一种新能源汇集区域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，涉及一种电网二级电压控制方法，尤其是一种新能源汇集区域的电网二级电压控制方法。


背景技术：

2.自动电压控制(以下简称avc，automaticvoltage control)系统是实现电网安全(提高电压稳定裕度)、经济(降低网络损耗)、优质(提高电压合格率)运行的重要手段，其基本原理是通过协调控制发电机无功出力、变压器分接头和无功补偿设备，实现电网内无功电压的合理分布。
3.到目前为止，全世界主流的自动电压控制主要有三种模式：
4.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的一级电压控制器进行控制。但是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opf，则avc的响应速度不够，控制的动态品质难以保证。
5.第二种是以法国edf的三级电压控制模式的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。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，而且以固定的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。
6.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，该模式通过软分区克服了edf三级电压控制中硬分区的不足，已经在国内二十多个地区电网、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。在该模式下，调度中心的avc应用软件由三级控制模块和二级控制模块组成。三级控制为全局无功优化的最优潮流(opf)，给出全网协调的电压优化控制目标；二级控制为分区解耦的控制策略计算，以三级控制给出的各分区中的中枢母线的优化控制目标为输入，考虑分区内电厂等无功调节设备，计算分区内各种无功资源的控制策略，并下发到电厂和变电站；厂站端的子站装置完成一级控制，接收调度主站下发的控制策略并执行。目前采用这种模式开发的自动电压电压控制软件在我国得到较为广泛的应用，安装部署在省级和地区级电网调度控制中心，对电网中各电压等级的电压和无功进行自动控制。
7.目前，我国一些地级调度机构存在110kv新能源场站风机、光伏逆变器模型和参数不完整、不准确的问题。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(csvc)，
该模型对三级优化给出的中枢母线设定值进行控制，同时对电网内的发电机无功出力进行合理分配，实现分级电压控制体系中经济性目标和安全性目标的协调。但该模型是针对常规的水、火电厂的实际发电机组，近年来随着新能源的快速发展，大量的新能源场站汇集接入电网，其接入电网的形式和常规能源有显著不同。以风电场并网为例，典型的新能源汇集区域电网的结构如图1所示。如图中所示，每个虚线矩形框内的部分为一座110kv风电场，多座110kv风电场汇集到一座220kv汇集站。在每座风电场包括并网的110kv母线，以及通过升压变低压侧35kv母线带出的多台风电机组,同时为了增加新能源场站的无功补偿能力，一般在风电场内会配置svc或sattcom等无功补偿装置，并接入升压变的35kv母线。
8.由于新能源场站内包含了大量的风机或光伏逆变器，而这些设备不在电网调度中心的ems系统中建模，其运行状态也并不上送的电网调度中心的ems系统中，在风机、光伏逆变器缺少等值模型情况下，不能直接采用协调二级电压控制csvc模型实现电压控制。
9.因此，如何研发一种新能源汇集区域的电网二级电压控制方法，在缺少风机、光伏逆变器的有效等值模型情况下，满足新能源汇集区域电压运行的要求是本领域技术人员亟待解决的技术难题
10.经检索，未发现与本发明相同或相似的已公开的专利文献。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种新能源汇集区域的电网二级电压控制方法，能够在缺少风机、光伏逆变器的有效等值模型情况下，满足新能源汇集区域电压运行的要求。
12.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
13.一种新能源汇集区域的电网二级电压控制方法，包括以下步骤：
14.步骤1、在对新能源汇集区进行自动电压控制时，根据新能源汇集区的电网结构自动建立新能源场站内的等值发电机模型，从而构建完整的csvc模型；
