一种用于风力发电的电网电压调控系统及方法与流程

本发明涉及电网控制领域，特别是涉及一种用于风力发电的电网电压调控系统及方法。

背景技术：

随着全球气候变暖以及煤炭资源紧缺等问题的日益突出，风力发电作为清洁能源之一，已经受到了人们的重视。

但是随着风电的大规模并网发电，也出现了许多问题，风力发电的不确定性，对电网系统无功电压影响较大。目前，为了提高电网的可靠性和经济性，通常将自动电压控制装置集中单一侧对某点进行单独的无功补偿与电压调节。我国对于母线电压补偿采用传统的九区图策略，在变压器和分接头和中低压侧母线所带的无功补偿设备进行选择控制。但是，在某些区域风电送出输电线路比较长，尤其是农网的66kV变电站，到一些偏远地区的输电线长达几十甚至上百公里，使得农村公用变的功率因数很低。由于风电的间歇性和不确定性等因素，会导致风电区域的电压出现经常性的波动，而目前的自动电压控制装置通过调节中低压侧的电容器来进行电压调节，常常会出现补偿不到位的情况，且会造成无功补偿设备的投切频率过大，使得无功补偿效率较低。

因而，如何在风电到变电站的输电线路较长的情况下，提高电网的电压无功调节能力，减少无功补偿设备的投切频率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于风力发电的电网电压调控系统及方法，可以在风电到变电站的输电线路较长的情况下，提高电网的电压无功调节能力，减少无功补偿设备的投切频率。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种用于风力发电的电网电压调控系统，包括：

设置在与风电场连接的区域主站的高压侧母线处的第一无功补偿装置，以及设置在所述区域主站的中低压侧母线处的第二无功补偿装置；

设置在与所述区域主站连接的各区域从站的中低压侧母线处的第三无功补偿装置；

位于所述区域主站的第一分接头档位以及位于各所述区域从站的第二分接头档位；

实时采集风力电网中的电压参数和功率因数参数的采集装置；

与所述第一无功补偿装置、第二无功补偿装置、第三无功补偿装置、第一分接头档位以及第二分接头档位连接，根据所述采集装置采集的所述电压参数和功率因数参数，控制对应的分接头档位和/或无功补偿装置进行投切的变电站监控装置。

优选地，所述变电站监控装置包括：

与所述采集装置连接，接收所述采集装置采集的所述电压参数和功率因数参数的信息接收单元；

与所述信息接收单元连接，对所述电压参数和功率因数参数进行分析，生成对应的无功补偿装置和/或分接头档位投切策略的处理器；

与所述处理器连接，向对应的无功补偿装置和/或分接头档位发出投切信号的投切信号发出单元。

优选地，所述第一无功补偿装置为无功补偿电容器，所述第二无功补偿装置为无功补偿电容器，所述第三无功补偿装置为无功补偿电容器。

一种用于风力发电的电网电压调控方法，包括：

预先根据风力电网中的各变电站的负载大小，在与风电场相连接的区域主站的高压侧母线处配置第一无功补偿装置，在所述区域主站的中低压侧母线处配置第二无功补偿装置，在与所述区域主站连接的各区域从站的中低压侧母线处配置第三无功补偿装置；

实时采集所述风力电网中的电压参数和功率因数参数；

根据所述电压参数和所述功率因数参数，控制对应的变电站中的分接头档位进行电压校正，投切对应的无功补偿装置进行电网无功优化。

优选地，所述根据所述电压参数和所述功率因数参数，控制对应的变电站中的分接头档位进行电压校正，投切对应的无功补偿装置进行电网无功优化，包括：

根据所述电压参数和所述功率因数参数，首先控制所述区域主站的分接头档位进行电压校正，投切所述第一无功补偿装置和所述第二无功补偿装置进行无功补偿；

继而分别控制各所述区域从站分接头档位进行电压校正，投切对应的第三无功补偿装置进行无功补偿。

优选地，所述根据所述电压参数和所述功率因数参数，首先控制所述区域主站的分接头档位进行电压校正，投切所述第一无功补偿装置和所述第二无功补偿装置进行无功补偿；继而分别控制各所述区域从站分接头档位进行电压校正，投切对应的第三无功补偿装置进行无功补偿，具体包括：

预先设置所述风力电网中指定区域内的区域主站的电压合格范围为(Vhmin，Vhmax)，该指定区域内的各区域从站的电压合格范围为(Vlmin，Vlmax)，其中，设该区域主站的当前电压为Vh，该区域内的任一区域从站的当前电压为Vl；

当Vh>Vhmax，且Vl>Vlmax时，退出所述第一无功补偿装置，若所述第一无功补偿装置不可控，则调节风电场风机或所述第二无功补偿装置及第三无功补偿装置，降低并网母线上的电压，若所述第二无功补偿装置和第三无功补偿装置不可控，则退出所述第二无功补偿装置和第三无功补偿装置；

