一种应对风电波动的FACTS与OLTC在线电压协调控制方法及系统与流程

本发明属于电力系统安全稳定技术领域，更准确地说本发明涉及一种应对风电波动的在线电压协调控制方法及系统。

背景技术：

随着我国经济的快速发展和对能源需求的不断增长，以煤电为主的电力发展方式受资源和环境的约束不断加大，给我国未来能源乃至经济社会可持续发展带来了巨大压力。因此，大力发展可再生新能源尤其是风电已经成为我国能源战略调整、转变电力发展方式、建设资源节约型和环境友好型社会的重要内容。

目前我国风电装机增长迅猛，在电源结构中占比不断增大，“十二五”末将建成多个千万千瓦级风电基地接入电网。一方面，由于新能源在短时间内随机性与波动性特点，大规模风电波动将对电网电压产生极大变化，甚至会连锁反应造成电网稳定破坏；另一方面，风能在不同季节或早晚时段下的变化趋势存在一些规律，具备一定的可预测性。目前电网中普遍采用有载调压变压器(OLTC)参与电网调压，效果显著且成本较小，但缺点是离散调节、响应速度慢且不允许在短时间内频繁多次动作，已不能满足大规模新能源接入下电压频繁波动的控制需求。

随着电力市场的变革和电力电子技术发展，柔性交流输电系统(FACTS，Flexible AC Transmission System)设备在电力系统中得到的推广应用，包括：可控串补(TCSC)、静态无功补偿(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、统一潮流控制器(UPFC)等。它们可分为：串联型设备(如TCSC)，并联型设备(如STATCOM)，综合型设备(如UPFC)。其最大优点就是能快速的控制电力系统潮流分布状态，其快速调节、可频繁连续控制的优点使其成为电网调压的重要手段之一。但是FACTS设备并不能保证电力系统的频率保持恒定

由以上可见，OLTC和FACTS均有其优缺点，如能将两者结合，则可以更好地进行电网的稳定控制。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了将OLTC和FACTS调压手段结合起来，本发明提出了一种应对风电波动的FACTS与OLTC在线电压协调控制方法及系统。该方法及系统通过在线协调控制主站在获取未来时段的风速预测曲线后，计算其系统总体电压偏差；通过对OLTC动作与电压变化的进行摄动，根据摄动结果决定OLTC动作策略，使系统总体电压偏差不断减小；在此基础上，计算各FACTS设备无功补偿变化对各电压考核点母线电压的灵敏度矩阵，以FACTS设备无功补偿变化量和电压偏差最小为优化目标，求取FACTS动作策略。

具体地说，本发明公开的应对风电波动的FACTS与OLTC在线电压协调控制方法，是采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1)协调控制主站首先进入有载调压变压器OLTC控制模式，并从电网调控中心风功率预测系统获得各风电场未来时段的风速预测曲线，设该未来时段的长度为T；

在整个区域大电网中多个地区分别设置OLTC动作子站，各OLTC动作子站负责管理和控制所属地区内的所有OLTC；各OLTC动作子站将所属地区内的所有OLTC的档位信息实时发送至协调控制主站；设整个区域大电网内的OLTC数量为N个，第n个OLTC为OLTC_n，n∈N；

电压监测子站选取电网内I个变电站母线为电压考核点母线，设第i个电压考核点母线电压为U_i，i∈I，指定其参考电压为U_i.ref；

2)协调控制主站根据各风电场T时段的风速预测曲线，计算T时段内各风电场平均风速及风功率，结合当前电网模型和参数，在线计算该时段的潮流，根据潮流结果计算系统总体电压偏差

3)协调控制主站在潮流计算中对电网内每个OLTC的动作档位进行摄动，根据摄动后的变化决定OLTC动作策略，并将相应的OLTC动作命令发送至相应的OLTC动作子站，OLTC动作子站接收到动作命令后执行相应OLTC动作；

4)协调控制主站根据预先设定的策略切换到FACTS控制模式，FACTS动作子站将FACTS设备运行状态及调节容量信息实时发送至协调控制主站；

设FACTS设备数量为J个，第j个FACTS设备为FACTS_j，j∈J；设第i个电压考核点母线的低电压限制二元表为[U_i.L,t_i.L]、过电压限制二元表为[U_i.H,t_i.H]，其中U_i.L＜U_i.ref＜U_i.H，其中U_i.L为低电压限制二元表[U_i.L,t_i.L]中的低电压限制值，t_i.L为低电压限制二元表[U_i.L,t_i.L]中的低电压限制时间，U_i.H为过电压限制二元表[U_i.H,t_i.H]中的过电压限制值，t_i.H为过电压限制二元表[U_i.H,t_i.H]中的过电压限制时间；