15.步骤2、通过ems系统采集的新能源场站运行数据自动确定新能源等值发电机的运行状态和无功调节能力；
16.步骤3、通过在线潮流计算结果构建雅各比矩阵，计算新能源等值发电机的电压无功灵敏度；
17.步骤4、根据步骤2确定新能源等值发电机的运行状态和无功调节能力以及步骤3计算得到的新能源等值发电机的电压无功灵敏度，建立面向新能源汇集区的csvc模型，通过求解面向新能源汇集区的csvc模型得到新能源汇集区域控制母线电压调节目标值，并下发到子站执行，以满足新能源汇集区域的电压控制要求。
18.而且，所述步骤1的完整的csvc模型为：
19.当控制周期到来时，根据新能源场站的变压器模型，自动构建新能源汇聚区域的协调二级电压控制csvc模型：
20.c＝{pbs，gbs，lbs,gen}
21.其中，pbs＝{pbs
p
,p＝1
…
p}为区域中枢母线，即新能源汇集区内的汇集站高压侧220kv母线，对一个新能源汇集区，其中枢母线一般为1条，即p＝1；
22.gbs＝{gbsh,h＝1
…
h}为区域控制母线，即汇集区内各新能源场站并网点母线，一
般为110kv或35kv母线；
23.lbs＝{lbsg,g＝1
…
g}为新能源场站内的低压侧母线，一般为35kv或10kv母线
24.gen＝{geng,g＝1
…
g}为汇集区内的新能源场站等值发电机。
25.而且，所述步骤1的新能源场站内的等值发电机模型gen的建立方法是：
26.(1)找到区域内某个新能源场站内的升压变压器tj，其高压侧连接新能源场站的并网母线，也就是控制母线gbsj；根据电网模型拓扑结构找到其低压侧的母线lbsj,加入到集合lbs中；
27.(2)在电网模型中自动增加等值发电机geng，其连接在低压侧母线lbsj上，并把geng加入到集合gen中，geng代表了低压侧母线lbsj上连接的实际的风机以及svc/statcom等无功补偿设备；
28.(3)返回步骤(1)处理区域内下一个新能源场站内的升压变压器t
j+1
，直至区域内所有的新能源场站的升压变压器都处理完毕；全部自动增加的新能源等值发电机构成集合gen，其元素与集合lbs中的元素一一对应。
29.而且，所述步骤2额具体方法为：
30.(1)从ems采集新能源汇聚区域的运行状态，包括中枢母线pbs
p
电压量测值v
p
、控制母线gbsh的电压量测值vh；
31.(2)获取等值发电机geng的有功无功量测pg、qg：
32.通过拓扑搜索，找到等值发电机geng连接的升压变，若升压变低压侧有量测，则：
[0033][0034][0035]
若升压变低压侧无量测，则：
[0036][0037][0038]
其中，分别表示升压变低压侧有功、低压侧无功、高压侧有功、高压侧无功；
[0039]
(3)计算新能源汇集区域内各等值发电机geng的无功上限无功下限
[0040][0041][0042]
其中，q表示等值发电机所在的新能源场站全场无功出力:
[0043][0044]qinc
、q
dec
分别表示新能源场站全场可增无功、全场可减无功，是由该系能源场站的avc子站实时上送的，其意义为包括新能源场站内全部风机、逆变器以及svc/statcom在内的总无功向上、向下调节能力；si表示等值发电机所对应升压变的额定容量。
[0045]
而且，所述步骤3的具体步骤包括：
[0046]
(1)计算潮流方程雅各比矩阵。极坐标下的电网潮流方程可以表示为：
[0047][0048]
其中，其中ui为母线i电压的幅值，θi为母线i电压的相角，uj为母线j电压的幅值，θj为母线j电压的相角，i表示通过支路与母线i连接的母线j的集合；g
ij
为连接母线i和母线j的支路的电导，b
ij
为支路的电纳。p
gi
为母线i上的有功发电，p
di
为母线i上的有功负荷，q
gi
为母线i的无功发电，q
di
为母线i上的无功负荷。
[0049]
根据牛顿-拉夫逊潮流算法中的雅可比矩阵各个元素则分别为
[0050][0051][0052][0053][0054]
将pi、qi分别展开，求取偏导数
[0055][0056][0057]
可得：j≠i时：
[0058][0059][0060]
j＝i时：
[0061][0062][0063]
利用当前的潮流计算结果和电网模型，代入上述式中，形成常数雅各比矩阵；
[0064]
(2)根据牛顿-拉夫逊潮流算法中的修正公式，构造注入潮流的变化量与母线电压变化量的线性方程：
[0065][0066]