当Vh<Vhmin，且Vl<Vlmin时，投入所述第一无功补偿设备，若所述第一无功补偿装置不可控，则调节所述风机或所述第二无功补偿装置及第三无功补偿装置，提高所述并网母线上的电压，若所述第二无功补偿装置及第三无功补偿装置不可控，则投入所述第二无功补偿装置或第三无功补偿装置；

当Vhmax>Vh>Vhmin且Vlmax>Vl>Vlmin时，采用无功优化补偿策略；

当(Vh>Vhmax且Vl<Vlmin)或(Vh<Vhmin且Vl>Vlmax)时，通过所述第一无功补偿装置和风电调压手段优先调节所述区域主站电压，再通过所述区域主站的分接头档位及所述第二无功补偿装置、第三无功补偿装置调节各区域从站的电压；

当Vhmax>Vh>Vhmin且(Vl>Vlmax或Vl<Vlmin)时，调节所述区域主站的分接头档位，若所述区域主站的分接头档位不可控，则调节所述第二无功补偿装置；

当Vlmax>Vl>Vlmin且(Vh<Vhmin或Vh>Vhmax)时，调节电源端无功出力，若所述电源端无功不可控，则调节所述第一无功补偿装置。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的用于风力发电的电网电压调控系统，包括：设置在与风电场连接的区域主站的高压侧母线处的第一无功补偿装置，以及设置在区域主站的中低压侧母线处的第二无功补偿装置；设置在与区域主站连接的各区域从站的中低压侧母线处的第三无功补偿装置；位于区域主站的第一分接头档位以及位于各区域从站的第二分接头档位；实时采集风力电网中的电压参数和功率因数参数的采集装置；与第一无功补偿装置、第二无功补偿装置、第三无功补偿装置、第一分接头档位以及第二分接头档位连接，根据采集装置采集的电压参数和功率因数参数，控制对应的分接头档位和/或无功补偿装置进行投切的变电站监控装置。通过在区域主站的高压侧母线上设置无功补偿装置，对区域主站的高压侧的各项指标的调整，进而达到使中低压侧及配网线路的各项指标得到保证，实现了区域化优化协调控制的目的，在风电到变电站的输电线路较长的情况下，既能保证及时对该区域的电压进行调节，又提高了该区域电网的无功调节能力，减少无功补偿设备的投切频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的用于风力发电的电网电压调控系统结构示意图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供的风电场-区域变电站等值线路图；

图3为本发明一种具体实施方式所提供的用于风力发电的电网电压调控方法流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于风力发电的电网电压调控系统及方法，可以在风电到变电站的输电线路较长的情况下，提高电网的电压无功调节能力，减少无功补偿设备的投切频率。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1和图2，图1为本发明一种具体实施方式所提供的用于风力发电的电网电压调控系统结构示意图；图2为本发明一种具体实施方式所提供的风电场-区域变电站等值线路图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种用于风力发电的电网电压调控系统，包括：

设置在与风电场连接的区域主站1的高压侧母线处的第一无功补偿装置11，以及设置在区域主站1的中低压侧母线处的第二无功补偿装置12；设置在与区域主站1连接的各区域从站2的中低压侧母线处的第三无功补偿装置21；位于区域主站1的第一分接头档位13以及位于各区域从站2的第二分接头档位22；实时采集风力电网中的电压参数和功率因数参数的采集装置3；与第一无功补偿装置11、第二无功补偿装置12、第三无功补偿装置21、第一分接头档位13以及第二分接头档位22连接，根据采集装置3采集的电压参数和功率因数参数，控制对应的分接头档位和/或无功补偿装置进行投切的变电站监控装置4。

发明人研究发现，风电场和变电站可以简化为一个或者多个如图2所示的等值电路，为了方便说明，图2以二圈变为例进行说明。如图2所示，U₀和Z₀为变电站接入风电场系统的风电端的等值电压和等值阻抗，其中Z₀＝R₀+jX₀；U₁和U₂分别为一区域中主变压器高压侧和低压侧电压；X_C为补偿电容器组的容抗；Z_T为变压器等值阻抗，ZT＝R_T+jX_T；K为变压器变比；Q_C为补偿电容器组补偿的容量，y为投入电容器组数，S_L为负荷功率，S_L＝P_L+jQ_L，P_L为负荷侧有功功率，Q_L为负荷侧无功功率；S₁为变压器高压侧功率，S₁＝P₁+jQ₁，P₁为变压器高压侧有功功率，Q₁为变压器高压侧无功功率。取负荷的恒功率模型，当改变OLTC分接头和投切电容器组时，U₀和S_L保持不变。可推导出低压侧电压U₂、进线侧功率因数的计算公式如下：

