一种面向海上风电汇集区的电网二级电压控制方法与流程

1.本发明属于电力系统自动电压控制技术领域，涉及一种面向海上风电汇集区的电网二级电压控制方法，尤其涉及一种面向220kv海上风电场的海上部分和陆上部分电压协调的自动电压控制方法。


背景技术：

2.近年来，陆、海风相结合已成为不少沿海地区推进清洁能源替代的优选方案。海上风电已成为风电技术领域的前沿和制高点，并网容量快速增长。以广东省为例，截止2020年底已经开工建设海上风电装机容量1200万kw。预计至2030年底，将建成海上风电场共23个，总装机容量达6685万kw，其中近海浅水区建设海上风场15个，装机容量985万千瓦；近海深水区建设海上风场8个，装机容量5700万kw。大规模海上风电的快速发展，给电网的调度运行带来新的挑战。一方面，海上风电场基本都建设在沿海100
‑
200km处，距离负荷中心较近，且常年有风，非常适合电负荷中心的有功需求；另一方面，对海上风电采取大规模集中开发模式，由于风力发电固有的间歇性特点，大规模海上风电并网也电压调控带来较大困难。在海上风电集中并网的区域，十几座220kv新能源场站集中并网，在较小的电网区域内集中接入300～400万kw的风力发电，而这些区域缺乏常规水、火发电厂机组的无功电压支撑，系统短路容量较小，导致海上风电有功发电出力的变化会引发较大的电压波动。而海上风电场一般通过海底电缆向主网送点，电缆本身较大的充电无功对电压波动起到的放大效应，进一步增加了并网区域的电压波动。
3.徐峰达，郭庆来，孙宏斌在文献《多风场连锁脱网过程分析与仿真研究》(电网技术，2014，38(6)：1425
‑
1431)的研究表明，在大规模汇集接入电网的新能源发电区域，容易发生由于电压波动引起的海上风电场连锁脱网故障，进而影响整个电网的安全稳定运行。为了解决这个问题，一方面需要充分利用新能源场站自身的无功调节能力，为新能源发电提供电压支撑；另一方面也要合理调控新能源场站和送出通道的多种特性无功资源，实现协调控制。
4.目前典型的海上风电汇集区电网的结构如图1所示。如图中所示，每个虚线矩形框内的部分为一座海上风电场，多座海上风电场汇集到一座220kv汇集站。在每座海上风电场由陆上和海上两个部分组成，陆上部分包括陆上开关站的220kv母线，以及svg无功补偿装置；海上部分包括海上升压站的220kv母线，以及通过升压变低压侧35kv母线带出的海上风电机组。海上部分和陆上部分通过若干220kv海底电缆连接，其电压情况与陆上开关站母线有显著差异。因此，对海上风电场，需要同时考虑海上升压站母线和陆上开关站母线的电压控制目标。在传统的自动电压控制系统(avc)中，对常规火电厂、水电厂，多采用协调二级电压控制的方法。郭庆来，孙宏斌,张伯明等在文献《协调二级电压控制的研究》(电力系统自动化，2005，29(23)：19
‑
23)提出了一种协调二级电压控制的二次规划模型，其仅考虑区域中的中枢母线以及电厂高压侧并网母线的控制，不能满足海上风电场需要同时考虑海上升压站母线和陆上开关站母线的电压控制需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种面向海上风电汇集区的电网二级电压控制方法，在已有的协调二级电压控制(csvc)模型基础上，同时考虑海上、陆上母线的电压控制目标，以同时满足海上风电场陆上和海上部分母线电压运行的要求。
6.本发明提出的面向海上风电汇集区的电网二级电压控制方法，建立了海上升压站高压侧母线电压正常的二次规划模型，简称csvc，对海上风电汇集区内海上升压站高压侧母线电压进行检查，若海上升压站高压侧母线电压正常，则在csvc模型中增加引入对风场的海上升压站高压侧母线的约束条件，以保证求解模型满足风场海上部分电压运行的要求；若海上升压站高压侧母线电压越限，则在csvc模型的目标函数中增加校正海上升压站母线电压的部分，通过求解模型消除海上部分电压越限，满足正常运行的海上、陆上母线的电压控制要求。
7.本发明提出的面向海上风电汇集区的电网二级电压控制方法，其特点和优点是：
8.本发明的面向海上风电汇集区的电网二级电压控制方法，在已有的协调二级电压控制(csvc)模型基础上，根据海上风电汇集区的运行状态构建不同的电网二级电压控制计算模型；同时考虑目标海上部分电压越限，满足正常运行的海上、陆上母线的电压控制，根据海上风电汇集区的运行状态构建不同的计算模型，能够同时满足海上风电场陆上和海上部分母线电压运行的要求。
附图说明
9.图1是已有技术中海上风电汇集区电网结构示意图。
10.图2是本发明实施例中涉及的220kv平地站海上风电汇集区电网结构示意图。
具体实施方式
11.本发明提出的面向海上风电汇集区的电网二级电压控制方法，建立了海上升压站高压侧母线电压正常的二次规划模型，简称csvc，对海上风电汇集区内海上升压站高压侧母线电压进行检查，若海上升压站高压侧母线电压正常，则在csvc模型中增加引入对风场的海上升压站高压侧母线的约束条件，以保证求解模型满足风场海上部分电压运行的要求；若海上升压站高压侧母线电压越限，则在csvc模型的目标函数中增加校正海上升压站母线电压的部分，通过求解模型消除海上部分电压越限，满足正常运行的海上、陆上母线的电压控制要求。