设母线lbsj∈lbs，将上式的右边向量置为：其中δqj＝1；即除了母线lbsj上的注入无功有单位变化量，其变化量为无功注入潮流增长单位1，其他变化量均为0，求解上式得到电网模型各个母线电压的相角变化δθi和幅值变化δui，其中δui即为母线无功注入对区域其他母线i的无功电压灵敏度，即：c
ij
＝δui；按此方法计算集合lbs所有母线的
灵敏度c
ij
；
[0067]
(3)根据步骤(2)得到的c
ij
，可得到c
hg
和c
pg
：
[0068]chg
＝c
ij
，i＝ih，j＝jg[0069]cpg
＝c
ij
，i＝i
p
，j＝jg[0070]
其中ih表示新能源汇集区域内的控制母线，i
p
表示新能源汇集区域内的中枢母线，jg表示新能源场站内自动增加的等值发电机所连接的母线。
[0071]
而且，所述步骤4的具体步骤包括：
[0072]
(1)建立面向新能源汇集区的csvc模型：
[0073][0074][0075]
其中，为avc系统给出的新能源汇集区中枢母线的电压优化目标。为控制母线gbsh的电压上下限值，为中枢母线的电压上下限值；为控制母线的调节步长约束限值；与面向常规水火电厂的csvc模型不同，式中涉及到发电机的变量qg、均是指上述步骤中自动增加的新能源场站等值发电机geng对应的当前无功出力、无功调节上限、下限值，δqg也是指等值发电机geng对应的无功调节量。
[0076]
(2)求解面向新能源汇集区的二次规划优化模型，得到各新能源场站内等值发电机geng的无功调节量δqg；
[0077]
(3)计算新能源区域内各控制母线gbsh的电压调整量：
[0078]
δvh＝c
hg
δqg[0079]
将电压调节量δvh叠加到控制母线的当前电压值vh上，得到控制母线电压的设定值v
hset
；
[0080]vhset
＝vh+δvh[0081]
将v
hset
下发到新能源汇集区域中各新能源场站avc子站，由各avc子站完成场内的无功调节；
[0082]
(4)返回步骤步骤1的第(1)步，直至完成所有新能源汇聚区域的计算。
[0083]
本发明的优点和有益效果：
[0084]
1、本发明提出一种新能源汇集区域的电网二级电压控制方法，针对缺少风机、光伏逆变器的有效等值模型情况，首先构建完整的csvc模型，确定新能源等值发电机的运行状态和无功调节能力，进而计算新能源等值发电机的电压无功灵敏度，建立面向新能源汇
集区域的二次规划(csvc)模型，从而满足新能源汇集区域电压运行的要求。
附图说明
[0085]
图1为本发明的典型的新能源汇集区域电网的结构图；
[0086]
图2是本发明的具体实施方式提供的110kv新能源汇集区域变电站和风电场接线方式图。
具体实施方式
[0087]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0088]
一种新能源汇集区域的电网二级电压控制方法，包括以下步骤：
[0089]
步骤1、在对新能源汇集区进行自动电压控制时，根据新能源汇集区的电网结构自动建立新能源场站内的等值发电机模型，从而构建完整的csvc模型；
[0090]
所述步骤1的完整的csvc模型为：
[0091]
当控制周期到来时，根据新能源场站的变压器模型，自动构建新能源汇聚区域的协调二级电压控制csvc模型：
[0092]
c＝{pbs,gbs,lbs,gen}
[0093]
其中，pbs＝{pbs
p
,p＝1
…
p}为区域中枢母线，即新能源汇集区内的汇集站高压侧220kv母线，对一个新能源汇集区，其中枢母线一般为1条，即p＝1；
[0094]
gbs＝{gbsh,h＝1
…
h}为区域控制母线，即汇集区内各新能源场站并网点母线，一般为110kv或35kv母线；
[0095]
lbs＝{lbsg,g＝1
…
g}为新能源场站内的低压侧母线，一般为35kv或10kv母线
[0096]
gen＝{geng,g＝1
…
g}为汇集区内的新能源场站等值发电机。
[0097]
在上述csvc模型中，pbs、gbs、lbs都是实际存在的物理对象，而gen为自动增加的虚拟等值模型对象。
[0098]
由于ems系统没有风机、光伏逆变器的详细模型，因此在需要自动建立新能源等值发电机模型gen。
[0099]
所述步骤1的新能源场站内的等值发电机模型gen的建立方法是：
[0100]
(1)找到区域内某个新能源场站内的升压变压器tj，其高压侧连接新能源场站的并网母线，也就是控制母线gbsj；根据电网模型拓扑结构找到其低压侧的母线lbsj,加入到集合lbs中。
[0101]
(2)在电网模型中自动增加等值发电机geng，其连接在低压侧母线lbsj上，并把geng加入到集合gen中，geng代表了低压侧母线lbsj上连接的实际的风机以及svc/statcom等无功补偿设备。