5)电压监测子站实时监测电压考核点母线电压在T时段内随时间变化的轨迹；

6)电压监测子站将电压考核点母线轨迹和低电压限制二元表及过电压限制二元表相比较，当第i个电压考核点母线电压U_i低于U_i.L的时间长于t_i.L或高于U_i.H的时间长于t_i.H时，记第i个电压考核点母线电压偏移值并由电压监测子站将相关电压越限信息发送到协调控制主站；否则转入步骤5)；

7)协调控制主站通过在线分析，确定FACTS设备无功补偿变化对电压考核点母线电压的灵敏度，并进一步形成灵敏度矩阵Y；

8)协调控制主站以FACTS设备无功补偿变化量和电压偏差最小为优化目标，求取控制策略，如以下所示：

其中为第i个电压考核点母线电压偏移值；ΔQ_j为第j个FACTS设备的无功补偿变化量；分别为FACTS_j的初始、最小和最大补偿容量；

9)协调控制主站求取优化策略后，将包括每个FACTS设备的无功补偿变化量在内的FACTS设备动作命令发送到各FACTS动作子站；

FACTS动作子站接收到FACTS设备动作命令后，将FACTS设备动作命令发送到FACTS控制器执行动态无功补偿调整；

10)T时段若未结束，转入步骤5)，否则结束。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中OLTC动作策略的决定方法为：

协调控制主站在潮流计算中依次对电网内每个OLTC的动作档位进行摄动，记第n个OLTC的动作档位摄动后对应的系统总体电压偏差为对进行排序，最小的对应的OLTC_n优先动作一档，以此作为固定场景，剔除已动作过的和已达到极限档位的OLTC，重新对剩余OLTC进行摄动和排序，直到所有满足动作条件的OLTC遍历或为止，其中ε为预先设置正数，说明系统总体电压偏差满足设定的精度要求，T时段下每个OLTC在允许的动作档位范围内最多动作一次，且OLTC动作总数指定为不超过3台。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)中预先设定的策略为：

协调控制主站在T时段开始前工作在OLTC控制模式，给出OLTC动作策略，待T时段开始时刻协调控制主站向OLTC动作子站发送动作命令并切换到FACTS控制模式。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤7)中计算协调控制主站对灵敏度矩阵Y的方法为：

首先计算各FACTS设备无功补偿变化对各电压考核点母线电压的灵敏度，如下式所示：

其中，ΔQ'_j为第j个FACTS设备无功补偿摄动量，ΔU_i为第i个电压考核点母线电压在第j个FACTS设备无功补偿摄动ΔQ'_j下的变化量；Δη_ji为第j个FACTS设备无功补偿变化对第i个电压考核点母线电压的灵敏度；

然后进一步形成灵敏度矩阵Y：

灵敏度矩阵Y意义为，各FACTS设备无功补偿变化对各电压考核点母线电压变化的影响方向和程度。

与以上方法相对应，本发明还公开了一种应对风电波动的FACTS与OLTC在线电压协调控制系统，包括协调控制主站，各电压监测子站，各OLTC动作子站和各FACTS动作子站，其中，所述协调控制主站，用于接收各电压监测子站发送的电压越限信息，接收各OLTC动作子站和各FACTS动作子站发送的OLTC档位信息和FACTS设备运行状态及调节容量信息，分别向各OLTC动作子站和各FACTS动作子站发送OLTC和FACTS动作命令，计算各风电场未来时段平均风速及风功率，在线计算潮流结果，计算系统总体电压偏差对每个OLTC的动作档位进行摄动，根据摄动后的变化决定OLTC动作策略，根据预先设定的策略切换控制模式，在线分析FACTS设备无功补偿变化对电压考核点母线电压的灵敏度，形成灵敏度矩阵Y，以FACTS设备无功补偿变化量和电压偏差最小为优化目标，求取控制策略；所述各电压监测子站，用于实时监测电压考核点的母线电压随时间变化的轨迹，将电压考核点母线轨迹和低电压限制二元表及过电压限制二元表相比较；将相关电压越限信息发送到协调控制主站；所述各OLTC动作子站，用于将OLTC档位信息实时发送至协调控制主站，接收协调控制主站发送的OLTC动作命令并执行OLTC动作；所述各FACTS动作子站，用于将FACTS设备运行状态及调节容量信息实时发送至协调控制主站，接收协调控制主站发送的FACTS动作命令并将动作信息发送到FACTS控制器执行动态无功补偿调整。