$U_2=\frac{\frac{U_0}{K}+\sqrt{\frac{U_0^2}{K^2}-4\&times;(1-y\frac{X_1}{X_C})(P_L{R}_1+Q_L{X}_1)}}{2\&times;(1-y\frac{X_1}{X_C})}$

式中，R₁和X₁为归算到低压侧的等效阻抗值。

从上述各式中可以看出U₀、U₁与U₂正相关。U₀增大(减小)，U₁也将增大，从而U₂将变大(变小)，即发电侧电压影响主变压器高压侧电压，进而影响区域内其它节点的电压。因此调节U₀和U₁，都可以对区域节点电压及其区域变电站内节点的电压产生影响，在站内低压侧调节无功主要影响为本侧电压和站内无功，对高压侧电压影响较小。而且U₀和U₁都将影响U₂，但是U₁的影响更直接，U₀通过影响U₁最终影响到U₂，其调节效果受线路和阻抗的影响很大，在供电线路长的情况，效率低下。

基于树状区域电网特点，区域内电压的调节应从电压等级高的变电站往电压等级低的变电站进行，以减少总的调节成本。由于风电本身的特点波动大，还由于风电到变电站的输电线路过长，导致风电调节对变电站的影响力减弱，导致变电站侧调压过于频繁，风电场的调节效率较弱，需要对变电站侧的调压策略进行优化，更高效和可靠的实现电压无功的优化控制目标。同时保证区域内足够的无功储备容量，确保电网电压的安全。

在本实施方式中，即通过在区域主站(即主变压器)的高压侧母线出设置第一无功补偿装置，通过调节第一无功补偿装置的无功出力，直接实现调节该区域内主变压器高压侧母线电压的目的，进而批量完成对区域内相关其它节点的母线电压的调节(即批量完成对该区域内各区域从站的母线电压的调节)，可以解决电源端(风电场)对高压侧电压影响小、效率差的问题。同时保留风电场的动态无功可调装置，大大增加了系统的电压无功调节能力和系统电压的稳定性。同时对区域主站的高压侧母线电压的调节会减少区域从站的电压的部分调节，使得区域内设备调压优化，设备动作次数将大大减少。此外，本实施方式中在现有的九区图的基础上，仍旧采用母线电压作为纵坐标，但是改将母线的功率因数作为横坐标，从而以基于电压-功率因数的新的九区图进行控制，定性的以功率因数的大小进行对应无功补偿装置的投切或者分接头档位的调整，将区域主站的高压母线上的无功补偿装置作为改善母线电压的手段，将中低压侧母线的无功补偿装置作为优化功率因数的调节方式，将这两个关键指标分开控制，进行区域化电压和无功调节，从而实现了电网总网的整体控制。

在本发明的一种实施方式中，变电站监控装置包括：与采集装置连接，接收采集装置采集的电压参数和功率因数参数的信息接收单元；与信息接收单元连接，对电压参数和功率因数参数进行分析，生成对应的无功补偿装置和/或分接头档位投切策略的处理器；与处理器连接，向对应的无功补偿装置和/或分接头档位发出投切信号的投切信号发出单元。

更进一步地，第一无功补偿装置为无功补偿电容器，第二无功补偿装置为无功补偿电容器，第三无功补偿装置为无功补偿电容器，即各无功补偿装置均为电容器组，但是各无功补偿装置的电容器组的容量不尽相同，以区域内各变压器的实际负载等元素来确定合适的容量比，以确定各电容器组的实际容量，在确保能够进行无功调节的功能的基础上，降低成本。在本实施方式中优选地，区域主站的高压侧母线额定电压为66kV，各区域从站的中低压侧母线额定电压为10kV；风电场与区域主站的距离不小于50千米。

在本实施方式中，优选高压侧电压为66kV，中低压侧电压为10kV，以适用于我国风电的常用额定电压。由于当风电场距离区域主站距离较近时，风电场的调节对于供电线路的影响较大，因此，为了节省成本，在风电场与区域主站的距离不小于50km时采用本实施方式所提供的系统，可以在低成本下进行电压的调节和无功功率的调节。

需要说明的是，在本发明的上述各实施方式中，对于分接头档位的投切主要是对有载变压器的档位进行投切。其中，第一无功补偿装置主要用于区域主站高压侧电压和全区域内的电压调节，而第二无功补偿装置和各第三无功补偿装置的作用主要在于作为自身所在变压器的中低压侧的母线的局部电压调节和区域内功率因数的调节，各变压器内的档位主要用于自身所在变压器的中低压侧母线调压。