[0102]
(3)返回步骤(1)处理区域内下一个新能源场站内的升压变压器t
j+1
，直至区域内所有的新能源场站的升压变压器都处理完毕。全部自动增加的新能源等值发电机构成集合gen，其元素与集合lbs中的元素一一对应。
[0103]
步骤2、通过ems系统采集的新能源场站运行数据自动确定新能源等值发电机的运行状态和无功调节能力；
[0104]
所述步骤2额具体方法为：
[0105]
(1)从ems采集新能源汇聚区域的运行状态，包括中枢母线pbs
p
电压量测值v
p
、控制母线gbsh的电压量测值vh；
[0106]
由于pbs、gbs为实际的电网物理对象，其电压量测值可以直接从ems系统中获取；
[0107]
(2)获取等值发电机geng的有功无功量测pg、qg：
[0108]
通过拓扑搜索，找到等值发电机geng连接的升压变，若升压变低压侧有量测，则：
[0109][0110][0111]
若升压变低压侧无量测，则：
[0112][0113][0114]
其中，分别表示升压变低压侧有功、低压侧无功、高压侧有功、高压侧无功。
[0115]
(3)计算新能源汇集区域内各等值发电机geng的无功上限无功下限
[0116][0117][0118]
其中，q表示等值发电机所在的新能源场站全场无功出力:
[0119][0120]qinc
、q
dec
分别表示新能源场站全场可增无功、全场可减无功，是由该系能源场站的avc子站实时上送的，其意义为包括新能源场站内全部风机、逆变器以及svc/statcom在内的总无功向上、向下调节能力；si表示等值发电机所对应升压变的额定容量。
[0121]
步骤3、通过在线潮流计算结果构建雅各比矩阵，计算新能源等值发电机的电压无功灵敏度；
[0122]
计算灵敏度矩阵，包括增加的等值发电机无功注入对控制母线的电压灵敏度c
hg
和对中枢母线的电压灵敏度c
pg
。
[0123]
所述步骤3的具体步骤包括：
[0124]
(1)计算潮流方程雅各比矩阵。极坐标下的电网潮流方程可以表示为：
[0125][0126]
其中，其中ui为母线i电压的幅值，θi为母线i电压的相角，uj为母线j电压的幅值，θj为母线j电压的相角，i表示通过支路与母线i连接的母线j的集合；g
ij
为连接母线i和母线j的支路的电导，b
ij
为支路的电纳。p
gi
为母线i上的有功发电，p
di
为母线i上的有功负荷，q
gi
为母线i的无功发电，q
di
为母线i上的无功负荷。
[0127]
根据牛顿-拉夫逊潮流算法中的雅可比矩阵各个元素则分别为
[0128][0129][0130][0131][0132]
将pi、qi分别展开，求取偏导数
[0133][0134][0135]
可得：j≠i时：
[0136][0137]
j＝i时：
[0138][0139][0140]
利用当前的潮流计算结果和电网模型，代入上述式中，形成常数雅各比矩阵；
[0141]
(2)根据牛顿-拉夫逊潮流算法中的修正公式，构造注入潮流的变化量与母线电压变化量的线性方程：
[0142][0143]
设母线lbsj∈lbs，将上式的右边向量置为：其中δqj＝1；即除了母线lbsj上的注入无功有单位变化量，其变化量为无功注入潮流增长单位1，其他变化量均为0，求解上式得到电网模型各个母线电压的相角变化δθi和幅值变化δui，其中δui即为母线无功注入对区域其他母线i的无功电压灵敏度，即：c
ij
＝δui。按此方法计算集合lbs所有母线的灵敏度c
ij
。
[0144]
(3)根据步骤(2)得到的c
ij
，可得到c
hg
和c
pg
：
[0145]chg
＝c
ij
，i＝ih，j＝jg[0146]cpg
＝c
ij
，i＝i
p
，j＝jg[0147]
其中ih表示新能源汇集区域内的控制母线，i
p
表示新能源汇集区域内的中枢母线，jg表示新能源场站内自动增加的等值发电机所连接的母线。
[0148]
步骤4、根据步骤2确定新能源等值发电机的运行状态和无功调节能力以及步骤3计算得到的新能源等值发电机的电压无功灵敏度，建立面向新能源汇集区的csvc模型，通过求解面向新能源汇集区的csvc模型得到新能源汇集区域控制母线电压调节目标值，并下发到子站执行，以满足新能源汇集区域的电压控制要求。
[0149]
所述步骤4的具体步骤包括：
[0150]
(1)建立面向新能源汇集区的csvc模型：
[0151][0152][0153]