本发明的有益效果如下：本发明可将OLTC和FACTS调压手段结合起来，利用OLTC调节范围大、成本低廉的优点应对风能预测的趋势性变化造成的电压偏移，利用FACTS设备连续快速、可多次调节的优点应对风能短时间内频繁波动导致的电压变化，利用求解优化问题得到调节量，实现电压稳定控制。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明系统的结构框图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

请参阅图1，其是本发明方法的流程图。如图1所示，本发明的应对风电波动的FACTS与OLTC在线电压协调控制方法，包括以下步骤：

S101：协调控制主站首先进入有载调压变压器(OLTC)控制模式。协调控制主站从电网调控中心风功率预测系统获得各风电场未来某时段的风速预测曲线，设该时段长度为T。

在整个区域大电网中多个地区分别设置OLTC动作子站，各OLTC动作子站负责管理和控制所属地区内的所有OLTC。各OLTC动作子站将OLTC档位信息实时发送至协调控制主站。

设整个大区域电网中的OLTC数量为N个，第n个OLTC为OLTC_n(n∈N)；电压监测子站选取电网内I个变电站母线为电压考核点母线，第i个电压考核点母线电压为U_i(i∈I)，指定其参考电压为U_i.ref。

协调控制主站配置在风电集中接入的区域电网调控中心。OLTC动作子站配置在OLTC所在变电站。电压监测子站配置在电压考核点母线所在变电站。

未来某时段风速预测曲线是从电网调控中心风功率预测系统中获取该地区历史风力变化趋势数据，通过归纳整合提取规律，对未来风力变化趋势做出科学预测。

S102：协调控制主站根据各风电场T时段的风速预测曲线，计算T时段内各风电场平均风速及风功率，结合当前电网模型和参数，在线计算该时段的潮流，根据潮流结果计算系统总体电压偏差

S103：协调控制主站在潮流计算中对该地区每个OLTC的动作档位进行摄动，根据摄动后的变化决定OLTC动作策略，协调控制主站将相应的OLTC动作命令发送至相应的OLTC动作子站，OLTC动作子站接收到动作命令后执行相应OLTC动作。

S104：协调控制主站根据预先设定的策略切换到FACTS控制模式。FACTS动作子站将FACTS设备运行状态及调节容量信息实时发送至协调控制主站。

FACTS设备数量为J个，第j个FACTS设备为FACTS_j(j∈J)。设电压考核点母线i低电压限制二元表[U_i.L,t_i.L]和过电压限制二元表[U_i.H,t_i.H]，其中U_i.L＜U_i.ref＜U_i.H，其中U_i.L为低电压限制二元表[U_i.L,t_i.L]中的低电压限制值，t_i.L为低电压限制二元表[U_i.L,t_i.L]中的低电压限制时间，U_i.H为过电压限制二元表[U_i.H,t_i.H]中的过电压限制值，t_i.H为过电压限制二元表[U_i.H,t_i.H]中的过电压限制时间。

所述FACTS动作子站配置在FACTS设备所在变电站。所述协调控制主站控制模式切换策略为：协调控制主站在T时段开始前工作在OLTC控制模式，给出OLTC动作策略。待T时段开始时刻协调控制主站向OLTC动作子站发送相应的动作命令并切换到FACTS控制模式。

S105：电压监测子站实时监测电压考核点的母线电压在T时段内随时间变化的轨迹。

S106：电压监测子站负责比较电压考核点母线轨迹和高低电压限制二元表，当电压考核点母线i电压U_i低于U_i.L的时间长于t_i.L或高于U_i.H的时间长于t_i.H时，记电压偏移值电压监测子站将相关电压越限信息发送到协调控制主站，否则转入步骤S105。

S107：协调控制主站通过在线分析，确定FACTS设备无功补偿变化对电压考核点母线电压的灵敏度，并进一步形成灵敏度矩阵Y。

S108：协调控制主站以FACTS设备无功补偿变化量和电压偏差最小为优化目标，求取控制策略，即求解优化问题1：

其中为第i个电压考核点母线电压偏移值；ΔQ_j为第j个FACTS设备的无功补偿变化量；分别为FACTS_j的初始、最小和最大补偿容量。

S109：协调控制主站求取优化策略后，将每个FACTS设备的无功补偿变化量等命令发送到各FACTS动作子站。

FACTS动作子站接收到动作命令后，将动作信息发送到FACTS控制器执行动态无功补偿调整。

S1010：T时段若未结束，转入步骤5)，否则结束。

上述步骤S103中所述OLTC动作策略的计算步骤，可以具体包括以下步骤：

S201：协调控制主站在潮流计算中依次对电网内每个OLTC的动作档位进行摄动，记第n个OLTC的动作档位摄动后相应的系统总体电压偏差为对进行排序，最小的对应的OLTC_n优先动作一档，以此作为固定场景，剔除已动作过的和已达到极限档位的OLTC，重新对剩余OLTC进行摄动和排序，直到所有满足动作条件的OLTC遍历或为止。ε为预先设置正数，说明系统总体电压偏差满足精度要求。