请参考图3，图3为本发明一种具体实施方式所提供的用于风力发电的电网电压调控方法流程图。

相应地，本发明一种实施方式还提供了一种用于风力发电的电网电压调控方法，包括：

S11：预先根据风力电网中的各变电站的负载大小，在与风电场相连接的区域主站的高压侧母线处配置第一无功补偿装置，在区域主站的中低压侧母线处配置第二无功补偿装置，在与区域主站连接的各区域从站的中低压侧母线处配置第三无功补偿装置。

S12：实时采集风力电网中的电压参数和功率因数参数。

S13：根据电压参数和功率因数参数，控制对应的变电站中的分接头档位进行电压校正，投切对应的无功补偿装置进行电网无功优化。

进一步地，根据电压参数和功率因数参数，控制对应的变电站中的分接头档位进行电压校正，投切对应的无功补偿装置进行电网无功优化，包括：

根据电压参数和功率因数参数，首先控制区域主站的分接头档位进行电压校正，投切第一无功补偿装置和第二无功补偿装置进行无功补偿，其中，投切第一无功补偿装置也用于进行区域主站的电压的校正；继而分别控制各区域从站分接头档位进行电压校正，投切对应的第三无功补偿装置进行无功补偿。

具体地，根据电压参数和功率因数参数，首先控制区域主站的分接头档位进行电压校正，投切第一无功补偿装置和第二无功补偿装置进行无功补偿；继而分别控制各区域从站分接头档位进行电压校正，投切对应的第三无功补偿装置进行无功补偿，具体包括：

预先设置风力电网中指定区域内的区域主站的电压合格范围为(Vhmin，Vhmax)，该指定区域内的各区域从站的电压合格范围为(Vlmin，Vlmax)，其中，设该区域主站的当前电压为Vh，该区域内的任一区域从站的当前电压为Vl；

当Vh>Vhmax，且Vl>Vlmax时，即区域主站电压越上限，区域从站电压越上限，退出第一无功补偿装置，若第一无功补偿装置不可控，则调节风电场风机或第二无功补偿装置及第三无功补偿装置，降低并网母线上的电压，若第二无功补偿装置及第三无功补偿装置，则退出第二无功补偿装置或各第三无功补偿装置；

当Vh<Vhmin，且Vl<Vlmin时，即区域主站电压越下限，区域从站电压越下限，投入第一无功补偿设备，若第一无功补偿装置不可控，则调节风机或第二无功补偿装置及第三无功补偿装置，提高并网母线上的电压，若第二无功补偿装置及第三无功补偿装置不可控，则投入第二无功补偿装置或各第三无功补偿装置；

当Vhmax>Vh>Vhmin且Vlmax>Vl>Vlmin时，即区域主站和区域从站电压均正常时，采用无功优化补偿策略，即以区域主站的电压和功率因数为考察点，绘制以母线电压为纵坐标，以母线功率因数为横坐标的新的九区图曲线，首先通过第一无功补偿装置进行无功补偿，然后再通过第二无功补偿装置和第三无功补偿装置进行无功补偿，使得各变电站的各项指标达标；

当(Vh>Vhmax且Vl<Vlmin)或(Vh<Vhmin且Vl>Vlmax)时，即区域主站电压和区域从站电压存在反向越线时，通过第一无功补偿装置和风电调压手段优先调节区域主站电压，再通过区域主站的分接头档位及第二无功补偿装置、第三无功补偿装置调节各区域从站的电压；

当Vhmax>Vh>Vhmin且(Vl>Vlmax或Vl<Vlmin)时，即区域主站电压正常，区域从站电压存在不同方向越线时，调节区域主站的分接头档位，若区域主站的分接头档位不可控，则调节第二无功补偿装置；

当Vlmax>Vl>Vlmin且(Vh<Vhmin或Vh>Vhmax)时，即区域主站电压存在不同方向越线，区域从站电压正常时，调节电源端无功出力，若电源端无功不可控，则调节第一无功补偿装置。

通过在区域主站的高压侧母线上设置第一无功补偿装置，以区域主站的电压、功率因数作为考察点，对区域主站的高压侧的各项指标的调整，进而达到使中低压侧及配网线路的各项指标得到保证，实现了区域化优化协调控制的目的，在风电到变电站的输电线路较长的情况下，既能保证及时对该区域的电压进行调节，又提高了该区域电网的无功调节能力，减少无功补偿设备的投切频率。

综上所述，本发明所提供的一种用于风力发电的电网电压调控系统及方法，通过在区域主站的高压侧母线上设置第一无功补偿装置，以区域主站的电压、功率因数作为考察点，对区域主站的高压侧的各项指标的调整，进而达到使中低压侧及配网线路的各项指标得到保证，实现了区域化优化协调控制的目的，在风电到变电站的输电线路较长的情况下，既能保证及时对该区域的电压进行调节，又提高了该区域电网的无功调节能力，减少无功补偿设备的投切频率。

以上对本发明所提供一种用于风力发电的电网电压调控系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。