12.上述电网二级电压控制方法，具体过程包括以下步骤：
13.(1)当控制周期到来时，检查电网中海上风电汇集区内各风电场的海上升压站高压侧母线电压v
s
；
14.(2)对步骤(1)的海上升压站高压侧母线电压v
s
进行判断，若升压站高压侧母线电压v
s
处于正常范围，即满足其中和分别为海上风场的海上升压站高压侧母线电压下限和电压上限，则以海上风电汇集区内的风电汇集站(即风电上网的变电站)220kv母线(即中枢母线)电压优化作为目标，陆上开关站的高压侧母线作为控制母线，海上升压站高压侧母线电压作为约束条件，对该海上风电汇集区执行如下计算步骤：
15.(2
‑
1)建立一个海上升压站高压侧母线电压正常的二次规划模型：
[0016][0017][0018]
其中，公式(1)为二次规划模型的目标函数，以中枢母线电压优化为目标，计算风电等值机的最小变化量δq
g
，参数θ
g
为海上风电汇集区内各风场无功出力均衡目标部分，w
p
、w
q
分别为电压控制目标权重系数和无功源均衡控制目标权重系数，v
p
和分别为中枢母线的当前电压和电压调节目标值(由自三级控制模块给出)，c
pg
为海上风电汇集区内风场等值机组无功调节量对中枢母线电压灵敏度矩阵；，以上参数的计算可参见郭庆来，孙宏斌,张伯明等在文献《协调二级电压控制的研究》(电力系统自动化，2005，29(23)：19
‑
23)对参数θ
g
、w
p
、w
q
以及灵敏度矩阵c
g
、c
sg
、c
pg
的计算方法均作了介绍。
[0019]
公式(2)为公式(1)的约束条件集，对约束条件c0中，c
hg
为海上风电汇集区内风场等值机组调节量对各风场陆上开关站母线的电压灵敏度矩阵，为控制母线的单步最大调整量，表示风电等值机调节δq
g
造成的控制母线电压变化量不应大于约束条件c1中，v
h
、和分别为控制母线的当前电压、电压上限值和电压下限值，表示风电等值机调节δq
g
后控制母线电压应在上下限范围内；约束条件c2中，c
sg
为海上风电汇集区内风场等值机组调节量对各风场海上升压站母线电压灵敏度矩阵，表示风电等值机调节δq
g
后升压站高压侧母线电压应在上下限范围内；约束条件c3中，和、分别为中枢母线的电压上限值和电压下限值，表示风电等值机调节δq
g
后中枢母线电压应在上下限范围内；对约束条件c4，q
g
、分别为风电等值机的当前无功、无功上限、无功下限，表示风电等值机调节δq
g
后风电等值机无功应在上下限范围内；
[0020]
(2
‑
2)采用郭庆来、孙宏斌、张伯明等在文献《协调二级电压控制的研究》(电力系统自动化，2005，29(23)：19
‑
23)中介绍的二次规划问题求解方法，求解上述步骤(2
‑
1)的海上升压站高压侧母线电压正常的二次规划模型，得到各风场内等值发电机(包括风电等值机和svg)的无功调节量δq
g
；
[0021]
(2
‑
3)根据步骤(2
‑
2)的无功调节量δq
g
，利用下式，计算得到区域中各海上风电场的陆上开关站高压侧母线的电压调节量δv
h
：
[0022]
δv
h
＝c
hg
δq
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0023]
其中，c
hg
为海上风电汇集区内风场等值机组调节量对各风场陆上开关站母线的电压灵敏度矩阵，将电压调节量δv
h
叠加到控制母线的当前电压值v
hreal
上，得到控制母线电压的设定值v
hset
；
[0024]
v
hset
＝v
hreal
+δv
h
[0025]
将v
hset
下发到区域中各海上风电场avc子站中，由各avc子站完成风场内的无功调
节；
[0026]
(3)对海上升压站高压侧母线的当前电压v
s
′
进行判断，若区域中部分海上风场的海上升压站高压侧母线电压已经越限，即或则以海上升压站高压侧母线电压安全和中枢母线电压优化作为复合目标，对该海上风电汇集区执行以下计算步骤：
[0027]
(3
‑
1)建立一个海上升压站高压侧母线电压越限的二次规划模型：
[0028][0029]
公式(4)为海上升压站高压侧母线电压越限的二次规划模型的目标函数，海上升压站高压侧母线电压越限的二次规划模型的约束条件集与公式(2)相同，其中表示其电压校正值，计算方法如下：
[0030][0031]
其中，和表示风场的海上升压站高压侧母线的电压下限和电压上限，δ
s
为电压校正的死区，对220kv母线可以取0.5～1.0kv；
[0032]
(3
‑
2)利用步骤(2
‑
2)和步骤(2
‑
3)的方法，计算区域中各风场的陆上开关站高压侧母线的电压调节指令，并下发到区域中各海上风电场avc子站中，由各avc子站完成风场内的无功调节，
[0033]