其中，为avc系统给出的新能源汇集区中枢母线的电压优化目标。为控制母线gbsh的电压上下限值，为中枢母线的电压上下限值；为控制母线的调节步长约束限值；与面向常规水火电厂的csvc模型不同，式中涉及到发电机的变量qg、均是指上述步骤中自动增加的新能源场站等值发电机geng对应的当前无功出力、无功调节上限、下限值，δqg也是指等值发电机geng对应的无功调节量。
[0154]
(2)求解面向新能源汇集区的二次规划优化模型，得到各新能源场站内等值发电机geng的无功调节量δqg；
[0155]
(3)计算新能源区域内各控制母线gbsh的电压调整量：
[0156]
δvh＝c
hg
δqg[0157]
将电压调节量δvh叠加到控制母线的当前电压值vh上，得到控制母线电压的设定值v
hset
；
[0158]vhset
＝vh+δvh[0159]
将v
hset
下发到新能源汇集区域中各新能源场站avc子站，由各avc子站完成场内的无功调节；
[0160]
(4)返回步骤步骤1的第(1)步，直至完成所有新能源汇聚区域的计算。
[0161]
下面通过具体算例，对本发明作进一步说明：
[0162]
本实施例为对一个110kv新能源汇集区域，包括1座220kv变电站，2座风电场，接线方式如图2所示。
[0163]
本实施例的方法包括以下步骤：一般设定新能源汇集区域的控制周期为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。
[0164]
(1)当控制周期到来时，根据新能源场站的变压器模型，自动构建新能源汇聚区域的协调二级电压控制(csvc)模型：
[0165]
c＝{pbs,gbs,lbs,gen}
[0166]
其中，汇集站高压侧只有一条220kv母线，pbs＝{pbs
p
,p＝1}；
[0167]
风电场并网点母线共有2条，gbs＝{gbsh,h＝1,2}；
[0168]
按照以下步骤建立lbs和gen。
[0169]
(1-1)找到区域内风电场1的升压变压器t1，其高压侧连接风电场的并网母线，也就是控制母线gbs1；根据电网模型拓扑结构找到其低压侧的母线lbs1,加入到集合lbs中。
[0170]
(1-2)在电网模型中自动增加等值发电机gen1，其连接在低压侧母线lbs1上，并把gen1加入到集合gen中
[0171]
(1-3)返回步骤(1-1)处理区域内风电场2升压变压器t2。
[0172]
(2)从ems采集新能源汇聚区域的运行状态，v
p
＝231.45kv、v
h1
＝113.72kv、v
h2
＝113.69kv，等值发电机geng的有功无功量测pg、qg获取方法如下：
[0173]
通过拓扑搜索，找到等值发电机geng连接的升压变，此时升压变低压侧有量测，则：
[0174][0175][0176][0177][0178]
(3)计算新能源汇集区域内各等值发电机geng的无功上限无功下限
[0179][0180][0181]
同理求出
[0182]
(4)通过计算机迭代计算灵敏度矩阵c
hg
和c
pg
，结果如下：
[0183][0184][0185]
(5)建立面向新能源汇集区的二次规划优化模型：
[0186][0187][0188]
其中，v
p
＝231.447kv，
[0189]
(6)求解上述步骤(5)的二次规划模型，得到各新能源场站内等值发电机geng的无功调节量δqg；
[0190][0191]
(7)计算新能源区域内各控制母线gbsh的电压调整量：
[0192][0193]
将电压调节量δvh叠加到控制母线的当前电压值vh上，得到控制母线电压的设定值v
hset
；
[0194][0195]
将v
hset
下发到新能源汇集区域中各新能源场站avc子站，由各avc子站完成场内的无功调节；
[0196]
(8)已完成所有新能源汇聚区域的计算。
[0197]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术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，本技术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。
[0198]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、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。
[0199]
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。
[0200]
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。