为了减少OLTC动作对电网的冲击，规定T时段下每个OLTC在允许的动作档位范围内最多动作一次，且OLTC动作总数指定为不超过3台。

上述步骤S107中所述协调控制主站对灵敏度矩阵Y的计算方法，可以具体包括以下步骤：

S301：第j个FACTS设备无功补偿变化对第i个电压考核点母线电压的灵敏度采用公式2计算：

其中，ΔQ'_j为FACTS设备无功补偿摄动量，需人为指定，ΔU_i为电压考核点i母线电压在第j个FACTS设备无功补偿摄动ΔQ'_j下的变化量。

进一步形成灵敏度矩阵Y：

其意义为，FACTS设备无功补偿变化对电压考核点电压变化的影响方向和程度。

请参阅图2，其是本发明系统的结构框图。如图2所示，本发明的应对风电波动的FACTS与OLTC在线电压协调控制系统，包括：协调控制主站201，若干电压监测子站202、OLTC动作子站203和FACTS动作子站204。

所述协调控制主站201，配置在风电集中接入的区域电网调控中心。用于接收电压监测子站202发送的电压越限信息，接收OLTC动作子站203和FACTS动作子站204发送的OLTC档位信息和FACTS设备运行状态及调节容量信息；分别向OLTC动作子站203和FACTS动作子站204发送OLTC和FACTS动作命令；计算T时段各风电场平均风速及风功率，在线计算潮流结果，计算系统总体电压偏差对每个OLTC的动作档位进行摄动，根据摄动后的变化决定OLTC动作策略；根据预先设定的策略切换控制模式；在线分析FACTS设备无功补偿变化对电压考核点母线电压的灵敏度，形成灵敏度矩阵Y；以FACTS设备无功补偿变化量和电压偏差最小为优化目标，求取控制策略。

所述协调控制主站201的OLTC动作策略可采用以下计算方法：协调控制主站在潮流计算中依次对电网内每个OLTC的动作档位进行摄动，记第n个OLTC的动作档位摄动后相应的系统总体电压偏差为对进行排序，最小的对应的OLTC_n优先动作一档，以此作为固定场景，剔除已动作过的和已达到极限档位的OLTC，重新对剩余OLTC进行摄动和排序，直到所有满足动作条件的OLTC遍历或为止。ε为预先设置正数，说明系统总体电压偏差满足精度要求。为了减少OLTC动作对电网的冲击，规定T时段下每个OLTC在允许的动作档位范围内最多动作一次，且OLTC动作总数指定为不超过3台。

所述协调控制主站201对灵敏度矩阵Y的计算方法，可以具体包括以下步骤：第j个FACTS设备无功补偿变化对第i个电压考核点母线电压的灵敏度采用公式3计算：

其中，ΔQ'_j为FACTS设备无功补偿摄动量，需人为指定，ΔU_i为电压考核点i母线电压在第j个FACTS设备无功补偿摄动ΔQ'_j下的变化量。

进一步形成灵敏度矩阵Y：

其意义为，FACTS设备无功补偿变化对电压考核点电压变化的影响方向和程度。

所述协调控制主站201以FACTS设备无功补偿变化量和电压偏差最小为优化目标，求取控制策略的计算模型如下：

其中分别为FACTS_j的初始、最小和最大补偿容量。

所述电压监测子站202，配置在电压考核点母线所在变电站。用于实时监测电压考核点的母线电压在T时段内随时间变化的轨迹；对电压考核点母线轨迹和高低电压限制二元表进行比较；将相关电压越限信息发送到协调控制主站201。

所述OLTC动作子站203，配置在OLTC所在变电站。用于将OLTC档位信息实时发送至协调控制主站201；接收协调控制主站201发送的OLTC动作命令并执行OLTC动作。

所述FACTS动作子站204，配置在FACTS设备所在变电站。用于将FACTS设备运行状态及调节容量信息实时发送至协调控制主站201；接收协调控制主站201发送的FACTS动作命令并将动作信息发送到FACTS控制器执行动态无功补偿调整。

所述各主站和子站之间可基于传输能力应当不小于1Mbps光纤的高速数字通信网络进行信息传递。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。