(4)返回步骤1继续处理下一个海上风电汇集区，直至所有海上风电汇集区均处理完成，实现海上风电汇集区的电网二级电压控制。
[0034]
下面将结合具体2个实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0035]
实施例1：
[0036]
本实施例为对一个220kv海上风电汇集区，包括1座220kv变电站，2座风电场陆上开关站和1座海上升压站，如图2所示，珍珠湾开关站有1台svg，珍珠湾升压站有4台等值发电机，融星开关站有2台svg。
[0037]
本实施例的方法包括以下步骤：一般设定海上风电汇集区的控制周期为1分钟，本实施例设定数据采集周期为30秒，控制周期为1分钟。
[0038]
1、当控制周期到来时，检查各个海上风电汇集区内各风电场的海上升压站高压侧母线电压v
s
，其中海上升压站珍珠湾升压站220kv#1母线电压v
s
，v
s
＝237.35kv；
[0039]
2、珍珠湾升压站220kv#1母线电压下限电压上限电压上限不满足进入步骤3：
[0040]2‑
1、建立一个珍珠湾升压站220kv#1母线电压正常的二次规划模型
[0041]
[0042][0043]2‑
2、求解上述二次规划问题问题，可以得到各风场的无功调节量δq
g
。
[0044]2‑
3、进一步计算：
[0045]
δv
h
＝c
hg
δq
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0046]
可以计算得到区域中各海上风电场的陆上开关站高压侧母线的电压调节量，将其叠加
[0047]
到母线的当前电压值v
hreal
上；
[0048]
v
hset
＝v
hreal
+δv
h
[0049]
将v
hset
下发到区域中各海上风电场avc子站中，由各avc子站完成风场内的无功调节。
[0050]
3、珍珠湾升压站220kv#1母线已经越上限，即该海上风电汇集区执行以下步骤：
[0051]3‑
1、建立一个珍珠湾升压站220kv#1母线电压越限的二次规划模型：
[0052][0053]
约束条件与公式(2)一致。其中v
p
＝231.51kv，此时珍珠湾升压站220kv#1母线已经越上限，需要往下调压，而中枢母线的优化目标需要往上调压。为保障升压站电压安全，此时设w
p
＝0，优先保障升压站电压安全。v
′
s
＝237.35kv，
[0054][0055]
表示升压站母线电压校正值，即：
[0056][0057]
其中δ
s
为电压校正的死区，本例取δ
s
＝0kv，即
[0058]3‑
2、重复步骤2
‑
2、2
‑
3，求解得出：
[0059][0060]
v
hset
＝v
hreal
+δv
h
＝236.89
‑
1.45＝235.44kv
[0061]
计算区域中各风场的陆上开关站高压侧母线的电压调节指令，并下发到区域中各海上风电场avc子站中，由各avc子站完成风场内的无功调节。
[0062]
4、返回步骤1继续处理下一个海上风电汇集区，直至所有海上风电汇集区均处理完成。
[0063]
实施例2：
[0064]
本实施例图例与实施例1一致。
[0065]
本实施例的方法包括以下步骤：一般设定海上风电汇集区的控制周期为1分钟，本实施例设定数据采集周期为30秒，控制周期为1分钟。
[0066]
1、当控制周期到来时，检查各个海上风电汇集区内各风电场的海上升压站高压侧母线电压v
s
，其中海上升压站珍珠湾升压站220kv#1母线电压v
s
，v
s
＝232.23kv；
[0067]
2、珍珠湾升压站220kv#1母线电压下限电压上限电压上限满足进入步骤：
[0068]2‑
1、建立一个珍珠湾升压站220kv#1母线电压正常的二次规划模型
[0069][0070][0071]
其中，w
p
＝1，v
p
＝232.48，
[0072]2‑
2、求解上述二次规划问题问题，可以得到各风场的无功调节量δq
g
，
[0073][0074]2‑
3、进一步计算：
[0075]
δv
h
＝c
vg
δq
g
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0076]
可以计算风场的陆上开关站母线的电压调节量；
[0077][0078]
可以计算得到区域中各海上风电场的陆上开关站高压侧母线的电压调节量，将其叠加到母线的当前电压值v
hreal
上；
[0079]
v
hset
＝v
hreal
+δv
h
＝233.22+0.1＝233.23kv
[0080]
将v
hset
下发到区域中各海上风电场avc子站中，由各avc子站完成风场内的无功调节。
[0081]
3、珍珠湾升压站220kv#1母线正常，进入步骤4
[0082]
4、返回步骤1继续处理下一个海上风电汇集区，直至所有海上风电汇集区均处理完成。
[0083]
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。