线为参考值，虚线为测量值)所示。

由图6和图7可知，当光伏发电站无功功率指令值发生改变时，电站内无功控制系统通过调节光伏发电系统和无功补偿装置改变无功输出，与风电场无功控制系统相同，无论光伏发电控制系统还是动态无功补偿控制系统均属于电气控制，系统调节时间相对较短。

实施例2

基于同一发明构思，本发明实施例2还提供了一种新能源电站无功电压协调控制装置，如图8所示，包括：计算模块，确定模块和调节模块，下面对上述几个模块的功能进行详细说明：

计算模块：根据电网调度系统输出的调度指令计算新能源电站无功功率需求值；

确定模块：根据所述新能源电站无功功率需求值确定新能源电站各具体机组的无功功率输出参考值；

调节模块：调节新能源电站各具体机组的无功功率输出值为所述无功功率输出参考值。

具体的，计算模块，用于：

当电网调度系统采用无功功率控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点无功功率参考值qref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝qref+qloss

当电网调度系统采用功率因数控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点功率因数参考值pfref，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用定电压制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

当电网调度系统采用无功/电压下垂控制模式时，所述电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压uref时，并按下式确定所述新能源电站无功功率需求值：

qord＝q0+qadj+qloss

上式中，qref为调度下发的无功功率指令；qloss为新能源发电站无功功率损耗；ppoi为并网点的有功功率测量值；qadj为新能源发电站无功功率调整量；qsvc为新能源发电站内部无功补偿装置的无功功率；为新能源发电机组发出的无功功率总值；n为新能源电站的机组数量；q0为电网调度系统输出的调度指令为电站并网点电压时对应的无功功率。

进一步的，按下式确定新能源电站无功功率调整量qadj：

qadj＝kqv×(uref-upoi)

上式中，uref为调度下发的无功电压；kqv为无功电压调节系数；upoi为并网点的电压测量值。

具体的，确定模块，用于：

按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

或当新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝qmeas_i

当新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时，按下式确定第i台新能源发电机组的无功功率参考值：

qref_i＝di′×qord

上式中，qref_i为分配到第i台新能源发电机组的无功功率参考值；pfplant为新能源电站功率因数；为参与无功控制的第i台新能源发电机组的最大无功容量；为参与无功控制的所有新能源发电机组的最大无功容量的总和；qmeas_j为第j个新能源发电机组的无功功率测量值；d′i为机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子。

进一步的，按下式确定新能源电站功率因数pfplant:

上式中，∑pmeas_i为新能源发电机组有功功率总和。

进一步的，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率大于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组无功功率分配因子d′i：

其中，按下式确定新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时第i台新能源发电机组输出无功功率的分配因子di”'：

di”'＝qmeas_i/qord

上式中，di为第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子；di”为新能源发电机组的额定输出无功功率小于系统下发的测量无功功率时，第i台新能源发电机组输出无功功率的初始分配因子。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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保护范围之内。